一種基于激光掃描熱波成像技術(shù)的膜厚檢測(cè)方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于激光掃描熱波成像技術(shù)的膜層厚度檢測(cè)方法，采用高功率線狀激光束對(duì)試件表面進(jìn)行快速掃描，掃描方式可以是多次重復(fù)掃描，激光束的幀掃描與熱像儀幀掃描之間有一個(gè)相對(duì)延遲量，并且延遲量在逐步改變，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)試件的熱波信號(hào)進(jìn)行高速采集。將得到的被測(cè)試件的熱波信號(hào)變化曲線與理論模型進(jìn)行擬合，從而得到被測(cè)試件的厚度。本發(fā)明通過(guò)上述技術(shù)方案，采用激光掃描方式進(jìn)行高幀頻采集，實(shí)現(xiàn)對(duì)較薄膜層的厚度檢測(cè)。
【專利說(shuō)明】一種基于激光掃描熱波成像技術(shù)的膜厚檢測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于熱波成像技術(shù)的膜厚測(cè)量方法，特別是激光掃描熱波成像技術(shù)，屬紅外無(wú)損檢測(cè)【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，涂層及薄膜的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，工業(yè)界對(duì)膜厚的測(cè)量與質(zhì)量控制提出了更高的要求，比如要求在線、動(dòng)態(tài)、非接觸、實(shí)時(shí)的進(jìn)行檢測(cè)等等。這些都需要采用更先進(jìn)的技術(shù)和檢測(cè)手段。目前對(duì)膜層厚度的檢測(cè)所使用的方法主要包括探針?lè)ê凸鈱W(xué)法，但這些方法不能完全滿足現(xiàn)代工業(yè)對(duì)膜厚測(cè)量的要求，如探針?lè)▽俳佑|型的檢測(cè)，不適用于很多應(yīng)用場(chǎng)合，而光學(xué)法大多要求試件為透明介質(zhì)，無(wú)法有效檢測(cè)一些如涂層以及漆層的非透明試件，因此需要采用一些先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)。
[0003]熱波成像技術(shù)是近代發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)無(wú)損檢測(cè)手段，其基本原理是首先采用熱激勵(lì)源對(duì)試件表面進(jìn)行加熱，產(chǎn)生的熱脈沖向試件內(nèi)部傳播，當(dāng)熱波在試件內(nèi)遇到缺陷或者熱阻抗發(fā)生變化的地方就會(huì)有一部分熱能被反射回到試件的表面，在試件表面產(chǎn)生一定的溫度分布，并且隨時(shí)間變化。利用紅外熱像儀連續(xù)采集來(lái)自試件表面的溫度隨時(shí)間變化的信息，再通過(guò)現(xiàn)代圖像信息處理技術(shù)對(duì)熱波信號(hào)進(jìn)行采集、數(shù)據(jù)處理和分析，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)試件厚度的測(cè)量。相比傳統(tǒng)的無(wú)損檢測(cè)手段，如超聲波、渦流、X射線等技術(shù)，紅外熱波成像技術(shù)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，比如非接觸、大面積成像、對(duì)熱學(xué)性質(zhì)敏感等，因此能夠滿足現(xiàn)代工業(yè)很多對(duì)膜層厚度進(jìn)行檢測(cè)的要求。
[0004]對(duì)于較薄的膜層、特別是高導(dǎo)熱率材料膜層的檢測(cè)，因其熱波信號(hào)變化很快，要求熱激勵(lì)的時(shí)間必須很短，否則熱波的回波到達(dá)試件表面時(shí)熱激勵(lì)還沒(méi)結(jié)束，影響檢測(cè)精度。對(duì)快速變化熱波信號(hào)的檢測(cè)需要解決兩個(gè)問(wèn)題，高能量短脈沖熱激勵(lì)和高速圖像采集。針對(duì)高能量短脈沖熱激勵(lì)的問(wèn)題，目前國(guó)外市場(chǎng)上的產(chǎn)品都采用高能量閃光燈作為脈沖熱激勵(lì)源。但這種高能量閃光燈有很多局限，例如其總能量有限、重復(fù)性不佳、光束發(fā)散、不能遠(yuǎn)距離作用，等等。而針對(duì)高速圖像采集的問(wèn)題，目前只有采用具有高幀頻功能的熱像儀。這種熱像儀十分昂貴，而且輸出的圖像分辨率隨著幀頻的提高而大幅度下降。上述種種現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)限制了膜厚測(cè)量的精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的就是針對(duì)目前膜層厚度測(cè)量技術(shù)的不足，提出基于激光掃描熱波成像技術(shù)的膜層厚度的測(cè)量方法。激光器具有輸出功率穩(wěn)定，能量分布均勻，故能很好地運(yùn)用于膜厚的檢測(cè)。本發(fā)明采用大功率連續(xù)激光器作為熱激勵(lì)源，由光束整形裝置調(diào)整光斑的形狀，由振鏡控制對(duì)膜層的表面進(jìn)行快速掃描，再通過(guò)紅外熱像儀記錄其溫度隨時(shí)間變化曲線，再與理論模型進(jìn)行擬合，進(jìn)而推導(dǎo)出膜層厚度。
[0006]激光掃描熱波成像技術(shù)可以有效地解決短脈沖熱激勵(lì)和高幀頻采集兩個(gè)問(wèn)題。首先當(dāng)連續(xù)輸出的高功率激光在膜層表面快速掃描時(shí)，對(duì)于膜層任何一個(gè)固定點(diǎn)，其被激光照射的時(shí)間可以看成是一個(gè)短脈沖，激光掃描速度取決于試件熱導(dǎo)率和膜層厚度。
[0007]本發(fā)明基于激光掃描熱波成像技術(shù)，在膜層厚度檢測(cè)時(shí)包括如下步驟:
a、采用線狀激光束對(duì)膜層表面進(jìn)行快速掃描，同時(shí)使用紅外熱像儀連續(xù)采集膜層表面溫度的變化，得到膜層表面熱圖序列；
b、根據(jù)所采集的熱圖序列和激光束掃描的方向與速率，得到膜層表面各點(diǎn)的溫度隨時(shí)間變化曲線；
C、將該時(shí)間隨溫度變化曲線與膜層相應(yīng)的理論模型進(jìn)行擬合，得出各點(diǎn)的膜層厚度。
[0008]常用熱像儀幀頻在30-60HZ，幀頻周期在17_33毫秒，這對(duì)于檢測(cè)特別薄的膜層厚度是比較困難的，因?yàn)樵谶@種情況下，熱波變化速度非?？?，在單個(gè)熱激勵(lì)周期中采樣點(diǎn)不夠多，不能獲得準(zhǔn)確的熱圖序列，擬合的效果不好。為此，對(duì)于特別薄的膜層，本發(fā)明采用多次重復(fù)掃描的方法來(lái)獲得膜層表面各點(diǎn)溫度熱圖序列，并且每次激光束的掃描起始時(shí)間有一個(gè)延遲。具體步驟如下:
a、采用線狀激光束對(duì)膜層表面進(jìn)行快速掃描，同時(shí)使用紅外熱像儀連續(xù)采集膜層表面溫度的變化，得到膜層表面熱圖序列；
b、重復(fù)至少一次上述掃描過(guò)程,并且每次掃描時(shí)改變激光巾貞掃描與熱像儀巾貞掃描之間的時(shí)間延遲；
C、將采集的多個(gè)熱波圖像序列中的每幀圖像按其延遲時(shí)間重新順序排列，得到膜層表面各點(diǎn)的溫度隨時(shí)間的變化曲線；
d、將所述時(shí)間隨溫度變化曲線與膜層相應(yīng)的理論模型進(jìn)行擬合，得出各點(diǎn)的膜層厚度。
[0009]在實(shí)際應(yīng)用中，每次掃描周期的試件基礎(chǔ)溫度有所增加，因此需要對(duì)熱波圖像序列進(jìn)行基礎(chǔ)溫度的校正，以使得所有的掃描周期的溫度變化曲線完全一致。
[0010]激光重復(fù)掃描時(shí)的延遲量每次增加的大小決定了等效采集幀頻，這個(gè)增量越小，熱像儀等效采集幀頻就越高，重復(fù)掃描的次數(shù)要求越多，膜層厚度測(cè)量就越精確。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0011]圖1為用于本發(fā)明方法的激光掃描熱波成像系統(tǒng)方框圖；
圖2為試件表面不同點(diǎn)的熱波信號(hào)隨時(shí)間變化示意圖；
圖3為不同厚度膜層的熱波信號(hào)隨時(shí)間變化曲線；
圖4為激光重復(fù)掃描的熱波信號(hào)隨時(shí)間變化曲線；
圖5為經(jīng)背景溫度校正的激光重復(fù)掃描的熱波信號(hào)隨時(shí)間變化曲線；
圖6為多次掃描采集的熱圖序經(jīng)列重新排列后的熱波信號(hào)隨時(shí)間變化曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0012]為了使本發(fā)明的特點(diǎn)能夠更好地被理解，以下將結(jié)合具體附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。
[0013]當(dāng)采用線狀激光掃描進(jìn)行熱激勵(lì)時(shí)，試件內(nèi)部溫度場(chǎng)可以近似為二維熱傳導(dǎo)方程的求解問(wèn)題，通過(guò)試件表面溫度場(chǎng)的變化可以導(dǎo)出膜層的厚度。對(duì)于無(wú)窮大均勻介質(zhì)，平行于試件表面的線狀均勻激光束掃描時(shí)，所激勵(lì)的熱波場(chǎng)可以簡(jiǎn)化成下面的熱傳導(dǎo)方程:
【權(quán)利要求】
1.一種基于激光掃描熱波成像技術(shù)的膜厚檢測(cè)方法，其特征在于包括如下步驟: 采用激光束(23)對(duì)被測(cè)試件(25)表面進(jìn)行掃描，同時(shí)使用紅外熱像儀(26)連續(xù)采集所述被測(cè)試件(25)表面熱波信號(hào)變化，得到熱波圖像序列；根據(jù)所述熱波圖像序列得到被測(cè)試件表面各點(diǎn)的熱波信號(hào)隨時(shí)間變化曲線； 將所述熱波信號(hào)隨時(shí)間變化曲線與相應(yīng)于被測(cè)試件(25)的理論模型進(jìn)行擬合，得出被測(cè)試件(25)上各點(diǎn)的膜層厚度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于激光掃描熱波成像技術(shù)的膜厚檢測(cè)方法，其特征在于，所述激光束(23)具有線狀均勻光斑(24)。
3.一種基于激光掃描熱波成像技術(shù)的膜厚檢測(cè)方法，其特征在于包括如下步驟: 采用激光束(23)對(duì)被測(cè)試件(25)表面進(jìn)行掃描，同時(shí)使用紅外熱像儀(26)連續(xù)采集所述被測(cè)試件(25)表面熱波信號(hào)變化，得到熱波圖像序列； 重復(fù)所述激光束(23)的掃描和熱波圖像序列的采集，并且每次掃描時(shí)改變所述激光束(23)幀掃描與所述熱像儀(26)幀掃描之間的時(shí)間延遲； 將所采集的多個(gè)所述熱波圖像序列的像素值按相對(duì)于該像素點(diǎn)熱激勵(lì)的延遲時(shí)間重新順序排列，得到被測(cè)試件表面各點(diǎn)的溫度隨時(shí)間變化曲線(36); 將所述溫度隨時(shí)間變化曲線(36)與相應(yīng)于被測(cè)試件(25)的理論模型進(jìn)行擬合，得出被測(cè)試件(25)上各點(diǎn)的膜層厚度。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于激光掃描熱波成像技術(shù)的膜厚檢測(cè)方法，其特征在于，所述理論模型中的參數(shù)由已知厚度的標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行標(biāo)定。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于激光掃描熱波成像技術(shù)的膜厚檢測(cè)方法，其特征在于，所述多個(gè)熱波圖像序列分別經(jīng)過(guò)背景溫度的校正。
【文檔編號(hào)】G01B11/06GK103644854SQ201310742684
【公開日】2014年3月19日 申請(qǐng)日期:2013年12月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月30日
【發(fā)明者】陳力, 江海軍 申請(qǐng)人:南京諾威爾光電系統(tǒng)有限公司