專利名稱：太陽能熱激勵紅外熱波成像系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有熱激勵的紅外熱波成像無損檢測系統(tǒng)，采用太陽能作為熱激勵源，特別適合于戶外物體的熱波無損檢測。屬于紅外無損檢測的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
具有熱激勵的紅外熱波成像技術(shù)是于近年來發(fā)展迅速的一種新型無損檢測方法，其特點是可以遠距離非接觸、大面積快速檢測，因而特別適合于在線、在役檢測，對于及時發(fā)現(xiàn)各種材料內(nèi)部隱患，減少或避免重大事故的發(fā)生，具有重要的應(yīng)用價值。熱波成像無損檢測基本原理是采用熱激勵源投射到被測物體上，對被檢測區(qū)域進行加熱，使其溫度明顯高于環(huán)境溫度，這個溫度差會引起熱傳導，使熱能從表面向物體內(nèi)部傳導。如果物體內(nèi)部的熱學特性具有非均勻性，比如斷裂或空隙等缺陷，將會影響到熱流道傳播，則被測物體的表面溫度分布便會受到相應(yīng)的影響。利用紅外攝像儀接收來自被加熱區(qū)域的熱輻射，通過分析被測物體紅外圖像隨時間的變化可以得知被測物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及缺陷。熱激勵紅外熱波成像技術(shù)已被有效地運用在各種材料的無損檢測中。相比傳統(tǒng)的無損檢測手段，比如超聲波，渦流，X射線等技術(shù)，熱激勵紅外熱波成像技術(shù)具有獨特的優(yōu)勢。而且這個技術(shù)尤其對復合材料的檢測十分有效。復合材料的運用已成為現(xiàn)代航空航天領(lǐng)域裝備先進性的重要標志之一。隨著各種特殊金屬材料和復合材料在機身、機翼、渦輪葉片、火箭殼體、航空發(fā)動機噴管、渦輪葉片以及機身結(jié)構(gòu)等部位的應(yīng)用，對無損檢測的要求逐步增加。同樣在新能源領(lǐng)域的復合材料應(yīng)用也在快速成長，如風力發(fā)電機的葉片目前主要都是由玻璃纖維填充樹脂材料制成的。通常復合材料是采用多層纖維膠合的方式或蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，具有高強度和重量輕的優(yōu)點。由于在制造和使用的過程中經(jīng)常會產(chǎn)生內(nèi)部缺陷，如分層、脫粘、裂縫等，大大影響了材料的強度和使用壽命。對復合材料的無損檢測雖然可以采用傳統(tǒng)的超聲探傷技術(shù)，但該技術(shù)要求探頭接觸被測物體，逐點掃描，費時費力。對于結(jié)構(gòu)復雜的材料，如蜂窩狀板材，超聲波技術(shù)的檢測則是十分困難。很多無損檢測的需求是在戶外，如風力發(fā)電機的葉片，雷達罩，建筑物，甚全包括飛行器等。這些物體都十分龐大，對于熱激勵紅外熱波成像技術(shù)來說，為了到達較高的檢測速度，需要使用很大的熱激勵功率。以風力發(fā)電機葉片為例，其面積很大，長度可達五、六十米，寬度可在兩米以上。而且葉片材料是約二、三十毫米厚的玻璃纖維復合材料，導熱率很低，熱波成像的時候熱激勵與圖像采集周期很長，為了達到一定檢測速度，系統(tǒng)必須能進行大面積成像，因此熱激勵功率至少在數(shù)千瓦甚至數(shù)萬瓦以上，而且這些熱激勵源應(yīng)當是可以被投射到較遠的距離。雖然激光器是最理想的選擇，因為它特別適合于進行遠距離加熱。但是即使是千瓦級的大功率激光器的價格也十分昂貴，而且精密的光學系統(tǒng)不能承受顛簸，對環(huán)境溫度要求高，同時其耗電量大，需要大量冷卻水，不適合在野外作業(yè)，這些問題嚴重限制了它在戶外的實際應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是針對上述熱波無損檢測技術(shù)的不足，提供一種適合于戶外應(yīng)用的熱波成像無損檢測系統(tǒng)。它采用聚焦太陽能的技術(shù)，有效地解決了現(xiàn)有技術(shù)中大功率熱激勵源不足的問題。其系統(tǒng)具有功率大，性能穩(wěn)定，成本低廉，易于運輸?shù)葍?yōu)點，特別適合野外作業(yè)。按照本發(fā)明提供的技術(shù)方案，其系統(tǒng)包括紅外熱成像儀，數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)，熱激勵源。所述紅外攝像儀用于采集被測物體的熱波圖像，其檢測的敏感波段通常在2-12微米范圍；所述數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)用于對熱波圖像進行處理，并控制整個系統(tǒng)的運行；所述熱激勵源由多個大面積的反射鏡組成，用于將太陽光聚焦并投射到被測物體表面。雖然反射鏡可以采用能聚焦的弧面形狀，但這樣對被測物體的距離有限制，要求在焦距附近。這限制了很多應(yīng)用場合，所以平面鏡是更佳的選擇。每個反射鏡都有獨立的機械調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制鏡面的角度，形成一個陣列反射鏡系統(tǒng)，使得太陽的能量能夠聚集到一起，大幅增加單位面積的加熱能量。地球表面的太陽能每平方米大概在1000瓦左右，如果采用I平方米面積的鏡子組成一個4x4的陣列，則會聚起來的能量可以達到16000瓦左右。并且太陽光基本是準直的，只要鏡面平整，反射光可以投射到很遠的地方。另外相對于激光器只有單一的波長，太陽光具有寬帶光譜，從紫外到紅外，因而對各種光學特性的被測物體都可以有較好的吸收。對些應(yīng)用場合需要比較長的加熱時間，所述太陽能熱激勵系統(tǒng)具有自動跟蹤太陽位置的功能，以保持太陽光一直照射在被測物體的固定部位上。自動跟蹤系統(tǒng)可以在每個反射鏡支架上安裝一個二維調(diào)整裝置，即在兩個方向可以偏轉(zhuǎn)。這種安排的優(yōu)點是所有反射鏡的調(diào)整系統(tǒng)都是統(tǒng)一的設(shè)計，每個調(diào)節(jié)系統(tǒng)只需轉(zhuǎn)動一面反射鏡，負荷低，易于控制。另外一種方法是在每個反射鏡支架上安裝一個一維調(diào)整裝置，用于調(diào)整光斑重疊的距離，即焦點的位置。整個反射鏡陣列作為一個整體進行太陽的跟蹤。這個整體的調(diào)節(jié)需要是在兩個方向的。這樣設(shè)計的優(yōu)點在于在跟蹤太陽時，只有一個調(diào)整機構(gòu)需要控制，光斑重合性不變，當然所需調(diào)整的負載要大很多。當然太陽的移動很慢，需要的驅(qū)動功率不必很高。


圖1為傳統(tǒng)的熱激勵紅外熱波成像無損檢測系統(tǒng)示意圖，采用激光作為熱激勵源。圖2為本發(fā)明的熱波成像無損檢測系統(tǒng)示意圖，采用太陽能熱激勵方式。圖3為一種用于聚焦太陽能的陣列式平面反射鏡組合的示例。圖4為本發(fā)明一種實施方式示意圖，反射鏡矩陣的每個反射鏡具有獨立的二維調(diào)節(jié)機構(gòu)。圖5為本發(fā)明一種實施方式示意圖，反射鏡矩陣可以二維調(diào)節(jié)，每個反射鏡具有獨立的一維調(diào)節(jié)機構(gòu)。圖6為本發(fā)明一種實施方式示意圖，具有自動跟蹤太陽位置的功能。
具體實施例方式下面結(jié)合具體附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。
圖1所示的是一個常規(guī)的熱激勵紅外熱波成像無損檢測系統(tǒng)，激勵源44發(fā)射的光束對被測物體43的待測部位42進行加熱并由此產(chǎn)生熱傳導，所述待測部位42的表面輻射紅外波能量被紅外攝像儀45所接收，所產(chǎn)生的圖像被送到數(shù)據(jù)采集控制單元46進行處理及存儲。圖2所示的是本發(fā)明提出的采用聚焦太陽能作為熱激勵源的外熱波成像無損檢測系統(tǒng)。聚光系統(tǒng)48將太陽能聚焦并反射到被測物體43的待測部位42，所述聚光系統(tǒng)48具有二維調(diào)節(jié)機構(gòu)46，用于跟蹤鎖定太陽的位置，以保持太陽能的光斑一直穩(wěn)定地照射在被檢測部位42。由于反射鏡的面積很大，所以可以采用組合平面鏡的辦法來實現(xiàn)。圖3所示的是一個3x3陣列的平面鏡49組合，其焦斑的尺寸為單個平面鏡49的面積，光照強度是所有平面鏡反射光的疊加，即9倍的太陽光輻照及接近10000瓦的熱激勵功率。根據(jù)被測物體的距離，所述平面鏡陣列具備有改變聚焦點的能力，同時還行跟蹤太陽的功能，因此每個獨立的平面鏡需要有二維調(diào)整的機構(gòu)。圖4所示的是一種實現(xiàn)平面鏡二維調(diào)整的實施例。本發(fā)明的太陽能聚焦系統(tǒng)包括多個平面反射鏡49，每個所述反射鏡49安裝在一個一維俯仰角可調(diào)的支架51上，全部俯仰角可調(diào)支架51被安置在支撐臺52上并形成整齊陣列，反射鏡之間留有少許空隙以便于鏡面的旋轉(zhuǎn)。所述俯仰角可調(diào)支架51的俯仰調(diào)節(jié)方向是正對著反射鏡陣列的中心54。所述支撐臺52連接在一個二維可調(diào)支撐機構(gòu)50上。每個獨立的反射鏡49的偏轉(zhuǎn)角度決定于該反射鏡和整個陣列中心的距離和陣列中心到被加熱區(qū)域的距離。整個陣列形成聚焦效應(yīng)，在焦點的部位焦斑的大小決定于單個反射鏡的尺寸，而光的強度決定于反射鏡的數(shù)量。以圖4為例，如果每個反射鏡的尺寸為I平方米，則在被測物體上將形成一個I平方米大小，光功率在9000多瓦左右的光斑。上述實施例的優(yōu)點在于對物體的聚焦和跟蹤太陽的功能分別調(diào)整，焦斑的光強穩(wěn)定。但是在反射鏡數(shù)量大時，二維可調(diào)支撐機構(gòu)50的負荷會很大。為此，圖5展示另一種實現(xiàn)平面鏡二維調(diào)整的實施例。每個獨立的反射鏡49都安裝在二維可調(diào)支撐機構(gòu)55上，全部二維可調(diào)支撐機構(gòu)55安置在支撐基板52上并形成整齊陣列。每個反射鏡49的角度調(diào)節(jié)需要同時滿足聚焦被測物體和跟蹤太陽的要求。其優(yōu)點在于每個二維可調(diào)支撐機構(gòu)55只承擔一個反射鏡的偏轉(zhuǎn)，負荷低，而且所有反射鏡的二維可調(diào)支撐機構(gòu)55都完全相同，有利于生產(chǎn)安裝。太陽跟蹤技術(shù)目前發(fā)展的十分成熟，有很多方式可以采用。圖6所示的是采用可見光攝像機58的輔助跟蹤系統(tǒng)。所述可見光攝像機58不斷地采集被測物體43和太陽能聚焦的光斑42的圖像，比較光斑相對于被測物體的移動，計算出偏移量再通過控制二維可調(diào)支撐機構(gòu)50糾正光斑位置的偏差。
權(quán)利要求
1.一種紅外熱波成像無損檢測系統(tǒng)，包括紅外攝像儀(45)，熱激勵源，及數(shù)據(jù)采集控制單元(46)，其特征是:所述熱激勵源采用聚焦太陽能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紅外熱波成像無損檢測系統(tǒng)，其特征是:所述聚焦太陽能熱激勵源(48)具有自動跟蹤太陽移動的功能，使得所述聚焦太陽能熱激勵源(48)的焦點在被測物體上不因太陽移動而發(fā)生偏移。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紅外熱波成像無損檢測系統(tǒng)，其特征是:所述聚焦太陽能熱激勵源(48)包括至少可以在一維方向進行調(diào)節(jié)的基座(50)，所述基座(50)上設(shè)有支撐臺(52)，所述支撐臺(52)上設(shè)有多個反射鏡(49);每個所述反射鏡(49)具有獨立的至少可以在一維方向俯仰調(diào)節(jié)的機構(gòu)(51)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的紅外熱波成像無損檢測系統(tǒng)，其特征是:所述反射鏡(49)為凹面鏡。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的紅外熱波成像無損檢測系統(tǒng)，其特征是:所述反射鏡(49)為平面鏡。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的紅外熱波成像無損檢測系統(tǒng)，其特征是:所述聚焦太陽能熱激勵源(48)自動跟蹤系統(tǒng)進一步包括可見光攝像機(58)。
7.一種太陽能熱激勵紅外熱波成像無損檢測方法，包括如下步驟: a.設(shè)置太陽能聚焦系統(tǒng)(48)，使得每個平面反射鏡(49)的反射光都聚焦在在被測物體的上的待測位置； b.數(shù)據(jù)采集控制單元(46)通過可見光攝像機(58)的圖像，分析所述太陽能的焦點位置相對于待測物體的位移； c.通過調(diào)節(jié)所述聚焦太陽能熱激勵源(48)的偏轉(zhuǎn)方向，使得所述太陽能的焦點在所述被測物體上的位置保持不變； d.數(shù)據(jù)采集控制單元(46)采集紅外熱波圖像并進行處理及儲存。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種采用太陽能進行熱激勵的紅外熱波成像在線無損檢測系統(tǒng)，用于解決戶外熱激勵功率不足的問題。系統(tǒng)包括紅外熱成像儀，太陽能聚焦系統(tǒng)，控制系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理器。具有自動跟蹤太陽移動的功能，特別適用于檢戶外大型物體的內(nèi)部缺陷及結(jié)構(gòu)的紅外熱波無損檢測。
文檔編號G01N21/88GK103175846SQ20131008659
公開日2013年6月26日 申請日期2013年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月19日
發(fā)明者陳力 申請人:南京諾威爾光電系統(tǒng)有限公司