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一款新设备:闪光灯热激励红外热波成像无损检测系统

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发表于 2017-12-19 09:32:10 | 显示全部楼层 |阅读模式
一款新设备:闪光灯热激励红外热波成像无损检测系统
作者:江海军   版权:转载   来源:《无损检测》2017年9期   分类:其他
[导读] 与其他常规无损检测技术相比,具有检测速度快、单次检测面积大、和试件不接触、检测结果以图像形式直观显示等优点,特别适合在役及原位检测,目前已普遍应用于航天航空、国防军工等领域,并开始向轨道交通、新能源等领域普及。
热波成像检测技术与其他常规无损检测技术相比,具有检测速度快、单次检测面积大、和试件不接触、检测结果以图像形式直观显示等优点,特别适合在役及原位检测,目前已普遍应用于航天航空、国防军工等领域,并开始向轨道交通、新能源等领域普及。

红外热波无损检测是一种主动式红外检测技术,其采用热激励源对试件表面进行加热,在热流向试件内部传播的过程中实现对缺陷的检测。按时域进行分类,热激励主要有三种形式:短周期脉冲、长周期脉冲和交变调制。其中,短周期脉冲激励具有分辨率高、反应速度快的优点,特别适合高导热率的样品,如金属、碳纤维等,或者是薄层样品,如蜂窝结构件和各种涂层等,短周期脉冲激励是国际上主流的热激励方法。

采用光热效应实现短周期热激励的方法主要有大能量闪光灯、脉冲激光器与扫描连续激光等,其中大能量闪光灯对便携设备而言更具有实用性。但目前市场上仅有的便携式闪光灯热波无损检测设备的体积大,并由多件设备组合,单人很难操作,加上设备依赖进口,不仅价格昂贵,且受西方国家严格的出口管制。

现在,我们有自主研发的闪光灯热激励红外无损检测系统啦!该系统采用自主研发的高能量闪光灯热激励装置,具有多种闪光能量与脉冲周期控制单元,可搭配各种制冷、非制冷热像仪,采用独特的数据处理算法,使缺陷清晰显示。

根据应用需求,系统可以设计为适合于生产线及实验室的台式设备,以及适合于现场原位检测的便携式设备。


闪光灯激励红外无损检测设备外观

便携式闪光灯热激励红外无损检测系统外观

系统组成

闪光灯热激励红外热波成像无损检测设备结构示意图

闪光灯热激励红外热波成像无损检测设备主要由三部分组成:闪光灯热激励系统、红外图像采集处理系统、用于协调热像仪采集与闪光灯触发时间的同步触发器等。

热激励源

系统采用自主研制的适合热波成像技术的闪光灯系统,具有能量大、体积小、轻便及安全可靠等特点。闪光灯能量由软件系统控制,闪光脉冲宽度连续可调,有3种控制模式:

  • 自由模式:闪光脉冲宽度大,可最大限度释放电容器所储存的能量,适合一些需要高热激励能量的场合,如热吸收差、导热率低及较厚的样品。
  • 固定周期模式:闪光脉冲宽度从1ms起精确可控,适合检测导热率大的样品,如金属试件及蜂窝试件等薄壁制品。
  • 固定能量模式:每次闪光的总能量固定,可自动补偿闪光系统的能量衰变,适合需要精准控制检测过程的场景,如生产线上的质量控制。

红外图像采集

热像仪为热波成像无损检测设备的核心部件,通常分为制冷型和非制冷型。

  • 制冷型热像仪具有较高的图像质量,特别是标志噪声水平的热灵敏度低,热响应速度快,可以运行在较高的帧频下,有利于高速热波成像;同时制冷型热像仪是凝视型电子结构,整幅图像同时采集,有利于后期的图像处理。但是制冷型热像仪的体积大、质量大,且价格昂贵,不利于热波无损检测技术的推广。
  • 非制冷型热像仪的噪声水平较高,通常为制冷型热像仪的2倍。

由于市售的非制冷热像仪都是为常规应用所设计的,在热波成像方面不能最大限度地发挥其潜能,为此研制了适合热波无损检测设备应用的专用热像仪,所有热像仪芯片的功能都可以任意设置,并配合以特别适合热波成像的图像处理及降噪功能。另外,对专用镜头的设计进行优化,大幅增加光通量。

热像仪实测的热灵敏度可优于30mK。为了提高检测信噪比,闪光灯最大闪光能量为12800J,相对于进口设备的最大闪光能量9600J而言,最大闪光能量提高了33.3%,系统的性能得到进一步提高。

图像采集

研制了基于Windows操作系统的软件Therm Pulse,具有热波成像专用的系统控制与多种信号处理功能,界面清新、简单易用、触屏控制、操作方便。可以实现包括闪光能量、触发同步、闪光周期控制、热像仪采集时间、帧频、背景采集等的控制,以及对红外图像的处理、分析等。

闪光灯热激励红外无损检测热图序列示意

在采集热图序列前需要获得背景图像,以利于后续图像处理,闪光过程需要与采集过程保持同步关系,根据试件的不同决定采集帧数(采集帧频×采集时间)。

台式系统

台式闪光灯激励热波成像系统具有高热激励能量、完整图像处理功能的特点,可以选配多种热像仪,包括非制冷、制冷、高分辨率热像仪等。红外热像仪采集得到的红外图像输入到计算机,通过Therm Pulse软件系统进行处理分析。闪光灯电源及控制系统集成在可移动机柜中,系统可采用大屏触摸显示器进行操作,同时也配有键盘鼠标,显示屏的俯仰角度可任意调节。测试单元可以手持操作,但通常安装在测试平台或者助力臂上,以便根据测试对象进行位置与角度的调整。

热激励能量:12800J(最大)
闪光脉冲宽度:1~30ms(可调)
探测器类型:非制冷/制冷焦平面
探测分辨率:384×288(640×512)
最大帧频:100或200Hz(全幅)
检测面积:30cm×40cm
显示器:22英寸触摸屏
尺寸(长×宽×高):39cm×30cm×59cm(检测单元),55cm×55cm×105cm(机柜)
质量:8kg(测试单元),25kg(机柜)
电源:110~220V AC
功耗:600W(最大)
可检测材料:金属、非金属、复合材料

便携式系统

由于热波成像技术具有非接触、快速成像等特点,特别适合于外场的在役原位检测,因此设备的便携性显得十分重要。研制的便携式闪光灯热激励红外热波无损检测设备采用了高度集成的设计,便于单人操作。闪光灯电源由锂电池供电,适合在没有市电的地方使用,一次充电可使用超过百次,电池可更换,不仅安全,还免除了移动设备时到处拖着电缆的烦恼。测试单元集成了闪光灯、图像采集处理及显示等功能,可由单手握持,另外一只手用来操作,也可以安装在三角架上。

热激励能量:6400J(最大)
闪光脉冲宽度:1~30ms(可调)
探测器类型:非制冷焦平面
探测分辨率:384×288
最大帧频:100Hz(全幅)
检测面积:22cm×30cm
显示器:10.4英寸触摸屏
尺寸(长×宽×高):31cm×23.6cm×31cm(检测单元),23cm×20cm×24cm(电源)
质量:2.5kg(测试单元),8.5kg(电源)
电源:110~220V AC/锂电池
可检测材料:金属、非金属、复合材料

检测效果验证

为了验证设备的有效性,对一系列不同材料和结构的试件分别采用台式和便携式系统进行检测。

复合材料

在一块20mm厚平板的背面上有15个不同深度的平底孔,孔径全为20mm,孔底到表面的厚度从1~5mm逐步增大,其中一个孔里注入了水,但没有注满。通过台式设备的检测可以清楚地显示出这些平底孔,并可以分辨出注水的孔,如下图所示,红外热像的图像采集时间为30s,显示图像为第25s处的一阶微分图。

复合材料人工试件检测结果

铝合金

铝板厚20mm,背面分别加工有3行平底孔,每排孔的直径从上到下分别为10,15,20mm,每行孔的底部到上表面的距离从左到右分别为1,2,3,4mm,试件表面涂黑。采用了闪光灯热激励红外无损检测设备对此试件进行检测,从下图可以看到所有孔都清晰可辨。实验时图像采集了10s,图像显示的为0.8s时刻的一阶微分图。

铝合金人工试件检测结果

不锈钢

一个背面开放的不锈钢钎焊蜂窝结构试件,表面不锈钢板厚1.2mm,蜂窝壁厚0.2mm,蜂窝边长5mm。采用便携式闪光灯热激励红外设备对其进行检测,图像显示热波成像技术可以较好地反映焊接情况。经仔细观察后发现,红外图像中蜂窝壁的颜色深浅变化是由钎焊材料的多少所引起的。

不锈钢钎焊蜂窝结构试件检测结果

碳纤维复合材料蜂窝结构

表面碳纤维板的厚度约1.5mm,蜂窝为聚酯纸质结构。采用便携式设备检测,从下图可以看出试件内部的结构,蜂窝形状清晰,其中上部一道深色横条为支撑结构,而左下方的一个深色点为人为注水产生。

碳纤维复合材料蜂窝结构试件检测结果

效果不错!


本文作者:江海军,硕士,在南京诺威尔光电系统有限公司主要从事红外无损检测技术研究工作。
本文节选自《无损检测》2017年9期

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