(高清版)GB∕T 38238-2019 無損檢測(cè)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(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)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(cè)器類型 26.3探測(cè)器陣列 26.4掃描系統(tǒng) 26.5工作波段 26.6探測(cè)器像元數(shù) 36.7盲元 36.8探測(cè)器像元完好率 36.9熱時(shí)間常數(shù) 36.10信號(hào)響應(yīng) 36.11動(dòng)態(tài)范圍 36.12啟動(dòng)時(shí)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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)按照GB/T1.1—2009給出的規(guī)則起草。本標(biāo)準(zhǔn)由中國(guó)機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì)提出。本標(biāo)準(zhǔn)由全國(guó)試驗(yàn)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)(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(yàn)研究院、國(guó)核電站運(yùn)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(cè)儀器紅外線熱成像系統(tǒng)與設(shè)備性能描述1范圍本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了用于無損檢測(cè)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(biāo)準(zhǔn)適用于焦平面紅外熱像儀，光機(jī)掃描紅外熱像儀可參照本標(biāo)準(zhǔn)。2規(guī)范性引用文件下列文件對(duì)于本文件的應(yīng)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(cè)術(shù)語紅外檢測(cè)GB/T19870工業(yè)檢測(cè)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(cè)器、圖像處理器、顯示器、激勵(lì)源和輔助設(shè)備等。物鏡將檢測(cè)對(duì)象的紅外輻射成像在探測(cè)器陣列上，探測(cè)器將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再通過圖像處理器的進(jìn)一步處理獲取檢測(cè)對(duì)象的相關(guān)信息。檢測(cè)對(duì)象激勵(lì)源物鏡探測(cè)器圖像處理器輸出或存儲(chǔ)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(cè)器上的光學(xué)部件。物鏡可以更換使用各種視場(chǎng)角的鏡頭。物鏡的性能主要影響檢測(cè)系統(tǒng)的視場(chǎng)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未翱谙拗疲t外線熱成像檢測(cè)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(shí)從物鏡光心到焦點(diǎn)的距離。同樣檢測(cè)條件下，使用不同焦距的物鏡會(huì)得到不同的紅外圖像。長(zhǎng)焦距的物鏡可以獲得更高分辨率的熱像圖，但視場(chǎng)角會(huì)相應(yīng)地變小，常用于檢測(cè)需要重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域。短焦距的物鏡的視場(chǎng)角較大，但熱像圖相對(duì)長(zhǎng)焦距物鏡成像分辨率較低，常用于較大范圍或全景的檢測(cè)。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(duì)孔徑的倒數(shù)。光圈決定著到達(dá)焦平面陣列紅外輻射的開孔大小，它直接影響檢測(cè)系統(tǒng)的溫度測(cè)量靈敏度。光圈越大(f數(shù)越小),進(jìn)光量越多，系統(tǒng)溫度測(cè)量靈敏度越高，測(cè)溫范圍變??；光圈越小(f數(shù)越大),進(jìn)光量越少，系統(tǒng)溫鏡頭的光圈需大于探測(cè)器的尺寸，以保證探測(cè)器的每個(gè)單元都可接收到紅外輻射。6探測(cè)器6.1概述紅外線熱成像系統(tǒng)中使用探測(cè)器將輻射能轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y(cè)量的電信號(hào)。常使用的紅外輻射傳感器包分辨能力。6.2探測(cè)器類型紅外熱成像探測(cè)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(cè)輻射熱計(jì)、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(cè)器陣列紅外探測(cè)器可以是單點(diǎn)、線陣列或二維陣列。單點(diǎn)探器需要使用掃描系統(tǒng)，將被測(cè)對(duì)象進(jìn)行逐點(diǎn)測(cè)量并形成熱像圖。線陣列探測(cè)器可用于對(duì)生產(chǎn)線等運(yùn)動(dòng)物體的成像。二維陣列探測(cè)器采用傳感器單元進(jìn)行逐點(diǎn)掃描來獲取信息形成熱圖像。6.4掃描系統(tǒng)測(cè)器的熱像儀，機(jī)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(cè)器材料和封裝窗口材料決定。應(yīng)根據(jù)被檢測(cè)試件的實(shí)際情況和檢測(cè)條件來確定。3GB/T38238—20196.6探測(cè)器像元數(shù)典型的探測(cè)器是由一個(gè)長(zhǎng)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(duì)于一個(gè)由M排、N列傳感器組成的長(zhǎng)方型陣列探測(cè)器，其像元數(shù)為M×N。探測(cè)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(cè)溫一致性或相應(yīng)速度達(dá)不到要求，且不能通過標(biāo)定改善滿足測(cè)溫一致性要求的單個(gè)探測(cè)器像元。6.8探測(cè)器像元完好率探測(cè)器像元完好率是指可輸出正常信號(hào)的探測(cè)器像元占總像元數(shù)的比例。6.9熱時(shí)間常數(shù)探測(cè)器的熱時(shí)間常數(shù)是指熱穩(wěn)定環(huán)境中，在零功率條件下探測(cè)器對(duì)應(yīng)的溫度變化值達(dá)到環(huán)境溫度改變值的63.2%所用的時(shí)間。熱時(shí)間常數(shù)直接影響最大幀頻和溫度測(cè)量靈敏度。這個(gè)參數(shù)在溫度不斷變化的系統(tǒng)中非常重要。信號(hào)響應(yīng)用于描述溫度變化時(shí)探測(cè)器的響應(yīng)，單位為mV/K。信號(hào)響應(yīng)代表探測(cè)器的靈敏度。響應(yīng)信號(hào)越大，探測(cè)器的溫度分辨率越高。6.11動(dòng)態(tài)范圍探測(cè)器的動(dòng)態(tài)范圍是探測(cè)器可測(cè)量最低和最高輻射強(qiáng)度或溫度的區(qū)間。該范圍需要由黑體溫度(發(fā)射率=1)標(biāo)定。對(duì)于采用熱傳感器的探測(cè)器，當(dāng)輻射強(qiáng)度或溫度超出其動(dòng)態(tài)范圍時(shí)，探測(cè)器很可能6.12啟動(dòng)時(shí)間對(duì)于非制冷型探測(cè)器，啟動(dòng)時(shí)需要一定的預(yù)熱保證設(shè)備自身溫度穩(wěn)定，減少溫漂對(duì)測(cè)量的影響。對(duì)于制冷型探測(cè)器，啟動(dòng)時(shí)需要一定的時(shí)間保證探測(cè)器達(dá)到所需的工作溫度，啟動(dòng)時(shí)間主要由制冷機(jī)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(chǔ)存。紅外熱像圖的分析和處理通常包括溫度場(chǎng)空間分布及隨時(shí)間變化、圖像的增強(qiáng)和降噪處理等。圖像處理器的性能主要影響檢測(cè)系統(tǒng)的速7.2圖像采集定時(shí)采集是指基于系統(tǒng)內(nèi)部時(shí)鐘的圖像采集。定時(shí)采集包括：?jiǎn)螏杉?、等時(shí)間間隔采集、任意設(shè)4GB/T38238—2019定時(shí)間間隔采集。觸發(fā)采集是基于觸發(fā)源信號(hào)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(hào)和外部輸入的觸發(fā)信號(hào)。該功能通常用于主動(dòng)式紅外熱成像檢測(cè)方法中，包括脈沖熱像法、階梯熱像法、鎖相熱像法和振動(dòng)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(jìn)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(dòng)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(duì)測(cè)量區(qū)域紅外輻射強(qiáng)度信號(hào)的溫度估計(jì)；b)基于紅外線熱成像系統(tǒng)分辨率的點(diǎn)溫度測(cè)量；c)測(cè)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(biāo)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(cè)器盲元信息，來改善圖像可視性。用于補(bǔ)償探測(cè)器單元響應(yīng)不均勻而進(jìn)行的校正過程。圖像增強(qiáng)用于提高圖像信號(hào)的可視性，通常采用灰度拉伸、直方圖變換等方法。7.5.5時(shí)間相關(guān)的處理方法對(duì)脈沖熱像法、階梯熱像法、鎖相熱像法和振動(dòng)熱像法等方法獲得的熱像圖序列，通常采用與時(shí)間相關(guān)的信號(hào)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(jìn)行不同的權(quán)重比例的調(diào)整，以達(dá)到紅外圖像與可見光圖像在同一屏幕上同時(shí)顯示的方法。5GB/T38238—20197.6圖像記錄圖像記錄至少應(yīng)具有連續(xù)記錄和單幀記錄功能，并記錄與溫度計(jì)算相關(guān)的儀器參數(shù)設(shè)置及檢測(cè)條件。圖像記錄宜具有全動(dòng)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(chǔ)的圖像信息，同時(shí)應(yīng)能顯示采集時(shí)的儀器參數(shù)設(shè)置及檢測(cè)條件，以便于進(jìn)行檢測(cè)結(jié)果分析。8激勵(lì)源主動(dòng)式紅外熱成像方法需要外部激勵(lì)源來給材料加熱。應(yīng)根據(jù)檢測(cè)對(duì)象和檢測(cè)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(diǎn)可以記錄整個(gè)溫度隨時(shí)間變化的曲線并進(jìn)行分析。其缺點(diǎn)是加熱沒有很好的均勻性。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是能量密度大，供應(yīng)的能量穩(wěn)定可控。其缺點(diǎn)是由于加熱面積不大，因此對(duì)大面積這種方法供應(yīng)的能量可靠，加熱面積相對(duì)較大，但是能量密度較小。這種加熱方法有很好的可重復(fù)性和均勻性。其缺點(diǎn)是由于加熱面積不大，因此對(duì)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(chǔ)、鍋爐加熱的蒸汽等。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是通過橫向擺動(dòng)保證了很高的檢測(cè)效率和很好的均勻性。8.4電磁感應(yīng)加熱器電磁感應(yīng)加熱可用于對(duì)導(dǎo)電材料的內(nèi)部加熱，在一個(gè)確定的深度產(chǎn)生電渦流對(duì)材料及內(nèi)部缺陷進(jìn)行加熱。這是一種直接對(duì)內(nèi)部進(jìn)行加熱的方法。8.5振動(dòng)加熱器振動(dòng)加熱器是通過使用機(jī)械振動(dòng)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(dòng)器。其優(yōu)點(diǎn)是能夠檢測(cè)其他紅外熱成像檢測(cè)方法很難檢測(cè)到的缺陷，對(duì)于較大的檢測(cè)對(duì)象也可以一次完成檢測(cè)。其缺點(diǎn)是需要復(fù)雜的機(jī)械裝置。8.6制冷裝置其主要優(yōu)點(diǎn)是同其他加熱源相比，制冷裝置不會(huì)產(chǎn)生多余的紅外輻射進(jìn)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(gè)低空間頻率的圓形或方形靶，當(dāng)其視頻信號(hào)的信噪比為1時(shí)，黑體目標(biāo)與背景之間的溫度差即為NETD。噪聲等效溫差越小，檢測(cè)靈敏度越高。NETD隨被測(cè)黑體的溫度、測(cè)量范圍、積分(量子探測(cè)器)和數(shù)據(jù)平均次數(shù)等測(cè)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(píng)價(jià)紅外成像系統(tǒng)成像質(zhì)量的一個(gè)指標(biāo)，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(chǎng)相比)上小溫度差的綜合能力。MRTD的測(cè)量與觀察者緊密相關(guān)。最小可分辨溫差越小，檢測(cè)靈敏度越高。最小可探測(cè)溫差(MDTD)是評(píng)價(jià)紅外成像系統(tǒng)成像質(zhì)量的另一個(gè)指標(biāo)，它表示紅外線熱成像系統(tǒng)和觀察者在一個(gè)大的均勻背景下探測(cè)另一個(gè)目標(biāo)溫度的綜合能力。MDTD的測(cè)量與觀察者也緊密相關(guān)。最小可探測(cè)溫差越小，檢測(cè)靈敏度越高。9.1.4視場(chǎng)(FOV)視場(chǎng)是熱像儀可觀測(cè)到的空間范圍在水平和垂直方向的最大張角。視場(chǎng)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(chǎng)用寬4°×高3°表示。同等檢測(cè)距離條件下，視場(chǎng)越大，檢測(cè)面積越大。同等探測(cè)器像元數(shù)和檢測(cè)空間分辨力是指熱像儀分辨物體空間幾何形狀細(xì)節(jié)的能力。近似計(jì)算為：空間分辨力=視場(chǎng)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(cè)對(duì)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(cè)器決定，應(yīng)根據(jù)檢測(cè)對(duì)象和檢測(cè)條件選擇。9.1.7最大測(cè)溫范圍熱像儀的最大測(cè)溫范圍是指熱像儀可測(cè)量的最低和最高溫度的范圍，這個(gè)范圍可通過測(cè)量黑體的7GB/T38238—2019溫度來獲得。更換光學(xué)鏡頭和改變?yōu)V光片都可引起測(cè)溫范圍的變化。測(cè)溫一致性是指在整個(gè)探測(cè)器或整個(gè)視場(chǎng)內(nèi)不同區(qū)域溫度測(cè)量結(jié)果的一致性。通過使用標(biāo)準(zhǔn)黑體，計(jì)算測(cè)量值分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差來獲得。熱像儀在滿足測(cè)溫一致性的前提下，能夠連續(xù)正常穩(wěn)定工作的時(shí)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(cè)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(hào)或者熱成像系統(tǒng)向外輸出信號(hào)。輸入信號(hào)一般用于控制熱成像系統(tǒng)，輸出信號(hào)用于報(bào)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(jì)算機(jī)或者其他存儲(chǔ)設(shè)備實(shí)時(shí)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