線性調頻超聲波激勵的紅外熱波無損檢測方法與系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種線性調頻超聲波激勵的紅外熱波無損檢測方法與系統(tǒng)，所述方法為：S1、調整超聲波激勵頭與被測樣件的空間位置，打開氣缸壓緊裝置的開關，使超聲波激勵頭與被測樣件表面緊密接觸，由計算機控制信號發(fā)生器產生線性調頻脈沖信號，驅動超聲波發(fā)生器功率放大器，使超聲波的功率按照線性調頻脈沖信號規(guī)律變化；S2、打開超聲波發(fā)生器，采集被測樣件表面熱波信號；S3、對采集的表面熱波信號進行處理，提取表面熱波信號的時頻域特征信息，通過時頻域特征信息集成得到表征材料內部缺陷的特征圖像。所述系統(tǒng)包括超聲波激勵裝置、超聲波發(fā)生器與功率放大器、信號發(fā)生器、焦平面紅外熱像儀及計算機。本發(fā)明實現了對材料內部缺陷的快速、準確檢測。
【專利說明】線性調頻超聲波激勵的紅外熱波無損檢測方法與系統(tǒng)
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種利用超聲紅激勵的紅外熱波檢測手段來實現材料缺陷無損檢測的方法與系統(tǒng)，尤其涉及了一種線性調頻超聲波激勵的紅外熱波無損檢測方法與系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]超聲紅外熱波無損檢測技術是一種以超聲波為激勵源的主動式紅外熱波成像無損檢測技術，該技術可有效的檢測接觸界面類型缺陷，如金屬疲勞裂紋，復合材料分層、脫粘缺陷與硬脆材料裂紋及沖擊損傷等。超聲波在固體中的傳播速度快，衰減小，當與材料內部缺陷發(fā)生相互作用時，將在缺陷區(qū)域產生熱量，利用紅外熱像儀記錄被測樣件表面的溫度信號，通過分析溫度信號的特征信息，確定材料內部的缺陷。超聲紅外鎖相熱像技術是目前應用最廣泛的超聲紅外熱波無損檢測技術之一，該技術能夠克服加熱不均、檢測速度慢等缺點，但該方法溫度信號的信噪比較低。

【發(fā)明內容】

[0003]為了進一步提高超聲紅外熱波無損檢測技術的探測深度、抑制背景噪聲的影響，本發(fā)明提供了一種線性調頻超聲波激勵的紅外熱波無損檢測方法與系統(tǒng)，采用線性調頻脈沖信號對超聲波的強度進行調制，顯著提高了檢測結果的信噪比，提高了缺陷檢測深度，能夠實現對材料內部缺陷的準確可靠檢測。
[0004]本發(fā)明的目的是通過如下技術方案實現的:
一種線性調頻超聲波激勵的紅外熱波無損檢測方法，包括以下步驟:
51、調整超聲波激勵頭與被測樣件的空間位置，打開氣缸壓緊裝置的開關，使超聲波激勵頭與被測樣件表面緊密接觸，利用BNC數據線將信號發(fā)生器的信號輸出通道端口與超聲波發(fā)生器功率放大器的模擬調制信號輸入端口相連，由計算機控制信號發(fā)生器產生線性調頻脈沖信號，驅動超聲波發(fā)生器功率放大器，使超聲波的功率按照線性調頻脈沖信號規(guī)律變化；
52、利用以太網數據線將計算機與焦平面紅外熱像儀連接，打開超聲波發(fā)生器，通過計算機對焦平面紅外熱像儀進行觸發(fā)，采集被測樣件表面熱波信號，記錄至少2?3個周期，為了完整地獲取表面熱波信號的時頻域特征信息，焦平面紅外熱像儀采樣頻率應設置為線性調頻信號最高頻率的5?10倍，將采集到的圖像數據存儲到計算機相應目錄下；
53、對采集的表面熱波信號進行處理，提取表面熱波信號的時頻域特征信息，通過時頻域特征信息集成得到表征材料內部缺陷的特征圖像，實現對樣件內部缺陷及損傷的快速、準確檢測。
[0005]更具體地，以上所述的一種線性調頻超聲波激勵的紅外熱波無損檢測方法，所述的步驟SI中，超聲波激勵頭通過調整裝置調整空間位置，使超聲波激勵頭與被測樣件待激勵區(qū)域表面緊密接觸。
[0006]更具體地，以上所述的一種線性調頻超聲波激勵的紅外熱波無損檢測方法，所述的步驟S2中，通過焦平面紅外熱像儀的觸發(fā)控制可實現積分時間及采樣頻率設置。
[0007]更具體地，以上所述的一種線性調頻超聲波激勵的紅外熱波無損檢測方法，所述的步驟S3中，采用相關算法(時域信號處理分析的常用算法)與希爾伯特變換算法對采集的表面熱波信號進行處理，提取表面熱波信號的時頻域特征信息，以灰度圖的形式顯示特征信息圖像。
[0008]一種線性調頻超聲波激勵的紅外熱波無損檢測系統(tǒng)，包括超聲波激勵裝置、超聲波發(fā)生器與功率放大器、信號發(fā)生器、焦平面紅外熱像儀及計算機，其中:
所述超聲波激勵裝置用以實現超聲波激勵頭位置的調整，它包括超聲波調整臺、氣管、氣壓表、氣缸壓緊裝置、超聲波激勵頭固定架及超聲波激勵頭，氣缸壓緊裝置與超聲波激勵頭相連接，并一同固定在超聲波激勵頭固定架上，超聲波激勵頭固定架放置在超聲波調整臺的水平支撐桿上，可實現3個轉動與2個移動運動，通過氣壓表控制氣壓，并由氣管連接到氣缸壓緊裝置，通過氣缸壓緊裝置使超聲波激勵頭與檢測樣件緊密接觸。所述超聲波調整臺包括工作臺、樣件夾緊裝置、垂直立柱、垂直絲杠、垂直方向鎖緊裝置、水平立柱、水平絲杠及水平方向鎖緊裝置，樣件夾緊裝置和垂直立柱固定在工作臺上，水平立柱與垂直立柱相連，垂直絲杠與垂直方向鎖緊裝置控制水平立柱沿垂直立柱的移動與繞垂直立柱的旋轉，水平絲杠與水平方向鎖緊裝置控制超聲波激勵頭沿水平立柱的移動與繞水平立柱的旋轉。
[0009]所述超聲波發(fā)生器與功率放大器用以驅動超聲波激勵頭產生超聲波振動；
所述信號發(fā)生器用以產生線性調頻信號；
所述焦平面紅外熱像儀用以采集被測試樣的表面熱圖序列；
所述計算機用以控制焦平面紅外熱像儀采集被測試樣表面熱波信號，對采集得到的紅外圖像序列進行相應的處理，提取熱波信號的時頻域特征信息，并形成特征圖像確定缺陷的形狀、尺寸與位置等信息；
所述信號發(fā)生器的信號輸出通道端口與超聲波發(fā)生器功率放大器的模擬調制信號輸入端口相連，計算機分別與焦平面紅外熱像儀和信號發(fā)生器連接，超聲波發(fā)生器功率放大器與超聲波探頭連接。
[0010]本發(fā)明中，采用焦平面紅外熱像儀像素320 X 256，熱靈敏度20mK，全幅最大采樣頻率為170Hz。
[0011]本發(fā)明中，采用超聲波作為激勵源，超聲波頻率17_68kHz，最高功率1500W，最高調制頻率為IOHz。
[0012]本發(fā)明中，采用氣缸壓緊裝置保證超聲波激勵頭與檢測樣件緊密接觸。
[0013]本發(fā)明中，采用超聲波調整臺進行調整超聲波激勵頭的空間位置。
[0014]本發(fā)明中，通過焦平面紅外熱像儀的觸發(fā)控制實現積分時間及采樣頻率設置，完成熱波信號采集。
[0015]本發(fā)明采用線性調頻超聲波作為激勵源，采用相關算法與希爾伯特變換算法提取表面熱波信號時頻域特征信息并進行分析。針對材料內部缺陷，線性調頻超聲波激勵的紅外熱波無損檢測方法，可同時得到的樣件表面熱波信號多個特征信息，顯著提高特征圖像信噪比與對比度。【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為線性調頻超聲波激勵的紅外熱波無損檢測系統(tǒng)示意圖；
圖2為超聲波調整臺不意圖；
圖3為氣缸壓緊裝置示意圖。
【具體實施方式】
[0017]下面結合附圖對本發(fā)明的技術方案作進一步的說明，但并不局限于此，凡是對本發(fā)明技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術方案的精神和范圍，均應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍中。
[0018]如圖1所示，線性調頻超聲波激勵的紅外熱波成像無損檢測方法是利用計算機軟件處理紅外圖像序列實現樣件內部缺陷的無損檢測方法。圖中焦平面紅外熱像儀24與計算機2的以太網接口連接，利用計算機21對焦平面紅外熱像儀24的初始化及圖像顯示進行設置。超聲波探頭27將超聲波注入到被測樣件28表面，信號發(fā)生器20通過信號線19與超聲波功率放大器16相連，控制超聲波功率強度按照線性調頻規(guī)律變化，將超聲波入注入到被測樣件28內，記錄被測樣件28表面產生的表面熱波信號，并提取熱波信號特征信息和形成特征圖像，對特征圖像進行處理與分析，提取被測樣件28內部缺陷特征，實現對被測樣件28內部缺陷及損傷的快速、準確檢測。
[0019]本發(fā)明的具體實施包括三個部分:線性調頻規(guī)律調制的超聲波激勵、焦平面紅外熱像儀采集圖像序列和熱波信號處理與特征圖像分析。
[0020]一、線性調頻規(guī)律調制的超聲波激勵步驟
步驟1:將工作臺1、垂直立柱2、垂直鎖緊裝置3、垂直旋轉把手4、垂直絲杠5、水平立柱6、水平絲杠7、水平鎖緊裝置8與水平旋轉把手16組裝成超聲波探頭調整臺，裝配結果如圖2所示；
步驟2:將被測樣件28固定到樣件夾緊裝置26上，將氣缸15通過氣管13與氣缸壓緊裝置12連接，將超聲波激勵頭28裝配到超聲波激勵頭固定架9上，打開氣缸開關，調節(jié)氣壓表14，使氣壓達到0.2MPa，打開氣缸壓緊裝置開關10，使超聲波激勵頭27壓緊到被測試樣28上；
步驟3:將信號發(fā)生器20的信號輸出端通過信號線19與超聲波發(fā)生器與功率放大器18的模擬調制信號輸入端相連，將信號發(fā)生器20通過USB數據線22與計算機21相連；步驟4:將超聲波換能器11通過電源線17與超聲波發(fā)生器與功率放大器18相連，打開超聲波功率放大器18的電源開關，設置線性調頻脈沖信號參數，實現超聲波激勵頭27產生的超聲波振動的功率按照線性調頻脈沖規(guī)律變化。
[0021]二、焦平面紅外熱像儀采集圖像序列步驟
步驟1:將焦平面紅外熱像儀24固定到調整架25上，通過數據線23與計算機21上的以太網接口連接；
步驟2:利用計算機21完成焦平面紅外熱像儀24的初始化設置及實時圖像顯示，調節(jié)焦平面紅外熱像儀24的調焦鏡頭，保證被測樣件28的待檢測區(qū)域在計算機21的屏幕上清晰可見；
步驟3:打開超聲波功率放大器18的輸出開關，使超聲波激勵頭27產生的超聲波振動功率按線性調頻脈沖規(guī)律激勵被測樣件28 ；
步驟4:對被測樣件28待檢區(qū)域表面產生的熱波信號進行記錄，記錄2?3個周期，為了完整地采集到熱波信號的時頻域特征信息，焦平面紅外熱像儀24采樣頻率應設置為線性調頻信號最高頻率的5?10倍，將采集到的圖像數據存儲到計算機21相應目錄下。
[0022]三、熱波雷達信號處理與特征圖像分析步驟
步驟1:通過計算機編程對對采集的紅外圖像序列進行處理與分析，采用相關算法與希爾伯特變換算法提取熱波信號的時頻域特征信息，形成特征信息圖像；
步驟2:對特征圖像進行處理與分析，提取被測樣件28內部缺陷的特征參數，實現對被測樣件28檢測區(qū)域內部缺陷及損傷的快速、準確檢測。
[0023]四、無損檢測實例
為了說明該方法的實際檢測效果，進行了金屬樣件的無損檢測實驗。
[0024]金屬樣件的無損檢測實驗:制作模擬界面接觸缺陷試樣，缺陷深度為2mm，缺陷直徑為10_。線性調頻激勵參數:功率1500W，線性調頻信號的初始頻率0.1Hz，終止頻率1Hz，脈沖周期為IOs ;焦平面紅外熱像儀的記錄參數:采樣頻率50Hz，采樣時間40s。
[0025]實際檢測結果為:金屬樣件實際檢測的缺陷形狀可準確的識別，與超聲紅外鎖相檢測結果相比，該方法的特征圖像具有更高的信噪比。采用本發(fā)明的方法實現了對樣件內部缺陷及損傷的相對快速、準確檢測。
【權利要求】
1.一種線性調頻超聲波激勵的紅外熱波無損檢測方法，其特征在于所述方法步驟如下: 51、調整超聲波激勵頭與被測樣件的空間位置，打開氣缸壓緊裝置的開關，使超聲波激勵頭與被測樣件表面緊密接觸，利用BNC數據線將信號發(fā)生器的信號輸出通道端口與超聲波發(fā)生器功率放大器的模擬調制信號輸入端口相連，由計算機控制信號發(fā)生器產生線性調頻脈沖信號，驅動超聲波發(fā)生器功率放大器，使超聲波的功率按照線性調頻脈沖信號規(guī)律變化； 52、利用以太網數據線將計算機與焦平面紅外熱像儀連接，打開超聲波發(fā)生器，通過計算機對焦平面紅外熱像儀進行觸發(fā)，采集被測樣件表面熱波信號，將采集到的圖像數據存儲到計算機相應目錄下； 53、對采集的表面熱波信號進行處理，提取表面熱波信號的時頻域特征信息，通過時頻域特征信息集成得到表征材料內部缺陷的特征圖像，實現對樣件內部缺陷及損傷的快速、準確檢測。
2.根據權利要求1所述的線性調頻超聲波激勵的紅外熱波無損檢測方法，其特征在于所述焦平面紅外熱像儀采樣頻率設置為線性調頻信號最高頻率的5?10倍。
3.根據權利要求1所述的線性調頻超聲波激勵的紅外熱波無損檢測方法，其特征在于所述焦平面紅外熱像儀采集被測樣件表面熱波信號時，記錄至少2?3個周期的熱波信號。
4.根據權利要求1、2或3所述的線性調頻超聲波激勵的紅外熱波無損檢測方法，其特征在于所述焦平面紅外熱像儀的像素為320 X 256，熱靈敏度為20mK，全幅最大采樣頻率為170Hz ο
5.根據權利要求1所述的線性調頻超聲波激勵的紅外熱波無損檢測方法，其特征在于所述超聲波頻率為17-68kHz，最高功率為1500W，最高調制頻率為IOHz。
6.一種線性調頻超聲波激勵的紅外熱波無損檢測系統(tǒng)，其特征在于所述系統(tǒng)包括超聲波激勵裝置、超聲波發(fā)生器與功率放大器、信號發(fā)生器、焦平面紅外熱像儀及計算機，其中: 所述超聲波激勵裝置用以實現超聲波激勵頭位置的調整； 所述超聲波發(fā)生器與功率放大器用以驅動超聲波激勵頭產生超聲波振動； 所述信號發(fā)生器用以產生線性調頻信號； 所述焦平面紅外熱像儀用以采集被測試樣的表面熱圖序列； 所述計算機用以控制焦平面紅外熱像儀采集被測試樣表面熱波信號，對采集得到的紅外圖像序列進行處理，提取熱波信號的時頻域特征信息，并形成特征圖像確定缺陷信息。
7.根據權利要求6所述的線性調頻超聲波激勵的紅外熱波無損檢測系統(tǒng)，其特征在于所述超聲波激勵裝置包括超聲波調整臺、氣管、氣壓表、氣缸壓緊裝置、超聲波激勵頭固定架及超聲波激勵頭，氣缸壓緊裝置與超聲波激勵頭相連接，并一同固定在超聲波激勵頭固定架上，超聲波激勵頭固定架放置在超聲波調整臺的水平支撐桿上，氣壓表由氣管連接到氣缸壓緊裝置。
8.根據權利要求7所述的線性調頻超聲波激勵的紅外熱波無損檢測系統(tǒng)，其特征在于所述超聲波調整臺包括工作臺、樣件夾緊裝置、垂直立柱、垂直絲杠、垂直方向鎖緊裝置、水平立柱、水平絲杠及水平方向鎖緊裝置。
【文檔編號】G01N29/14GK103926253SQ201410162687
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年4月22日 優(yōu)先權日:2014年4月22日
【發(fā)明者】劉俊巖, 秦雷, 王揚, 龔金龍 申請人:哈爾濱工業(yè)大學