專利名稱：使用紅外熱像法改進的激光超聲檢查的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無損;險測(non destructive testing )，并且更加具體地 涉及熱成像和超聲檢測的使用以檢查材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
最近幾年中，先進復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的使用經(jīng)歷了在航天、汽車和許 多其他民用工業(yè)中的極大增長。盡管復(fù)合材料提供在性能上的顯著提 高，它們在制造工藝中和在材料在制成品中使用后都要求嚴(yán)格的質(zhì)量 控制程序。具體地，無損評價(NDE)方法必須評估復(fù)合材料的結(jié)構(gòu) 完整性。適合的評估需要能夠探測在靠近表面區(qū)域和深層內(nèi)部區(qū)域處 的夾雜物、脫層和孔隙率。已經(jīng)提出各種不同的方法和裝置以評估復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)完 整性。 一個技術(shù)方案使用超聲源以在目標(biāo)材料中產(chǎn)生超聲表面位移。 接著測量并且分析超聲表面位移。超聲源可是對準(zhǔn)目標(biāo)的脈沖發(fā)生激 光束。來自獨立探測激光器的激光被工件處的超聲表面位移散射。然 后采集光學(xué)系統(tǒng)采集散射的激光能量。采集光學(xué)系統(tǒng)與干涉儀或其他 裝置耦合，并且關(guān)于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)完整性的數(shù)據(jù)可以通過對散 射激光能量的分析而得到。已經(jīng)表明激光超聲對于在制造工藝中對部 件的檢查是非常有效的。典型地，激光源通過在表面上的局部點處的熱膨脹而產(chǎn)生聲音， 同時與干涉儀耦合的激光束探頭探測表面位移或速度。由于發(fā)生激光的吸收引起的熱膨脹產(chǎn)生位移，該位移由激光超聲探測系統(tǒng)檢波而產(chǎn) 生在激光超聲信號的開始處的脈沖。這個回聲通常稱為表面回聲。表 面回聲可掩蓋任何由靠近樣品表面的缺陷產(chǎn)生的回聲。表明回聲的持續(xù)時間取決于發(fā)生激光脈沖持續(xù)時間和探測系統(tǒng)的頻帶寬度。典型 的，用C02發(fā)生激光器和共焦法布里-珀羅探測，表面回聲可持續(xù)幾個 微秒。因此任何將在那個時間期間產(chǎn)生回聲的缺陷可被掩蓋。因為這 個原因，激光超聲檢查對于深層內(nèi)部缺陷是靈敏的而對于近表面缺陷 是較不靈敏的。另一個NDE方法瞬態(tài)紅外(IR)熱像法，由于它對在聚合物基 體部件中超過幾個mm深的缺陷的不靈^:性而引起不能有效地允許對 聚合物基體復(fù)合材料的檢查。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的實施例針對大致上解決上文指出的需要的以及其他需 要的系統(tǒng)和方法。本發(fā)明的實施例在下列說明書和權(quán)利要求中進一步 說明。本發(fā)明的實施例的優(yōu)勢和特征可通過說明書、附圖和權(quán)利要求 變得明顯可見。本發(fā)明的實施例結(jié)合激光超聲和熱成像技術(shù)以大致上解決上文 提出的需要以及其他需要。激光超聲發(fā)生技術(shù)可用于提供瞬態(tài)熱源。 因此，瞬態(tài)紅外(IR)熱像法可與激光超聲結(jié)合以提供聚合物基體部 件(即復(fù)合材料)的更加完整的無損;險查。一個實施例提供斗企查系統(tǒng)以檢查目標(biāo)材料的近表面和深層內(nèi)部 結(jié)構(gòu)。這個檢查系統(tǒng)結(jié)合超聲檢查系統(tǒng)和熱^4企查系統(tǒng)。熱像檢查系 統(tǒng)附加于超聲檢查并且改變以能夠在與激光超聲檢查兼容的距離處 對目標(biāo)材料的熱像檢查。在目標(biāo)材料上使用深度紅外(IR)成像獲得 定量的信息。結(jié)合IR成像和激光超聲的結(jié)果并且在復(fù)雜形狀的復(fù)合 材料的3D投影圖上投影。熱像的結(jié)果補充激光超聲的結(jié)果并且產(chǎn)生 關(guān)于目標(biāo)材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的更加完整的并且更加可靠的信息(特別當(dāng)目標(biāo)材料是薄的復(fù)合材料部件時)。另 一個實施例4是供^r查目標(biāo)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的方法。這個方法包含在 目標(biāo)材料處引起超聲位移和熱瞬態(tài)兩者。這些超聲位移可使用激光超聲系統(tǒng)產(chǎn)生和分析。熱瞬態(tài)可使用閃光燈產(chǎn)生并且^f吏用熱像^f全查系統(tǒng) 分析。分析可包含超聲信息和熱信息兩者的關(guān)聯(lián)以產(chǎn)生關(guān)于目標(biāo)的結(jié) 構(gòu)的更加完整的理解。分析超聲位移例如可產(chǎn)生關(guān)于在復(fù)合材料內(nèi)深 層內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息。熱圖像可產(chǎn)生關(guān)于復(fù)合材料的近表面內(nèi)部結(jié)構(gòu)的 信息。關(guān)4關(guān)超聲信息和熱信息產(chǎn)生對目標(biāo)的整體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的更好的理 解。再另 一個實施例提供復(fù)合材料檢查系統(tǒng)。這個復(fù)合材料檢查系統(tǒng)結(jié)合超聲檢查系統(tǒng)和熱像檢查系統(tǒng)。提供超聲探測系統(tǒng)以探測在復(fù)合材料處的超聲表面位移。提供熱成像系統(tǒng)以探測在復(fù)合材料處的熱瞬態(tài)?？刂颇K可使熱成像獲取信息與激光超聲獲得信息匹配以幫助激光超聲信息和熱圖像的關(guān)聯(lián)以便產(chǎn)生關(guān)于目標(biāo)的整體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信 自


為了本發(fā)明和其的優(yōu)勢的更加徹底地理解，現(xiàn)在參考與附圖結(jié)合來看的下列說明，附圖中相同的標(biāo)號指示相同的特征并且其中以產(chǎn)生并且探測激光超聲位移和熱瞬態(tài)；圖2提供結(jié)構(gòu)圖以示出激光超聲/熱成像系統(tǒng)的基本部件；圖3提供根據(jù)本發(fā)明的實施例的激光超聲和IR成像系統(tǒng)的功能圖；圖4描繪根據(jù)本發(fā)明的實施例的可操作以產(chǎn)生超聲位移和熱瞬態(tài) 的發(fā)生激光的框圖；圖5提供根據(jù)本發(fā)明的實施例的熱^f^險查系統(tǒng)的功能圖；圖6提供根據(jù)本發(fā)明的實施例的激光超聲和IR成像系統(tǒng)的框或 功能圖；圖7示出根據(jù)本發(fā)曰J 板內(nèi)的熱瞬態(tài)獲得的紅外結(jié)果；以及圖8提供根據(jù)本發(fā)明的實施例的說明檢查目標(biāo)材料的方法的邏輯流程圖。
具體實施方式
本發(fā)明的優(yōu)選實施例在圖表中示出，相同的數(shù)字用于指各種不同 的圖的相同的和對應(yīng)的部件。本發(fā)明的實施例結(jié)合激光超聲和熱成像技術(shù)以提供例如但不限 于聚合物基體部件(即復(fù)合材料)的目標(biāo)材料的更加完整的無損才企查。 一個實施例提供可操作以檢查目標(biāo)材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的檢查系統(tǒng)。 一個 實施例提供檢查目標(biāo)材料的近表面和深層內(nèi)部結(jié)構(gòu)的檢查系統(tǒng)。這個 檢查系統(tǒng)結(jié)合超聲檢查系統(tǒng)和熱^4企查系統(tǒng)。熱像檢查系統(tǒng)附加于超 聲檢查并且改變以能夠在與激光超聲檢查兼容的距離處對目標(biāo)材料的熱像檢查。在目標(biāo)材料上使用深度紅外(IR)成像獲得定量的信息。 結(jié)合IR成像和激光超聲的結(jié)果并且在復(fù)雜形狀的復(fù)合材料的3D投影 圖上投影。熱像的結(jié)果補充激光超聲的結(jié)果并且產(chǎn)生關(guān)于目標(biāo)材料的 內(nèi)部結(jié)構(gòu)的更加完整的并且更加可靠的信息(特別當(dāng)目標(biāo)材料是薄的 復(fù)合材料部件時)。本發(fā)明的實施例提供更快的檢查速率、改進的系 統(tǒng)可靠性和更低的工作成本。圖1示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的發(fā)生激光束和探測激光束的使用 以產(chǎn)生并且探測激光超聲位移和熱瞬態(tài)。激光束102產(chǎn)生超聲同時照 射(探測)激光束104探測目標(biāo)106 (例如處于檢查的復(fù)合材料等) 處超聲。例如閃光燈(沒有示出)等的熱源可用于引導(dǎo)例如紅外線(IR) 等的輻射114以在目標(biāo)106中引起熱瞬態(tài)。熱輻射可同時照射目標(biāo)106 的全部。這樣在熱成像和超聲檢查之間可存在冷卻時間。涉及超聲檢 查的激光可共軸地施加到目標(biāo)106。發(fā)生激光束102在目標(biāo)106中引 起熱彈性膨脹112，其引起超聲變形或超聲波108的形成。變形或超 聲波108在目標(biāo)106中傳播并且調(diào)制、散射和反射探測激光束104以 產(chǎn)生相位調(diào)制光110,其被引導(dǎo)離開目標(biāo)106,其被采集并且處理以獲得說明目標(biāo)106的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息。圖2提供根據(jù)本發(fā)明的實施例的進行超聲檢測和紅外(IR)熱像 的檢查系統(tǒng)的透視圖。檢查系統(tǒng)200包括與熱像檢查系統(tǒng)耦合的超聲 檢查系統(tǒng)。超聲檢查系統(tǒng)包括激光超聲定位系統(tǒng)202,和包括掃描光 學(xué)系統(tǒng)206的激光超聲頭204。這些的工作將參考圖3進一步詳細論 述。熱像檢查系統(tǒng)包括IR燈208和IR照相機210。 IR燈在復(fù)合材料 或目標(biāo)材料214中引起熱瞬態(tài)。IR照相機210可操作以采集目標(biāo)214 的熱圖^象。如在這個實施例中示出的照相才幾210的^L場可是足夠大以 在單幀中采集目標(biāo)214的圖像。或者IR照相機210可采集多幀用于 生成合成熱圖像。時間序列的圖像可用于生成基于目標(biāo)214的熱性質(zhì) 的合成圖像。這可包括例如定量的熱壁厚度的確定，其中定量的熱壁 厚度的意想不到的變化指示在目標(biāo)214內(nèi)的不連續(xù)、潛在的不連續(xù)或 缺陷。圖3提供帶有用于進行超聲激光檢測的基本部件的結(jié)構(gòu)圖。激光 超聲檢查系統(tǒng)300包括發(fā)生激光器310、探測激光器320、光學(xué)組件 314、采集光學(xué)系統(tǒng)326、光學(xué)處理器328和干涉儀330，以及控制和 數(shù)據(jù)處理模塊332。發(fā)生激光器310產(chǎn)生發(fā)生激光束312，光學(xué)組件 314將其引導(dǎo)到目標(biāo)316。如示出的，光學(xué)組件314包括掃描儀或其 他類似的機構(gòu)，其沿掃描平面或檢測平面318移動激光束312。光學(xué) 組件314可包括那些本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員已知的視覺照相機、深度照 相機、IR照相機、范圍探測器、窄帶照相機或其他類似的光學(xué)傳感器。 這些光學(xué)傳感器每個可在進行;險查之前需要校準(zhǔn)。這個校準(zhǔn)-瞼證了系 統(tǒng)整合由各種不同的傳感器采集的信息的能力。發(fā)生激光器310在目 標(biāo)106內(nèi)產(chǎn)生超聲波108和熱瞬態(tài)。因為復(fù)合材料吸收發(fā)生激光束，超聲波108和熱瞬態(tài)是復(fù)合材料 的熱彈性膨脹112的結(jié)果。復(fù)合材料316容易吸收發(fā)生激光束312而 不燒蝕或損壞。更高能量的發(fā)生激光不必定是優(yōu)選的以克服信噪比(SNR)問題，因為這些可以導(dǎo)致在工件表面處的材料的燒蝕，可能 損壞部件。在其他實施例中，取決于檢測的材料，為了增加探測信號 的SNR —些燒蝕可以是可接受的。發(fā)生激光束312具有合適的脈沖持 續(xù)時間、功率和頻率以引起超聲表面變形和合適的熱瞬態(tài)。例如，橫 向激發(fā)大氣壓(TEA)C02激光器可以產(chǎn)生達100納秒脈沖寬度的10.6 微米波長光束。激光器的功率必須足夠輸送例如0.25焦耳的脈沖到目 標(biāo)，其可需要在400Hz脈沖重復(fù)頻率下工作的100瓦激光器。發(fā)生激在脈沖模式或CW模式中工作的探測激光器320不引起超聲位 移。例如，可以使用Nd:YAG激光器。這個激光器的功率必須足夠輸 送例如100毫焦耳10(H鼓秒的^i沖，其可要求一千瓦(KW)的激光 器。探測激光器320產(chǎn)生探測激光束322。探測激光器320包括或光 學(xué)地耦合于濾光機構(gòu)324以從探測激光束324去除噪聲。光學(xué)組件314 引導(dǎo)探測激光束324到復(fù)合材料316的表面，其散射和/或反射探測激 光束324。產(chǎn)生的相位調(diào)制光由采集光學(xué)器件326采集。如這里示出 的，散射和/或反射探測激光返回通過光學(xué)組件314?？蛇x的光學(xué)處理 器328和干涉儀330處理該相位調(diào)制光以產(chǎn)生包含表征了復(fù)合材料 316的表面處的超聲位移的信息的信號。發(fā)生激光束可是中IR超聲發(fā)生激光。這樣的發(fā)生激光器為超聲 和熱瞬態(tài)的產(chǎn)生提供緊湊的高平均功率的中IR激光器。如在圖4中 示出的，發(fā)生激光器400包括泵浦激光頭402,在其中具有纖維激光 器，纖維與發(fā)生激光頭404耦合。使用纖維激光器允許激光泵浦遠離 發(fā)生激光頭404設(shè)置。泵浦激光頭可通過光學(xué)纖維402與發(fā)生激光頭 404耦合。離發(fā)生激光束輸送頭404幾米處設(shè)置泵浦激光頭402允許緊湊的 中IR發(fā)生激光頭，其減少整體有效載荷和對于用于輸送發(fā)生激光束 和獲取熱圖像的機器人的或定位系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求。僅要求包含發(fā)生 激光束輸送頭和IR照相機的緊湊的和輕量的模塊安裝在機器人系統(tǒng)的檢查頭內(nèi)。這允許使用較小機器人的中IR激光源配置。從而，為 使用便攜式激光超聲系統(tǒng)和IR熱像系統(tǒng)的現(xiàn)場復(fù)合材料NDE創(chuàng)造了 新的復(fù)合材料檢查機會。這些方法在為了所有目的結(jié)合于此的名為 "纖維激光器以產(chǎn)生超聲"的美國專利申請?zhí)朹中論述。圖5提供熱像檢查系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)圖。熱像檢查系統(tǒng)500包括熱 成像照相機(即IR照相機210 )和IR閃光燈208以在目標(biāo)內(nèi)引起熱 瞬態(tài)。閃光燈208可具有可操作以引導(dǎo)熱輻射到期望位置的反射器。 例如，這些反射器可允許在比一般用于熱像法的距離更大的距離處的 熱激發(fā)。例如，這些反射器允許閃光燈設(shè)置在6英尺偏離處而不是對 于熱^象檢查更加常規(guī)的l英尺偏離處。這允許熱傳4企查系統(tǒng)500和激 光超聲檢查系統(tǒng)300二者都安裝在相同的定位系統(tǒng)上。這也允許照相 機210具有當(dāng)與一般偏離距離關(guān)聯(lián)的視場504比較時更大的視場502。 熱^^企查系統(tǒng)500采集并且分析目標(biāo)的熱圖像。處理這些圖像以產(chǎn)生 關(guān)于目標(biāo)316的近表面內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息。數(shù)據(jù)處理和控制系統(tǒng)332協(xié)調(diào)激光超聲系統(tǒng)部件和熱成像部件的 工作以產(chǎn)生關(guān)于目標(biāo)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息。數(shù)據(jù)處理和控制系統(tǒng)332管 理激光超聲檢查系統(tǒng)300和熱像檢查系統(tǒng)400兩者的工作。處理和控 制系統(tǒng)分析探測到的超聲位移和熱圖像以產(chǎn)生關(guān)于目標(biāo)的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 的信息。接著可以結(jié)合超聲檢查結(jié)果和熱像檢查結(jié)果以提供目標(biāo)的內(nèi) 部結(jié)構(gòu)的更加準(zhǔn)確的表示，其中這個信息可映射到目標(biāo)的計算機模 型。處理和控制系統(tǒng)還可管理檢查的順序使得在一個實施例中熱像檢 查可首先進行然后在熱像檢查和超聲檢查之間可過去預(yù)定量的時間 以允許熱瞬態(tài)減退。數(shù)據(jù)處理和控制系統(tǒng)332可是單個處理裝置或多個處理裝置。這 樣的處理裝置可是微處理器、微控制器、數(shù)字信號處理器、微計算機、 中央處理單元、現(xiàn)場可編程門陣列、可編程邏輯器件、狀態(tài)機、邏輯 電路、模擬電路、數(shù)字電路和/或任何基于存儲在存儲器中的操作指令 操作信號(模擬和/或數(shù)字)的裝置。存儲器可是單個存儲裝置或多個存儲裝置。這樣的存儲裝置可是只讀存儲器、隨機存取存儲器、易失 性存儲器、非易失性存儲器、靜態(tài)存儲器、動態(tài)存儲器、閃速存儲器、 高速緩沖存儲器和/或任何存儲數(shù)字信息的裝置。存儲器存儲與將示出 的步驟和/或功能中的至少 一些對應(yīng)的操作指令，并且數(shù)據(jù)處理和控制 系統(tǒng)332執(zhí)行該與將示出的步驟和/或功能中的至少一些對應(yīng)的操作 指令。圖6提供根據(jù)本發(fā)明的實施例的激光超聲和IR成像系統(tǒng)600的 框或功能圖。激光超聲和IR成像系統(tǒng)600包括發(fā)生激光器602、控制 模塊604、激光超聲探測系統(tǒng)606、熱成像系統(tǒng)608、處理模塊610、 光學(xué)系統(tǒng)612和閃光燈616。發(fā)生激光器602產(chǎn)生發(fā)生激光束，其由 光學(xué)系統(tǒng)612引導(dǎo)到用例如但不限于復(fù)合材料等的材料制成的目標(biāo) 614,其中如上文論述的引起了超聲位移。激光超聲探測系統(tǒng)606產(chǎn) 生探測激光束，其由光學(xué)系統(tǒng)612引導(dǎo)到目標(biāo)614,其中在目標(biāo)614 的表面處的超聲位移使得探測激光束被相位調(diào)制。光學(xué)系統(tǒng)612還采 集被目標(biāo)表面散射的探測激光束的光。激光超聲探測系統(tǒng)606處理采 集到的相位調(diào)制光以便產(chǎn)生包含關(guān)于超聲位移的信息的信號。這個信 號提供給處理模塊610。閃光燈616產(chǎn)生熱瞬態(tài)以供對目標(biāo)614的熱像測量。例如IR照 相機608等的熱成像系統(tǒng)獲取在目標(biāo)614內(nèi)的熱瞬態(tài)的熱圖像或幀。 視場可允許表面或目標(biāo)614的單幀圖像?；蛘呖色@取多個幀以制作合 成的熱圖像。附加的圖像可在熱瞬態(tài)期間的預(yù)定時間處獲取。處理這 些不同的圖像以產(chǎn)生由激光超聲檢查的全部面積的熱#^企查。熱像結(jié)果補充激光超聲結(jié)果并且如此提供更加完整的并且更加 可靠的檢查。瞬態(tài)IR熱像自身無法提供例如聚合物基體復(fù)合材料等 的復(fù)合材料部件的有效檢查。由于聚合物基體的低熱導(dǎo)率，瞬態(tài)IR 熱像僅對復(fù)合材料部件的頂面是靈敏的。從而，IR熱像不能用于識別 以探測和識別在聚合物基體或聚合物復(fù)合材料部件內(nèi)的深層缺陷。激光超聲和IR成像系統(tǒng)600包含提供深層內(nèi)部檢查系統(tǒng)的激光超聲和用于解決目標(biāo)614的近表面檢查的熱成像兩者。這就解決了與激光超聲檢查對近表面缺陷可能較不靈敏的事實關(guān)聯(lián)的問題。通過結(jié) 合這兩個技術(shù)，復(fù)合部件或材料的更加完整的無損檢查是可能的，這比當(dāng)僅使用激光超聲或IR熱像時的可能的檢查更加完整。。板內(nèi)的熱瞬態(tài)獲得的紅外結(jié)果?？稍谟砷W光燈的起動引發(fā)的熱瞬態(tài)期 間的預(yù)定時間處采集一系列熱圖像。在目標(biāo)的表面上的每個點經(jīng)歷獨 特的熱瞬態(tài)。這些熱瞬態(tài)可用于確定與目標(biāo)材料關(guān)聯(lián)的熱性質(zhì)。例如 可通過分析目標(biāo)材料處隨時間的熱圖像而確定定量的熱壁厚度。這可 以如在圖7中示出的以合成視覺圖像的形式顯示。這個處理方法分析 紅外圖像(更加具體地分析在不同圖像內(nèi)作為時間的函數(shù)的溫度變 化)。對于IR照相機的每一點，從所有IR圖像建立相對溫度變化曲 線。另 一個實施例可提供掃描IR熱像技術(shù)以檢查材料的近表面缺陷。 這允許目標(biāo)材料的峰值熱負載限制為在一時間僅目標(biāo)材料的一小部 分被加熱。這樣的系統(tǒng)使用掃描激光以引起熱瞬態(tài)。在目標(biāo)702內(nèi)的缺陷在灰度圖像700中清楚的顯示。圖像700包 括材料702內(nèi)各種不同的點704。這個圖像可使用例如在為了所有的 目的通過引用結(jié)合的名為"合成參考熱成像方法"的美國專利號 6,367,969中說明的成像方法而產(chǎn)生。IR瞬態(tài)熱像分析方法可用于準(zhǔn) 確地測量目標(biāo)的厚度并且提供指示了在目標(biāo)的期望面積上的它的橫 截厚度的^L覺編碼顯示?；旧?，IR瞬態(tài)熱像使用對快速加熱目標(biāo)的表面的溫度時間 (T-t)響應(yīng)分析中的拐點，其優(yōu)選地從"正面"IR照相機觀測獲得。 這個拐點在T-t響應(yīng)中相對早地出現(xiàn)并且本質(zhì)上獨立于側(cè)向熱耗機 制。(這樣的考慮可具有特定的關(guān)聯(lián)性，例如，當(dāng)與金屬一起工作時， 因為由于金屬的高熱導(dǎo)率，金屬目標(biāo)的熱響應(yīng)是相當(dāng)快的，并且因此 用于獲得熱數(shù)據(jù)測量的可用時間通常是短的)。由從連續(xù)的IR照相機圖像幀中經(jīng)過預(yù)定時間段所獲取的熱數(shù)據(jù)提取出拐點。優(yōu)選地，這 個時間段至少某種程度上比基于對被評價的目標(biāo)的厚度的估計的預(yù) 期特征時間要長。對于成像的目標(biāo)的每個(X, y)像素位置計算熱參考數(shù)據(jù)并且該 熱參考數(shù)據(jù)接著用于確定每個像素的作為時間的函數(shù)的對比度。計算機系統(tǒng)控制成像系統(tǒng)、記錄并且分析通過IR照相機獲取的表面溫度數(shù)據(jù)，并且提供鍵入的彩色或灰色模式的圖像，其準(zhǔn)確地與目標(biāo)的厚 度對應(yīng)。這個信息可與激光超聲數(shù)據(jù)聯(lián)合以產(chǎn)生更加詳細的目標(biāo)的內(nèi) 部圖片。表面溫度數(shù)據(jù)的獲取通過起動發(fā)生激光器照射并且加熱目標(biāo)的 一部分表面而開始。然后在每個發(fā)生激光脈沖后的一段時間內(nèi)記錄熱圖像幀，并且記錄的圖像用于產(chǎn)生溫度時間(T-t)歷史，例如與熱瞬 態(tài)相關(guān)的溫度時間歷史。接著對在獲取的圖像幀中的每個像素實施T-t歷史的熱流分析以 確定在每個分辨單元位置處的目標(biāo)的厚度。常規(guī)地，分析通過目標(biāo)固 體部分的瞬態(tài)熱流需要確定對于一個熱能"脈沖"在第一表面穿過目 標(biāo)、從相對的表面反射并且返回到第一表面所需要的特征時間。因為 這個特征時間與在兩個表面之間的距離相關(guān)，它可以用于確定在期望 點處兩個表面之間的目標(biāo)的厚度。對于與目標(biāo)表面的每個分辨單元對 應(yīng)的每個(x， y)像素位置，確定對比度與時間曲線。圖8提供根據(jù)本發(fā)明的實施例的說明檢查目標(biāo)材料的方法的邏輯 流程圖。這個方法結(jié)合超聲檢查和熱像檢查以便提供目標(biāo)材料的更加 準(zhǔn)確的并且可靠的^r查。操作800以步驟802開始。在步驟802中， 可進行熱像檢查。在熱像檢查進行后可進行超聲檢查。如之前說明的 超聲檢查系統(tǒng)和熱像檢查系統(tǒng)可共享共同的定位系統(tǒng)以便幫助超聲 數(shù)據(jù)和熱像數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)。熱像檢查和在步驟804的超聲檢查之間可存 在時間間隔。這允許目標(biāo)材料回復(fù)到熱平衡或者熱瞬態(tài)減退。這個時 間間隔防止熱瞬態(tài)影響超聲檢查的結(jié)果。在步驟806中分析探測到的與超聲檢查關(guān)聯(lián)的超聲位移和與熱像檢查關(guān)聯(lián)的熱圖像以產(chǎn)生超聲檢查結(jié)果和熱#^企查結(jié)果。在步驟808中結(jié)合這些結(jié)果。熱像允許合成的圖像或其他由目標(biāo)材料構(gòu)成的表示。這可包含通 過分析熱圖像獲得的定量熱厚度的確定。在定量熱壁厚度上的變化可 指示在目標(biāo)材料中在發(fā)生定量熱壁厚度的意外的變化的點處的近表 面的缺陷。這個信息可通過對比顯示而可視化，其中在對比度上的突 然變化指示在定量熱壁厚度上的不連續(xù)或變化。結(jié)合這些結(jié)果產(chǎn)生對目標(biāo)材料的更加準(zhǔn)確的了解。熱像檢查更加 適合于檢查目標(biāo)材料的表面缺陷而超聲檢查更加適合于更深的內(nèi)部缺陷。在步驟810中這些結(jié)果可結(jié)合并且應(yīng)用于計算機模型。熱像斥全 查系統(tǒng)和超聲檢查系統(tǒng)的結(jié)合允許這兩個檢查系統(tǒng)共享共同的定位 平臺。此外，激光超聲定位可用于校準(zhǔn)熱像檢查系統(tǒng)的定位。這允許 熱像和超聲數(shù)據(jù)的更加準(zhǔn)確的分析和關(guān)聯(lián)?？偟膩碚f，提供了一種檢查系統(tǒng)，以檢查目標(biāo)材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。 這個檢查系統(tǒng)結(jié)合超聲檢查系統(tǒng)和熱^^r查系統(tǒng)。熱#^企查系統(tǒng)附加 于超聲檢查并且改變以能夠在與激光超聲檢查兼容的距離處對目標(biāo) 材料的熱像檢查。在目標(biāo)材料上使用深度紅外(IR)成像獲得定量的 信息。結(jié)合IR成像和激光超聲的結(jié)果并且在復(fù)雜形狀的復(fù)合材料的 3D投影圖上投影。熱像的結(jié)果補充激光超聲的結(jié)果并且產(chǎn)生關(guān)于目 標(biāo)材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的更加完整的并且更加可靠的信息(特別當(dāng)目標(biāo)材 料是薄的復(fù)合材料部件時)。作為本領(lǐng)域內(nèi)的普通的技術(shù)人員將意識到，如本文使用的術(shù)語 "大致上"或"大約地"向它的對應(yīng)的術(shù)語提供工業(yè)可接受的容限。 這樣的工業(yè)可接受的容限在從小于百分之一到百分之二十的范圍內(nèi)， 并且對應(yīng)于，但不限于，元件值、集成電路工藝變化、溫度變化、起 落時間和/或熱噪聲。作為本領(lǐng)域內(nèi)的普通的技術(shù)人員還將意識到，如 本文使用的術(shù)語"可操作地耦合"包括直接耦合和通過另一個部件、 元件、電路或模塊間接耦合，其中對于間接耦合，插入的部件、元件、電路或模塊不改變信號的信息但可調(diào)節(jié)它的電流水平、電壓水平和/ 或功率水平。作為本領(lǐng)域內(nèi)的普通的技術(shù)人員還將意識到，所推理的 耦合(即，其中一個元件通過推理與另一個元件耦合)包括以與"可 操作地耦合"同樣的方式在兩個元件之間的直接和間接耦合。作為本 領(lǐng)域內(nèi)的普通的技術(shù)人員還將意識到，如本文使用的術(shù)語"有利地比 較，，指示在兩個或多個元件、項目、信號等之間的比較提供期望的關(guān) 系。例如，當(dāng)期望的關(guān)系是信號1具有比信號2更大的大小時，當(dāng)信號1的大小大于信號2的或當(dāng)信號2的大小小于信號1的時可獲得有 利的比較。盡管本發(fā)明已經(jīng)詳細地說明，應(yīng)該理解可以做出各種不同的變 化、替換和改動于此而不偏離由附加權(quán)利要求限定的本發(fā)明的精神和 范圍。
權(quán)利要求
1.一種檢查目標(biāo)材料的方法，所述方法包括進行所述目標(biāo)材料的超聲檢查；進行所述目標(biāo)材料的熱像檢查；以及分析所述超聲檢查和所述熱像檢查結(jié)果兩者以確定所述目標(biāo)材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述目標(biāo)材料的所述超聲4企 查結(jié)果和所述熱{^險查結(jié)果結(jié)合到所述目標(biāo)材料的模型上。
3. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述超聲檢查的掃描平面與 所述熱傳4全查的檢查場區(qū)重疊。
4. 如權(quán)利要求1所述的方法，還包括在進行所述熱^^r查和所 述超聲檢查之間等待預(yù)定量時間，其中所述目標(biāo)材料的所述熱像檢查 在所述目標(biāo)材料的所述 超聲檢查之前進行。
5. 如權(quán)利要求4所述的方法，其中等待所述預(yù)定量時間減少進 行所述超聲檢查和所述熱像檢查分別對所述熱像檢查和所述超聲檢 查的影響。
6. 如權(quán)利要求4所述的方法，其中所述熱像檢查在對所述超聲 檢查的準(zhǔn)備期間進行。
7. 如權(quán)利要求l所述的方法，還包括確定所述目標(biāo)材料的厚度， 其中當(dāng)所述目標(biāo)材料的所述厚度小于預(yù)定厚度時僅進行所述目標(biāo)材 料的所述熱傳3會查；以及當(dāng)所述目標(biāo)材料的所述厚度大于所述預(yù)定厚度時進行所述目標(biāo) 材料的所述熱像檢查和所述目標(biāo)材料的所述超聲檢查兩者。
8. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中所述熱像檢查包括 照射所述目標(biāo)材料以在所述目標(biāo)材料中引起熱瞬態(tài)； 獲取所述目標(biāo)材料隨時間的熱圖像；以及分析所述目標(biāo)的所述熱圖像產(chǎn)生關(guān)于所述目標(biāo)的信息。
9. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中閃光燈照射所述目標(biāo)材料以 引起所述熱瞬態(tài)，其中在與所述超聲檢查使用的距離大致上類似的距 離處，反射器將熱能集中在所述目標(biāo)材料。
10. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中 所述目標(biāo)包括復(fù)合材料；分析探測到的超聲位移產(chǎn)生關(guān)于所述復(fù)合材料的深層內(nèi)部結(jié)構(gòu) 的信息；以及分析所述目標(biāo)處的熱圖像產(chǎn)生關(guān)于所述復(fù)合材料的近表面內(nèi)部 結(jié)構(gòu)的信息。
11. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中定量熱壁厚度通過分析所述 目標(biāo)處的熱圖像而確定。
12. 如權(quán)利要求U所述的方法，其中在所述定量熱壁厚度中的 意外變化指示在所述目標(biāo)中的所述意外變化處的缺陷。
13. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中分析所述目標(biāo)處的熱圖像包 括紅外(IR)瞬態(tài)熱^像。
14. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中所述超聲檢查包括 產(chǎn)生探測激光束；引導(dǎo)所述探測激光束到所述目標(biāo)的所述表面；面位移相位調(diào)制的光； 采集所述相位調(diào)制光;移的數(shù)據(jù)；以及采集所述數(shù)據(jù)與所述信息以分析所述目標(biāo)內(nèi)的結(jié)構(gòu)。
15. —種可操作以檢查目標(biāo)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的檢查系統(tǒng)，包括 可操作以檢查所述目標(biāo)的所述內(nèi)部結(jié)構(gòu)的超聲檢查系統(tǒng)； 可操作以檢查所述目標(biāo)的所述內(nèi)部結(jié)構(gòu)的熱#^企查系統(tǒng)；以及處理和控制系統(tǒng)，其可操作以分析所述目標(biāo)的熱圖像以產(chǎn)生關(guān)于所述目標(biāo)的所述內(nèi)部結(jié)構(gòu)的熱像檢查結(jié)果；分析探測到的所述目標(biāo)處的超聲位移以產(chǎn)生關(guān)于所述目標(biāo)的所 述內(nèi)部結(jié)構(gòu)的超聲檢查結(jié)果；以及結(jié)合所述目標(biāo)材料的所述超聲檢查結(jié)果和所述熱像檢查結(jié)果以 獲得關(guān)于所述目標(biāo)的所述內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息。
16. 如權(quán)利要求15所述的4企查系統(tǒng)，其中所述熱像檢查系統(tǒng)包括可操作以產(chǎn)生可操作以照射所述目標(biāo)處的所述超聲表面位移的 探測激光束的探測激光器；用于采集來自被所述目標(biāo)表面散射的探測激光束的由超聲表面 位移相位調(diào)制的光的采集光學(xué)器件；處理所述相位調(diào)制光和產(chǎn)生至少 一個輸出信號的干涉儀；以及處理所述至少一個輸出信號以獲得表示所述目標(biāo)處的所述超聲 表面位移的數(shù)據(jù)的處理單元。
17. 如權(quán)利要求15所述的檢查系統(tǒng)，其中所述超聲探測系統(tǒng)包括可操作以產(chǎn)生可操作以照射所述目標(biāo)處的所述超聲表面位移的 探測激光束的探測激光器；用于采集來自被所述目標(biāo)表面散射的所述探測激光束的由超聲 表面位移相位調(diào)制的光的采集光學(xué)器件；處理所述相位調(diào)制光和產(chǎn)生至少一個輸出信號的干涉儀；以及處理所述至少一個輸出信號以獲得表示所述目標(biāo)處的所述超聲 表面位移的數(shù)據(jù)的處理單元。
18. 如權(quán)利要求15所述的檢查系統(tǒng)，其中所述熱成像系統(tǒng)包括 紅外(IR)瞬態(tài)熱像系統(tǒng)。
19. 如權(quán)利要求18所述的檢查系統(tǒng)，其中所述IR瞬態(tài)熱像系統(tǒng)包括IR每文感照相機，其可操作以獲取由所述發(fā)生激光束照射的所述 目標(biāo)的圖像幀。
20. 如權(quán)利要求19所述的檢查系統(tǒng)，其中所述目標(biāo)的圖像幀包 括像素陣列并且被分配與經(jīng)過時間對應(yīng)的幀編號，其中定量熱壁厚度 通過分析連續(xù)的熱圖像幀來確定。
21. 如權(quán)利要求19所述的檢查系統(tǒng)，其中所述處理單元將所述 探測到的超聲位移和所述熱圖像關(guān)聯(lián)。
22. 如權(quán)利要求15所述的檢查系統(tǒng)，還包括可操作以匹配熱成 像幀獲取與所述發(fā)生激光束的脈沖頻率的控制模塊。
23. 如權(quán)利要求15所述的檢查系統(tǒng)，其中 所述目標(biāo)包括復(fù)合材料； 所述處理單元分析分析探測到的超聲位移以產(chǎn)生關(guān)于所述復(fù)合材料的深層內(nèi)部結(jié) 構(gòu)的信息；分析所述目標(biāo)處的熱圖像以產(chǎn)生關(guān)于所述復(fù)合材料的近表面內(nèi) 部結(jié)構(gòu)的信息；以及關(guān)聯(lián)關(guān)于所述復(fù)合材料的所述深層內(nèi)部結(jié)構(gòu)和所述復(fù)合材料的 所述近表面內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息。
24. —種大面積復(fù)合材料檢查系統(tǒng)，包括可操作以產(chǎn)生可操作以引起下面的復(fù)合材料處的超聲位移和熱 瞬態(tài)的脈沖激光束的發(fā)生激光器；可操作以探測所述復(fù)合材料處的所述超聲表面位移的超聲探測 系統(tǒng)；可操作以探測所述復(fù)合材料處的所述熱瞬態(tài)的熱成像系統(tǒng)； 可操作以匹配熱成像幀獲取與所述發(fā)生激光束的脈沖頻率的控制模塊；處理器，其可操作以分析所述復(fù)合材料處探測到的超聲位移和所述目標(biāo)的熱圖像兩者以產(chǎn)生關(guān)于所述目標(biāo)的所述內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息。
25. 如權(quán)利要求24所述的檢查系統(tǒng)，其中所述處理單元分析 分析探測到的超聲位移以產(chǎn)生關(guān)于所述復(fù)合材料的深層內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息；分析所述目標(biāo)處的熱圖像以產(chǎn)生關(guān)于所述復(fù)合材料的近表面內(nèi) 部結(jié)構(gòu)的信息；以及關(guān)聯(lián)關(guān)于所述復(fù)合材料的所述深層內(nèi)部結(jié)構(gòu)和所述復(fù)合材料的 所述近表面內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息。
26. 如權(quán)利要求24所述的檢查系統(tǒng)，其中所述超聲探測系統(tǒng)包括可操作以產(chǎn)生可操作以照射所述目標(biāo)處所述超聲表面位移的探 測激光束的探測激光器；用于采集來自被所述目標(biāo)表面散射的所述探測激光束的由超聲 表面位移相位調(diào)制的光的采集光學(xué)器件；處理所述相位調(diào)制光和產(chǎn)生至少 一個輸出信號的干涉儀；以及處理所述至少一個輸出信號以獲得表示所述目標(biāo)處的所述超聲 表面位移的數(shù)據(jù)的處理單元。
27. 如權(quán)利要求24所述的檢查系統(tǒng)，其中所述熱成像系統(tǒng)包括 紅外(IR)瞬態(tài)熱像系統(tǒng)。
28. 如權(quán)利要求26所述的檢查系統(tǒng)，其中所述IR瞬態(tài)熱像系統(tǒng) 包括IR敏感照相機，其可操作以獲取由所述發(fā)生激光束照射的所述 目標(biāo)的圖像幀。
29. 如權(quán)利要求24所述的檢查系統(tǒng)，其中圖像幀包括像素陣列 并且被分配與經(jīng)過時間對應(yīng)的幀編號，其中定量熱壁厚度通過分析連 續(xù)的熱圖像幀來確定。
全文摘要
提供檢查系統(tǒng)以檢查目標(biāo)材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。這個檢查系統(tǒng)結(jié)合超聲檢查系統(tǒng)和熱像檢查系統(tǒng)。熱像檢查系統(tǒng)附加于超聲檢查并且改動成以允許在與激光超聲檢查兼容的距離處對目標(biāo)材料的熱像檢查。使用目標(biāo)材料上的深度紅外(IR)成像獲得定量的信息。結(jié)合IR成像和激光超聲結(jié)果并且在復(fù)雜形狀復(fù)合材料的3D投影圖上投影。熱像結(jié)果補充激光超聲結(jié)果并且產(chǎn)生關(guān)于目標(biāo)材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的更加完整的并且更加可靠的信息(特別當(dāng)目標(biāo)材料是薄的復(fù)合材料部件時)。
文檔編號G01N29/24GK101606058SQ200780050992
公開日2009年12月16日 申請日期2007年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月6日
發(fā)明者D·R·霍沃, H·I·林格馬赫, M·迪布瓦, T·E·德拉克, T·G·里奇特 申請人:洛克希德馬丁公司