Page 113 - 无损检测2023年第八期

李 波, 等:

基于锁相红外热成像技术的电力设备防护涂层质量检测

号T ( t ), 即 从式( 11 ) 可以看出, 采用方波热激励可以等效
, , ,…的交流热源加
=
T ( t ) Acos ( 2π f+ φ ) ( 2 ) 于直流热源和频率为 f 3 f 5 f
式中: A 为信号幅度; 为相位。 热, 在锁相过程中, 直流成分会被抑制掉, 仅需要考
φ
在实际试验中, 信号一般都存在噪声干扰, 有用 虑频率为 f 3 f 5 f
, , ,…的交流成分对结果的影响,
信号为T ( t ), 噪声信号为 N ( t ), 则采集到的信号变 且倍频后信号的强度下降速度很快, 因此频率为
, ,…的交流信号比频率为
化为 3 f 5 f f 的信号微弱得
X ( t ) T ( t ) +N ( t ) ( 3 ) 多; 另一方面, 用方波代替余弦热激励源可以降低系
=
采集信号 X ( t ) 在锁相频率 f 下的参考余弦信 统热激励源的复杂度, 制作标准的余弦热激励源会
号S c t 和正弦信号S st 分别为 增加系统复杂度。
()
()
S c t = cos ( 2π f t ) ( 4 ) 锁相红外热成像技术采用的是周期性的热激
()
()
S st = sin ( 2π f t ) ( 5 ) 励源, 那么试件表面采集到的温度信号也是周期
红外热像仪的帧频有限, 在采集过程中相当于 性的信号, 试件表面温度信号示例如图 3 所示。
将温度信号离散化, 红外热像仪的采集帧频为 , 图3中蓝色实线为试件表面周期性的温升信号,
f s
/ , 取 m 个周期, 采
则单个周期采集的帧数 N= f s f 信号已经减去了背景信息, 仅考虑温升; 红色虚线
集次数 M=m×N , 采集到的信号序列 X ( n ) 为 为温升信号的直流成分, 绿色虚线为原始温升信
2πn 号减去直流成分后的信号。该曲线采用的是右边
=

X ( n ) Asin N + φ +N ( n ), 坐标轴; 其通过相位相关的方法对噪声进行抑制,
n= 0 , 1 , 2 ,…, M -1 ( 6 ) 提取单频热波响应信号, 针对性更强, 更容易发现
对式( 6 ) 进行相关函数法运算, 将采集到的信号 试件内部的微小缺陷。
信
与正弦信号、 余弦信号进行点乘, 得到 R c 和 R s
号, 即
A
()
R c τ = cos ( 2π f t+ φ ) ( 7 )
2
A
()
R s τ = sin ( 2π f t+ φ ) ( 8 )
2
采用式( 7 ),( 8 ) 进行相关操作可以滤除与锁相
频率无关的噪声信号, 得到振幅和相位信息, 即

2 2 ( 9 )
A = 2 R s +R c
R c

φ= arctan R s ( 10 ) 图3 试件表面温度信号示例
红外图像分辨率为 400 像素 ×300 像素( 长 红外热像仪采集和 LED 热源激励同步是实现
×宽), 对图像中每一个像素点都进行上述操作, 数据采集的关键技术, 两者不同步会导致采集数据
可以得到振幅值和相位值, 进而得到振幅图像和 出现偏差, 进而使得后续的振幅和相位图像出现偏
相位图像。与脉冲红外热成像技术相比, 锁相红 差。因此, 有必要采用同步采集技术, 精确采集到热
外热成像技术仅输出两张图像, 利于后续图像分 激励一开始的图像数据。

析和判断。
3 试验系统
锁相分析过程中以单一频率的余弦波进行分析,
试验系统中采用方波信号进行代替, 假设方波热源功 锁相红外热成像设备为一款自主研制的红外无
率为P ( t ), 对P ( t ) 进行傅里叶变换, 进一步得到 损检测设备, 该系统包括激励头、 冷却系统、 图像处

P 0 理和控制系统等部分, 激励头由红外热像仪、 LED
P ( t ) = +
2 激励系统组成, LED 激励系统采用水冷冷却。锁相
2 2 2 红外热成像设备实物如图4所示, 该设备集红外图
sinwt+ sin3wt+ sin5wt+ … ( 11 )
P 0
3π
5π
π
像采集、 锁相热激励源控制、 红外序列图像处理与分
式中: w=2π f 。
析于一体。红外热像仪为非制冷热像仪, 探测波长
5
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2023年 第45卷 第8期
无损检测