(高清版)GB∕T 38238-2019 無損檢測儀器 紅外線熱成像 系統(tǒng)與設(shè)備 性能描述

GB/T38238—2019性能描述國家市場監(jiān)督管理總局中國國家標準化管理委員會IGB/T38238—2019 12規(guī)范性引用文件 1 1 1 1 15.2光譜范圍 2 25.4光圈(f數(shù)) 2 26.1概述 26.2探測器類型 26.3探測器陣列 26.4掃描系統(tǒng) 26.5工作波段 26.6探測器像元數(shù) 36.7盲元 36.8探測器像元完好率 36.9熱時間常數(shù) 36.10信號響應 36.11動態(tài)范圍 36.12啟動時間 3 3 37.2圖像采集 37.3圖像顯示 47.4圖像分析 47.5圖像處理 47.6圖像記錄 57.7圖像讀取 5 58.1概述 58.2光加熱源 58.3高溫氣體發(fā)生器 58.4電磁感應加熱器 5ⅡGB/T38238—2019 58.6制冷裝置 6 69.1綜合性能參數(shù) 9.2綜合功能 710輔助設(shè)備 710.1概述 710.2紅外反射鏡 710.3衰減片 10.4濾波片 810.5三角架 8ⅢGB/T38238—2019本標準按照GB/T1.1—2009給出的規(guī)則起草。本標準由中國機械工業(yè)聯(lián)合會提出。本標準由全國試驗機標準化技術(shù)委員會(SAC/TC122)歸口。技術(shù)有限公司、江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院、國核電站運行服務(wù)技術(shù)有限公司、北京衛(wèi)星制造廠。1GB/T38238—2019無損檢測儀器紅外線熱成像系統(tǒng)與設(shè)備性能描述1范圍本標準規(guī)定了用于無損檢測的紅外線熱成像系統(tǒng)、設(shè)備及配件的功能與性能參數(shù)等內(nèi)容。本標準適用于焦平面紅外熱像儀，光機掃描紅外熱像儀可參照本標準。2規(guī)范性引用文件下列文件對于本文件的應用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，僅注日期的版本適用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改單)適用于本文件。GB/T12604.9無損檢測術(shù)語紅外檢測GB/T19870工業(yè)檢測型紅外熱像儀3術(shù)語和定義GB/T12604.9和GB/T19870界定的術(shù)語和定義適用于本文件。4系統(tǒng)概述圖1為紅外線熱成像系統(tǒng)的框圖，包括物鏡、探測器、圖像處理器、顯示器、激勵源和輔助設(shè)備等。物鏡將檢測對象的紅外輻射成像在探測器陣列上，探測器將其轉(zhuǎn)換為電信號，再通過圖像處理器的進一步處理獲取檢測對象的相關(guān)信息。檢測對象激勵源物鏡探測器圖像處理器輸出或存儲顯示圖1紅外線熱成像系統(tǒng)框圖5物鏡紅外線熱成像系統(tǒng)中的物鏡是用于將紅外輻射從被檢物體聚焦到探測器上的光學部件。物鏡可以更換使用各種視場角的鏡頭。物鏡的性能主要影響檢測系統(tǒng)的視場范圍和空間的分辨能力。2GB/T38238—20195.2光譜范圍由于紅外輻射在大氣中傳輸?shù)牟ǘ未翱谙拗?，紅外線熱成像檢測中常使用三種紅外波段，即短波波波段的鏡頭。5.3焦距焦距是指平行光入射時從物鏡光心到焦點的距離。同樣檢測條件下，使用不同焦距的物鏡會得到不同的紅外圖像。長焦距的物鏡可以獲得更高分辨率的熱像圖，但視場角會相應地變小，常用于檢測需要重點關(guān)注的區(qū)域。短焦距的物鏡的視場角較大，但熱像圖相對長焦距物鏡成像分辨率較低，常用于較大范圍或全景的檢測。光圈的f數(shù)是指紅外熱成像物鏡像方焦距與鏡頭口徑的直徑之比，即相對孔徑的倒數(shù)。光圈決定著到達焦平面陣列紅外輻射的開孔大小，它直接影響檢測系統(tǒng)的溫度測量靈敏度。光圈越大(f數(shù)越小),進光量越多，系統(tǒng)溫度測量靈敏度越高，測溫范圍變??；光圈越小(f數(shù)越大),進光量越少，系統(tǒng)溫鏡頭的光圈需大于探測器的尺寸，以保證探測器的每個單元都可接收到紅外輻射。6探測器6.1概述紅外線熱成像系統(tǒng)中使用探測器將輻射能轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y量的電信號。常使用的紅外輻射傳感器包分辨能力。6.2探測器類型紅外熱成像探測器主要有熱傳感器和量子傳感器兩種類型。熱傳感器可在室溫條件下工作，如微測輻射熱計、光電傳感器。量子傳感器需要冷卻到較低的工作溫度。相比于熱傳感器，量子傳感器有更高的靈敏度和采樣頻率。6.3探測器陣列紅外探測器可以是單點、線陣列或二維陣列。單點探器需要使用掃描系統(tǒng)，將被測對象進行逐點測量并形成熱像圖。線陣列探測器可用于對生產(chǎn)線等運動物體的成像。二維陣列探測器采用傳感器單元進行逐點掃描來獲取信息形成熱圖像。6.4掃描系統(tǒng)測器的熱像儀，機械掃描系統(tǒng)熱像儀不適用于捕獲高速圖像。6.5工作波段工作波段由探測器材料和封裝窗口材料決定。應根據(jù)被檢測試件的實際情況和檢測條件來確定。3GB/T38238—20196.6探測器像元數(shù)典型的探測器是由一個長方形傳感器陣列組成的，像元數(shù)是陣列中包括的傳感器總數(shù)。對于一個由M排、N列傳感器組成的長方型陣列探測器，其像元數(shù)為M×N。探測器像元數(shù)直接影響空間分辨力。6.7盲元盲元是指不具有良好的測溫一致性或相應速度達不到要求，且不能通過標定改善滿足測溫一致性要求的單個探測器像元。6.8探測器像元完好率探測器像元完好率是指可輸出正常信號的探測器像元占總像元數(shù)的比例。6.9熱時間常數(shù)探測器的熱時間常數(shù)是指熱穩(wěn)定環(huán)境中，在零功率條件下探測器對應的溫度變化值達到環(huán)境溫度改變值的63.2%所用的時間。熱時間常數(shù)直接影響最大幀頻和溫度測量靈敏度。這個參數(shù)在溫度不斷變化的系統(tǒng)中非常重要。信號響應用于描述溫度變化時探測器的響應，單位為mV/K。信號響應代表探測器的靈敏度。響應信號越大，探測器的溫度分辨率越高。6.11動態(tài)范圍探測器的動態(tài)范圍是探測器可測量最低和最高輻射強度或溫度的區(qū)間。該范圍需要由黑體溫度(發(fā)射率=1)標定。對于采用熱傳感器的探測器，當輻射強度或溫度超出其動態(tài)范圍時，探測器很可能6.12啟動時間對于非制冷型探測器，啟動時需要一定的預熱保證設(shè)備自身溫度穩(wěn)定，減少溫漂對測量的影響。對于制冷型探測器，啟動時需要一定的時間保證探測器達到所需的工作溫度，啟動時間主要由制冷機類型和制冷方式?jīng)Q定。7圖像處理器圖像處理器用于紅外熱像圖的采集、分析、處理、顯示和儲存。紅外熱像圖的分析和處理通常包括溫度場空間分布及隨時間變化、圖像的增強和降噪處理等。圖像處理器的性能主要影響檢測系統(tǒng)的速7.2圖像采集定時采集是指基于系統(tǒng)內(nèi)部時鐘的圖像采集。定時采集包括：單幀采集、等時間間隔采集、任意設(shè)4GB/T38238—2019定時間間隔采集。觸發(fā)采集是基于觸發(fā)源信號的圖像采集。觸發(fā)源可以是系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)定的觸發(fā)信號和外部輸入的觸發(fā)信號。該功能通常用于主動式紅外熱成像檢測方法中，包括脈沖熱像法、階梯熱像法、鎖相熱像法和振動熱像法。在紅外熱像儀工作過程中，影像凍結(jié)是將目前的視圖進行凍結(jié)的功能。使用顯示器來顯示人眼可見的熱像圖，通常采用偽彩色、灰度圖等方式顯示；并可以單幀顯示或連續(xù)動態(tài)視頻播放。7.4圖像分析圖像分析通常包含以下分析方法：a)對測量區(qū)域紅外輻射強度信號的溫度估計；b)基于紅外線熱成像系統(tǒng)分辨率的點溫度測量；c)測量區(qū)域內(nèi)的平均溫度、最小溫度和最大溫度；d)用顏色標記具有相同溫度的等溫區(qū)域。7.5圖像處理通過采用相鄰像元信息替換探測器盲元信息，來改善圖像可視性。用于補償探測器單元響應不均勻而進行的校正過程。圖像增強用于提高圖像信號的可視性，通常采用灰度拉伸、直方圖變換等方法。7.5.5時間相關(guān)的處理方法對脈沖熱像法、階梯熱像法、鎖相熱像法和振動熱像法等方法獲得的熱像圖序列，通常采用與時間相關(guān)的信號處理方法提取有用信息。7.5.6可見光與紅外圖像融合將同一視角采集的紅外熱像圖和可見光圖像，按照背景設(shè)置的不同進行不同的權(quán)重比例的調(diào)整，以達到紅外圖像與可見光圖像在同一屏幕上同時顯示的方法。5GB/T38238—20197.6圖像記錄圖像記錄至少應具有連續(xù)記錄和單幀記錄功能，并記錄與溫度計算相關(guān)的儀器參數(shù)設(shè)置及檢測條件。圖像記錄宜具有全動態(tài)范圍熱像圖原始數(shù)據(jù)記錄功能。7.7圖像讀取圖像讀取是全面調(diào)取已存儲的圖像信息，同時應能顯示采集時的儀器參數(shù)設(shè)置及檢測條件，以便于進行檢測結(jié)果分析。8激勵源主動式紅外熱成像方法需要外部激勵源來給材料加熱。應根據(jù)檢測對象和檢測目的來選擇合適的裝置或其他熱源等。常用的調(diào)制方式包括脈沖式、階躍式、周期式等。8.2光加熱源這種方法的優(yōu)點可以記錄整個溫度隨時間變化的曲線并進行分析。其缺點是加熱沒有很好的均勻性。這種方法的優(yōu)點是能量密度大，供應的能量穩(wěn)定可控。其缺點是由于加熱面積不大，因此對大面積這種方法供應的能量可靠，加熱面積相對較大，但是能量密度較小。這種加熱方法有很好的可重復性和均勻性。其缺點是由于加熱面積不大，因此對大面積的材料，需8.3高溫氣體發(fā)生器高溫氣體發(fā)生器可以是氣瓶存儲、鍋爐加熱的蒸汽等。這種方法的優(yōu)點是通過橫向擺動保證了很高的檢測效率和很好的均勻性。8.4電磁感應加熱器電磁感應加熱可用于對導電材料的內(nèi)部加熱，在一個確定的深度產(chǎn)生電渦流對材料及內(nèi)部缺陷進行加熱。這是一種直接對內(nèi)部進行加熱的方法。8.5振動加熱器振動加熱器是通過使用機械振動將能量傳輸?shù)讲牧仙喜⑥D(zhuǎn)化為熱能，例如聲波/超聲波轉(zhuǎn)換器或壓6GB/T38238—2019電振動器。其優(yōu)點是能夠檢測其他紅外熱成像檢測方法很難檢測到的缺陷，對于較大的檢測對象也可以一次完成檢測。其缺點是需要復雜的機械裝置。8.6制冷裝置其主要優(yōu)點是同其他加熱源相比，制冷裝置不會產(chǎn)生多余的紅外輻射進入紅外線熱成像系統(tǒng)。9紅外系統(tǒng)和設(shè)備的綜合性能參數(shù)及功能9.1綜合性能參數(shù)噪聲等效溫差(NETD)表示紅外線熱成像系統(tǒng)分辨溫度差的能力。以熱像儀觀察一個低空間頻率的圓形或方形靶，當其視頻信號的信噪比為1時，黑體目標與背景之間的溫度差即為NETD。噪聲等效溫差越小，檢測靈敏度越高。NETD隨被測黑體的溫度、測量范圍、積分(量子探測器)和數(shù)據(jù)平均次數(shù)等測量條件而變化。9.1.2最小可分辨溫差最小可分辨溫差(MRTD)是評價紅外成像系統(tǒng)成像質(zhì)量的一個指標，它表示紅外線熱成像系統(tǒng)和觀察者分辨小結(jié)構(gòu)(與全視場相比)上小溫度差的綜合能力。MRTD的測量與觀察者緊密相關(guān)。最小可分辨溫差越小，檢測靈敏度越高。最小可探測溫差(MDTD)是評價紅外成像系統(tǒng)成像質(zhì)量的另一個指標，它表示紅外線熱成像系統(tǒng)和觀察者在一個大的均勻背景下探測另一個目標溫度的綜合能力。MDTD的測量與觀察者也緊密相關(guān)。最小可探測溫差越小，檢測靈敏度越高。9.1.4視場(FOV)視場是熱像儀可觀測到的空間范圍在水平和垂直方向的最大張角。視場和熱像儀成像的大小直接影響圖像的分辨率。系統(tǒng)成像的物空間范圍，用圓錐或棱錐的形狀和角視場用寬4°×高3°表示。同等檢測距離條件下，視場越大，檢測面積越大。同等探測器像元數(shù)和檢測空間分辨力是指熱像儀分辨物體空間幾何形狀細節(jié)的能力。近似計算為：空間分辨力=視場角度/像元數(shù)，單位為度(°)或毫弧度(mrad)。最小成像距離是指檢測對象到熱像儀之間可以清晰成像的最小距離。最小成像距離由物鏡和探測器決定，應根據(jù)檢測對象和檢測條件選擇。9.1.7最大測溫范圍熱像儀的最大測溫范圍是指熱像儀可測量的最低和最高溫度的范圍，這個范圍可通過測量黑體的7GB/T38238—2019溫度來獲得。更換光學鏡頭和改變?yōu)V光片都可引起測溫范圍的變化。測溫一致性是指在整個探測器或整個視場內(nèi)不同區(qū)域溫度測量結(jié)果的一致性。通過使用標準黑體，計算測量值分布的標準偏差來獲得。熱像儀在滿足測溫一致性的前提下，能夠連續(xù)正常穩(wěn)定工作的時間。9.2綜合功能為使紅外線熱成像系統(tǒng)適用于不同檢測要求，物鏡宜可更換。數(shù)字輸入/輸出接口可允許從外部輸入熱成像系統(tǒng)信號或者熱成像系統(tǒng)向外輸出信號。輸入信號一般用于控制熱成像系統(tǒng)，輸出信號用于報警或引起注意。數(shù)據(jù)傳輸接口允許從熱成像系統(tǒng)向計算機或者其他存儲設(shè)備實時傳輸數(shù)字圖像信息。通過視頻輸出接口允許向其他顯示設(shè)備輸出圖像信息。圖像處理的功能見7.2～7.7。10輔助設(shè)備輔助設(shè)備