太陽電池陣基板鎖相紅外檢測中的缺陷特征分析

鄭金華 盛濤 向蘋 徐紅杰 陳超

（上海復(fù)合材料科技有限公司，上海 201112）

文摘 針對(duì)太陽電池陣基板在制造過程中產(chǎn)生的脫黏缺陷產(chǎn)生的質(zhì)量問題，開展鎖相紅外熱成像檢測研究。通過設(shè)計(jì)與電池陣基板脫黏類型一致的對(duì)比試塊，分析含膠均勻性、碳纖維網(wǎng)格致密性對(duì)檢測圖像的影響，獲取真實(shí)脫黏缺陷特征信息及參數(shù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)篩選缺陷。測試結(jié)果表明，鎖相紅外熱成像能夠有效檢出太陽電池基板脫黏缺陷，可以有效提高產(chǎn)品檢測效率，減少檢測人員的工作強(qiáng)度。

0 引言

太陽電池陣基板作為太陽翼的主要結(jié)構(gòu)部件之一，是衛(wèi)星電源分系統(tǒng)的重要組成部分。太陽電池陣基板為碳纖維/環(huán)氧網(wǎng)格面板+鋁蜂窩的三明治結(jié)構(gòu)，四周用矩形梁和鉸鏈支座加強(qiáng)，板內(nèi)膠接各種預(yù)埋件及壓緊套，并在其中一面碳纖維網(wǎng)格面板上粘貼聚酰亞胺薄膜，采用此膜包裝基板使其表面絕緣滿足粘貼電池片的要求，太陽電池陣基板結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示［1-4］。在基板中網(wǎng)格規(guī)格通常為6 mm×6 mm，加密區(qū)為3 mm×6 mm，碳纖維束的寬度為1 mm，厚度為0.2 mm，聚酰亞胺薄膜的厚度為0.05 mm。

圖1 太陽電池陣基板結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagram of solar array substrate

基板是太陽翼的主承力結(jié)構(gòu)，在制造過程中有可能存在聚酰亞胺薄膜同網(wǎng)格面板之間的脫黏（以下簡稱薄膜脫黏），以及碳纖維網(wǎng)格面板的正交節(jié)點(diǎn)脫黏（以下簡稱節(jié)點(diǎn)脫黏），這些缺陷嚴(yán)重影響了產(chǎn)品質(zhì)量。針對(duì)此類問題通常采用非接觸式的紅外熱成像檢測。馮君偉等人［5］使用了鎖相紅外技術(shù)檢測了CFRP 網(wǎng)格面板蜂窩夾層結(jié)構(gòu)。江海軍等人［6］使用了鎖相紅外熱波成像技術(shù)檢測了碳纖維蜂窩夾層網(wǎng)格面板。聶旭萌［7］在航天器用網(wǎng)格面板蜂窩夾層結(jié)構(gòu)中使用了閃光燈紅外熱成像檢測技術(shù)對(duì)網(wǎng)格面板蜂窩夾層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了檢測。測試結(jié)果表明紅外熱成像檢測技術(shù)能夠有效地發(fā)現(xiàn)網(wǎng)格面板蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)中的脫黏缺陷。

由于基板結(jié)構(gòu)比較特殊，纖維束含膠量不均勻以及網(wǎng)格致密性不一致會(huì)影響檢測圖像。如果只是單純的從溫度差異上判斷是否存在脫黏容易產(chǎn)生誤判。本文研究脫黏缺陷的特征，排除含膠量不均勻以及網(wǎng)格致密性不一致造成的干擾，從而減少誤判。

1 鎖相紅外熱成像技術(shù)

鎖相紅外熱成像檢測技術(shù)是20世紀(jì)末發(fā)展起來的新型數(shù)字化無損檢測技術(shù)，該技術(shù)是將紅外熱成像技術(shù)同數(shù)字鎖相技術(shù)相結(jié)合，采用強(qiáng)度按正弦規(guī)律變化的外激勵(lì)源對(duì)試件進(jìn)行激勵(lì)。激勵(lì)源激勵(lì)后在試件表面引起的溫度變化也為正弦規(guī)律變化，溫度震蕩變化的頻率同激勵(lì)源激勵(lì)的頻率一致［8-9］。溫度的幅值、相位與材料特性有關(guān)，當(dāng)材料內(nèi)部存在缺陷（結(jié)構(gòu)不連續(xù)）時(shí)，因不連續(xù)界面的兩側(cè)材料的熱導(dǎo)率、比熱容、密度不同，導(dǎo)致溫度在材料連續(xù)處和不連續(xù)處的熱擴(kuò)散系數(shù)不同，引起對(duì)應(yīng)表面溫度的幅值、相位存在差異。因此可以通過計(jì)算材料表面溫度變化的相位圖和幅值圖判斷內(nèi)部缺陷特征［10-11］。鎖相紅外熱成像檢測系統(tǒng)示意如圖2所示。

圖2 鎖相紅外熱成像檢測系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of phase-locked infrared thermal imaging detection system

鎖相算法采用的是雙路數(shù)字鎖相相關(guān)處理算法，該算法利用噪聲信號(hào)與參考信號(hào)不相關(guān)的原理，提取特定頻率信號(hào)，針對(duì)周期信號(hào)，能夠抑制噪聲和其他直流分量。

同相相關(guān)函數(shù)為式（1），正交相關(guān)函數(shù)為式（2），如下所示。

使用同相相關(guān)函數(shù)和正交相關(guān)函數(shù)分別與采集到的熱波信號(hào)序列運(yùn)算得到式（3）和式（4）。

求解式（3）和式（4）得到：

式（1）-式（6）中，f為激勵(lì)源的激勵(lì)頻率，U為系統(tǒng)采集到的熱波信號(hào)序列，φ為所求的相位，Us為所求的幅值［12］。

2 對(duì)比試塊的制作

為了驗(yàn)證鎖相紅外熱成像技術(shù)對(duì)太陽電池陣基板中脫黏缺陷的檢測能力，通常需要制作對(duì)比試塊。設(shè)計(jì)的薄膜脫黏缺陷對(duì)比試塊示意圖如圖3 所示。其中第一行為銑去碳纖維網(wǎng)格，第二行為涂脫模劑，第三、四行的第一第二列為夾一層聚四氟乙烯薄膜，第三、四行的第三第四列為夾兩層聚四氟乙烯薄膜。對(duì)比試塊實(shí)物如圖4所示。

圖3 薄膜脫黏示意圖Fig.3 Schematic diagram of film debonding

圖4 薄膜脫黏對(duì)比試塊Fig.4 The reference block of film debonding

碳纖維網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)之間的脫黏則采用手術(shù)刀片將節(jié)點(diǎn)挑開的方式制作，如圖5所示。

圖5 節(jié)點(diǎn)脫黏試塊Fig.5 The reference block of node debonding

3 薄膜脫黏試塊的檢測

試驗(yàn)所使用的鎖相紅外熱成像自動(dòng)檢測系統(tǒng)的熱像儀為非制冷型，其工作波段為7～14 μm，使用320個(gè)LED燈珠作為熱激勵(lì)源，總功率為1 600 W，采集幀頻為30 Hz，圖像分辨率為640×512。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在鎖相頻率為0.75～1 Hz，鎖相周期個(gè)數(shù)為3時(shí)，所檢測的圖像質(zhì)量已經(jīng)能夠滿足產(chǎn)品中脫黏缺陷的判斷要求。

采用上述參數(shù)使用鎖相紅外熱成像設(shè)備對(duì)薄膜脫黏試塊進(jìn)行檢測，得到的振幅圖和相位圖分別如圖6和圖7所示。

圖6 薄膜脫黏振幅圖Fig.6 The amplitude diagram of film debonding

圖7 薄膜脫黏相位圖Fig.7 The phase diagram of film debonding

從圖6和圖7中可以發(fā)現(xiàn)，振幅圖和相位圖對(duì)缺少碳纖維網(wǎng)格和夾層缺陷都有較高的檢測靈敏度，但是對(duì)于涂脫模劑模擬脫黏缺陷，振幅圖檢測效果明顯不如相位圖。然而實(shí)際產(chǎn)品中所出現(xiàn)的脫黏缺陷類型往往和涂脫模劑模擬的脫黏缺陷類似，而不會(huì)有另外兩種缺陷，因此對(duì)于薄膜脫黏缺陷只能采用相位法對(duì)其進(jìn)行檢測。因薄膜脫黏，導(dǎo)致脫黏處的熱擴(kuò)散系數(shù)明顯區(qū)別于黏接良好處，產(chǎn)生明顯的相位變化，導(dǎo)致相位圖上的碳纖維網(wǎng)格顯示不連續(xù)。因此可以通過觀察相位圖中碳纖維網(wǎng)格是否連續(xù)來判是否存在薄膜脫黏。

4 薄膜脫黏的自動(dòng)篩選

通過上述分析可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)黏接良好時(shí)，碳纖維網(wǎng)格連續(xù)，每個(gè)網(wǎng)格孔都有明顯的邊界線。當(dāng)存在脫黏時(shí)，由于碳纖維網(wǎng)格的不連續(xù)，導(dǎo)致網(wǎng)格孔的邊界擴(kuò)大，橫跨了至少2個(gè)網(wǎng)格孔，其輪廓面積也將至少擴(kuò)大2倍。因此能夠通過圖像處理對(duì)檢測到的圖像進(jìn)行輪廓查找，并根據(jù)輪廓面積是否大于等于2倍的單個(gè)網(wǎng)格孔輪廓面積來判斷是否存在脫黏。查找的流程是先將原始圖像進(jìn)行二值化，再根據(jù)二值化結(jié)果使用opencv的輪廓查找函數(shù)查找輪廓，并將輪廓繪制在原始圖像中。圖7的二值化結(jié)果和輪廓查找結(jié)果分別如圖8和圖9所示。

圖8 圖7的二值化Fig.8 Binary of Fig.7

圖9 圖7的輪廓查找結(jié)果Fig.9 Contour search results of Fig.7

通過計(jì)算得知正常區(qū)域網(wǎng)格孔眼輪廓邊長為10像素的正方形，其面積為100像素。如果存在脫黏其輪廓像素面積最小為200像素，輪廓長度方向最小為20像素。通過這兩個(gè)條件對(duì)查找到的輪廓進(jìn)行篩選得到的結(jié)果如圖10所示，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)脫黏缺陷的篩選。

圖10 圖9的輪廓篩選結(jié)果Fig.10 Contour screening results of Fig.9

5 節(jié)點(diǎn)脫黏試塊的檢測

在碳纖維網(wǎng)格面板中，當(dāng)碳纖維網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)之間存在脫黏時(shí)，脫黏處的溫度會(huì)高于黏接良好處的溫度。通常情況下可以通過觀察檢測區(qū)域的溫度異常來判斷是否存在脫黏。而碳纖維束表面的溫度不僅受到黏接情況的影響，同樣受到碳纖維束本體的含膠量和碳纖維網(wǎng)格致密程度的影響。當(dāng)碳纖維束本體含膠量非常少時(shí)，碳纖維束本體非常亮，導(dǎo)致該節(jié)點(diǎn)處的溫度也非常高。而加密區(qū)由于其溫度的熱擴(kuò)散性比非加密區(qū)的熱擴(kuò)散性小，導(dǎo)致加密區(qū)的溫度也會(huì)相對(duì)較高，因此只是單一地通過溫度異常來判斷網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)之間是否存在脫黏容易產(chǎn)生誤判。在碳纖維束本體含膠量均勻，碳纖維網(wǎng)格致密性一致時(shí)，其鎖相紅外熱成像振幅檢測結(jié)果如圖11 所示，圖像中網(wǎng)格顯示非常清楚，且灰度值基本一致。當(dāng)碳纖維網(wǎng)格含膠量不均勻和致密性不一致時(shí)，其鎖相紅外熱成像振幅檢測結(jié)果如圖12 所示。因此在圖12中碳纖維網(wǎng)格灰度值不均勻，容易產(chǎn)生誤判。

圖11 含膠量均勻的振幅圖像Fig.11 Amplitude image with uniform glue content

圖12 含膠量和致密性不一致的振幅圖像Fig.12 Amplitude image with inconsistent glue content and density

6 節(jié)點(diǎn)脫黏的自動(dòng)篩選

通過分析發(fā)現(xiàn)真實(shí)存在脫黏的節(jié)點(diǎn)，其異常區(qū)域呈“一”字形，而受碳纖維本體含膠量少導(dǎo)致的溫度異常區(qū)域的節(jié)點(diǎn)通常呈“十”字形或“T”形，如圖13所示。因此就可以通過檢測圖像中的異常溫度所呈現(xiàn)的圖像形狀來判斷網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)之間是否存在脫黏。有了這些明確的判斷條件，就可以采用圖像形態(tài)學(xué)對(duì)圖像中的異常區(qū)域進(jìn)行自動(dòng)篩選。輪廓查找方法同上面一致，圖13 的二值化結(jié)果和輪廓查找結(jié)果分別如圖14和圖15所示。

圖13 真實(shí)脫黏缺陷形狀Fig.13 The defect shape of real debonding

圖14 圖13的二值化結(jié)果Fig.14 Binarization result of Fig.13

圖15 圖13的輪廓查找結(jié)果Fig.15 Contour search results of Fig13

之后再根據(jù)前面所述的真實(shí)缺陷特征的輪廓進(jìn)行篩選。碳纖維網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)脫黏的主要篩選的參數(shù)為輪廓長度和輪廓的長寬比，通過觀察，脫黏區(qū)域的輪廓長度一般大于15 個(gè)像素，而長寬比大于3。根據(jù)上述條件篩選后的結(jié)果如圖16 所示，實(shí)現(xiàn)了對(duì)真實(shí)脫黏缺陷的篩選。

圖16 圖13的輪廓篩選結(jié)果Fig.16 Contour screening results of Fig.13

7 影響自動(dòng)篩選準(zhǔn)確性的因素

輪廓查找的精度和準(zhǔn)確性受到圖像二值化的閾值影響，在實(shí)際檢測過程需要根據(jù)不同型號(hào)產(chǎn)品進(jìn)行調(diào)整，但是對(duì)輪廓的篩選方法一致。由于檢測廠房溫濕度恒定，針對(duì)同一類型的產(chǎn)品所得到的檢測圖像質(zhì)量和灰度基本一致。因此可以制定統(tǒng)一的檢測工藝參數(shù)和輪廓查找篩選參數(shù)。

實(shí)際檢測中，鎖相紅外熱成像每次檢測的區(qū)域比較小（400 mm×300 mm），而太陽電池陣基板的尺寸通常都比較大，每件產(chǎn)品需要對(duì)其進(jìn)行分區(qū)多次檢測，所得到的檢測圖像較多。可以采用批處理的方式對(duì)所有檢測圖像進(jìn)行篩選、標(biāo)記，必要時(shí)可以采取人工復(fù)核的方式對(duì)篩選出的圖像進(jìn)行復(fù)核，當(dāng)產(chǎn)品中缺陷較少時(shí)，所需要復(fù)核的圖像較少，大大減少了檢測人員的評(píng)片工作量，同時(shí)還可以將篩選出的缺陷進(jìn)行脫黏率、脫黏面積、脫黏數(shù)量統(tǒng)計(jì)等工作，提高了檢測效率。

8 結(jié)論

針對(duì)太陽電池陣基板，采用鎖相紅外熱成像檢測，能夠有效的發(fā)現(xiàn)薄膜脫黏缺陷以及節(jié)點(diǎn)脫黏缺陷，通過對(duì)脫黏缺陷的圖像輪廓特征進(jìn)行分析。發(fā)現(xiàn)薄膜脫黏缺陷的特征為脫黏缺陷的輪廓面積大于等于2 倍的單個(gè)網(wǎng)格孔的輪廓面積。節(jié)點(diǎn)脫黏缺陷的特征為：（1）缺陷輪廓呈現(xiàn)“一”字型；（2）缺陷輪廓長度大于15 個(gè)像素；（3）缺陷輪廓的長寬比大于3。通過這些特征可以有效地對(duì)圖像中的脫黏缺陷進(jìn)行篩選、統(tǒng)計(jì)等工作，大大減少了檢測人員的評(píng)判工作強(qiáng)度，并且提高了檢測效率。