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1、(10)申请公布号 CN 103926253 A (43)申请公布日 2014.07.16 CN 103926253 A (21)申请号 201410162687.9 (22)申请日 2014.04.22 G01N 21/88(2006.01) G01N 29/14(2006.01) (71)申请人 哈尔滨工业大学 地址 150000 黑龙江省哈尔滨市南岗区西大 直街 92 号 (72)发明人 刘俊岩 秦雷 王扬 龚金龙 (54) 发明名称 线性调频超声波激励的红外热波无损检测方 法与系统 (57) 摘要 一种线性调频超声波激励的红外热波无损检 测方法与系统， 所述方法为 ： S1、 调整超声。
2、波激励 头与被测样件的空间位置， 打开气缸压紧装置的 开关， 使超声波激励头与被测样件表面紧密接触， 由计算机控制信号发生器产生线性调频脉冲信 号， 驱动超声波发生器功率放大器， 使超声波的功 率按照线性调频脉冲信号规律变化 ； S2、 打开超 声波发生器， 采集被测样件表面热波信号 ； S3、 对 采集的表面热波信号进行处理， 提取表面热波信 号的时频域特征信息， 通过时频域特征信息集成 得到表征材料内部缺陷的特征图像。所述系统包 括超声波激励装置、 超声波发生器与功率放大器、 信号发生器、 焦平面红外热像仪及计算机。 本发明 实现了对材料内部缺陷的快速、 准确检测。 (51)Int.Cl.。
3、 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图2页 (10)申请公布号 CN 103926253 A CN 103926253 A 1/1 页 2 1. 一种线性调频超声波激励的红外热波无损检测方法， 其特征在于所述方法步骤如 下 ： S1、 调整超声波激励头与被测样件的空间位置， 打开气缸压紧装置的开关， 使超声波激 励头与被测样件表面紧密接触， 利用 BNC 数据线将信号发生器的信号输出通道端口与超声 波发生器功率放大器的模拟调制信号输入端口相连， 由计算机控制信号发生器产生线性调 频脉冲信号。
4、， 驱动超声波发生器功率放大器， 使超声波的功率按照线性调频脉冲信号规律 变化 ； S2、 利用以太网数据线将计算机与焦平面红外热像仪连接， 打开超声波发生器， 通过计 算机对焦平面红外热像仪进行触发， 采集被测样件表面热波信号， 将采集到的图像数据存 储到计算机相应目录下 ； S3、 对采集的表面热波信号进行处理， 提取表面热波信号的时频域特征信息， 通过时频 域特征信息集成得到表征材料内部缺陷的特征图像， 实现对样件内部缺陷及损伤的快速、 准确检测。 2. 根据权利要求 1 所述的线性调频超声波激励的红外热波无损检测方法， 其特征在于 所述焦平面红外热像仪采样频率设置为线性调频信号最高频率。
5、的 510 倍。 3. 根据权利要求 1 所述的线性调频超声波激励的红外热波无损检测方法， 其特征在于 所述焦平面红外热像仪采集被测样件表面热波信号时， 记录至少 23 个周期的热波信号。 4. 根据权利要求 1、 2 或 3 所述的线性调频超声波激励的红外热波无损检测方法， 其特 征在于所述焦平面红外热像仪的像素为 320256， 热灵敏度为 20mK， 全幅最大采样频率为 170Hz。 5. 根据权利要求 1 所述的线性调频超声波激励的红外热波无损检测方法， 其特征在于 所述超声波频率为 17-68kHz， 最高功率为 1500W， 最高调制频率为 10Hz。 6. 一种线性调频超声波激励。
6、的红外热波无损检测系统， 其特征在于所述系统包括超 声波激励装置、 超声波发生器与功率放大器、 信号发生器、 焦平面红外热像仪及计算机， 其 中 ： 所述超声波激励装置用以实现超声波激励头位置的调整 ； 所述超声波发生器与功率放大器用以驱动超声波激励头产生超声波振动 ； 所述信号发生器用以产生线性调频信号 ； 所述焦平面红外热像仪用以采集被测试样的表面热图序列 ； 所述计算机用以控制焦平面红外热像仪采集被测试样表面热波信号， 对采集得到的红 外图像序列进行处理， 提取热波信号的时频域特征信息， 并形成特征图像确定缺陷信息。 7. 根据权利要求 6 所述的线性调频超声波激励的红外热波无损检测系统。
7、， 其特征在于 所述超声波激励装置包括超声波调整台、 气管、 气压表、 气缸压紧装置、 超声波激励头固定 架及超声波激励头， 气缸压紧装置与超声波激励头相连接， 并一同固定在超声波激励头固 定架上， 超声波激励头固定架放置在超声波调整台的水平支撑杆上， 气压表由气管连接到 气缸压紧装置。 8. 根据权利要求 7 所述的线性调频超声波激励的红外热波无损检测系统， 其特征在于 所述超声波调整台包括工作台、 样件夹紧装置、 垂直立柱、 垂直丝杠、 垂直方向锁紧装置、 水 平立柱、 水平丝杠及水平方向锁紧装置。 权 利 要 求 书 CN 103926253 A 2 1/4 页 3 线性调频超声波激励的。
8、红外热波无损检测方法与系统 技术领域 0001 本发明涉及一种利用超声红激励的红外热波检测手段来实现材料缺陷无损检测 的方法与系统， 尤其涉及了一种线性调频超声波激励的红外热波无损检测方法与系统。 背景技术 0002 超声红外热波无损检测技术是一种以超声波为激励源的主动式红外热波成像无 损检测技术， 该技术可有效的检测接触界面类型缺陷， 如金属疲劳裂纹， 复合材料分层、 脱 粘缺陷与硬脆材料裂纹及冲击损伤等。 超声波在固体中的传播速度快， 衰减小， 当与材料内 部缺陷发生相互作用时， 将在缺陷区域产生热量， 利用红外热像仪记录被测样件表面的温 度信号， 通过分析温度信号的特征信息， 确定材料内。
9、部的缺陷。 超声红外锁相热像技术是目 前应用最广泛的超声红外热波无损检测技术之一， 该技术能够克服加热不均、 检测速度慢 等缺点， 但该方法温度信号的信噪比较低。 发明内容 0003 为了进一步提高超声红外热波无损检测技术的探测深度、 抑制背景噪声的影响， 本发明提供了一种线性调频超声波激励的红外热波无损检测方法与系统， 采用线性调频脉 冲信号对超声波的强度进行调制， 显著提高了检测结果的信噪比， 提高了缺陷检测深度， 能 够实现对材料内部缺陷的准确可靠检测。 0004 本发明的目的是通过如下技术方案实现的 ： 一种线性调频超声波激励的红外热波无损检测方法， 包括以下步骤 ： S1、 调整超声。
10、波激励头与被测样件的空间位置， 打开气缸压紧装置的开关， 使超声波激 励头与被测样件表面紧密接触， 利用 BNC 数据线将信号发生器的信号输出通道端口与超声 波发生器功率放大器的模拟调制信号输入端口相连， 由计算机控制信号发生器产生线性调 频脉冲信号， 驱动超声波发生器功率放大器， 使超声波的功率按照线性调频脉冲信号规律 变化 ； S2、 利用以太网数据线将计算机与焦平面红外热像仪连接， 打开超声波发生器， 通过计 算机对焦平面红外热像仪进行触发， 采集被测样件表面热波信号， 记录至少 23 个周期， 为 了完整地获取表面热波信号的时频域特征信息， 焦平面红外热像仪采样频率应设置为线性 调频信。
11、号最高频率的 510 倍， 将采集到的图像数据存储到计算机相应目录下 ； S3、 对采集的表面热波信号进行处理， 提取表面热波信号的时频域特征信息， 通过时频 域特征信息集成得到表征材料内部缺陷的特征图像， 实现对样件内部缺陷及损伤的快速、 准确检测。 0005 更具体地， 以上所述的一种线性调频超声波激励的红外热波无损检测方法， 所述 的步骤 S1 中， 超声波激励头通过调整装置调整空间位置， 使超声波激励头与被测样件待激 励区域表面紧密接触。 0006 更具体地， 以上所述的一种线性调频超声波激励的红外热波无损检测方法， 所述 说 明 书 CN 103926253 A 3 2/4 页 4 。
12、的步骤 S2 中， 通过焦平面红外热像仪的触发控制可实现积分时间及采样频率设置。 0007 更具体地， 以上所述的一种线性调频超声波激励的红外热波无损检测方法， 所述 的步骤S3中， 采用相关算法 （时域信号处理分析的常用算法） 与希尔伯特变换算法对采集的 表面热波信号进行处理， 提取表面热波信号的时频域特征信息， 以灰度图的形式显示特征 信息图像。 0008 一种线性调频超声波激励的红外热波无损检测系统， 包括超声波激励装置、 超声 波发生器与功率放大器、 信号发生器、 焦平面红外热像仪及计算机， 其中 ： 所述超声波激励装置用以实现超声波激励头位置的调整， 它包括超声波调整台、 气管、 气。
13、压表、 气缸压紧装置、 超声波激励头固定架及超声波激励头， 气缸压紧装置与超声波激励 头相连接， 并一同固定在超声波激励头固定架上， 超声波激励头固定架放置在超声波调整 台的水平支撑杆上， 可实现 3 个转动与 2 个移动运动， 通过气压表控制气压， 并由气管连接 到气缸压紧装置， 通过气缸压紧装置使超声波激励头与检测样件紧密接触。所述超声波调 整台包括工作台、 样件夹紧装置、 垂直立柱、 垂直丝杠、 垂直方向锁紧装置、 水平立柱、 水平 丝杠及水平方向锁紧装置， 样件夹紧装置和垂直立柱固定在工作台上， 水平立柱与垂直立 柱相连， 垂直丝杠与垂直方向锁紧装置控制水平立柱沿垂直立柱的移动与绕垂直。
14、立柱的旋 转， 水平丝杠与水平方向锁紧装置控制超声波激励头沿水平立柱的移动与绕水平立柱的旋 转。 0009 所述超声波发生器与功率放大器用以驱动超声波激励头产生超声波振动 ； 所述信号发生器用以产生线性调频信号 ； 所述焦平面红外热像仪用以采集被测试样的表面热图序列 ； 所述计算机用以控制焦平面红外热像仪采集被测试样表面热波信号， 对采集得到的红 外图像序列进行相应的处理， 提取热波信号的时频域特征信息， 并形成特征图像确定缺陷 的形状、 尺寸与位置等信息 ； 所述信号发生器的信号输出通道端口与超声波发生器功率放大器的模拟调制信号输 入端口相连， 计算机分别与焦平面红外热像仪和信号发生器连接，。
15、 超声波发生器功率放大 器与超声波探头连接。 0010 本发明中， 采用焦平面红外热像仪像素 320256， 热灵敏度 20mK， 全幅最大采样 频率为 170Hz。 0011 本发明中， 采用超声波作为激励源， 超声波频率 17-68kHz， 最高功率 1500W， 最高 调制频率为 10Hz。 0012 本发明中， 采用气缸压紧装置保证超声波激励头与检测样件紧密接触。 0013 本发明中， 采用超声波调整台进行调整超声波激励头的空间位置。 0014 本发明中， 通过焦平面红外热像仪的触发控制实现积分时间及采样频率设置， 完 成热波信号采集。 0015 本发明采用线性调频超声波作为激励源， 。
16、采用相关算法与希尔伯特变换算法提取 表面热波信号时频域特征信息并进行分析。针对材料内部缺陷， 线性调频超声波激励的红 外热波无损检测方法， 可同时得到的样件表面热波信号多个特征信息， 显著提高特征图像 信噪比与对比度。 说 明 书 CN 103926253 A 4 3/4 页 5 附图说明 0016 图 1 为线性调频超声波激励的红外热波无损检测系统示意图 ； 图 2 为超声波调整台示意图 ； 图 3 为气缸压紧装置示意图。 具体实施方式 0017 下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明， 但并不局限于此， 凡是对本 发明技术方案进行修改或者等同替换， 而不脱离本发明技术方案的精神和范围。
17、， 均应涵盖 在本发明的保护范围中。 0018 如图 1 所示， 线性调频超声波激励的红外热波成像无损检测方法是利用计算机软 件处理红外图像序列实现样件内部缺陷的无损检测方法。图中焦平面红外热像仪 24 与计 算机 2 的以太网接口连接， 利用计算机 21 对焦平面红外热像仪 24 的初始化及图像显示进 行设置。超声波探头 27 将超声波注入到被测样件 28 表面， 信号发生器 20 通过信号线 19 与超声波功率放大器 16 相连， 控制超声波功率强度按照线性调频规律变化， 将超声波入注 入到被测样件28内， 记录被测样件28表面产生的表面热波信号， 并提取热波信号特征信息 和形成特征图像，。
18、 对特征图像进行处理与分析， 提取被测样件 28 内部缺陷特征， 实现对被 测样件 28 内部缺陷及损伤的快速、 准确检测。 0019 本发明的具体实施包括三个部分 ： 线性调频规律调制的超声波激励、 焦平面红外 热像仪采集图像序列和热波信号处理与特征图像分析。 0020 一、 线性调频规律调制的超声波激励步骤 步骤 1 ： 将工作台 1、 垂直立柱 2、 垂直锁紧装置 3、 垂直旋转把手 4、 垂直丝杠 5、 水平立 柱 6、 水平丝杠 7、 水平锁紧装置 8 与水平旋转把手 16 组装成超声波探头调整台， 装配结果 如图 2 所示 ； 步骤 2 ： 将被测样件 28 固定到样件夹紧装置 2。
19、6 上， 将气缸 15 通过气管 13 与气缸压紧 装置 12 连接， 将超声波激励头 28 装配到超声波激励头固定架 9 上， 打开气缸开关， 调节气 压表 14， 使气压达到 0.2MPa， 打开气缸压紧装置开关 10， 使超声波激励头 27 压紧到被测试 样 28 上 ； 步骤 3 ： 将信号发生器 20 的信号输出端通过信号线 19 与超声波发生器与功率放大器 18 的模拟调制信号输入端相连， 将信号发生器 20 通过 USB 数据线 22 与计算机 21 相连 ； 步骤 4 ： 将超声波换能器 11 通过电源线 17 与超声波发生器与功率放大器 18 相连， 打 开超声波功率放大器1。
20、8的电源开关， 设置线性调频脉冲信号参数， 实现超声波激励头27产 生的超声波振动的功率按照线性调频脉冲规律变化。 0021 二、 焦平面红外热像仪采集图像序列步骤 步骤 1 ： 将焦平面红外热像仪 24 固定到调整架 25 上， 通过数据线 23 与计算机 21 上的 以太网接口连接 ； 步骤 2 ： 利用计算机 21 完成焦平面红外热像仪 24 的初始化设置及实时图像显示， 调节 焦平面红外热像仪 24 的调焦镜头， 保证被测样件 28 的待检测区域在计算机 21 的屏幕上清 晰可见 ； 步骤 3 ： 打开超声波功率放大器 18 的输出开关， 使超声波激励头 27 产生的超声波振动 说 明。
21、 书 CN 103926253 A 5 4/4 页 6 功率按线性调频脉冲规律激励被测样件 28 ； 步骤 4 ： 对被测样件 28 待检区域表面产生的热波信号进行记录， 记录 23 个周期， 为了 完整地采集到热波信号的时频域特征信息， 焦平面红外热像仪 24 采样频率应设置为线性 调频信号最高频率的 510 倍， 将采集到的图像数据存储到计算机 21 相应目录下。 0022 三、 热波雷达信号处理与特征图像分析步骤 步骤 1 ： 通过计算机编程对对采集的红外图像序列进行处理与分析， 采用相关算法与 希尔伯特变换算法提取热波信号的时频域特征信息， 形成特征信息图像 ； 步骤 2 ： 对特征图。
22、像进行处理与分析， 提取被测样件 28 内部缺陷的特征参数， 实现对被 测样件 28 检测区域内部缺陷及损伤的快速、 准确检测。 0023 四、 无损检测实例 为了说明该方法的实际检测效果， 进行了金属样件的无损检测实验。 0024 金属样件的无损检测实验 ： 制作模拟界面接触缺陷试样， 缺陷深度为 2mm， 缺陷直 径为10mm。 线性调频激励参数 ： 功率1500W， 线性调频信号的初始频率0.1Hz， 终止频率1Hz， 脉冲周期为 10s ； 焦平面红外热像仪的记录参数 ： 采样频率 50Hz， 采样时间 40s。 0025 实际检测结果为 ： 金属样件实际检测的缺陷形状可准确的识别， 与超声红外锁相 检测结果相比， 该方法的特征图像具有更高的信噪比。采用本发明的方法实现了对样件内 部缺陷及损伤的相对快速、 准确检测。 说 明 书 CN 103926253 A 6 1/2 页 7 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103926253 A 7 2/2 页 8 图 3 说 明 书 附 图 CN 103926253 A 8 。