一種熱波成像氣體泄漏檢測系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種高靈敏度的氣體泄漏檢測技術。該技術采用能被泄漏氣體強烈吸收的激光束進行掃描，被測氣體吸收能量后溫度升高，輻射出熱波信號，再采用紅外熱像儀對該熱波信號進行圖像采集與分析。同時該技術還采用了線狀激光束進行掃描并采用逐行掃描型熱像儀，激光幀掃描頻率和熱像儀的幀掃描頻率同步，并使得激光束所加熱的區(qū)域成像在熱像儀探測芯片正處于積分狀態(tài)的像素行上，這樣可以進一步提高信噪比。
【專利說明】一種熱波成像氣體泄漏檢測系統(tǒng)
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種微量氣體泄漏成像檢測技術，采用泄漏氣體吸收譜附近的激光束對被測區(qū)域進行掃描，并采用熱像儀進行成像。本發(fā)明可用于對氣體泄漏進行快速定位，屬于熱波無損檢測的【技術領域】。
【背景技術】
[0002]激光成像氣體泄漏檢測技術為許多工業(yè)領域在線檢測提供了有利的工具，例如在電力系統(tǒng)采用的六氟化硫激光成像是一種非接觸式的檢漏技術，可在無需停電的情況下，以成像的方式有效發(fā)現(xiàn)沖有六氟化硫的電氣設備泄露點，并能精確直觀地定位。該技術能有效減少設備停電時間，降低維護成本，提高變電設備可靠性，保護人員安全及減少大氣污染，具有明顯的經(jīng)濟和社會效益。同樣在其它行業(yè)，如石油化工、電子產(chǎn)品制造等領域?qū)τ卸居泻怏w泄漏的檢測也得到廣泛的應用。
[0003]目前市場上已有多種款式的激光成像氣體泄漏檢測設備，大部分的系統(tǒng)工作原理如圖2所示。激光束26經(jīng)過光束整形裝置21后后投射到檢測區(qū)域31上，一部分被背景散射的光被激光攝像儀29接收，激光攝像儀29對激光束26的波長敏感。在沒有泄漏氣體的情況下，所產(chǎn)生的背景面圖像與使用普通可見光攝像機36所拍攝的由環(huán)境光產(chǎn)生的圖像基本相同。當有泄漏氣體27出現(xiàn)在激光攝像儀的檢測區(qū)域31中時，返回到激光攝像儀29的激光強度由于氣體煙霧的吸收將會局部減弱，并在背景32上形成陰影28，從視頻上可以直接看到泄漏氣體出現(xiàn)的區(qū)域產(chǎn)生忽明忽暗的煙霧繚繞狀態(tài)。被測氣體濃度越濃，吸收就越強，對比度也會越大。在這種方式下，非可視氣體將可在視頻中呈現(xiàn)，氣體漂移方向和泄漏點都可以根據(jù)激光攝像儀29的圖像確定。檢測時泄漏氣體27并不需要與背景接觸，只要處在背景和激光攝像儀之間即可。
[0004]然而目前市場上基于上述已有技術的產(chǎn)品有很多缺陷，最主要是檢測靈敏度不夠高，雖然可以通過提高激光器的功率來適當?shù)靥岣咝旁氡?，但改進的效果有限，這是因為雖然信號大小是和激光強度成正比的，但背景光的強度也是和激光強度成正比的，因此激光強度增加到一定程度后就不能再有效地提高信噪比。另外激光經(jīng)過擴束，由于光束質(zhì)量及光學器件的誤差、加上激光的相干性等問題，造成擴束后的光斑不均勻，影響到圖像的質(zhì)量和穩(wěn)定性，往往造成局部圖像無法進行精確觀測，極大地影響了檢測靈敏度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的就是針對上述現(xiàn)有激光成像氣體泄漏檢測設備的不足，提供一種高靈敏度的氣體泄漏檢測技術。該技術采用能被泄漏氣體強烈吸收的激光束進行掃描，泄漏氣體吸收能量后溫度升高，會輻射出熱波信號，采用紅外熱像儀進行圖像采集，并在該熱像儀前置放濾波片，濾除用來激勵熱波的激光波長，或者采用對激光波長不敏感的熱像儀，這樣熱像儀的圖像主要反映待測氣體的熱信號變化，而此時增強激光功率可以有效地提高信噪比。[0006]該技術還采用線狀激光束進行掃描并采用逐行掃描型熱像儀，激光幀掃描頻率和熱像儀的幀掃描頻率同步，并使得激光束所加熱的區(qū)域成像在熱像儀探測芯片正處于積分狀態(tài)的像素行上，這樣可以進一步提高信噪比。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0007]圖1為本發(fā)明系統(tǒng)示意圖。
[0008]圖2為一種現(xiàn)有技術系統(tǒng)示意圖。
[0009]圖3為本發(fā)明系統(tǒng)的技術原理圖。
[0010]圖4為另一種本發(fā)明系統(tǒng)實施示意圖。
[0011]圖5為另一種本發(fā)明系統(tǒng)實施示意圖。
[0012]圖6為本發(fā)明系統(tǒng)一種掃描方式不意圖。
【具體實施方式】
[0013]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0014]圖1所不的是本發(fā)明一種實施例,系統(tǒng)包括:激光器20、光束整形裝置21、光束偏轉(zhuǎn)裝置22、熱像儀24、信號采集處理單元25、掃描控制單元23等。激光器20輸出的激光束26的波長處于泄漏氣體27的吸收峰附近，例如對六氟化硫氣體，吸收峰值在10.6微米附近，可以采用二氧化碳氣體激光器；在掃描控制單元23的驅(qū)動下，光束偏轉(zhuǎn)裝置22偏轉(zhuǎn)激光束26進行掃描，當掃描光束遇到泄漏氣體27時會被部分吸收，使得泄漏氣體27的溫度升高，并向外輻射熱量。熱像儀24對一部分紅外波段敏感，但對激光束26的波長不敏感，例如對于六氟化硫氣體的檢測，通常使用的激光波長在10.6 um，故可采用對2-5 um或8-9 um波段敏感的熱像儀，如MCT紅外焦平面探測器的熱像儀，這樣采集的圖像將主要反映泄漏氣體27輻射的熱波信號，而不是直接由背景及泄漏氣體反射回來的激光束26的能量。由熱像儀24所采集的圖像送到信號采集處理單元25，經(jīng)過信號處理后并顯示，進一步增強了泄漏氣體的檢測能力。
[0015]熱像儀通常有兩種運行模式，即凝視型和逐行掃描型。凝視型所有單元同時對信號積分，在采用線型掃描激光束的情況下，每個時刻整個圖像中只有對應于激光束26的影像位置42的少數(shù)像素可以接收到有效信號，其它部位接收的都是背景信號。因此為了提高信噪比，可以采用逐行掃描型的熱像儀結合同步掃描的方法。
[0016]圖3所示的是激光光斑30在可逐行掃描的熱像儀24的探測芯片40上光學成像的示意圖。在掃描控制單元23的精確控制下，光束偏轉(zhuǎn)裝置22的掃描與熱像儀24的探測芯片40的幀掃描同步。掃描控制單元23通常由專門的硬件組成，如采用鎖相環(huán)電路，以達到較高精度。泄漏氣體27吸收激光光斑30的能量后輻射熱能，經(jīng)透鏡43成像，在探測芯片40上的影像42重合在當前正處于積分狀態(tài)的像素行上，處于積分狀態(tài)的像素行是不斷掃描的，而該影像42則隨其同步移動。這時其它行的像素不接收信號，因此大幅減少了背景信號的影響。
[0017]當采用的熱像儀24對激光器20的波長敏感時，可以在熱像儀24前安放窄帶濾波片35，如圖4所示，阻擋掉反射回來的激光束26的反射光，使其不會影響圖像的信噪比。在這種情況下，增加激光器20的輸出功率可以增加來自泄漏氣體27的信號強度，但不會增加由背景反射回來的激光束26所造成的噪聲。
[0018]圖5所示的是上述實施例的改進，增加了可見光攝像機36，用于采集環(huán)境光產(chǎn)生的圖像，用來對熱像儀24采集的圖像。因為通常被檢測氣體的吸收峰多在紅外區(qū)域，而紅外圖像和可見光圖像差別很大，增加可見光圖像有利于判別泄漏點的位置。
[0019]以上實施例的激光束26為一字形寬光斑30,光束偏轉(zhuǎn)裝置22實行一維掃描。這種方法在結構和掃描控制方面最簡單。但系統(tǒng)也可以采用點狀光斑42，光束偏轉(zhuǎn)裝置22實行二維掃描，圖6所示的是探測芯片40上的影像關系。這樣掃描的優(yōu)點是圖像中激光強度分布均勻，但同時機械結構變得較復雜，體積大一些。另外為了保持與熱像儀24同步，需要解決激光束高速掃描的問題，例如可采用多反射面轉(zhuǎn)鏡進行行掃描。
【權利要求】
1.一種熱波成像氣體泄漏檢測系統(tǒng)，其特征為，所述系統(tǒng)包括: 激光器(20)，所述激光器(20)輸出的激光束(26)的波長處于泄漏氣體(27)的吸收峰附近； 光束偏轉(zhuǎn)裝置(22 )，所述光束偏轉(zhuǎn)裝置(22 )用于偏轉(zhuǎn)所述激光束(26 ); 熱像儀(24)，所述熱像儀(24)用于檢測泄漏氣體(27)在吸收所述激光束(26)的能量后所福射的熱能； 信號采集處理單元(25)，所述信號采集處理單元(25)用于對所述熱像儀(24)采集的圖像進行處理； 掃描控制單元(23)，所述掃描控制單元(23)用于控制所述光束偏轉(zhuǎn)裝置(22)，所述光束偏轉(zhuǎn)裝置(22)與所述熱像儀(24)的幀頻同步。
2.根據(jù)權利要求1所述的熱波成像氣體泄漏檢測系統(tǒng)，其特征為，所述熱像儀(24)為逐行掃描型。
3.根據(jù)權利要求1所述的熱波成像氣體泄漏檢測系統(tǒng)，其特征為，所述熱像儀(24)對所述激光器(20)的輸出波長不敏感。
4.根據(jù)權利要求2所述的熱波成像氣體泄漏檢測系統(tǒng)，其特征為，由所述泄漏氣體(27)所輻射的熱波信號在所述熱像儀(24)的探測芯片(40)上形成的影像(42)始終重合在當前正處于積分狀態(tài)的像素行上。
5.根據(jù)權利要求1所述的熱波成像氣體泄漏檢測系統(tǒng)，其特征為，所述系統(tǒng)進一步包括光束整形裝置(21)，所述光束整形裝置(21)用于調(diào)整激光束(26 )的形狀。
6.根據(jù)權利要求5所述的熱波成像氣體泄漏檢測系統(tǒng)，其特征為，所述光束整形裝置(21)調(diào)節(jié)激光束(26)形成一字形線光束，所述光束偏轉(zhuǎn)裝置(22)實行一維掃描。
7.根據(jù)權利要求5所述的熱波成像氣體泄漏檢測系統(tǒng)，其特征為，所述光束整形裝置(21)調(diào)節(jié)激光束(26)形成點狀光束，所述光束偏轉(zhuǎn)裝置(22)實行二維掃描。
8.根據(jù)權利要求1所述的熱波成像氣體泄漏檢測系統(tǒng)，其特征為，所述系統(tǒng)進一步包括可見光攝像機(36)，所述可見光攝像機(36)用于采集可見光圖像并用來和所述熱像儀(24)的圖像進行對比。
9.根據(jù)權利要求1所述的熱波成像氣體泄漏檢測系統(tǒng)，其特征為，所述系統(tǒng)進一步包括濾光片(35 )，用于阻擋所述激光器(20 )的反射光及散射光進入所述熱像儀(24 )。
【文檔編號】G01M3/38GK203629778SQ201320870272
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2013年12月26日 優(yōu)先權日:2013年12月26日
【發(fā)明者】陳力 申請人:南京諾威爾光電系統(tǒng)有限公司