一种柱面涂层热波成像无损检测方法技术

本发明专利技术涉及一种用于柱面试件表面涂层的热波成像无损检测方法，系统采用高功率线状激光束对试件表面进行热激励，试件安置在一旋转承载台上，由扫描控制单元驱动进行匀速同轴旋转，红外热像仪连续采集经激光热激励后的试件表面热波图像，再根据试件旋转速度和热像仪的帧频对所采集图像中试件位置的移动进行校正，并得到热波信号随时间变化曲线，进而计算出涂层的厚度等信息。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于热波成像技术的涂层厚度检测方法，特别是针对在柱面部件表面的涂层检测，属红外无损检测

技术介绍
随着科学技术的快速发展，涂层与薄膜的应用越来越广泛，特别是在航空航天领域，由于部件的工作条件往往都极端恶劣，如高温或腐蚀环境，因此一些如热障或防腐特殊涂层显得十分重要。目前工业界对膜层厚度的测量和涂层粘合质量的检测提出了更高的要求，除了准确性和可靠性，还要求可在线、非接触、实时检测等等。目前在膜层厚度的检测中所使用的常规方法主要包括涡流、超声、X射线、探针法和光学法等，但这些方法不能完全满足现代工业对膜厚测量的要求，如涡流法对衬底材料性质有特定要求，要求导电;超声法需要使用耦合剂，有接触，并且不能有效的测量薄的膜层;X射线要求样品必须是可进行透射检测，并且有特殊安全防护的要求;探针法属接触型的检测，要求有台阶，可能会伤害样品；而光学法要求膜层必须是透明介质，且具有很高的光洁度，等等。由于目前很多涂层的具有厚度薄、非透明、表面粗糙、脆弱易受损等特性，因此需要采用更先进的技术手段以满足这些膜层的检测。热波成像技术是近代发展起来的一项无损检测手段，其基本原理是采用热激励源对试件表面进行加热来产生热脉冲，该热脉冲向试件内部传播而形成热波，当热波在试件内部遇到缺陷或者热阻抗有变化的地方时，部分热能就会发生反射而回到试件的表面，使得试件表面的温度形成动态的分布。采用红外热像仪记录试件表面温度随时间变化的信息，再通过图像处理手段对热波信号进行校正、处理和分析，实现对膜层厚度的检测。相比传统的无损检测手段，热波成像技术具有独特的优势，比如非接触、大面积快速成像、适合非透明涂层等，特别是对材料的热学性质敏感的特性使其尤其适合于热障涂层的检测，可以满足现代工业、特别是航空工业对特殊涂层的检测需求。热波成像技术采用红外热像仪采集热波图像，因此要求被测试件表面相对比较平整，以利于清晰成像。但在实际应用中，很多部件的形状不规则，特别是航空发动机相关的部件很多都是鼓形或柱面形状的。虽然可以通过逐步旋转部件，采集多幅图像最后拼接起来的方法，但这样不仅费时费事，而且由于每幅图像依然存在着一定的曲面，图像会在局部因曲面而发生形变和热波信号的变化，因此检测效果不尽理想。
技术实现思路
本专利技术的目的就是针对目前热波成像对柱面部件表面涂层检测技术的不足，提出一种改进的检测装置。具体方法为:采用线状激光束对试件表面进行热激励，试件则安置在一旋转承载台上，该旋转承载台带动试件由扫描控制单元控制进行匀速且同轴旋转，红外热像仪连续采集经激光热激励后的试件表面图像。由于试件不停的转动，在采集的热像仪图像中每帧中试件的位置是不一样的，根据试件旋转速度和热像仪的帧频对这种位置的移动进行校正，就可以得到该试件表面的热波信号对应于不同时刻的值。绘出该信号随时间的变化曲线，便可计算出涂层的厚度等信息。【附图说明】图1为热波成像原理示意图； 图2为本专利技术的一种实施方式； 图3为一种旋转承载台示意图； 图4为本专利技术另一种实施方式； 图5为一种检测原理示意图。【具体实施方式】为了使本专利技术的原理及特点得到更好的理解，以下将结合具体实施例与附图对本专利技术做进一步的说明。图1所示的是热波成像无损检测的基本原理，短脉冲光辐射10对样品表面11进行短周期的加热，产生脉冲热波15向样品内部传播，当遇到涂层12和基板13的界面14时，会有一部分反射热波17被反射到样品表面，反射回来的时间、强度等和膜层的厚度及两种材料的物理特性相关。如果界面14处的粘合有缺陷16时，将会产生更强的反射信号，因此通过分析样品表面11温度随时间的变化便可以得知界面处粘合的状况。图2所示的是一种用于检测柱面涂层的热波成像装置实施方式示意图。其中的高功率激光器21是用于在被测试件24的表面激励热波，其输出的激光束28经光束整形装置22，使得在试件表面形成线状光斑23。试件24安置在旋转承载台26上，在旋转承载台26的带动下被测试件24围绕柱面的中轴匀速转动。高功率激光器21可以是连续功率输出，由于柱面试件在不停地旋转，因此对于试件表面上固定一点而言，受激光束28热激励的时间是短暂的，由此实现了脉冲热激励的目的。红外热像仪25用于采集被测试件24表面的热波图像，并将采集的热波图像送到数据处理单元20进行处理分析。扫描控制单元27主要用于控制旋转承载台26与红外热像仪25之间的同步关系，以达到最优的检测结果。例如当热像仪芯片上的试件影像在连续两帧之间所移动的距离正好为热像仪像素行的整数倍时，这时信号的噪声比较小。—种简单的旋转承载台26的结构如图3所示，它由承载支架31、旋转平台32和夹持头33所组成，承载支架31用于支撑整个旋转承载台，上面分别安置着旋转平台32和夹持头33，通过夹持头33支撑并固定被测试件24，使其随旋转平台32—起做同轴旋转，旋转平台32的运动受扫描控制单元27的驱动。对于柱面试件内表面的检测可以通过增加一个反射镜来简单实现，如图4所示，通过反射镜40的折射，激光束到达柱面试件的内表面，同样该反射镜40可以对红外辐射进行反射，使其到达热像仪25。通常热激励的波长在I微米以下，而可检测的红外辐射波长范围通常在3-22微米，采用镀金膜就可以同时实现对激光束28和红外信号折射的目的。如图5(a)所示，激光束23处于固定位置而试件在连续旋转，试件表面的固定一点在连续采集的热波图像中的位置连续移动，如图5(b)所示，激光束23所加热的区域在三帧图像30中将分别处在a、b、c三个位置。在图像处理时，要从各帧图像中将对应试件表面各点的热波信号提取出来，再将其顺序排列起来并用相应于该涂层的热波理论公式对其加以拟合，如图5(c)所示，从而得到试件表面涂层的各种物理参数，如厚度及粘合质量等。综上所述，一种用于检测柱面涂层的热波成像方法，包括以下步骤: a.将被测试件24安置在旋转承载台26上，该旋转承载台26带动被测试件24围绕柱面中心轴做匀速转动； b.采用线状激光束23对被测试件24表面进行热激励； c.采用红外热像仪25对被测试件24的表面采集热波序列图像； d.对应于被测试件24表面的每个点，从每帧热波序列图像中提取对应的热波信号，并按时间顺序排列起来，得到一条热波信号随时间变化的曲线； e.利用理论模型公式对该热波信号随时间变化曲线进行拟合，得到被测试件24的涂层物理特征，包括厚度及粘合质量等。以上说明都是以涂层作为叙述对象，但同样运行及检测原理适用于柱面试件内部缺陷的检测及探伤。同时本说明书在叙述中采用线状激光束作为热激励源，也可以采用其它形状的激光束，如点状。以上对本专利技术的描述为说明性的，而非限制性，在权利要求书的范围中对其进行修改、变化及等效，都将落于本专利技术的保护范围。【主权项】1.一种用于检测柱面涂层的热波成像装置，其特征在于所述装置包括: 高功率激光器(21)，所述高功率激光器(21)用于对被测试件(24)表面激励热波； 光束整形装置(22)，所述光束整形装置(22)使得激光束在被测试件(24)表面形成线状光斑； 红外热像仪(25)，所述红外热像仪(25)用于采集被测试件(24)表面的热波图像； 数据处理单元(20)，所本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于检测柱面涂层的热波成像装置，其特征在于所述装置包括：高功率激光器（21），所述高功率激光器（21）用于对被测试件（24）表面激励热波；光束整形装置（22），所述光束整形装置（22）使得激光束在被测试件（24）表面形成线状光斑；红外热像仪（25），所述红外热像仪（25）用于采集被测试件（24）表面的热波图像；数据处理单元（20），所述数据处理单元（20）用于对所述红外热像仪（25）采集的热波图像进行处理分析；旋转承载台（26），所述旋转承载台（26）用于带动所述被测试件（24）围绕柱面中心匀速转动；扫描控制单元（27），所述扫描控制单元（27）用于控制所述旋转承载台（26）与所述红外热像仪（25）之间的同步关系。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：苏清风，邢建湘，宋扬民，陈力，
申请(专利权)人：南京诺威尔光电系统有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32