基于光學(xué)斬波的鎖相熱波成像技術(shù)

，，

(南京諾威爾光電系統(tǒng)有限公司，南京 210046)

隨著現(xiàn)代科學(xué)與工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度不斷加快，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量及安全的要求也越來(lái)越高，產(chǎn)品檢測(cè)的技術(shù)也越來(lái)越受到重視，新的檢測(cè)方法不斷出現(xiàn)并逐步發(fā)展和完善。鎖相熱波成像是近年來(lái)新興的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，在國(guó)際上得到了廣泛的關(guān)注[1-3]。其結(jié)合了熱波成像與數(shù)字鎖相技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，大幅降低了對(duì)熱激勵(lì)源峰值能量的要求，也降低了對(duì)加熱均勻性和表面發(fā)射率一致性的要求，同時(shí)提高了信噪比，檢測(cè)靈敏度和檢測(cè)能力也得到了很大的提高。鎖相熱波成像技術(shù)與材料或構(gòu)件表面的輻射發(fā)生率、環(huán)境條件及構(gòu)件結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)[4-5]，既可作為紅外熱成像無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的補(bǔ)充，也可發(fā)揮其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，對(duì)解決待測(cè)物體表面及內(nèi)部缺陷的檢測(cè)，以及保證產(chǎn)品質(zhì)量安全提供了有效的工具。

德國(guó)、法國(guó)、加拿大等的研究人員都對(duì)鎖相熱波成像技術(shù)進(jìn)行了深入研究。近年來(lái),鎖相熱波成像技術(shù)也受到國(guó)內(nèi)學(xué)者和工程技術(shù)人員的廣泛關(guān)注。馮立春等[6]采用紅外加熱燈作為熱源，結(jié)合信號(hào)發(fā)生器輸出的方波信號(hào)，并采用0.67 Hz鎖相頻率對(duì)涂層涂覆缺陷人工樣品進(jìn)行了檢測(cè)，缺陷清晰可見(jiàn)。趙廷廣等[7]采用法國(guó)Cedip公司開(kāi)發(fā)的鎖相紅外熱成像系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了加筋結(jié)構(gòu)的檢測(cè)，該系統(tǒng)采用鹵素?zé)糇鳛闊嵩?，函?shù)發(fā)生器輸出正弦信號(hào)，采用的鎖相頻率范圍為0.3～0.5 Hz，實(shí)現(xiàn)了對(duì)加筋結(jié)構(gòu)缺陷的檢測(cè)。劉俊巖等[8]采用法國(guó)Cedip公司的鎖相紅外熱成像系統(tǒng)在鎖相頻率為低頻(0.1～0.25 Hz)時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋼板、CFRP(碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料)蒙皮蜂窩夾層及軸瓦缺陷的檢測(cè)，取得了較好的效果。程騰等[9]采用紅外燈作為熱源，函數(shù)發(fā)生器輸出正弦信號(hào)，并采用0.1 Hz鎖相頻率對(duì)囊體布熱合缺陷進(jìn)行檢測(cè)，可以有效識(shí)別該類(lèi)缺陷，具有較高的可靠度和較強(qiáng)的抗干擾能力。周正干等[10]采用鹵素?zé)糇鳛闊嵩?，函?shù)發(fā)生器輸出正弦信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了鎖相頻率范圍為0.001～1 Hz，并采用該系統(tǒng)對(duì)鈦合金蜂窩結(jié)構(gòu)蒙皮脫焊缺陷進(jìn)行了檢測(cè)，取得了較好的檢測(cè)結(jié)果。

目前對(duì)鎖相熱波成像技術(shù)的研究中，大多采用信號(hào)發(fā)生器對(duì)熱源信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。熱源多采用大功率的鹵素?zé)糁?lèi)的紅外光源，但這些熱源的啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)、熱慣性大，無(wú)法實(shí)現(xiàn)高頻率的周期性調(diào)制。激光器雖然可以快速調(diào)制，但由于能量有限及均勻擴(kuò)束的問(wèn)題，無(wú)法實(shí)現(xiàn)大面積熱激勵(lì)。

筆者提出了采用光學(xué)斬波器結(jié)合紅外燈陣列進(jìn)行周期性調(diào)制，紅外燈在較高調(diào)制頻率時(shí)的調(diào)制深度有限，但通過(guò)鎖相系統(tǒng)控制的光學(xué)斬波器可以使調(diào)制深度達(dá)到100%，從而實(shí)現(xiàn)有效的高頻率周期性調(diào)制，并使得調(diào)制頻率范圍得到較大的擴(kuò)展。該系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)單脈沖熱波成像檢測(cè)，斬波器在加熱期間處于靜止，當(dāng)降溫階段開(kāi)始時(shí)，斬波器快速擋住光源，避免了光源余熱對(duì)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生影響，提高了檢測(cè)精度。

鎖相熱波成像技術(shù)在檢測(cè)缺陷時(shí)，存在一個(gè)缺陷對(duì)比度最高的最佳鎖相頻率，或者說(shuō)缺陷檢測(cè)的效果與鎖相調(diào)制頻率相關(guān)。缺陷越淺或材料導(dǎo)熱越快，需要的鎖相頻率越高；相反，缺陷越深、材料導(dǎo)熱越慢，需要的鎖相頻率就越低。因而，具有較高調(diào)制頻率的鎖相熱波成像系統(tǒng)特別適合于諸如涂層、太陽(yáng)能電池、薄金屬板件等的檢測(cè)。

1 鎖相紅外熱波成像原理

鎖相熱波成像技術(shù)有別于脈沖熱波成像技術(shù),其最大的區(qū)別是鎖相技術(shù)中使用的是周期性熱源。其檢測(cè)原理是：對(duì)待測(cè)物體進(jìn)行周期性加熱,若待測(cè)物體內(nèi)部有缺陷,該缺陷對(duì)其上方表面溫度的分布會(huì)產(chǎn)生周期性的影響,因此有缺陷的地方與無(wú)缺陷的地方會(huì)產(chǎn)生振幅與相位差,通過(guò)紅外熱像儀采集物體表面溫度分布并進(jìn)行計(jì)算，達(dá)到識(shí)別缺陷的目的。其本質(zhì)上是通過(guò)信號(hào)相關(guān)的手段對(duì)噪聲進(jìn)行抑制，提取單頻熱響應(yīng)，將微弱信號(hào)從眾多干擾信號(hào)中提取出來(lái)，使得缺陷被檢測(cè)出來(lái)。

鎖相技術(shù)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以通過(guò)增加檢測(cè)周期來(lái)提高信噪比，因此特別適合一些微小缺陷，如裂紋等的檢測(cè)。這些缺陷的熱波響應(yīng)對(duì)試件表面溫度分布的影響小，多數(shù)情況下甚至低于噪聲的影響，通過(guò)熱圖序列很難觀察得到。

設(shè)計(jì)的鎖相熱波成像系統(tǒng)框圖如圖1所示，系統(tǒng)由紅外熱像儀、鎖相控制系統(tǒng)、光學(xué)斬波器、紅外光源、控制與圖像處理系統(tǒng)等組成。通過(guò)鎖相控制模塊調(diào)節(jié)光學(xué)斬波器，將紅外燈的輻射調(diào)制成周期性熱激勵(lì)。光學(xué)斬波器的轉(zhuǎn)動(dòng)速度與鎖相頻率保持同步關(guān)系。斬波器中間的圓孔處安裝了紅外熱像儀，以對(duì)試件表面溫度進(jìn)行采集。該熱激勵(lì)系統(tǒng)還可以級(jí)聯(lián)，即多個(gè)單元同時(shí)使用，以統(tǒng)一調(diào)制頻率與相位，特別適用于大面積的檢測(cè)需求。

鎖相紅外熱成像技術(shù)最終可得到兩張圖像，即振幅圖與相位圖。數(shù)據(jù)可采用FFT(快速傅里葉變換)進(jìn)行處理，一般采用1 024個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)或2 048個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。

圖1 鎖相熱波成像系統(tǒng)框圖

2 鎖相紅外熱波成像理論分析

對(duì)于采用調(diào)制頻率為fe的正弦調(diào)制的光激勵(lì)，其熱激勵(lì)功率密度為[11]

(1)

式中:I(t)為周期性變化的功率密度；I0為熱源的最大加熱功率；fe為熱源激勵(lì)加載頻率;t為時(shí)間。

當(dāng)熱波在試件中傳遞時(shí)，傅里葉熱擴(kuò)散方程可描述該過(guò)程，如式(2)所示。

(2)

式中:k為材料的熱導(dǎo)率；ρ為材料密度;c為材料比熱容。

為了分析周期性熱流在試件中的傳遞過(guò)程，可將方程進(jìn)行簡(jiǎn)化，只考慮熱波沿z方向的傳導(dǎo)，則可以得到正弦規(guī)律變化的熱流在試件中傳遞時(shí)的溫度分布和變化歷程模型的解析方程。

T(z,t)=Tam+ΔT[1-exp(-t/r)]+

Aexp-z/Λ)exp[i2πfet-z/Λ)]

(3)

(4)

式中：Tam為環(huán)境溫度；A為恒定熱流引起的溫度變化量；ΔT為余弦波變化熱流引起的溫度變化量；Λ為熱擴(kuò)散長(zhǎng)度；a為熱擴(kuò)散系數(shù);fe為熱波頻率。

采集頻率為fs，采集數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)為N，則鎖相頻率為

n=1,2,3,4,…,N

(5)

鎖相頻率flock-in與采集頻率、數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)有相對(duì)應(yīng)的固定關(guān)系，不能任意取值。

不同的鎖相頻率對(duì)應(yīng)不同的檢測(cè)深度，檢測(cè)頻率和熱波傳播深度滿(mǎn)足下述關(guān)系

(6)

α=k/(ρ·c)

(7)

式中：μ為熱擴(kuò)散長(zhǎng)度;α為熱擴(kuò)散系數(shù)。

從式(6)可以看出，熱波傳播深度只與熱擴(kuò)散系數(shù)和鎖相頻率有關(guān)，與熱源強(qiáng)度無(wú)關(guān)。因此，在檢測(cè)淺缺陷時(shí)，可采用較高的鎖相頻率；在檢測(cè)深缺陷時(shí)，可采用較低的鎖相頻率。

紅外熱像儀采集N幀數(shù)據(jù)后，每一個(gè)像素點(diǎn)(i,j)對(duì)應(yīng)N個(gè)離散溫度時(shí)間信號(hào)T(i,j)(t)，對(duì)每一個(gè)像素點(diǎn)進(jìn)行FFT變換得到

(8)

φn=arctanImn/Ren)

(9)

(10)

式中：Ren,Imn分別為序列n頻域信號(hào)的實(shí)部和虛部；φn為信號(hào)的相位角；An為信號(hào)的幅度。

最后提取每一個(gè)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)鎖相頻率flock-in的振幅和相位，構(gòu)成振幅圖和相位圖。

3 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)采用的是自主研發(fā)的基于光學(xué)斬波調(diào)制的鎖相熱波成像系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用4個(gè)紅外燈管作為熱激勵(lì)源，燈管呈對(duì)稱(chēng)分布，每個(gè)紅外燈管的功率為500 W,總功率為2 000 W。斬波器由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，每轉(zhuǎn)一圈熱激勵(lì)能量改變4次，斬波頻率可達(dá)100 Hz?？紤]到便攜性，系統(tǒng)集成了非制冷熱像儀，工作波段為7～14 μm，圖像分辨率為384 像素×288 像素，幀頻可調(diào)，采集幀頻最高為100 Hz?？刂啤Ⅱ?qū)動(dòng)、采集、圖像數(shù)據(jù)處理等功能集成在一個(gè)便攜手提箱中，同時(shí)搭配一個(gè)可移動(dòng)支架，使用與移動(dòng)都十分方便。斬波調(diào)制鎖相熱波系統(tǒng)外觀如圖2所示。

該系統(tǒng)為多功能熱波成像無(wú)損檢測(cè)設(shè)備，即具有寬調(diào)制頻率范圍的鎖相熱激勵(lì)與長(zhǎng)周期的脈沖熱激勵(lì)。對(duì)于長(zhǎng)脈沖熱激勵(lì)，斬波器的作用相當(dāng)于快門(mén)，加熱時(shí)處于靜止，加熱結(jié)束開(kāi)始采集前將其快速轉(zhuǎn)動(dòng)到阻擋的位置，避免紅外燈的余熱對(duì)采集信號(hào)造成影響。

圖2 斬波調(diào)制鎖相熱波系統(tǒng)外觀

圖3 太陽(yáng)能電池板外觀

4 檢測(cè)結(jié)果

為了驗(yàn)證基于光學(xué)斬波器的鎖相熱波成像系統(tǒng)的有效性，分別采用不同的鎖相頻率對(duì)不同的試件進(jìn)行了缺陷檢測(cè)。

太陽(yáng)能電池由硅半導(dǎo)體材料集成，通過(guò)吸收太陽(yáng)光并轉(zhuǎn)換成電荷進(jìn)行發(fā)電。在使用過(guò)程中，由于轉(zhuǎn)換效率不能很高，會(huì)有很多熱能產(chǎn)生，因此電池片與背板的黏接質(zhì)量直接影響太陽(yáng)能電池的發(fā)電效率與壽命。太陽(yáng)能電池板外觀如圖3所示(左上、右上、左下、右下分別為編號(hào)是5，6，3，4的太陽(yáng)能電池)，包括4片小硅太陽(yáng)能電池。由于硅太陽(yáng)能電池板厚度大約為0.2 mm，因此采用鎖相方式需要較高的鎖相頻率，試驗(yàn)中熱像儀頻率設(shè)為50 Hz，鎖相頻率為4 Hz，共采集了1 024幀圖像。

圖4所示為硅太陽(yáng)能電池的鎖相熱波檢測(cè)結(jié)果，圖4(a)為振幅圖，圖4(b)為相位圖。從相位圖中可以看出，編號(hào)為5的硅太陽(yáng)能電池中間有一大片黏接質(zhì)量差的區(qū)域，編號(hào)為3，6的硅太陽(yáng)能電池黏接質(zhì)量良好，編號(hào)為4的硅太陽(yáng)能電池左邊出現(xiàn)類(lèi)似圓環(huán)區(qū)域，為黏接質(zhì)量差的區(qū)域。由圖中對(duì)比可以看出，相位圖比振幅圖提供了更多的內(nèi)部缺陷信息。

圖4 硅太陽(yáng)能電池的鎖相熱波檢測(cè)結(jié)果

第二個(gè)試件是有平底孔缺陷的碳纖維復(fù)合材料，材料尺寸為150 mm×100 mm×5.5 mm(長(zhǎng)×寬×高)，平底孔直徑為40 mm，缺陷深度分別為(從左到右)3.9 ，4.7 mm。碳纖維復(fù)合材料平底孔的光學(xué)圖像如圖5所示，其中圖5(a)為正面圖像，即檢測(cè)面，圖5(b)為背面圖像，是平底孔所在面。由于缺陷較深，試驗(yàn)中熱像儀采集頻率為10 Hz，鎖相頻率為0.01 Hz，共采集了2 048幀圖像。

圖5 碳纖維復(fù)合材料平底孔的光學(xué)圖像

圖6為碳纖維復(fù)合材料平底孔鎖相熱波的檢測(cè)結(jié)果，可以看出在這個(gè)調(diào)制頻率下，振幅圖更多地提供了試件表面的信息，而缺陷深度很難檢測(cè)出來(lái)。試件表面的不均勻?qū)ο辔粓D來(lái)說(shuō)干擾不大，從相位圖可以看出，兩個(gè)平底孔缺陷清晰可見(jiàn)，且3.9 mm平底孔比4.7 mm平底孔相位差更大，圖像對(duì)比度更高。

圖6 碳纖維復(fù)合材料平底孔鎖相熱波的檢測(cè)結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

在常規(guī)的鎖相熱波成像檢測(cè)中，由于大功率熱源多采用紅外燈，其啟動(dòng)慢、熱慣性大，很難實(shí)現(xiàn)高頻率調(diào)制。通過(guò)引入光學(xué)斬波器，結(jié)合紅外燈陣列，實(shí)現(xiàn)了對(duì)熱源的高頻率調(diào)制。在此基礎(chǔ)上研發(fā)的鎖相紅外熱成像系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)熱源的寬頻率范圍調(diào)制，適用于多種測(cè)試場(chǎng)合。其既可以實(shí)現(xiàn)鎖相熱波成像，也可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)周期的脈沖熱波成像，且具有快速隔斷光源余熱，達(dá)到降低背景干擾的目的，因而對(duì)熱波成像技術(shù)的推廣應(yīng)用具有較好的價(jià)值。

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