一种基于方波热源的锁相热成像缺陷快速检测方法

本发明属于缺陷检测，特别是一种基于方波热源的锁相热成像缺陷快速检测方法。

背景技术：

1、本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

2、红外无损检测是一种利用热成像进行缺陷检测的无损检测技术。在红外无损检测中，主动热成像是一种常见的技术方法，它利用热源激发被测物体，通过测量其热辐射来获取目标物体的热分布信息。其主要包括脉冲热成像、脉冲相位热成像和锁相热成像等。

3、锁相热成像使用功率按周期规律变化的热源对被检物体持续进行加热激励，同时用红外热像仪采集被测物体表面的温度数据，温度数据包含瞬态阶段和稳态阶段，瞬态阶段的相位数据会受到温升的影响，因此通常采用稳态阶段的数据进行检测，分析数据中与热源同频率的部分，由于被测物体中有缺陷部分和无缺陷部分的热物性不同，就会导致各自在上表面对应区域温度信号中的相位和幅值不同，于是可以判定是否存在缺陷。

4、锁相热成像通常使用正弦波进行加热，由于正弦波信号中包含直流通量和一个频率下的正弦波，因此在温度数据中只对这一个频率的信号进行分析。在利用锁相热成像进行红外无损检测时，检测效果与热波信号的频率有关，不同频率的热波对物体穿透深度不同，热波穿透深度热波穿透的穿透深度μ的平方与角频率ω成反比，因此低频热波的穿透能力更强，可以检测到更深的缺陷。对缺陷进行多个频率下的检测，缺陷区域与非缺陷区域的相位差会随着频率的增大呈现先增大后减小的规律，相位差最大时对应的频率为最佳检测频率，相位差降为0时对应的频率为盲频率。由于盲频率对应的热扩散长度与缺陷深度之间存在定量关系，因此人们会通过寻找缺陷的盲频率来确定缺陷的深度，即盲频法。

5、在锁相热成像中通过盲频法进行缺陷检测需要多个频率下的检测信息，而正弦波只能在一次实验中获得单个频率下的检测信息，如图1所示，为现有技术中采用正弦波作为热源时进行多次锁相热成像得到的相位差-频率曲线图，此过程需要进行多组实验，改变正弦波信号的频率以获得更多信息，导致实验需要耗费大量的时间。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于方波热源的锁相热成像缺陷快速检测方法，通过在锁相热成像中使用方波信号进行加热，在一次锁相测试中即可获得多个频率下的检测结果，从而大大减少锁相测试所需要的时间，旨在解决锁相热成像中寻找最佳检测频率和盲频率需要进行多组实验、以至于需要大量时间的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

3、本发明为一种基于方波热源的锁相热成像缺陷快速检测方法，包括以下步骤：

4、向被测设备施加方波热源，对被测设备周期性加热，进行锁相热成像，所述方波中包含多个频率下的谐波；

5、获取加热过程中被测设备表面的温度信号，所述温度信号包含多个频率下的信息；

6、基于温度信号得到被测设备表面各个像素点多个频率下的频域信息，对多个频率下的频域信息进行处理，从而通过一次锁相热成像快速得到缺陷深度。

7、可选的，所述方波的频率、占空比和功率根据锁相热成像的需求进行调整。

8、可选的，所述方波频率根据被测材料的热扩散系数和预期探测的缺陷深度来确定，确保锁相热成像中使用的谐波频率所对应的热扩散长度主要集中在预期缺陷的深度范围内。

9、可选的，所述方波的占空比根据锁相热成像中所需要的谐波频率范围来决定，不同占空比的方波的谐波种类不同。

10、可选的，所述方波优选为低占空比方波。

11、可选的，所述方波的功率需满足待测样品材料的耐热性。

12、可选的，低占空比方波相较于高占空比方波应采用更高的功率来提高谐波幅值，保证所需要的多种频率下的谐波幅值都能满足锁相热成像的信噪比要求。

13、可选的，所述低占空比方波为占空比小于等于10％的方波。

14、可选的，对多个频率下的频域信息进行处理，具体包括：

15、将被测设备表面每个像素点稳态阶段的温度信号进行离散傅里叶变换，得到各个像素点的对应于多个频率的频域信息；

16、将不同频率下像素点的相位数据组合起来，得到对应于多个频率下的相位图；

17、通过相位图判断缺陷点的数量和位置，寻找各个缺陷的中心点位置；

18、用缺陷中心点的相位减去非缺陷点的相位得到相位差，进而得到各个缺陷中心点的相位差-频率曲线；

19、根据相位差-频率曲线，得到各个缺陷中心点的最佳检测频率和盲频率；

20、通过盲频法得到缺陷深度。

21、可选的，在相位差-频率曲线中，相位差最大时对应的频率为最佳检测频率，相位差第一次降低为0时对应的频率为盲频率。

22、本发明具有以下有益效果：

23、1、本发明提供了一种基于方波热源的锁相热成像缺陷快速检测方法，将锁相热成像缺陷检测中热源的形状改成方波，并调整方波的形状以使得其谐波的频率分布即谐波幅值满足锁相热成像的要求，采集待测样品上表面各点的温度信号，通过离散傅里叶变换分析上表面的温度信号，由于热源中包含多个频率下的谐波分量，因此在采集到的温度信号中就会包含多个频率下的谐波信息，从而实现在一次检测中获得多个频率下的检测结果，减少检测缺陷所用的时间。

24、2、在利用本发明方法得到的温度信号进行处理时，通过一次检测就能得到对应于多个频率的相位图，进而得到对应于多个频率的各个缺陷中心点的相位差-频率曲线，得到最佳检测频率和盲频率，大大缩短了锁相测试时间。

25、3、通过本发明提供的方法，经过仿真研究得出最佳检测频率对应的热扩散长度与缺陷深度相近，缺陷深度约为盲频率对应的热扩散长度的两倍。

26、当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

技术特征：

1.一种基于方波热源的锁相热成像缺陷快速检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于方波热源的锁相热成像缺陷快速检测方法，其特征在于，所述方波的频率、占空比和功率根据锁相热成像的需求进行调整。

3.根据权利要求2所述的基于方波热源的锁相热成像缺陷快速检测方法，其特征在于，所述方波频率根据被测材料的热扩散系数和预期探测的缺陷深度来确定，确保锁相热成像中使用的谐波频率所对应的热扩散长度主要集中在预期缺陷的深度范围内。

4.根据权利要求2所述的基于方波热源的锁相热成像缺陷快速检测方法，其特征在于，所述方波的占空比根据锁相热成像中所需要的谐波频率范围来决定，不同占空比的方波的谐波种类不同。

5.根据权利要求4所述的基于方波热源的锁相热成像缺陷快速检测方法，其特征在于，所述方波优选为低占空比方波。

6.根据权利要求2所述的基于方波热源的锁相热成像缺陷快速检测方法，其特征在于，所述方波的功率需满足待测样品材料的耐热性。

7.根据权利要求5所述的基于方波热源的锁相热成像缺陷快速检测方法，其特征在于，低占空比方波相较于高占空比方波应采用更高的功率来提高谐波幅值，保证所需要的多种频率下的谐波幅值都能满足锁相热成像的信噪比要求。

8.根据权利要求5所述的基于方波锁相红外热成像的缺陷快速检测方法，其特征在于，所述低占空比方波为占空比小于等于10％的方波。

9.根据权利要求1所述的基于方波热源的锁相热成像缺陷快速检测方法，其特征在于，对多个频率下的频域信息进行处理，具体包括：

10.根据权利要求9所述的基于方波热源的锁相热成像缺陷快速检测方法，其特征在于，在相位差-频率曲线中，相位差最大时对应的频率为最佳检测频率，相位差第一次降低为0时对应的频率为盲频率。

技术总结
本发明公开一种基于方波热源的锁相热成像缺陷快速检测方法，涉及缺陷检测技术领域。包括以下步骤：向被测设备施加方波热源，对被测设备周期性加热，进行锁相热成像，所述方波中包含多个频率下的谐波；获取加热过程中被测设备表面的温度信号，所述温度信号包含多个频率下的信息；基于温度信号得到被测设备表面各个像素点多个频率下的频域信息，对多个频率下的频域信息进行处理，从而通过一次锁相热成像快速得到缺陷深度。本发明通过一次锁相红外热成像即可获得多个频率下的检测结果，大大缩短锁相红外热成像测量缺陷深度所需要的时间。

技术研发人员：张林,麻波涛
受保护的技术使用者：山东大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/19