利用热成像瞬时温度对比度特征时间测量缺陷深度的方法

1.本发明属于无损检测技术领域，具体涉及一种利用热成像瞬时温度对比度特征时间测量缺陷深度的方法，用于材料内部缺陷深度/剩余壁厚的快速测量。


背景技术：

2.19世纪初期，fourier在《固体热传导理论》一书中首次提出了热波(thermal wave)的概念，热波是传播中随时间周期性变化的温度场。但直到1978年，热波理论才开始真正用于无损检测。由于金属材料的高反射性和热导性(如铝及其合金具有非常高的热扩散性、表面发射率低)，在早期的缺陷/损伤检测中，热波技术的应用受到了限制，但随着高能闪光灯以及高速、多像元、高灵敏度成像热探测设备的出现以及计算机数字信号处理技术的发展，对材料缺陷深度的检测已成为热成像无损检测的重要应用。
3.脉冲热激励红外热成像(pulsed thermal，pt)方法通过对被检测对象主动施加可控的脉冲热激励，使材料内部缺陷以表面温度变化差异的形式被表现出来，采用红外热像仪连续观测和记录到的物体表面的温度场云图序列，经过分析和处理后实现对物体内部缺陷的检测和定量识别。检测原理如图1所示，可以检测处缺陷所在位置以及范围。
4.无损检测领域把缺陷/损伤在表面以下的深度称为缺陷深度，并将其作为检测的重要内容，提出了多种热成像缺陷深度的识别方法，而缺陷深度对应着结构的剩余壁厚。
5.脉冲红外热成像法测量缺陷深度主要是基于一维热传导表面温差理论计算获得的，经过公式推导可以推出脉冲热激励下最大表面温差对应的时间(峰值)与剩余壁厚的平方成正比，这便是脉冲热波检测中应用最广泛的最佳检测时间法的基本原理。对于各向同性均质材料，在无内热源的情况下，其导热微分方程近似为一维方程，表示为：
[0006][0007]
式中，α为材料的热扩散率，m2/s，α＝λ/(ρc)。
[0008]
脉冲热激励利用高能闪光灯对样本表面施加脉冲热流，可以把脉冲的能量记为：
[0009]
q＝q0δ(x)δ(t)
ꢀꢀ
(2)
[0010]
其中，δ(x)、δ(t)分别为单位脉冲函数，又称为dirac函数，即：
[0011][0012]
脉冲热激励时的边界条件为：
[0013]
初始条件：t(x,0)＝t0[0014]
边界条件：忽略表面的对流换热，即
[0015]
经推导克制的表面温度变化为：
[0016][0017]
为了方便分析热波检测缺陷的原理，将材料内部缺陷或蚀损伤形态描述为圆形，缺陷的截面如图2所示。其中，δ为材料壁厚，d为缺陷直径，d为缺陷深度，h为剩余壁厚(通常在检测技术领域将h描述为缺陷深度，即损缺陷伤距离表面的深度)。
[0018]
采用脉冲热激励方式进行加热，针对半无限大平板结构，含缺陷结构的数学模型可简化为一维模型(见图2)，若不考虑热在材料内部的损失，则缺陷/损伤与材料界面边界条件满足温度连续和能量守恒：
[0019]
ts＝td＝thꢀꢀꢀ
(5)
[0020][0021]
式中，下标s和d分别代表正常区域与缺陷的交界面(s代表正常区域界面，d代表缺陷界面)。
[0022]
对于没有缺陷/损伤的区域，按照半无限大结构的热传导进行分析，其表面温度变化可用式(4)表示。如果存在缺陷，可以按照热波的概念去理解：当热波传输到缺陷表面时，热波将受到缺陷表面的影响，其中一部分热波将会反射回去，继续向着相反方向传播，进而传播到材料表面再次反射，然后按照相同的传播规律周期的反射直至衰减完毕，因此，缺陷处的表面温度包括两部分：一部分是按照半无限大区域对应的表面的温度衰减部分，另一部分是经过缺陷表面不断反射累加的部分，两部分就构成了缺陷处的表面温度场的分布。在这里，假定缺陷界面对于热波的反射系数为r，则反射回来的热波应为表面热波经过了2h、4h、6h
…
2nh等距离衰减后的累积值：
[0023][0024]
则表面的温度分布为：
[0025][0026]
由于热波的高衰减性，可以忽略高次衰减，同时缺陷界面对热波的反射系数为e1和e2分别表示材料和其内部介质的热发射系数，已知反射系数r是常数，由此可得：
[0027][0028]
表面温度升值为：
[0029][0030]
为简化计算，近似认为缺陷对热波的反射系数为常数1(即全反射)，可得：
[0031][0032]
因此，有缺陷区域与无缺陷区域的温差为：
[0033][0034]
缺陷深度(即剩余壁厚)是表征设备或材料缺陷程度的重要特征参数，一直是热成像检测领域研究的热点，1999年，deemer c.等发现表面温差函数的一阶微分曲线存在一个峰值，其对应的时刻与缺陷深度具有一定的对应关系，提出了pst(peak slope time)方法。2002年，j.g.sun提出了基于最小二乘拟合的缺陷深度计算方法，并申请了专利。2003年，steven m.shepard直接对表面温度函数取对数后对时间的对数进行二阶微分，提出了计算缺陷深度的lpsd(logarithmic peak second-derivative method)方法。2006年，j.g.sun对比分析了pct、pst、lpsd和最小二乘拟合方法，结果表明在理想条件下各种方法都具有较高的计算准确度，实际检测中缺陷深度的识别误差受计算方法、缺陷大小和深度的影响而不同。2012年，首都师范大学的曾智等对表面温度函数进行了变换，对变换后的函数进行一阶微分求极值，得到了一个特征时间，提出了计算缺陷深度的apst(absolute peak slope time)方法；霍雁等在lpsd方法的基础上，提出利用最小二乘多项式拟合法来处理lpsd方法特征时间与缺陷深度之间的关系，选择在相对误差平方和最小情形下的拟合关系式作为缺陷深度测量的标定关系式，避免了单点标定测量深度可能产生的随机误差，提高了识别准确度。上述方法均是通过对表面温度数据序列进行处理，获得与缺陷深度具有特定关系的特征时间，基于特征时间的获取实现缺陷深度的定量识别，已经在不同领域不同缺陷的识别中得到了应用。几种典型的脉冲热成像发缺陷深度/剩余壁厚计算方法如下：
[0035]
1)表面温差峰值时间方法(peak contrast time,pct)
[0036]
pct方法也称为最佳检测时间法。其特征时间为表面温差达到最大的时间，与缺陷深度的平方成正比：
[0037][0038]
2)表面温差变化率峰值法(peak slope time,pst)
[0039]
pst法是对表面温差进行一阶微分，即对式(11)进行一阶微分，得到热对比度变化率曲线，取其峰值对应的时刻作为特征时间：
[0040][0041]
求解得出了两个特征时间，为了尽量减少三维热扩散对检测结果的影响，通常取第一个极值点对应的时间作为特征时间。
[0042]
3)绝对温度变化率峰值时间法(absolute peak slope time,apst)
[0043]
apst方法是对脉冲加热后材料表面温度与初始温度的绝对温差进行处理分析的，首先对绝对温差表达式进行变换，然后求变换后函数的极值得到一个特征时间。比较典型的一种apst方法的特征函数是：
[0044][0045]
对上述方程进行一阶微分并求极值，即可得到apst法的特征时间：
[0046][0047]
apst方法与pct方法的特征时间一样，但apst方法直接对表面温度数据进行变换，减少了正常区域选取和表面温差的计算，一定程度上避免了非均匀性问题，提高了缺陷识别的准确度。
[0048]
4)对数峰值二阶微分法(logarithmic peak second-derivative method,lpsd)
[0049]
lpsd方法不需要事先确定参考区域，而是直接对表面温度取对数后，对时间的对数进行二阶微分处理，以二阶微分对数温度曲线中的峰值对应的时刻作为特征时刻，也称为对数曲线二阶微分峰值法(peak second derivative of logarithmic temperature time,psdt)。其特征时间为：
[0050][0051]
然而，采用上述各个方法测量缺陷深度(也称剩余壁厚)过程中，存在数据处理过程繁琐，计算结果易受三维热扩散影响等问题，加之受到温度不均匀性带来的数据干扰，会影响计算结果的准确性。尤其是pct方法，剩余壁厚越大，该方法的识别误差越大。
[0052]
鉴于上述原因，有必要探究一种新的测量缺陷深度/剩余壁厚的方法。


技术实现要素：

[0053]
本发明的目的在于解决现有存在的技术问题，提供了一种利用热成像瞬时温度对比度特征时间测量缺陷深度的方法。
[0054]
为实现上述发明目的，本发明提供的具体技术方案为：
[0055]
一种利用热成像瞬时温度对比度特征时间测量缺陷深度的方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
[0056]
1)基于脉冲热成像检测，提取检测表面的温度变化数据；
[0057]
2)根据步骤1)提取的温度变化数据，计算缺陷区域和正常区域表面温差与正常区域温升的比值，并定义该比值为瞬时温度对比度；
[0058]
3)对步骤2)得到的瞬时温度对比度关于时间进行两次微分处理，得到瞬时温度对比度变化率；
[0059]
4)计算步骤3)瞬时温度对比度变化率极大值点对应的时间(也称瞬时温度对比度变化率峰值时间，或者瞬时温度对比度特征时间)，按照下式计算材料内部的缺陷深度h(h也可称为结构损伤后的剩余壁厚)：
[0060][0061]
其中，为缺陷区域的表面温度作为参考温度时，瞬时温度对比度变化率极大值点对应的时间；
[0062]
α为材料的热扩散率。
[0063]
进一步地，步骤2)中，所述瞬时温度对比度表示如下：
[0064][0065]
其中，c
p-sound
是相对于正常区域的瞬时温度对比度，t
defect
(0,t)和t
sound
(0,t)分别是缺陷区域和正常区域在t时刻相对于初始时刻t0的温度；q是脉冲能量；c是材料的比热容；t是时间；n是自然整数，表示热波的反射次数；λ是材料的热传导系数；ρ是材料的密度；e是自然对数的底；α是材料的热扩散率；h为材料内部的缺陷深度。
[0066]
忽略热波在材料中的高次反射，将瞬时温度对比度简化为：
[0067]
进一步地，步骤3)具体为：
[0068]
对求一阶微分，得到：
[0069][0070]
再次微分，得到
[0071][0072]
进一步地，步骤4)具体为：
[0073]
4.1)令计算瞬时温度对比度变化率极大值点对应的时间为：
[0074][0075]
4.2)按照下式计算缺陷深度(即剩余壁厚)：
[0076][0077]
本发明原理：
[0078]
本发明通过对红外热成像检测过程中获得的温度数据进行变换和处理，提出一种新的缺陷深度定量识别算法，并创造性地提出了瞬时温度对比度的概念，构建了瞬时温度对比度变化率与缺陷深度之间的特定关系，本发明将该测量方法称为瞬时温度对比度变化率峰值时间法(pstc)，用于得到缺陷深度。
[0079]
本发明优点：
[0080]
1.本发明改变了温度数据的计算方法，提出了一种温度对比度计算方法，有助于消除温度不均匀性带来的数据干扰，提高了计算结果的准确性。该计算方法相较于pct方法能够更加快速地捕捉到特征时间，避免热扩散以及温度不均匀性带来的影响，相较于pst方法，在温差比较小、信号容易被淹没掉时，更容易查找到特征时间，观测到峰值变化，提升计
算准确性；相较于apst方法，在计算过程中省去了项的微分计算过程，相较于lpsd方法，在计算过程中省去了取对数的计算过程，减少了t变量的计算项，一定程度上抑制了时间和扩散系数、反射系数对测量结果准确性的影响，同时减少计算量，可大幅缩短计算时间，提高计算效率。
[0081]
2.本发明算法在计算过程中，构建了缺陷区域与正常区域表面的温差和正常区域表面温升之间的对比关系，提出了瞬时温度对比度的概念，基于对温度对比度变化率的微分处理，构建了瞬时温度对比度变化率峰值时间与缺陷深度之间的特定关系，在计算过程中略去了一个带有时间变量的关系式，减少了数据微分求解的计算量，提高了计算速度；将其总结为缺陷深度识别的瞬时温度对比度变化率峰值时间法(peak slope time of transient temperature contrast，pstc)。
[0082]
3.脉冲热成像瞬时温差变化率峰值时间法主要用于测量材料内缺陷的深度或者结构内损伤后的剩余壁厚。本发明基于一维热传导理论的计算推导，基于脉冲热成像检测，经过提取检测表面的温度变化数据，提出了瞬时温度对比度的概念，计算获得含缺陷区域与正常区域之间的瞬时温度对比度变化率，该变化率峰值对应的时间与材料内部缺陷所处的深度位置(即损伤后的剩余壁厚)具有对应关系，经过数据处理分析，可获得材料内部缺陷的深度或者结构损伤后的剩余壁厚。
附图说明
[0083]
图1为脉冲红外热成像检测原理图；
[0084]
图2为内部缺陷/损伤的热成像检测原理；
[0085]
图3为pstc法深度识别方法原理，其中，(a)为c
r-sound
曲线，(b)为c
r-sound
的一阶微分曲线，(c)为c
r-sound
的二阶微分曲线；
[0086]
图4为钢材料腐蚀圆型蚀坑模拟试件，其中，(a)为试件正面，(b)为试件背面，(c)为试件尺寸图，单位：mm；
[0087]
图5为不同深度钢材料圆型蚀坑的热波检测原始热图序列；
[0088]
图6为脉冲激励后蚀坑中心表面温度和表面温差随时间的变化曲线，其中，(a)为表面温度-时间曲线，(b)为表面温差-时间曲线；
[0089]
图7为蚀坑中心的瞬时温度对比度及其一阶微分曲线，其中，(a)为瞬时温度对比度曲线，(b)为瞬时温度对比度的一阶微分曲线。
具体实施方式
[0090]
以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步的详细描述：
[0091]
一种利用脉冲热成像瞬时温度对比度变化率峰值时间测量缺陷深度/剩余壁厚的方法，包括以下步骤：
[0092]
1)基于脉冲热成像检测，提取检测表面的温度变化数据，采用现有方法便可获取；
[0093]
2)根据步骤1)提取的温度变化数据，计算缺陷区域和正常区域表面温差与正常区域温升的比值，并定义该比值为瞬时温度对比度，表示如下：
[0094][0095]
其中，c
p-sound
是相对于正常区域的瞬时温度对比度，t
defect
(0,t)和t
sound
(0,t)分别是缺陷区域和正常区域在t时刻相对于初始时刻的温度；
[0096]
忽略热波在材料中的高次反射，将瞬时温度对比度简化为：
[0097][0098]
3)对步骤2)得到的瞬时温度对比度进行微分处理，得到瞬时温度对比度变化率；具体为：
[0099]
对求一阶微分，得到：
[0100][0101]
再次微分，得到
[0102][0103]
一阶微分、二阶微分曲线如图3所示；
[0104]
4)从图3中可以看出，瞬时温度对比度随着时间的延续而增大，但瞬时温度对比度的变化率(一阶微分曲线)则是先增大后减小的，存在一个峰值；
[0105]
令计算瞬时温度对比度变化率极大值点对应的时间为：
[0106][0107]
按照下式计算材料内部缺陷的深度或者结构损伤后的剩余壁厚h：
[0108][0109]
其中，
[0110]
为缺陷区域的表面温度作为参考温度时，瞬时温度对比度变化率极大值点对应的时间；
[0111]
α为材料的热扩散率。
[0112]
为了验证本发明技术方案的效果，进行如下含圆型缺陷钢材料损伤试件的脉冲热成像检测：
[0113]
金属材料腐蚀损伤一般采用平底洞试件，试件由金属钢材料制作而成，尺寸为：280mm
×
200mm
×
6mm，背面加工有4个平底洞模拟的圆型腐蚀坑，蚀坑直径同为20mm，深度分别为2mm、3mm、4mm、5mm，其结构尺寸如图4所示。
[0114]
为了便于分析，对钢材料腐蚀模拟试件下半部分的蚀坑进行编号，按照蚀坑深度
由大到小(剩余壁厚由小到大)的顺序将蚀坑依次编号为蚀坑1～蚀坑4。采用脉冲热波方法，得到如图5所示的红外热图序列。
[0115]
从图5中可以看出，4个蚀坑的显现经历了一个从暗到亮、再从亮到暗的变化过程。在0.04s左右，蚀坑1以热斑的形式最先出现，随着时间的推移，深度较浅的蚀坑也开始显现，并且热斑越来越清晰。大约在0.40s左右，蚀坑4的热斑显现，但通过热图难以观察出来，这是信号较弱的缘故。尔后亮斑逐渐变得模糊，3s以后，热图上的热斑逐渐模糊并最终随着热波的横向传播，表面温度场分布趋于均匀，看不出贮箱内壁的腐蚀损伤。其中，深度最小(剩余壁厚最大)的蚀坑所对应的亮斑最后显现却最先消失；持续时间最长的亮斑为深度最大(剩余壁厚最小)的蚀坑，这说明剩余壁厚越小，腐蚀对表面温度场的影响越大，相对越容易检测，采用热波方法能及时发现损伤并确定危险位置。
[0116]
蚀坑深度与热斑出现的时间有着很重要的关系，蚀坑深度越大，剩余壁厚越小，腐蚀损伤越先被发现，因此可以根据蚀坑显现、持续或消失的时间来判断蚀坑的深度。提取脉冲热激励后蚀坑中心的表面温度数据，以正常区域的表面温度数据为参考，计算蚀坑区域的表面温差，得到如图6所示的温度和温差曲线。
[0117]
从图6的(a)中可以看出，降温开始阶段，各个位置的降温曲线基本重合，并且温度都急剧下降，然后，不同深度蚀坑的表面温度下降曲线开始分离，深度最小的蚀坑对应剩余壁厚最厚的部位，其表面温度下降的最快；深度最大的蚀坑对应剩余壁厚最薄的部位，其表面温度下降的最慢；随着时间的延续，试件表面温度场趋于一致。
[0118]
(1)基于pct方法的剩余壁厚识别
[0119]
从图6的(b)中可以看出，不同剩余壁厚处最大表面温差出现的时刻不同，采用pct方法进行剩余壁厚的定量识别，结果见表1所示。表1蚀坑处剩余壁厚的pct法定量识别结果
[0120][0121]
由表1可以看出，剩余壁厚越大，pct方法的识别误差越大。因此，pct方法适合于非常严重的腐蚀检测，这种情况下的腐蚀剩余壁厚较小，热流在贮箱壁内的传播受三维热扩散的影响较小。而对于轻微腐蚀或者早期的腐蚀，贮箱的剩余壁厚较大，pct方法的测量结果误差较大，不能满足测量要求。
[0122]
(2)基于本发明pstc方法的剩余壁厚识别
[0123]
对提取的腐蚀区域表面温度和未腐蚀区域表面温度按照前述公式进行计算，获得瞬时温度对比度随时间的变化关系，如图7所示。
[0124]
对比图7的图(a)和图6的(a)可以看出，原始表面温度曲线中没有典型时刻可用于提取，不能获取与剩余壁厚相关的信息，而经过提取瞬时温度对比度，所得到的曲线存在一个斜率峰值，其对应的时刻与剩余壁厚存在特定关系。对瞬时温度对比度进行一阶微分后，可得到瞬时温度对比度变化率曲线，如图7的(b)所示。
[0125]
不同剩余壁厚处的瞬时温度对比度的峰值时刻不同，以剩余壁厚较厚处的瞬时温度对比度峰值时刻为基准，基于瞬时温度对比度变化率峰值时间法(pstc)，分别计算其余三个蚀坑对应的剩余壁厚，并计算相应的测量误差，结果如表2所示。
[0126]
表2蚀坑处剩余壁厚的pstc法定量识别结果
[0127][0128]
由表2可以看出，相对与pct方法，pstc方法的测量误差较小，可以用于腐蚀剩余壁厚的计算，且腐蚀越严重，剩余壁厚越小，热成像检测对壁厚的识别准确度越高。
[0129]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种利用热成像瞬时温度对比度特征时间测量缺陷深度的方法，其特征在于，包括以下步骤：1)基于脉冲热成像检测，提取检测表面的温度变化数据；2)根据步骤1)提取的温度变化数据，计算缺陷区域和正常区域表面温差与正常区域温升的比值，并定义该比值为瞬时温度对比度；3)对步骤2)得到的瞬时温度对比度关于时间进行两次微分处理，得到瞬时温度对比度变化率；4)计算步骤3)瞬时温度对比度变化率极大值点对应的时间，按照下式计算材料内部的缺陷深度h：其中，为缺陷区域的表面温度作为参考温度时，瞬时温度对比度变化率极大值点对应的时间；α为材料的热扩散率。2.根据权利要求1所述方法，其特征在于：步骤2)中，所述瞬时温度对比度表示如下：其中，c
p-sound
是相对于正常区域的瞬时温度对比度，t
defect
(0,t)和t
sound
(0,t)分别是缺陷区域和正常区域在t时刻相对于初始时刻的温度；q是脉冲能量；c是材料的比热容；t是时间；n是自然整数，表示热波的反射次数；λ是材料的热传导系数；ρ是材料的密度；e是自然对数的底；α是材料的热扩散率；h为材料内部的缺陷深度。忽略热波在材料中的高次反射，将瞬时温度对比度简化为：3.根据权利要求2所述方法，其特征在于，步骤3)具体为：对求一阶微分，得到：再次微分，得到4.根据权利要求3所述方法，其特征在于，步骤4)具体为：4.1)令计算瞬时温度对比度变化率极大值点对应的时间为：
4.2)按照下式计算缺陷深度：

技术总结
本发明提供了一种利用热成像瞬时温度对比度特征时间测量缺陷深度的方法，基于一维热传导理论的计算推导，基于脉冲热成像检测，经过提取检测表面的温度变化数据，提出了瞬时温度对比度的概念，计算获得含缺陷区域与正常区域之间的瞬时温度对比度变化率，该变化率峰值对应的时间与材料内部缺陷所处的深度位置(即损伤后的剩余壁厚)具有对应关系，经过数据处理分析，可获得材料内部缺陷的深度或者结构损伤后的剩余壁厚。伤后的剩余壁厚。伤后的剩余壁厚。


技术研发人员：金国锋 杨正伟 田干 黄智勇 张炜
受保护的技术使用者：中国人民解放军火箭军工程大学
技术研发日：2023.04.28
技术公布日：2023/8/14