[实用新型]一种激光扫描热波层析成像装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种热激励热波层析成像装置，采用高功率激光束移相扫描达到高速热波成像的目的，属于红外无损检测的技术领域。

背景技术

热波层析成像无损检测基本原理是首先采用热激励源对被测物体表面进行加热，使其与被测物体内部的温度形成热势差，从而热能从表面向物体内部流动。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，热流的传播将会受到影响，使得部分热流被反射回到物体的表面，因此被测物体的表面温度分布会随时间发生相应的变化。利用红外摄像仪连续采集来自被测物体的热辐射，通过分析这些随时间变化的红外图像可以得到热波被反射的时间和强度，因此可以得知被测物体内部的缺陷及结构。

随着新材料、新能源、高速铁路、核工业及航空航天等工业的快速发展，对无损检测技术的要求日益增加。热波检测技术应用广泛，从小的方面讲，可对半导体材料包括太阳能电池的测试、集成电路的封装测试、半导体光源的封装导热性能的测试、以及金属及其他非透明薄膜的测量等。从大的方面讲，可对飞机和航天器的外壳的内部粘合状况及腐蚀程度，水下舰只的外壳、气体和液体的输送管线，火车轨道及轮盘，锅炉锅体，汽车外壳及漆层质量等进行评估，从而及时发现隐患以避免事故。

相比传统的无损检测手段，比如超声波，涡流，X射线等技术，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。

在热波层析成像时，根据样品的特性有两种热激励方式。对于比较薄的样品、特别是高导热率的材料，例如半导体晶片及太阳能硅片等，热激励的时间必须很短，否则热波的回波到达表面时热激励还没结束，影响检测。而对于比较厚或导热率差的样品，热波的变化缓慢，对热激励的能量要求高，所以通常热激励的时间长，采样速率可以很慢。

对快速变化热波信号的检测需要解决两个问题，高能量短脉冲热激励和高速图像采集。针对高能量短脉冲热激励的问题，目前国外市场上的产品都采用高能量闪光灯作为脉冲热激励源。但这种高能量闪光灯有很多局限，例如其总能量有限，每次测试的面积不能太大；光束发散，不能远距离作用；闪光脉冲周期极短，而且不可调，过高的峰值功率会造成样品的损坏；灯管的使用寿命有限，设备体积庞大、不易移动等。针对高速图像采集的问题，目前只有采用具有高帧频功能的热像仪，这种热像仪十分昂贵，而且输出的图像分辨率随着帧频的提高大幅度下降。

近几年来大功率半导体激光器得到飞跃式的发展，使得此类激光器的功率大幅度提高，而价格却快速下降。激光器和传统的热激励光源相比具有波长可选择、强度可调制，光束可聚焦和可扫描等优点。同时新型大功率激光器还可使检测信噪比提高，检测范围得到提升，单次检测面积增大，检测速度加快。以波长为例，对于金属铝，它的吸收在800nm附近要比可见光高一倍，如果选用相应波长的激光器，可使热波信号得到有效提高。另外通过调制激光器的功率，可以进行基于锁相原理的热波成像技术，使得检测灵敏度和空间分辨率都得到进一步提升。

目前已有少量热波成像技术采用激光热激励，例如美国专利3,808,439、6,343,874、6,419,387等，都介绍了采用激光扫描热激励的方法进行热波成像，但这些方法中都没能有效解决热波层析成像的问题，特别是对于浅表层缺陷的检测，必须采用高速热像仪的问题。

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，提供一种可以实现脉冲加热的热波成像无损检测装置。当连续输出的高功率激光器在样品表面快速扫描时，对于样品表面任何一个固定点，其被激光照射的时间可以看成是一个短脉冲。本发明采用大功率连续激光器作为热激励源，由振镜控制对样品的表面进行快速扫描，实现脉冲热激励。