激光掃描熱波成像膜厚測量方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種激光掃描熱波成像膜層厚度測量方法，采用高功率線狀激光束對試件表面進(jìn)行快速掃描，試件表面在掃描方向上的不同位置具有不同的熱激勵時間，采用熱像儀將這些不同位置的熱波信號同時記錄下來，可以得到試件的熱波信號隨時間變化的曲線，再將得到的曲線與理論模型進(jìn)行擬合，從而得到被測試件的厚度。本發(fā)明通過上述技術(shù)方案，采用激光掃描方式進(jìn)行高幀頻采集，實(shí)現(xiàn)對較薄膜層的厚度測量。
【專利說明】激光掃描熱波成像膜厚測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于熱波成像技術(shù)的膜厚測量方法，特別是激光掃描熱波成像技術(shù)，屬紅外無損檢測【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)用越來越廣泛，工業(yè)界對膜厚的測量與質(zhì)量控制提出了更高的要求，比如要求在線、動態(tài)、非接觸、實(shí)時的進(jìn)行檢測等等。這些都需要采用更先進(jìn)的技術(shù)和檢測手段。目前對膜層厚度的檢測所使用的方法主要包括探針法和光學(xué)法，但這些方法不能完全滿足現(xiàn)代工業(yè)對膜厚測量的要求，如探針法屬接觸型的檢測，不適用于很多應(yīng)用場合，而光學(xué)法大多要求試件為透明介質(zhì)，無法有效檢測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)的檢測技術(shù)。
[0003]熱波成像技術(shù)是近代發(fā)展起來的一項(xiàng)無損檢測手段，其基本原理是首先采用熱激勵源對試件表面進(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，并且隨時間變化。利用紅外熱像儀連續(xù)采集來自試件表面的溫度隨時間變化的信息，再通過現(xiàn)代圖像信息處理技術(shù)對熱波信號進(jìn)行采集、數(shù)據(jù)處理和分析，從而實(shí)現(xiàn)對試件厚度的測量。相比傳統(tǒng)的無損檢測手段，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，比如非接觸、大面積成像、對熱學(xué)性質(zhì)敏感等，因此可以滿足現(xiàn)代工業(yè)很多對檢測膜層厚度的要求。
[0004]對于較薄的膜層、特別是高導(dǎo)熱率材料膜層的檢測，因其熱波信號變化很快，要求熱激勵的時間必須很短，否則熱波的回波到達(dá)試件表面時熱激勵還沒結(jié)束，影響檢測精度。對快速變化熱波信號的檢測需要解決兩個問題，高能量短脈沖熱激勵和高速圖像采集。針對高能量短脈沖熱激勵的問題，目前國外市場上的產(chǎn)品都采用高能量閃光燈作為脈沖熱激勵源。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。而針對高速圖像采集的問題，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)限制了膜厚測量的精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的就是針對目前膜層厚度測量技術(shù)的不足，提出一種基于激光掃描熱波成像技術(shù)的膜層厚度的測量方法。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。本發(fā)明采用大功率連續(xù)激光器作為熱激勵源，由光束整形裝置控制光斑的形狀，由光束偏轉(zhuǎn)裝置對試件的表面進(jìn)行快速掃描，再通過紅外熱像儀記錄膜層表面熱波信號的分布，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和高幀頻采集兩個問題。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，對于膜層任何一個固定點(diǎn)，其被激光照射的時間可以看成是一個短脈沖，由于在掃描時，試件表面的熱激勵不是發(fā)生在同一時亥IJ，而是在掃描方向上有個連續(xù)變化的延遲，因此在熱像儀采集的圖像中，沿著激光掃描方向的像素具有不同的熱波信號，將這些信號按空間位置排列起來，就是該試件的熱波信號隨時間的變化曲線，也就是說，熱波信號在空間的分布代表了該試件的熱波信號隨時間的變化，其等效的采樣周期是激光束掃過兩個像素的時間，因此可以通過改變激光掃描速度來達(dá)到采樣頻率的改變。在實(shí)際檢測中，激光掃描速度主要取決于試件熱導(dǎo)率和膜層厚度。
[0007]根據(jù)上述原理，本發(fā)明在測量膜層厚度時包括如下步驟:
a、根據(jù)被測試件膜層的特性，選擇激光功率和掃描速度；
b、采用線狀激光束 對膜層表面進(jìn)行快速掃描，同時采用紅外熱像儀采集被測試件膜層的熱波圖像；
c、沿著掃描方向選取像素值，得到被測試件膜層的熱波信號隨時間變化曲線；
d、將該時間隨溫度變化曲線與膜層相應(yīng)的理論模型進(jìn)行擬合，得出被測試件的膜層厚度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]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)的熱波信號隨時間變化示意圖；
圖3為不同厚度膜層的熱波信號隨時間變化曲線；
圖4為根據(jù)本發(fā)明方法進(jìn)行檢測的實(shí)驗(yàn)結(jié)果；
圖5 —種激光二維掃描方式不意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0009]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)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0010]當(dāng)采用線狀激光掃描進(jìn)行熱激勵時，試件內(nèi)部溫度場可以近似為二維熱傳導(dǎo)方程的求解問題，通過試件表面溫度場的變化可以導(dǎo)出膜層的厚度。對于無窮大均勻介質(zhì)，平行于試件表面的線狀均勻激光束掃描時，所激勵的熱波場可以簡化成下面的熱傳導(dǎo)方程:
【權(quán)利要求】
1.一種激光掃描熱波成像膜厚測量方法，其特征在于包括如下步驟:根據(jù)被測試件膜層的特性，選擇激光器(27)的功率和光束偏轉(zhuǎn)裝置(22)的掃描速度；激光束(23)經(jīng)光束偏轉(zhuǎn)裝置(22)對被測試件(25)表面進(jìn)行快速掃描，同時采用紅外熱像儀(26)采集所述被測試件(25)膜層的熱波圖像；在所述熱波圖像中沿著掃描方向選取多個像素值，將所述像素值順序排列，得到所述被測試件(25)膜層的熱波信號變化曲線；將所述熱波信號變化曲線與所述膜層相對應(yīng)的理論模型進(jìn)行擬合，得出所述被測試件(25)的膜層厚度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光掃描熱波成像膜厚測量方法，其特征在于，所述激光束(23 )具有線狀均勻光斑(24 )，所述掃描偏轉(zhuǎn)裝置(22 )進(jìn)行一維掃描。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光掃描熱波成像膜厚測量方法，其特征在于，所述激光束(23)具有點(diǎn)狀均勻光斑(24)，所述掃描偏轉(zhuǎn)裝置(22)進(jìn)行二維掃描。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光掃描熱波成像膜厚測量方法，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。
【文檔編號】G01B11/06GK103673904SQ201310742687
【公開日】2014年3月26日 申請日期: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 申請人:南京諾威爾光電系統(tǒng)有限公司