專利名稱：基于量子點紅外熒光顯示技術的焊縫檢測方法
技術領域：
本發明屬于金屬焊縫無損檢測技術領域，涉及利用半導體量子點紅外熒光顯示的檢測過程，特別是一種能夠無損檢測納米級金屬焊縫的方法。
背景技術：
在鐵路橋梁建設、城市樓房建設、石油化工等諸多方面的施工中，都會涉及到大量的金屬管道及金屬鋼板的鋪設工作，管道或者其他金屬之間的連接大多采用焊接方法進行施工。但是為了保證金屬焊接的工程質量，就需要對焊接結果進行評估和無損檢測。目前的焊接質量檢測方法主要有三種在焊接過程中通過對焊接出現的各種光電磁信號及焊接狀態進行監測，估計焊縫質量；通過紅外無損檢測手段對焊后焊縫內部缺陷進行檢測；通過基于攝像頭的視覺方法對焊后焊縫表面缺陷進行檢測等。更傳統的檢測方法有磁粉檢測、超聲檢測、射線檢測，電磁渦流檢測等，近些年來又出現了金屬磁記憶檢測。超聲法對焊縫表層檢測較為有效，檢測時需要耦合劑，效率較低。射線檢測時必須采取安全防護措施，以防止對檢測人員身體的傷害。渦流檢測建立在電磁感應基礎之上，其實質是檢測線圈阻抗的變化，若焊縫存在缺陷，就會產生渦流的磁場強度和分布，使線圈阻抗發生變化，通過檢測這個變化就可以檢測到焊縫缺陷，但是整個過程非常繁瑣，實現起來有一定的難度。電磁渦流檢測技術只適合檢測已存在的焊縫內部缺陷，而對于發現和預測缺陷產生的部位、因材料疲勞產生突發性破壞問題則無能為力。金屬磁記憶檢測技術到可以彌補這方面的不足。金屬磁記憶檢測技術是基于金屬磁記憶效應而發展起來的，金屬磁記憶效應是指鐵磁性金屬(常見的鋼鐵等)零件在加工過程中，由于受載荷和地磁場共同作用，在應力和變形集中區域會發生具有磁致伸縮性質的磁疇定向和不可逆的重新取向， 這種磁狀態的不可逆變化在工作載荷消除后仍然能保存下來，記錄該處的微觀缺陷或應力集中的情況。通過檢測被測件的磁場強度和磁場梯度分布情況即可確定應力集中或存在缺陷的位置。但是如果金屬中加入了摻雜，就會改變原有的磁記憶狀態，這種檢測方法就會出現一定的誤差，影響檢測的結果。以上技術可以看出，在現有的檢測方法中，既有優點又有缺點。大多只適用于金屬表面的缺陷檢測，或者檢測精度太低無法達到所需的要求。能夠進行深層檢測的超聲檢測法對表面微米及納米級的裂縫反應不靈敏。視覺成像法較為準確，但是圖像的提取與處理過程又非常繁瑣。對于金屬焊縫深層的缺陷與納米級微小缺陷的檢測手段還欠缺。對于批量化生產和焊接檢測，急需一種簡潔、快速、高精度的檢測方法。
發明內容
本發明目的是解決現有技術中存在的檢測精度低，檢測過程繁瑣的問題，提供一種新的基于量子點紅外熒光顯示技術的焊縫檢測方法。該本方法是在不破壞焊縫的前提下檢測焊縫的缺陷，屬于無損檢測范疇。
本發明提供的基于量子點紅外熒光顯示技術的焊縫檢測方法所涉及的檢測過程包括(1)焊區表面的初步清理，去除焊區表面雜質對檢測結果的干擾；(2)量子點紅外熒光材料的加入，在焊縫區表面均勻地涂一層滲透劑膠體，膠體內部含有量子點材料，隨著膠體的滲透作用量子點也會隨之進入到缺陷的內部；(3)擴束紅外激光光束掃描，實現激光能量對紅外熒光材料的激發輻射；(4)紅外探測器檢測，實現圖像的采集，獲取包含缺陷部位的焊接區紅外輻射熱像圖像；(5)缺陷記錄與分析，由圖像的預處理過程，對缺陷的大小、形狀及面積進行統計與分析，實現位置缺陷的預測功能。第1步所述初步清理過程采用的是有機溶劑丙酮，經清理后可有效去除焊區表面有機物，排除雜志有機物存在紅外輻射的干擾。第2步所述量子點紅外熒光材料的加入中，所述的量子點紅外熒光材料的制作過程是以膠體為載體，在缺陷的內部膠體作為量子點材料的固定劑，當膠體滲透到焊縫缺陷處以后，量子點材料也會隨之進入到缺陷深處，在后期表面的清理過程中量子點材料仍然可以存在于缺陷處，可以保證在檢測過程中不會有缺陷被遺漏掉。所用量子點的線度在5nm 8nm，紅外輻射波長為850nm，由于其線度非常小，因此可進入到5nm IOOnm的缺陷中，實現納米級缺席的檢查。第3步所述擴束紅外激光光束掃描過程中，紅外激光掃描采用的是850nm的紅外激光器，與量子點材料的紅外熒光激發波長相匹配；輸出功率為40mW，供電電壓為DC2. 8 5. 0V，工作電流< 100mA，擴束以后得到的線寬根據焊縫區域大小進行調整，一般控制在 6cm 8cm。在掃描前用擴束鏡對激光器光束進行擴束，增大了光束的掃描面積。便于一次性掃描完成，紅外激光的能力會使得紅外熒光材料激發出紅外光。紅外探測器會即時的探測到紅外熒光材料的輻射情況，并攝取相應的紅外圖像到記錄單元中。所述紅外探測器采用的是非制冷型焦平面紅外探測器，焦面陣列為800X640，探測精度高，可實現對紅外輻射的高精度探測，其后續電路包括存儲單元，可以將探測到的紅外輻射圖像記錄存儲，供圖像的預處理使用。第5步所述的圖像預處理過程包括紅外輻射圖像的灰度化、平滑去噪、二值化、 圖像邊緣檢測、焊縫特征提取，灰度化過程采用平均加權的方法，根據重要性及其它指標， 將圖像的RGB三個分量以不同的權值進行加權平均；由于人眼對綠色的敏感最高，對藍色敏感最低，因此，按式f(i，j) = 0. 299R(i, j)+0. 587G(i, j)+0. 114B(i, j)對 RGB 三分量進行加權平均能得到較合理的灰度圖像；采用鄰域平均法實現灰度圖像的平滑去噪，用幾個像素灰度的平均值來代替每個像素的灰度；通過人工設定整體閾值的方法將圖像進行二值化處理，將圖像上的點的灰度值設為0或255，將整個圖像呈現出明顯的黑白效果；采用 Canny算子進行圖像的邊緣檢測，Canny邊緣檢測算子是利用高斯函數的一階微分，它在噪聲抑制和邊緣檢測之間尋求較好的平衡，Canny算子進行了 “非極大值抑制”和形態學連接操作，提取的邊緣最為完整，而且邊緣的連續性很好，可為特征提取打下基礎；最后進行圖像的特征提取，以圖像邊緣任意點(χ。，y0)為起點坐標，(χ。，y。)，(χι; Y1), (χ2，y2)，…， (xK-i，yK-i)為逆時針方向沿著圖像邊界遇到的點，兩點之間可以得到圖像邊界的方向向量，通過對比選擇得出可表征缺陷邊緣的特征向量，將特征向量輸入用計算機實現焊縫的形狀分布、面積大小的計算，對多次檢測數據進行分析統計，可用于對未知焊區的缺陷預測與分析。用計算機實現焊縫的形狀分布、面積大小的計算，對多次檢測數據進行分析統計， 可用于對未知焊區的缺陷預測與分析。對于焊縫的檢查從紅外圖像中便可得知。存在缺陷的地方會有明顯的熒光反應，會激發出相應的紅外輻射。而得到的紅外圖像可以對輻射區域的大小面積、形狀分布做出統計與評估。缺陷記錄與分析模塊可以完成該任務，作為焊接質量的一種評估手段。本發明的優點和有益效果本發明方法采用半導體量子點紅外熒光材料作為檢測基礎，量子點材料本身線度可以只有幾個納米，利用這一優點，可以用膠體滲透的方法將微小的量子點紅外熒光材料引入到納米級缺陷內部，然后通過熒光材料的紅外激發與顯影可實現了微米及納米級的微焊縫檢查。因此該方法可以將檢測的精度提高到納米量級，以滿足焊接領域更高精度要求的檢測標準，通過對檢測結果的統計與分析也可以實現對設備潛在的故障進行預見。對于焊接區域，極小的焊縫用肉眼是難以發現的，超聲檢測法對微小缺陷的響應也不夠靈敏，本方法的思路是以納米線度的紅外熒光材料為中介，實現將微小焊縫間接放大，對熒光材料的紅外輻射成像及圖像的處理，可以將微米甚至納米級的焊縫缺陷“盡收眼底”。并可以對更多的檢測數據進行統計分析，實現對未檢測區域進行缺陷的預測。使用較少的設備實現了高精度的焊縫檢查，避免了原有方法中大工作量的移動檢測設備，因此可以大大提高檢測的效率，并且避免了射線對工作人員身體的傷害，所用環境友好型材料對環境無污染。
圖1本方法的流程框圖；圖2本方法設備實施結構圖；圖3擴束激光與紅外探測器示意圖；圖4圖像記錄與分析模塊示意圖；圖5實施例圖像分析結果；A. 二值化后圖像B.缺陷區特征提取效果。圖中，21.紅外激光器22.激光擴束裝置23.待檢測表面24.紅外探測器25.圖像采集裝置；31.紅外激光器32.激光擴束鏡。 下面結合
，對本方法實施方式進行更詳細的說明。
具體實施例方式檢測原理隨著半導體材料制作工藝的不斷提升，各種量子點材料也相繼出現，本方法中涉及到的紅外熒光材料就是一種很新穎的半導體量子點材料。量子點材料已經在許多的領域，如醫學、工業、農業的新產品新技術研發中得到了應用，量子點紅外熒光材料用于焊縫的無損檢測屬于工業應用。本發明提出的檢測方法具體包括以下幾個步驟
(1)待檢測金屬表明的初步清理；(2)將載有量子點紅外熒光材料的滲透膠體涂在待檢測金屬表面；(3)再次清理待檢表明的膠體殘留；(4)用紅外激光器在待檢表明進行掃描；(5)觀察缺陷部位與數據統計。步驟(1)，由圖1整體框圖可知，第一步要進行初步清理。在焊接區表面往往會有焊渣灰塵等污染，對檢測區域進行初步的清理可以排除外部污染的干擾。用普通毛刷清理即可。步驟O)，量子點紅外熒光材料是在有機化學膠體中制得的，膠體作為半導體量子點材料的載體，在實際應用中也起到固定量子點的作用。將膠體涂在待檢測的金屬焊接表面，使得膠體滲透劑充分滲透。如有缺陷，則缺陷處便會有膠體的深入，量子點材料會隨之進入。步驟(3)，靜置幾分鐘時間后，待膠體基本固定，對焊接區域表面滲透劑進行清洗， 排除表面滲透劑殘留的干擾。清理過程可以用沾水海綿擦拭，表面殘留膠體被清除掉，但滲透到缺陷內部的仍然存在于內部。步驟，接通紅外激光器電源，如圖2所示，紅外激光器21開始工作。讓激光通過圖2中擴束裝置22，對紅外激光器輸出的光束進行擴束，使得有較寬的激光區域可以掃到待檢測的表面。沿著一個固定方向進行掃描，掃描幾遍即可實現紅外熒光的顯影。經激光掃描后的表面，焊縫區存在缺陷的地方便會出現明顯的熒光反應，此時通過探測器進行實時紅外熒光捕捉，如圖2中探測器開始工作，影像隨之存儲下來。步驟(4)用到的紅外激光器波長在850nm，屬于近紅外波段。激光擴束后輸出光半徑在6cm 8cm。可以以能夠覆蓋焊區為標準進行擴束半徑的調整。步驟(5)存儲下的圖像經圖像的預處理會得到缺陷圖像的邊緣狀態，可以對出現缺陷的部位進行標注，統計出缺陷的形狀、大小與缺陷面積，圖像的預處理由相應圖像處理模塊完成。由統計數據可預測其他焊接區的缺陷分布情況，統計數據可用于遇見非檢測區的缺陷。圖5給出了該方法在實施例中的一組結果，可以清晰反映出5μπι ΙΟΟμπι間的劃痕。整個過程為以上所述，通過該方法可以快捷實現及其微小焊縫缺陷的檢查，完成高精度檢查的要求。同時無傷害性射線，保證了檢查人員身體的安全，是一種行之有效的焊縫檢查方法。實施例人為的在金屬表面制造線度為5 μ m 100 μ m間的劃痕，由步驟(1)，在金屬表面進行初步清理。由步驟O)，將固定有量子點材料的膠體涂在待檢測的金屬焊接表面，使得膠體滲透劑充分滲透，這里采用的是線度為5nm的量子點。由步驟(3)，靜置幾分鐘時間后，待膠體基本固定，用丙酮對含有劃痕的金屬表面滲透劑殘留進行清洗。由步驟G)，接通紅外激光器電源，讓激光通過圖2中擴束裝置22，對紅外激光器輸出的光束進行擴束到6cm寬度。擴束激光沿著一個固定方向對金屬板進行掃描， 實現紅外熒光的顯影。再通過探測器進行實時紅外熒光捕捉，存儲下來紅外熒光的圖像。 由步驟( 對存儲的圖像進行預處理，先將圖像平均加權灰度化，加權系數比為R G B =0. 299 0.587 0. 114 ；五個像素點為一組，去平均值實現圖像平滑處理；將圖像上的點的灰度值設為0和255 二值化；再由計算機實現二值化圖像的邊緣檢測和特征提取。最終得到如圖5給出的該方法在實施例中的分析結果，可以清晰反映出5 μ m 100 μ m間的劃痕。
權利要求
1.一種基于量子點紅外熒光顯示技術的焊縫檢測方法，其特征在于該方法所涉及的檢測過程包括(1)焊區表面的初步清理，去除焊區表面雜質對檢測結果的干擾；(2)量子點紅外熒光材料的加入，在焊縫區表面均勻地涂一層滲透劑膠體，膠體內部含有量子點材料，隨著膠體的滲透作用量子點也會隨之進入到缺陷的內部；(3)擴束紅外激光光束掃描，實現激光能量對紅外熒光材料的激發輻射；(4)紅外探測器檢測，實現圖像的采集，獲取包含缺陷部位的焊接區紅外輻射熱像圖像；(5)缺陷記錄與分析，由圖像的預處理過程，對缺陷的大小、形狀及面積進行統計與分析，實現位置缺陷的預測功能。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于第1步所述初步清理過程采用的是有機溶劑丙酮，經清理后可有效去除焊區表面有機物，排除雜質有機物存在紅外輻射的干擾。
3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于第2步所述量子點紅外熒光材料的加入中， 所述的量子點紅外熒光材料的制作過程是以膠體為載體，在缺陷的內部膠體作為量子點材料的固定劑，當膠體滲透到焊縫缺陷處以后，量子點材料也會隨之進入到缺陷深處，在后期表面的清理過程中量子點材料仍然可以存在于缺陷處，可以保證在檢測過程中不會有缺陷被遺漏掉。
4.根據權利要求1所述的方法，其特征在于所用量子點的線度在5nm 8nm，紅外輻射波長為850nm，可進入到5nm IOOnm的缺陷中，實現納米級的缺陷檢測。
5.根據權利要求1所述的方法，其特征在于第3步所述擴束紅外激光光束掃描過程中， 紅外激光掃描采用的是850nm的紅外激光器，與量子點材料的紅外熒光激發波長相匹配； 輸出功率為40mW，供電電壓為DC 2. 8 5. 0V，工作電流< 100mA，激光在經過擴束后，可實現更大范圍的一次性掃描，擴束以后得到的線寬根據焊縫區域大小進行調整，一般控制在 6cm 8cm0
6.根據權利要求1所述的方法，其特征在于第4步所述紅外探測器檢測過程涉及的紅外探測器采用的是非制冷型焦平面紅外探測器，焦面陣列為800X640，探測精度高，可實現對紅外輻射的高精度探測，其后續電路包括存儲單元，可以將探測到的紅外輻射圖像記錄存儲，供圖像的預處理使用。
7.根據權利要求1所述的方法，其特征在于第5步所述的圖像預處理過程包括紅外輻射圖像的灰度化、平滑去噪、二值化、圖像邊緣檢測、焊縫特征提取，灰度化過程采用平均加權的方法，根據重要性及其它指標，將圖像的RGB三個分量以不同的權值進行加權平均；由于人眼對綠色的敏感最高，對藍色敏感最低，因此，按式f(i，j) = 0. 299R(i, j)+0. 587G(i,j)+0. 114B(i,j)對RGB三分量進行加權平均能得到較合理的灰度圖像；采用鄰域平均法實現灰度圖像的平滑去噪，用幾個像素灰度的平均值來代替每個像素的灰度； 通過人工設定整體閾值的方法將圖像進行二值化處理，將圖像上的點的灰度值設為0或 255，將整個圖像呈現出明顯的黑白效果；采用Carmy算子進行圖像的邊緣檢測，Carmy邊緣檢測算子是利用高斯函數的一階微分，它在噪聲抑制和邊緣檢測之間尋求較好的平衡， Carmy算子進行了“非極大值抑制”和形態學連接操作，提取的邊緣最為完整，而且邊緣的連續性很好，可為特征提取打下基礎；最后進行圖像的特征提取，以圖像邊緣任意點( ，y0)為起點坐標，(xQ，yQ)，(X1^y1), (x2，y2)，…，(χκ-1 yK-i)為逆時針方向沿著圖像邊界遇到的點，兩點之間可以得到圖像邊界的方向向量，通過對比選擇得出可表征缺陷邊緣的特征向量，將特征向量輸入用計算機實現焊縫的形狀分布、面積大小的計算，對多次檢測數據進行分析統計，可用于對未知焊區的缺陷預測與分析。
全文摘要
一種基于量子點紅外熒光顯示技術的焊縫檢測方法。檢測過程包括焊區表面的初步清理；量子點紅外熒光材料的加入；紅外激光掃描；探測器獲取缺陷圖像；缺陷記錄與分析。應用一種半導體量子點紅外熒光材料做焊接區缺陷標記，用相應波長紅外激光器的擴束激光進行焊縫的掃描，實現缺陷處熒光材料的紅外激發，然后以探測器進行實施圖像記錄。并可以對圖像作后期的處理得到焊縫更詳細的信息，分析與預測焊接區的缺陷分布狀況。本方法利用量子點線度在納米級的優勢可以實現微小焊縫的檢測，檢測精度高，過程簡單，并且是在不破壞焊縫的前提下檢測焊縫的缺陷，屬于無損檢測范疇。能夠滿足高精度的檢測標準，并可以對焊接潛在的故障進行預見。
文檔編號G01N21/91GK102495078SQ20111040364
公開日2012年6月13日 申請日期2011年12月7日 優先權日2011年12月7日
發明者姜嘯宇, 王茂榕, 萇浩, 趙彩敏, 趙思寧, 邢志廣, 鐘聲, 魏臻 申請人:天津理工大學