一種柱面涂層熱波成像無損檢測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于熱波成像技術(shù)的涂層厚度檢測方法，特別是針對在柱面部件表面的涂層檢測，屬紅外無損檢測技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，涂層與薄膜的應(yīng)用越來越廣泛，特別是在航空航天領(lǐng)域，由于部件的工作條件往往都極端惡劣，如高溫或腐蝕環(huán)境，因此一些如熱障或防腐特殊涂層顯得十分重要。目前工業(yè)界對膜層厚度的測量和涂層粘合質(zhì)量的檢測提出了更高的要求，除了準(zhǔn)確性和可靠性，還要求可在線、非接觸、實時檢測等等。目前在膜層厚度的檢測中所使用的常規(guī)方法主要包括渦流、超聲、X射線、探針法和光學(xué)法等，但這些方法不能完全滿足現(xiàn)代工業(yè)對膜厚測量的要求，如渦流法對襯底材料性質(zhì)有特定要求，要求導(dǎo)電;超聲法需要使用耦合劑，有接觸，并且不能有效的測量薄的膜層;X射線要求樣品必須是可進(jìn)行透射檢測，并且有特殊安全防護(hù)的要求;探針法屬接觸型的檢測，要求有臺階，可能會傷害樣品；而光學(xué)法要求膜層必須是透明介質(zhì)，且具有很高的光潔度，等等。由于目前很多涂層的具有厚度薄、非透明、表面粗糙、脆弱易受損等特性，因此需要采用更先進(jìn)的技術(shù)手段以滿足這些膜層的檢測。
[0003]熱波成像技術(shù)是近代發(fā)展起來的一項無損檢測手段，其基本原理是采用熱激勵源對試件表面進(jìn)行加熱來產(chǎn)生熱脈沖，該熱脈沖向試件內(nèi)部傳播而形成熱波，當(dāng)熱波在試件內(nèi)部遇到缺陷或者熱阻抗有變化的地方時，部分熱能就會發(fā)生反射而回到試件的表面，使得試件表面的溫度形成動態(tài)的分布。采用紅外熱像儀記錄試件表面溫度隨時間變化的信息，再通過圖像處理手段對熱波信號進(jìn)行校正、處理和分析，實現(xiàn)對膜層厚度的檢測。相比傳統(tǒng)的無損檢測手段，熱波成像技術(shù)具有獨特的優(yōu)勢，比如非接觸、大面積快速成像、適合非透明涂層等，特別是對材料的熱學(xué)性質(zhì)敏感的特性使其尤其適合于熱障涂層的檢測，可以滿足現(xiàn)代工業(yè)、特別是航空工業(yè)對特殊涂層的檢測需求。
[0004]熱波成像技術(shù)采用紅外熱像儀采集熱波圖像，因此要求被測試件表面相對比較平整，以利于清晰成像。但在實際應(yīng)用中，很多部件的形狀不規(guī)則，特別是航空發(fā)動機(jī)相關(guān)的部件很多都是鼓形或柱面形狀的。雖然可以通過逐步旋轉(zhuǎn)部件，采集多幅圖像最后拼接起來的方法，但這樣不僅費時費事，而且由于每幅圖像依然存在著一定的曲面，圖像會在局部因曲面而發(fā)生形變和熱波信號的變化，因此檢測效果不盡理想。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的就是針對目前熱波成像對柱面部件表面涂層檢測技術(shù)的不足，提出一種改進(jìn)的檢測裝置。具體方法為:采用線狀激光束對試件表面進(jìn)行熱激勵，試件則安置在一旋轉(zhuǎn)承載臺上，該旋轉(zhuǎn)承載臺帶動試件由掃描控制單元控制進(jìn)行勻速且同軸旋轉(zhuǎn)，紅外熱像儀連續(xù)采集經(jīng)激光熱激勵后的試件表面圖像。由于試件不停的轉(zhuǎn)動，在采集的熱像儀圖像中每幀中試件的位置是不一樣的，根據(jù)試件旋轉(zhuǎn)速度和熱像儀的幀頻對這種位置的移動進(jìn)行校正，就可以得到該試件表面的熱波信號對應(yīng)于不同時刻的值。繪出該信號隨時間的變化曲線，便可計算出涂層的厚度等信息。
【附圖說明】
[0006]圖1為熱波成像原理示意圖；
圖2為本發(fā)明的一種實施方式；
圖3為一種旋轉(zhuǎn)承載臺示意圖；
圖4為本發(fā)明另一種實施方式；
圖5為一種檢測原理示意圖。
【具體實施方式】
[0007]為了使本發(fā)明的原理及特點得到更好的理解，以下將結(jié)合具體實施例與附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。
[0008]圖1所示的是熱波成像無損檢測的基本原理，短脈沖光輻射10對樣品表面11進(jìn)行短周期的加熱，產(chǎn)生脈沖熱波15向樣品內(nèi)部傳播，當(dāng)遇到涂層12和基板13的界面14時，會有一部分反射熱波17被反射到樣品表面，反射回來的時間、強(qiáng)度等和膜層的厚度及兩種材料的物理特性相關(guān)。如果界面14處的粘合有缺陷16時，將會產(chǎn)生更強(qiáng)的反射信號，因此通過分析樣品表面11溫度隨時間的變化便可以得知界面處粘合的狀況。
[0009]圖2所示的是一種用于檢測柱面涂層的熱波成像裝置實施方式示意圖。其中的高功率激光器21是用于在被測試件24的表面激勵熱波，其輸出的激光束28經(jīng)光束整形裝置22，使得在試件表面形成線狀光斑23。試件24安置在旋轉(zhuǎn)承載臺26上，在旋轉(zhuǎn)承載臺26的帶動下被測試件24圍繞柱面的中軸勻速轉(zhuǎn)動。高功率激光器21可以是連續(xù)功率輸出，由于柱面試件在不停地旋轉(zhuǎn)，因此對于試件表面上固定一點而言，受激光束28熱激勵的時間是短暫的，由此實現(xiàn)了脈沖熱激勵的目的。紅外熱像儀25用于采集被測試件24表面的熱波圖像，并將采集的熱波圖像送到數(shù)據(jù)處理單元20進(jìn)行處理分析。掃描控制單元27主要用于控制旋轉(zhuǎn)承載臺26與紅外熱像儀25之間的同步關(guān)系，以達(dá)到最優(yōu)的檢測結(jié)果。例如當(dāng)熱像儀芯片上的試件影像在連續(xù)兩幀之間所移動的距離正好為熱像儀像素行的整數(shù)倍時，這時信號的噪聲比較小。
[0010]—種簡單的旋轉(zhuǎn)承載臺26的結(jié)構(gòu)如圖3所示，它由承載支架31、旋轉(zhuǎn)平臺32和夾持頭33所組成，承載支架31用于支撐整個旋轉(zhuǎn)承載臺，上面分別安置著旋轉(zhuǎn)平臺32和夾持頭33，通過夾持頭33支撐并固定被測試件24，使其隨旋轉(zhuǎn)平臺32—起做同軸旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)平臺32的運(yùn)動受掃描控制單元27的驅(qū)動。
[0011]對于柱面試件內(nèi)表面的檢測可以通過增加一個反射鏡來簡單實現(xiàn)，如圖4所示，通過反射鏡40的折射，激光束到達(dá)柱面試件的內(nèi)表面，同樣該反射鏡40可以對紅外輻射進(jìn)行反射，使其到達(dá)熱像儀25。通常熱激勵的波長在I微米以下，而可檢測的紅外輻射波長范圍通常在3-22微米，采用鍍金膜就可以同時實現(xiàn)對激光束28和紅外信號折射的目的。
[0012]如圖5(a)所示，激光束23處于固定位置而試件在連續(xù)旋轉(zhuǎn)，試件表面的固定一點在連續(xù)采集的熱波圖像中的位置連續(xù)移動，如圖5(b)所示，激光束23所加熱的區(qū)域在三幀圖像30中將分別處在a、b、c三個位置。在圖像處理時，要從各幀圖像中將對應(yīng)試件表面各點的熱波信號提取出來，再將其順序排列起來并用相應(yīng)于該涂層的熱波理論公式對其加以擬合，如圖5(c)所示，從而得到試件表面涂層的各種物理參數(shù)，如厚度及粘合質(zhì)量等。
[0013]綜上所述，一種用于檢測柱面涂層的熱波成像方法，包括以下步驟:
a.將被測試件24安置在旋轉(zhuǎn)承載臺26上，該旋轉(zhuǎn)承載臺26帶動被測試件24圍繞柱面中心軸做勻速轉(zhuǎn)動；
b.采用線狀激光束23對被測試件24表面進(jìn)行熱激勵；
c.采用紅外熱像儀25對被測試件24的表面采集熱波序列圖像；
d.對應(yīng)于被測試件24表面的每個點，從每幀熱波序列圖像中提取對應(yīng)的熱波信號，并按時間順序排列起來，得到一條熱波信號隨時間變化的曲線；
e.利用理論模型公式對該熱波信號隨時間變化曲線進(jìn)行擬合，得到被測試件24的涂層物理特征，包括厚度及粘合質(zhì)量等。
[0014]以上說明都是以涂層作為敘述對象，但同樣運(yùn)行及檢測原理適用于柱面試件內(nèi)部缺陷的檢測及探傷。同時本說明書在敘述中采用線狀激光束作為熱激勵源，也可以采用其它形狀的激光束，如點狀。
[0015]以上對本發(fā)明的描述為說明性的，而非限制性，在權(quán)利要求書的范圍中對其進(jìn)行修改、變化及等效，都將落于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項】
1.一種用于檢測柱面涂層的熱波成像裝置，其特征在于所述裝置包括: 高功率激光器(21)，所述高功率激光器(21)用于對被測試件(24)表面激勵熱波； 光束整形裝置(22)，所述光束整形裝置(22)使得激光束在被測試件(24)表面形成線狀光斑； 紅外熱像儀(25)，所述紅外熱像儀(25)用于采集被測試件(24)表面的熱波圖像； 數(shù)據(jù)處理單元(20)，所述數(shù)據(jù)處理單元(20)用于對所述紅外熱像儀(25)采集的熱波圖像進(jìn)行處理分析； 旋轉(zhuǎn)承載臺(26)，所述旋轉(zhuǎn)承載臺(26)用于帶動所述被測試件(24)圍繞柱面中心勻速轉(zhuǎn)動； 掃描控制單元(27)，所述掃描控制單元(27)用于控制所述旋轉(zhuǎn)承載臺(26)與所述紅外熱像儀(25)之間的同步關(guān)系。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于檢測柱面涂層的熱波成像裝置，所述旋轉(zhuǎn)承載臺(26)包括: 承載支架(31)，所述承載支架(31)用于支撐整個旋轉(zhuǎn)承載臺； 旋轉(zhuǎn)平臺(32)，所述旋轉(zhuǎn)平臺(32)安置在所述承載支架(31)上，用于帶動所述被測試件(24)進(jìn)行勻速旋轉(zhuǎn)； 夾持頭(33)，所述夾持頭(33)用于支撐所述被測試件(24)并隨所述旋轉(zhuǎn)平臺(32)進(jìn)行同軸旋轉(zhuǎn)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于檢測柱面涂層的熱波成像裝置，進(jìn)一步包括折轉(zhuǎn)反射鏡(40)，所述折轉(zhuǎn)反射鏡(40)用于折轉(zhuǎn)激光束及所述紅外熱像儀(25)的視場，以利于檢測柱面試件的內(nèi)側(cè)表面。4.一種用于檢測柱面涂層的熱波成像方法，其特征在于所述方法包括: 將被測試件(24)安置在旋轉(zhuǎn)承載臺(26)上，所述旋轉(zhuǎn)承載臺(26)帶動所述被測試件(24)圍繞柱面中心做勻速轉(zhuǎn)動； 采用線狀激光束(23)對所述被測試件(24)表面進(jìn)行熱激勵； 采用紅外熱像儀(25)對所述被測試件(24)表面采集熱波序列圖像； 對應(yīng)于所述被測試件(24)表面的每個點，從每幀所述熱波序列圖像中提取對應(yīng)的熱波信號，并按時間順序排列起來，得到一條熱波信號隨時間變的化曲線； 利用理論模型公式對所述熱波信號隨時間變化曲線進(jìn)行擬合，得到所述被測試件(24)的涂層物理特征。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于柱面試件表面涂層的熱波成像無損檢測方法，系統(tǒng)采用高功率線狀激光束對試件表面進(jìn)行熱激勵，試件安置在一旋轉(zhuǎn)承載臺上，由掃描控制單元驅(qū)動進(jìn)行勻速同軸旋轉(zhuǎn)，紅外熱像儀連續(xù)采集經(jīng)激光熱激勵后的試件表面熱波圖像，再根據(jù)試件旋轉(zhuǎn)速度和熱像儀的幀頻對所采集圖像中試件位置的移動進(jìn)行校正，并得到熱波信號隨時間變化曲線，進(jìn)而計算出涂層的厚度等信息。
【IPC分類】G01B21/08
【公開號】CN105571549
【申請?zhí)枴緾N201510919257
【發(fā)明人】蘇清風(fēng), 邢建湘, 宋揚(yáng)民, 陳力
【申請人】南京諾威爾光電系統(tǒng)有限公司
【公開日】2016年5月11日
【申請日】2015年12月10日