[发明专利]一种激光扫描热成像裂纹检测方法

说明书

本发明公开了一种基于激光扫描热成像的裂纹检测方法。本发明中的线激光与试样发生相对运动来扫描加热试样表面，通过热像仪实时记录试样表面温度变化情况，计算机根据热图像中不同时刻的温度分布，获取试样表面各点热信号，并对热信号进行时间轴对齐和裁剪后，采用相邻热信号比较的方法对裂纹进行成像。本发明可以有效提升裂纹检测的信噪比，检测被测件表面的微小裂纹。

技术领域

本发明涉及一种裂纹无损检测方法，用于对平面或圆柱被测件进行表面不连续性检测，特别涉及一种激光热成像的裂纹检测方法。

背景技术

裂纹是材料结构最主要的危害类型之一。材料表面的裂纹在早期尺寸相对较小，将其及早检出，防止裂纹的近一步发展，可以有效避免重大的经济损失。

相比磁粉检测、机器视觉、渗透检测、涡流检测等传统的裂纹检测方法，激光热成像技术具有独特的优势。对于尺寸非常小的裂纹检测灵敏度高，能对被测件进行远距离非接触检测，激光能量密度和位置可精确的控制，可对微米级别的裂纹形状清晰直观的成像；对于小零件检测速度快，易于实现自动化。其在航空材料和导弹表面疲劳裂纹检测、铁轨表面疲劳裂纹检测、半导体芯片裂纹检测、铁氧体等非金属材料表面裂纹检测等领域有较好的应用。

激光扫描热成像检测裂纹的基本原理是采用激光作为激励源加热试样表面，同时试样和激光发生相对运动，红外热像仪实时采集试样表面各位置的温度变化情况。如果试样表面存在缺陷，会阻碍热的传播，同时当激光扫描到缺陷区域时，缺陷对激光的吸收率更好，两者同时作用会造成缺陷区域或缺陷附近温度变化异常。通过分析不同位置在某时刻的温度特征可以识别出被测件裂纹。激光扫描热成像相对于脉冲激光热成像和锁相激光热成像检测速度更快，但信噪比更低，其检测结果易受到划痕、实验表面物性参数不均匀、激励功率不稳定等因素干扰。

对于热导率不高的材料表面微小裂纹检测信噪比不高的问题，目前常规的激光热成像数据处理方法主要是提取激光所在位置的温度特征或者试样表面所有位置的最高温温度特征对裂纹进行成像。但这种方法易受到热像仪噪声、试样表面物性参数不均匀、激光激励试样时功率不稳定的干扰，其所利用热视频的冗余信息较少，成像信噪比较低。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有激光扫描热成像数据处理方法检测低热导率材料信噪比不高，检测微小裂纹困难的问题。提供了一种基于激光扫描热成像的相邻热信号比较的裂纹成像方法。

其检测过程为线激光一维扫描加热试样表面，红外热像仪记录被测件表面的温度变化情况，计算机通过分析试样表面温度的变化异常，对裂纹进行成像。

本发明采用数据处理方法为：将观测模型坐标系中不同时刻试样表面的温度空间分布转化为试样坐标系下表面各点的温升曲线，以激光扫描到试样表面待测点的时刻作为该点热信号的0时刻，这些点的热信号根据激光扫描速度固定这一先验知识严格进行时间同步，并根据数据重构和时间同步得到的坐标索引进行插值来提升热信号的精度，然后对热信号进行裁剪；选择与待测热信号相隔一个空间像素点位置的热信号作为参考热信号，对两个热信号进行加权欧氏距离计算或者对两者差值进行神经网络模型的映射，得到待测点的裂纹评价结果，对试样表面所有待测点进行以上步骤，最终将试样表面所有待测点的裂纹评价结果拼接成裂纹成像图。

本发明热信号的裁剪区间通过预先选择裂纹明显的试样做一次实验，选取裂纹两侧沿激光扫描方向相邻的两个热信号做差值，选取差值热信号绝对值大于检测噪声水平的时间区段。

常规的裂纹成像过程通过提取热图中激光所在位置的温度值，得到温度特征图，然后对温度特征图进行扫描方向上的一阶空间导数的计算，得到裂纹成像图，只使用试样表面各位置的某个时刻的温度特征。