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CN108169282A - 差动式激光诱导红外热成像无损检测系统及方法 - Google Patents

差动式激光诱导红外热成像无损检测系统及方法 Download PDF

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裴翠祥
邱金星
刘浩晨
陈振茂
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Abstract

本发明提出一种差动式激光诱导红外热成像无损检测系统及方法，该系统由一大功率激光器、一1：1激光分束镜、两同规格凹透镜、一红外热像仪、一图像采集和处理用计算机；其检测方法为：首先用1：1激光分束镜将大功率激光器发出的激光束分成两束相同的孪生子激光束；再用两同规格凹透镜分别将两子激光束扩束并照射到被测工件表面两相邻区域进行加热，形成两相同的热激励区域；采用红外热像仪同时探测并记录两区域温度分布数据；最后对两区域温度分布进行相减运算，当两检测区域内部均无缺陷时，其差值接近于零，当某一区域存在缺陷时，其差值为缺陷引起的温度分布扰动。通过这一方法可以消除由于激光热源分布不均对检测结果造成的干扰，实现对被测工件内部缺陷的高灵敏度探测。

Description

差动式激光诱导红外热成像无损检测系统及方法
技术领域
本发明涉及机械结构及材料内部缺陷的主动红外无损检测方法，具体涉及一种差动式激光诱导红外热成像无损检测方法及系统。
背景技术
红外热成像检测技术采用主动控制加热激发热流在被检物体内部扩散，通过快速热图像采集和基于热波理论图像处理技术实现被测物体内部缺陷检测。该技术具有检测速度块、非接触、适用范围广、结果直观、易于实现自动化和实时观测等诸多优点，具有广阔的应用前景。红外热成像检测加热方式主要有热灯加热、电磁加热、超声加热和激光加热，其中以激光作为热源的激光红外检测技术具有加热区域可控、热量集中、可实现远距离和高精度扫描检测等优点，是一种非常具有发展潜力的新型红外检测技术。此外，相较于传统的热灯加热，激光激励的能量波长单一且与热像仪采集波段相距较远，检测过程中的反射光线不会对检测结果造成干扰。但激光器产生的激光光斑存在能量分布不均，随时间无规律变化、重复性差等现象，严重影响检测图像的质量和对缺陷的识别能力。目前检测中主要采用如下方法解决上述问题：1.通过激光匀光元件来尽可能实现均匀的光斑分布。2.采用缺陷工件与无缺陷工件的两次检测结果进行差分来消除不均匀性。3.提取计算信号不同特征值图(如温度变化率、主成分图等)来增强缺陷对比度。然而，优化匀光元件不能彻底消除激光束能量分布不均的问题，且其在面对激光束能量分布不稳定时效果更差；而同样差分方法在激光束能量分布不稳定、重复性差等情况下也无法适用；特征值图虽然可以一定程度提升图像质量，但对于整体提高缺陷检测能力方面作用有限。
发明内容
为了解决目前激光红外检测中激励光斑的非均匀性和不稳定性导致其检测能力下降等主要问题，本发明提出一种基于差动式激光诱导激励的红外热成像无损检测方法，可以大幅度提高激光红外对于物体内部缺陷的检测能力。
为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种差动式激光诱导红外热成像无损检测系统，包括大功率激光器1、激光分束镜2、反射镜3、第一扩束镜4、第二扩束镜5、红外热像仪6和图像采集和处理用计算机8；所述激光分束镜2与大功率激光器1发出的入射激光束9成45°夹角放置，第一扩束镜4设置在入射激光束9穿过激光分束镜2形成的第一子激光束10的入射方向，反射镜3与入射激光束9被激光分束镜2折射后分成第二子激光束11的入射方向成45°夹角放置，第二扩束镜5设置在第二子激光束11被反射镜3反射后的光路上且位置与第一扩束镜4对称，第一扩束镜4与第二扩束镜5为两相同的扩束镜，并平行布置于红外热像仪6两侧，第一扩束镜4与第二扩束镜5离被测工件7距离相同，从而在被测工件7表面形成两形状、面积和分布相同的加热区域即光斑；第一扩束镜4与第二扩束镜5之间的间距S由检测工件面积与检测需求而定，同时满足S≥2D，D为在被测工件7表面形成的两个光斑的直径；计算机8连接大功率激光器1和红外热像仪6。
所述激光分束镜2为1：1激光分束镜，用于将大功率激光器1发出的激光束分成两相同的孪生子激光束。
所述第一扩束镜4和第二扩束镜5为两相同规格的平凹透镜，焦距为F。
所述差动式激光诱导红外热成像无损检测系统的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：使用大功率激光器1发出一直径为d的入射激光束9，入射到激光分束镜2上；
步骤2：激光分束镜2与入射激光束9成45°夹角放置，透过分束镜后原激光束9被分成为两束孪生子激光束第一子激光束10和第二子激光束11，其波长、光束截面尺寸、横截面上的功率密度分布完全相同，仅出射方向不同；第一子激光束10仍沿原来的方向入射到第一扩束镜4中，第二子激光束11首先沿与原来垂直的方向入射到反射镜3上；由于入射角为45°，经反射后方向与入射方向垂直，并沿与第一子激光束10平行的方向入射到第二扩束镜5中；
步骤3：第一扩束镜4和第二扩束镜5为两相同规格的平凹透镜，焦距为F，分别将两子激光束扩束并照射到距离为L的被测工件7表面，在工件表面形成两个直径为D＝d(F+L)/F的光斑，并采用红外热像仪6对这两个区域进行加热，形成两相同的热激励区域；第一扩束镜4和第二扩束镜5之间的间距S由检测工件面积与检测需求而定，同时满足S≥2D,因此两个加热区域的热源不会重叠干扰；
步骤4：激光激发的同时采用红外热像仪6同时探测并记录两加热区域的温度分布数据，并传输到计算机8上，最后对两区域温度分布进行相减运算得到两区域的温度差异值；当两检测区域内部均无缺陷时，其差值接近于零；当某一区域存在缺陷时，其差值为缺陷引起的温度分布扰动；基于这一温度差异能够对检测区域内部的缺陷进行检测。
本发明通过1：1激光分束镜将激光热源分成两相同的孪生子激光束并照射到被测工件两区域，同时测量两区域在相同热源激励条件下的温度分布差异来进行工件内部缺陷的检测，和直接对一个区域进行激励的方法相比，这一方法可以消除由于激光热源分布不均对检测结果造成的干扰，并且无需对温度图像进行复杂的图像处理过程，因此检测结果具有更高的缺陷对比度与图像纯净度，且结果对缺陷位置与大小等参数具有高精度的显示。
附图说明
图1为基于差动式激光诱导红外热成像的无损检测系统的示意图。
图2为差动式检测的原理图。
图3为使用不均匀激光光斑对被测工件激励时的温度分布示例图。
图4为差分后有缺陷与无缺陷处残余温度分布示例图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，基于差动式激光诱导红外热成像的无损检测系统由待检测工件7、大功率激光器1、1:1的激光分束镜2、反射镜3、两个相同规格的激光扩束镜即第一扩束镜4和第二扩束镜5、红外热像仪6以及图像采集和处理用计算机7组成。
本发明方法的检测原理为：首先用1：1激光分束镜将大功率激光器发出的激光束分成两束相同的孪生子激光束；再用两同规格扩束镜分别将两子激光束扩束并照射到被测工件表面两相邻区域进行加热，形成两相同的热激励区域；采用红外热像仪同时探测并记录两区域温度分布数据；最后对两区域温度分布进行相减运算，当两检测区域内部均无缺陷时，其差值接近于零，当某一区域存在缺陷时，其差值为缺陷引起的温度分布扰动。通过这一方法可以消除由于激光热源分布不均对检测结果造成的干扰，实现对被测工件内部缺陷的探测。该方法相对于传统的激光红外方法，能够实现一种更高灵敏度、高稳定性的内部缺陷的非接触检测方法。
下面结合图1至图4和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
本发明是一种基于差动式激光诱导红外热成像的无损检测方法，具体包括如下步骤：
步骤1：使用大功率激光器1发出一直径为d的入射激光束9，入射到激光分束镜2上。
步骤2：激光分束镜2的分束比为1:1，与入射激光束9成45°夹角放置，透过分束镜后原激光束9被分成为两束孪生子激光束第一子激光束10和第二子激光束11，其波长、光束截面尺寸、横截面上的功率密度分布完全相同，仅出射方向不同。第一子激光束10仍沿原来的方向入射到第一扩束镜4中，第二子激光束11首先沿与原来垂直的方向入射到反射镜3上。由于入射角为45°，经反射后方向与入射方向垂直，并沿与第一子激光束10平行的方向入射到第二扩束镜5中；
步骤3：第一扩束镜4和第二扩束镜5为两相同规格的平凹透镜，焦距为F，分别将两子激光束扩束并照射到距离为L的被测工件7表面，在被测工件7表面形成两个直径为D＝d(F+L)/F的光斑，并采用红外热像仪6对这两个区域进行加热，形成图2中所示的两相同的热激励区域即第一热激励区域12和第二热激励区域13。当第一热激励区域12内部有缺陷14时，由于缺陷区域的热导率远低于周围的材料区域，因此会在缺陷附近产生热量的堆积，从而使这一区域的温度分布产生扰动。第一扩束镜4和第二扩束镜5之间的间距S由检测工件面积与检测需求而定，同时满足S≥2D，因此两个加热区域的热源不会重叠干扰。
步骤4：激光激发的同时采用红外热像仪6同时探测并记录第一热激励区域12和第二热激励区域13的温度分布图像数据序列，并传输到计算机8上。如图3所示，15和16分别为使用不均匀激光光斑加热时第一热激励区域12和第二热激励区域13的表面温度分布图像。通常直接从图像上来看由缺陷引起的温度分布差异并不明显，因此最后对两区域温度分布进行相减运算得到两区域的温度差异值。如图4所示为某一时刻温度差异值分布图，当两检测区域内部均无缺陷时，其差值接近于零；当某一区域存在缺陷时，缺陷引起的温度分布扰动会产生差值17。基于这一温度差异可对检测区域内部的缺陷进行检测。

Claims (4)

1.一种差动式激光诱导红外热成像无损检测系统，其特征在于：包括大功率激光器(1)、激光分束镜(2)、反射镜(3)、第一扩束镜(4)、第二扩束镜(5)、红外热像仪(6)和图像采集和处理用计算机(8)；所述激光分束镜(2)与大功率激光器(1)发出的入射激光束(9)成45°夹角放置，第一扩束镜(4)设置在入射激光束(9)穿过激光分束镜(2)形成的第一子激光束(10)的入射方向，反射镜(3)与入射激光束(9)被激光分束镜(2)折射后分成第二子激光束(11)的入射方向成45°夹角放置，第二扩束镜(5)设置在第二子激光束(11)被反射镜(3)反射后的光路上且位置与第一扩束镜(4)对称，第一扩束镜(4)与第二扩束镜(5)为两相同的扩束镜，并平行布置于红外热像仪(6)两侧，第一扩束镜(4)与第二扩束镜(5)离被测工件(7)距离相同，从而在被测工件(7)表面形成两形状、面积和分布相同的加热区域即光斑；第一扩束镜(4)与第二扩束镜(5)之间的间距S由检测工件面积与检测需求而定，同时满足S≥2D，D为在被测工件(7)表面形成的两个光斑的直径；计算机(8)连接大功率激光器(1)和红外热像仪(6)。
2.根据权利要求1所述的差动式激光诱导红外热成像无损检测系统，其特征在于：所述激光分束镜(2)为1：1激光分束镜，用于将大功率激光器(1)发出的激光束分成两相同的孪生子激光束。
3.根据权利要求1所述的差动式激光诱导红外热成像无损检测系统，其特征在于：所述第一扩束镜(4)和第二扩束镜(5)为两相同规格的平凹透镜，焦距为F。
4.权利要求1或3所述差动式激光诱导红外热成像无损检测系统的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：使用大功率激光器(1)发出一直径为d的入射激光束(9)，入射到激光分束镜(2)上；
步骤2：激光分束镜(2)与入射激光束(9)成45°夹角放置，透过分束镜后原激光束(9)被分成为两束孪生子激光束第一子激光束(10)和第二子激光束(11)，其波长、光束截面尺寸、横截面上的功率密度分布完全相同，仅出射方向不同；第一子激光束(10)仍沿原来的方向入射到第一扩束镜(4)中，第二子激光束(11)首先沿与原来垂直的方向入射到反射镜(3)上；由于入射角为45°，经反射后方向与入射方向垂直，并沿与第一子激光束(10)平行的方向入射到第二扩束镜(5)中；
步骤3：第一扩束镜(4)和第二扩束镜(5)为两相同规格的平凹透镜，焦距为F，分别将两子激光束扩束并照射到距离为L的被测工件(7)表面，在被测工件(7)表面形成两个直径为D＝d(F+L)/F的光斑，并采用红外热像仪(6)对这两个区域进行加热，形成两相同的热激励区域；第一扩束镜(4)和第二扩束镜(5)之间的间距S由检测工件面积与检测需求而定，同时满足S≥2D,因此两个加热区域的热源不会重叠干扰；
步骤4：激光激发的同时采用红外热像仪(6)同时探测并记录两加热区域的温度分布数据，并传输到计算机(8)上，最后对两区域温度分布进行相减运算得到两区域的温度差异值；当两检测区域内部均无缺陷时，其差值接近于零；当某一区域存在缺陷时，其差值为缺陷引起的温度分布扰动；基于这一温度差异能够对检测区域内部的缺陷进行检测。
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