利用激光投影光热成像技术通过结构化加热实现亚表面缺陷定位

该方法的总体目标是采用结构化加热和高分辨率热成像技术，以非破坏性、非接触的方式定位垂直于钢样品表面的亚表面缺陷。该方法有助于解答热成像领域中的关键问题，例如，缺陷小到何种程度或深至何种位置仍可被检测到。

该技术的主要优势在于，我们能够生成在观察平面内传播的热波场，从而使该方法对垂直取向的缺陷具有高度敏感性。这种激光投影式光热热成像系统安装在台式光学实验平台上，且已完成实验所需的各种主要前期准备工作。

在光路的起始端是激光光源。激光光纤由激光光纤支架固定。接着，一个望远镜系统将激光的光束直径缩小至适合后续光路使用的合适尺寸。

在光束采样器后方，一个500瓦的功率计探头吸收了大部分光束能量，从而使激光器能够以全功率运行。光束从采样器出发，经由反射镜继续传输至一个投影仪开发套件。该套件是一个已拆解的商用投影仪，其光源引擎和透镜已被移除。

进行实验时，准直光束使其进入投影仪。光束通过投影仪后，将照射到安装在计算机控制平移台上的样品。为完成此装置，需准备一个焦距为100毫米的透镜用于投影仪。

在平移台之前，将透镜连接到投影仪物镜上。接下来，使用LED手电筒作为投影仪的输入光源。在物镜前方放置一张白纸，并移动白纸直至纸上出现清晰明亮的矩形光斑，以指示像平面的位置。

此时，获取用于实验的样品。将样品安装在配备有升降架的线性平移台的光路中。使用升降架抬升样品，使其顶部与投射矩形的顶部对齐。

确保缺陷位于图像平面的照明区域内。接下来，准备进行红外摄影，首先取一个安装在支架上的金镜。该金镜将把散射的光束反射到相机上。

将镜子安装在靠近投影仪的支架上，使其反射样品的上边缘，并调整角度以尽可能观察到更多的样品表面。从镜子反射的光线将进入安装在三脚架上的红外相机。

将其置于投影物镜的高度，使其通过金镜观察到投射的白色图像。设置相机由计算机控制，并预热。连接相机与其控制软件后，取一把钢尺。

将直尺置于样品表面，并手动调节相机焦距使其对准直尺。钢制直尺与样品之间的温度差异有助于对焦。请仔细调整以获得最清晰的图像。

最关键的步骤之一是在样品表面实现足够的横向分辨率。这一点非常重要，因为必须能够分辨出耗尽线。使用激光软件将激光电压设置为10伏，并启动激光器。

使用相机软件调整投影仪与相机之间的关系。在顶部选项中选择“测量”。转到测量区域工具栏，选择十字工具选项。

激光开启时将出现热成像。使用工具通过在画面上单击左键标记图像的各个角，并记录相应的坐标。相机控制软件必须针对实验进行配置。

首先切换到相机面板。然后点击远程按钮以打开远程控制面板。在其中的下拉菜单中，选择 Process-IO 选项。

然后，继续点击“同步输入”选项和“门控”选项。之后关闭菜单。在采集参数选项卡中，打开采集菜单。

从下拉菜单中选择外部同步。在“文件夹”字段中提供文件和文件夹名称。然后转到“计数”字段，输入先前计算得到的帧数，然后关闭采集菜单。

通过选择“Record”开始相机数据采集。此时，切换到实验控制软件，点击“Activate”以激活运动控制器。

接下来，以毫米为单位编辑起始和结束位置，以包含扫描中的缺陷。然后输入速度，单位为毫米每秒。单击开始测量。

单击“选择区域颜色”字段。在颜色对话框中，为图案区域选择一种颜色。转到绘图工具栏并选择矩形工具。

移动到图像区域，并使用工具创建一个与先前确定的投影仪像素范围一致的矩形。然后点击“定义区域”。在弹出的对话框中可设置投影图案的属性。

在“信号类型”下拉菜单中选择正弦波。为定义正弦波，将“相位偏移”字段设置为零度。此外，设置频率，单位为赫兹。

将振幅设置为最大值。接下来，在电压字段中输入以伏特为单位的激光电压。在“每周期图像数”字段中，输入先前计算得到的数值。

单击“下一步”。按照类似的步骤创建另一个颜色不同且相位偏移180度的矩形。使用预览滑块查看这些图像的序列。

然后点击“开始”以启动实验。平移台将缓慢移动样品通过所选范围，使不同区域暴露于投射的振荡结构照明下。本实验的总通过时间为 200 秒。

当样品移动时，热红外相机以 40 赫兹的频率采集热图像。该序列热图像展示了由光照产生的热波场示例。当所有帧采集完成后，停止实验。

为执行必要的后处理操作，请在后处理软件中加载数据帧。数据转换完成后，插入先前找到的投影点坐标。单击“Transform”（变换）以将数据映射到投影仪像素坐标域中。

为了提取温度信息，通过输入两个点的坐标来定义耗尽线。输入实验过程中样品起始位置的速度参数。同时输入红外相机的帧率（FrameRate）以及图案正弦波的频率（Frequency）。

最后，确保数据后处理参数正确。准备就绪后，点击“评估”。裂纹位置将显示在高亮字段中。

这些数据来自一个缺陷深度约为0.25毫米的测试样品。样品以每秒0.05毫米的速度移动。黑色曲线表示温度随时间的变化，时间坐标位于上方的水平轴。

时间也可以转换为沿横轴的位置。实线红色曲线是对温度非振荡性上升的拟合结果。红色虚线表示缺陷的位置。

这是经过进一步后处理后的相同数据。蓝色曲线为希尔伯特曲线，其缺陷处于最小值。这些数据是在将扫描速度提高一倍至0.1毫米每秒后采集的。

与第一次测量相比，伸长量相同，但振荡频率降低。请注意，样品已被移至一个新位置，这在测量结果中有所体现。当该方案用于检测表面下方一毫米处的缺陷时，仍可确定其位置，但不确定性更大。这两幅图均使用扫描速度为 0.1 毫米每秒时采集的数据绘制。

该技术发展之后，为无损检测领域的研究人员探索结构照明的使用铺平了道路。在此方法基础上，可采用其他更复杂的照明模式，以发现更多类型的缺陷。迄今为止仅对钢材料进行了测试，但该方法前景十分广阔，尤其适用于塑料、复合材料及其他对热应力敏感的材料，因其施加的热应力极低。

当前实验装置的瓶颈是空间光调制器的热应力极限。因此，我们必须注意测量时间，不应超过两到三分钟。迄今为止，仅生成了两个整体热源。

但原则上，利用此装置可生成并控制多达一百万个热源，从而开辟了另一领域——任意正则波形的调控。观看本视频后，您应能充分理解如何使用激光投射式光热成像技术来定位亚表面缺陷。请务必注意，操作四类高功率红外激光器可能极为危险，必须采取预防措施，例如始终佩戴激光防护眼镜。