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Title:
METHOD FOR MEASURING THICKNESS BY PULSED INFRARED THERMAL WAVE TECHNOLOGY
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2012/167403
Kind Code:
A1
Abstract:
A method for measuring thickness or defect depth by pulsed infrared thermal wave technology includes the following steps: 1. heating a measured object (2) by pulsed heating devices, at the same time, obtaining a thermal image sequence on the surface of the measured object (2) by a infrared thermography device, and storing the thermal image sequence in a general-purpose storage; 2. multiplying a temperature-time curve on every point of the thermal image sequence by of corresponding time, thereby obtaining a new curve; 3. calculating first-order differential to and obtaining a peak time thereof; 4. calculating by a formula, wherein is a thermal diffusivity, and is the thickness or the defect depth of the measured object (2). The thickness or the defect depth of the measured object (2) can be measured by the above solution. The processing method is simple because it only needs once differential without a reference curve.

Inventors:
ZENG, Zhi (# 105, Xisanhuan North RdHaidian District, Beijing 7, 100037, CN)
曾智 (中国北京市海淀区西三环北路105号, Beijing 7, 100037, CN)
WANG, Xun (Room 404, # 36 Chuangye Zhonglu,Haidian District, Beijing 5, 100085, CN)
王迅 (中国北京市海淀区创业中路36号404室, Beijing 5, 100085, CN)
TAO, Ning (# 105, Xisanhuan North RdHaidian District, Beijing 7, 100037, CN)
Application Number:
CN2011/000984
Publication Date:
December 13, 2012
Filing Date:
June 14, 2011
Export Citation:
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Assignee:
CAPITAL NORMAL UNIVERSITY (# 105, Xisanhuan North RdHaidian District, Beijing 7, 100037, CN)
首都师范大学 (中国北京市海淀区西三环北路105号, Beijing 7, 100037, CN)
BEIJING WAITEKSIN ADVANCED TECHNOLOGY CO., LTD (Room 404, # 36 Chuangye Zhonglu,Haidian District, Beijing 5, 100085, CN)
北京维泰凯信新技术有限公司 (中国北京市海淀区创业中路36号404室, Beijing 5, 100085, CN)
ZENG, Zhi (# 105, Xisanhuan North RdHaidian District, Beijing 7, 100037, CN)
曾智 (中国北京市海淀区西三环北路105号, Beijing 7, 100037, CN)
WANG, Xun (Room 404, # 36 Chuangye Zhonglu,Haidian District, Beijing 5, 100085, CN)
International Classes:
G01B21/08; G01N25/72
Foreign References:
CN1696674A
CN101055169A
US6542849B2
CN1869581A
US7365330B1
Other References:
LIU, BO ET AL.: 'Depth Measure And Edge Detection of Defect Based on Infrared Thermal Wave Nondestructive Testing' JOURNAL OF CAPITAL NORMAL UNIVERSITY (NATURAL SCIENCE EDITION) vol. 27, no. 5, October 2006, pages 22 - 25
WANG, YAN ET AL.: 'Infrared Thermal Wave Testing on the Lamination Defect of Glass Fiber Composite Material' NONDESTRUCTIVE TESTING vol. 32, no. 11, 2010, pages 880 - 883
ZHANG, XIAO CHUAN ET AL.: 'Measurement of Thickness of Glass Fiber Reinforced Plastic Flat Bottom Hole Sample by Infrared Thermal NDT' LASER & INFRARED vol. 36, no. 1, January 2006, pages 16 - 18
Attorney, Agent or Firm:
KELONG INTERNATIONAL INTELLECTUAL PROPERTY AGENT LTD. (A-1303, Horizon International TowerNo. 6 Zhichun Road,Haidian District, Beijing 8, 100088, CN)
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Claims:
权利要求

1、 一种脉冲红外热波技术测厚方法, 其特征在于, 包括如下步驟:

( 1 )使用脉冲加热设备对被测物体进行加热, 同时使用红外热像装置获得被 测物体表面的热图序列, 并将热图序列存储在通用存储器中;

( 2 )对热图序列中每个点的温度时间曲线乘上对应时间的 ^ , 从而获得新的 曲线 f

( 3 )对 f求一阶微分得到 , 并获得 /'的峰值时间 taps t

( 4 ) 由公式 ^'— ^则求出 = Λ/¾^", 其中 or为热扩散系数, L为被测物体 厚度或缺陷深度。

2、 如权利要求 1所述的脉冲红外热波技术测厚方法, 其特征在于, 所述热扩 散系数 α已知。

3、 如权利要求 1所述的脉冲红外热波技术测厚方法, 其特征在于, 所述热扩 散系数 未知,采用与被测物体材料属性相同且厚度或缺陷深度已知的试件作为参 考试件, 对参考试件根据权利要求 1中所述步骤 ( 1 ) - ( 3 ) 测量得到参考试件的 taps t > 从而得到参考试件 tapst与 L2的线性关系, 根据该线性关系和被测物体的 t 值求得被测物体的 L。

4、 如权利要求 1所述的脉冲红外热波技术测厚方法, 其特征在于, 所述加热 设备为高能闪光灯。

Description:
脉冲红外热波技术测厚方法 技术领域,

本发明涉及无损探伤检测技术领域, 特别是涉及一种红外热波技术, 利用脉 冲红外热波技术测量被测试件厚度或者缺陷深 度的方法。 背景技术

脉冲红外热波无损检测技术是二十世纪八十年 代后发展起来的一种无损检测. 技术。 此方法以热波理论为理论依据, 通过主动对被测物体施加脉冲热激励、 并 采用红外热像仪连续观察和记录物体表面的温 场变化, 并通过现代计算机技术及 图像信息处理技术进行时序热波信号的探测、 采集、 数据处理和分析, 以实现对 物体内部缺陷或^伤的定量诊断。

缺陷深度或者被测件厚度测量是脉冲红外热波 无损检测技术定量测量的一个 重要应用, 一般都是通过获得温度时间曲线中的某特征时 间进行计算。 US 5711603 采用缺陷区域减掉参考区域温度曲线的微分峰 值时刻作为特征时间, 该专利需要 首先选取一个参考区域, 这在某些应用中较难实现, 且引入了误差。 对比度峰值 方法采用缺陷区域减掉参考区域温度曲线的峰 值时刻作为特征时间, 但该峰值时 刻受缺陷尺寸等因素影响较大,且同样需要参 考区域。 S. M. Shepard采用二阶温度- 时间对数曲线的峰值时间作为特征时间, 其优点是其对应的峰值时间比较靠前, 受三维热扩散影响相对较小, 但其缺点是二阶微分峰值时间受噪声影响较大 。 上 述几种方法中缺陷深度或厚度和所获得的对应 特征时间值有确定的理论关系式。 对数分离点方法采用温度时间对数曲线中缺陷 和非缺陷区域的分离时刻作为特征 时间, 该方法也需要参考曲线, 同时较难准确确定分离点。 US 6542849对温度时间 曲线中选取一段相对线性区域, 并拟合获得其斜率, 最后根据降温理论公式拟合 得到缺陷深度。 X. Ma l dague对温度时间曲线做傅里叶变换, 减掉参考曲线后的零 值时刻作为特征值。

现有技术中的各方法均需要参考曲线或者需要 作二次微分, 且不同方法都有 自身的应用范围。 发明内容

针对上述方法需要参考曲线或者需要做二次微 分的技术问题, 本发明提供一 种新的测厚方法, 利用脉冲红外热波技术测量被测件的厚度或缺 陷深度。

为解决上述技术问题, 本发明的一种脉冲红外热波技术测厚度或缺陷 深度的 方法, 包括如下步骤:

( 1 )使用脉冲加热设备对被测物体进行加热, 同时使用红外热像装置获得被 测物体表面的热图序列, 并将热图序列存储在通用存储器中;

( 2 )对热图序列中每个点的温度时间曲线乘上对 时间的 , 从而获得新的 曲线 f;

( 3 ) 对 f求一阶微分, 并获得其峰值时间 st ;

( 4 ) 由公式^ '―^则求出 L , 其中 为热扩散系数, L为被测物体厚度或缺 陷深度。

其中, 所述热扩散系数 α已知。

其中, 所述热扩散系数 α未知, 釆用与被测物体材料属性相同的且 L已知的试 件作为参考试件, 对参考试件测量得到 i apsi 与 L 2 的线性关系, 根据该线性关系和 被测物体的 i aps i求得 L。

其中, 所述加热设备为高能闪光灯, 或其它脉冲热源。

本发明通过上述技术方案, 可以测量出被测件厚度或缺陷深度, 不需要参考 曲线, 且仅需进行一次微分处理即可, 处理方法更为简单。 附图说明

图 1为脉冲红外热波技术原理图;

图 2为脉冲红外热波典型降温曲线;

图 3为图 2经过处理后所获得的变量 /"的曲线;

图 4为图 3—阶微分曲线;

图 5 为 6个不同深度的楔形槽铝板所得到的 PSt 与 L 2 关系曲线。

附图标记说明

高能闪光灯- 1 ; 被测物体 -2 ; 红外热像仪- 3 ; 计算机 -4。 具体实施方式

为了使本发明的形状、 构造以及特点能够更好地被理解, 以下将列举较佳实 施例并结合附图进行详细说明。 本发明的理论基础是基于脉冲平面热源激励下 的一维热传导方程求解问题, 对 半无穷大均匀介质, 受平行于介质表面的均匀脉冲热源作用时, 热传导方程可简 化为:

, d 2 T(x,t) dT{x,t)

k ½ ~ '—— pc ~~ j-^- = -qd(t)o{x) ( 1 )

dx dt 其中, T(x, t)是 ί时刻 A:处的温度, <5(t) (x)是脉冲热源函数, ?为常数, 是在 单位面积上施加的热量, yt( / , q是热传导率。 密度 ?(^/ 3 )与比热 c的乘积是 介质材料的体热容。 热扩散系数为 a = r/Q^)。 对某一特定介质, 一般情况下 α可 视为常数。

当物体表面下有缺陷或者被测件较薄时, 热传导方程的解为:

其中, e为被测件的蓄热系数, n为脉冲传播到两种材料界面发生的 n次反射, L为被 新的变量 /":

对公式(3)求导, 得到/ '(0曲线。 考虑多次反射, /'(t)曲线的峰值时间可近似 表达为:

从而获得了缺陷深度或试件厚度与 /的一阶微分峰值时间理论关系, 通过 / 的一阶微分峰值时间可获得缺陷深度或被测件 厚度 从红外热波理论上来讲, 测 得的 L 都是热波在热传导过程中遇到的第一个界面, 也就是缺陷深度, 如果没有 缺陷, 则测的是厚度。 本发明的理论基础基于脉冲热成像法, 假设利用理想脉冲热源在 ί=0 时刻作 用于被测物体表面 =0 ) , 且能量完全被表面吸收。 在实际实验中, 对被测物体 加热时釆用的加热设备可以是高能闪光灯或者 其他脉冲式加热设备, 为提高计算 精度, 应保证脉冲闪光灯作用时间足够短, 热成像装置的采集频率宜设置较高。 采集时间需根据具体被测物体材料的性质设置 。

. 图 1 为本发明脉冲红外热波技术用于测量缺陷深度 或试件厚度检测的技术原 理图, 同时也是应用本发明方法的实际系统的结构示 意图。

参考图 1 , 多个高能闪光灯 1对被测物体 2表面施加可见光能量, 被测物体 2 表面在高能闪光灯 1 能量作用下温度升高, 瞬间达到峰值, 由于被测物体 2表面 与物体内部的温度差, 热量沿深度方向从物体表面向物体内部传导。 红外热像仪 3 实时记录被测物体的表面温场的变化, 计算机 4釆集红外热像仪 3得到的热图数 据, 得到被测物体 2表面温场的热图序列。

下面将结合实施例来说明脉冲热成像法用于测 量缺陷深度或试件厚度的过 程。 该实施例中使用了铝材料表面阳极化处理后制 作的实际试件, 内有 6 个距表 面深度为 2麵到 7鍾的楔形槽。

图 2为采用图 1 中的系统测试上述实际试件后, 得到的热图序列中的其中某 一个深度的楔形槽对应表面的降温曲线, 即温度时间曲线。 对该降温曲线利用公 式 ( 3 )进行处理, 可获得图 3所示的 f曲线。 原始降温曲线经过处理后所获得的 f曲线为一升温曲线,不同属性材料或不同深 结构所对应的 f 曲线其变化率和饱 和速率都不一样。

对图 3求导获得图 4所示一阶微分曲线,该曲线的峰值所对应时 可记为 t aps t , 该峰值时间与被测件厚度或缺陷深度关系为公 式 ( 4 ) 。 当热扩散系数 α已知时, 通过求 t aps t , 利用公式 (4 ) 可直接计算被测件厚度或缺陷深度。

当被测件热扩散系数未知时,可利用 i apsi 与测件厚度或缺陷深度 L的平方成线 性关系, 并通过参考试件获得其线性关系式, 从而计算出被测件厚度或缺陷深度。

具体的, 采用与被测物体材料属性相同的试件作为参考 试件, 则该参考试件 的热扩散系数 与被测物体相同, 参考试件的厚度或缺陷深度 L已知。对参考试件 测量得到参考试件 t aps t , 从而得到参考试件 t apst 与 L 2 的关系。 例如对实施例中的 6 个不同深度的楔形槽铝板测量, 得到如图 5 中所示的 t aps t j L 2 的关系曲线。 根据 该关系曲线和对被测物体测量得到的 i apst 值, 即可求得被测物体 L 2 的值, 进而求 得 L。

使用本发明提供的方法对热图序列处理后可以 测量出被测件厚度或缺陷深 度, 不需要参考曲线, 且仅需进行一次微分处理即可。

具体的, 本发明采取的技术解决方案包括如下步驟:

1、 使用脉冲加热设备对被测物体进行加热, 同时使用红外热像装置获得被测 物体表面的热图序列, 并将热图序列存储在通用存储器中。

2、 对热图序列中每个点的温度时间曲线乘上对应 时间^ ^ 从而获得新的曲线 f。

3、 对 f求一阶微分得到 Γ, 并获得 Γ的峰值时间 t。 ps t

4、 由公式^―^ , 根据获得的 i apsi 则可以求出 = ^^。 被测试件的热扩 散系数已知, 或利用 t apst 与 L 2 的线性关系并采用标准参考试件标定其线 性关系, 从而可实现测厚。

对被测物体激励时采用的加热设备可以是高能 闪光灯或者其他脉冲式加热设 备。 宜采用脉冲作用时间较短的高能闪光灯或其它 脉冲式加热设备, 热成像装置 的采集频率宜设置较高, 采集时间需根据具体被测物体材料的性质设置 。

以上对本发明的描述是说明性的, 而非限制性的, 本专业技术人员理解, 在 权利要求限定的精神与范围之内可对其进行许 多修改、 变化或等效, 但是它们都 将落入本发明的保护范围内。