[发明专利]太阳能热激励红外热波成像系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有热激励的红外热波成像无损检测系统，采用太阳能作为热激励源，特别适合于户外物体的热波无损检测。属于红外无损检测的技术领域。

背景技术

具有热激励的红外热波成像技术是于近年来发展迅速的一种新型无损检测方法，其特点是可以远距离非接触、大面积快速检测，因而特别适合于在线、在役检测，对于及时发现各种材料内部隐患，减少或避免重大事故的发生，具有重要的应用价值。

热波成像无损检测基本原理是采用热激励源投射到被测物体上，对被检测区域进行加热，使其温度明显高于环境温度，这个温度差会引起热传导，使热能从表面向物体内部传导。如果物体内部的热学特性具有非均匀性，比如断裂或空隙等缺陷，将会影响到热流道传播，则被测物体的表面温度分布便会受到相应的影响。利用红外摄像仪接收来自被加热区域的热辐射，通过分析被测物体红外图像随时间的变化可以得知被测物体的内部结构及缺陷。

热激励红外热波成像技术已被有效地运用在各种材料的无损检测中。相比传统的无损检测手段，比如超声波，涡流，X射线等技术，热激励红外热波成像技术具有独特的优势。而且这个技术尤其对复合材料的检测十分有效。复合材料的运用已成为现代航空航天领域装备先进性的重要标志之一。随着各种特殊金属材料和复合材料在机身、机翼、涡轮叶片、火箭壳体、航空发动机喷管、涡轮叶片以及机身结构等部位的应用，对无损检测的要求逐步增加。同样在新能源领域的复合材料应用也在快速成长，如风力发电机的叶片目前主要都是由玻璃纤维填充树脂材料制成的。通常复合材料是采用多层纤维胶合的方式或蜂窝夹层结构，具有高强度和重量轻的优点。由于在制造和使用的过程中经常会产生内部缺陷，如分层、脱粘、裂缝等，大大影响了材料的强度和使用寿命。对复合材料的无损检测虽然可以采用传统的超声探伤技术，但该技术要求探头接触被测物体，逐点扫描，费时费力。对于结构复杂的材料，如蜂窝状板材，超声波技术的检测则是十分困难。

很多无损检测的需求是在户外，如风力发电机的叶片，雷达罩，建筑物，甚全包括飞行器等。这些物体都十分庞大，对于热激励红外热波成像技术来说，为了到达较高的检测速度，需要使用很大的热激励功率。以风力发电机叶片为例，其面积很大，长度可达五、六十米，宽度可在两米以上。而且叶片材料是约二、三十毫米厚的玻璃纤维复合材料，导热率很低，热波成像的时候热激励与图像采集周期很长，为了达到一定检测速度，系统必须能进行大面积成像，因此热激励功率至少在数千瓦甚至数万瓦以上，而且这些热激励源应当是可以被投射到较远的距离。虽然激光器是最理想的选择，因为它特别适合于进行远距离加热。但是即使是千瓦级的大功率激光器的价格也十分昂贵，而且精密的光学系统不能承受颠簸，对环境温度要求高，同时其耗电量大，需要大量冷却水，不适合在野外作业，这些问题严重限制了它在户外的实际应用。

发明内容

本发明的目的就是针对上述热波无损检测技术的不足，提供一种适合于户外应用的热波成像无损检测系统。它采用聚焦太阳能的技术，有效地解决了现有技术中大功率热激励源不足的问题。其系统具有功率大，性能稳定，成本低廉，易于运输等优点，特别适合野外作业。

按照本发明提供的技术方案，其系统包括红外热成像仪，数据采集及控制系统，热激励源。所述红外摄像仪用于采集被测物体的热波图像，其检测的敏感波段通常在2-12微米范围；所述数据采集及控制系统用于对热波图像进行处理，并控制整个系统的运行；所述热激励源由多个大面积的反射镜组成，用于将太阳光聚焦并投射到被测物体表面。虽然反射镜可以采用能聚焦的弧面形状，但这样对被测物体的距离有限制，要求在焦距附近。这限制了很多应用场合，所以平面镜是更佳的选择。每个反射镜都有独立的机械调节系统控制镜面的角度，形成一个阵列反射镜系统，使得太阳的能量能够聚集到一起，大幅增加单位面积的加热能量。地球表面的太阳能每平方米大概在1000瓦左右，如果采用1平方米面积的镜子组成一个4x4的阵列，则会聚起来的能量可以达到16000瓦左右。并且太阳光基本是准直的，只要镜面平整，反射光可以投射到很远的地方。另外相对于激光器只有单一的波长，太阳光具有宽带光谱，从紫外到红外，因而对各种光学特性的被测物体都可以有较好的吸收。