红外热成像无损检测技术现状及发展

时间：2020-12-09 20:03:48　来源：雅意学习网本文已影响人

　　[摘要]随着红外技术的发展，近年来出现了一种新的无损检测技术——红外热成像无损检测技术（又称红外热波无损检测技术）。它是一门跨学科的技术，它的研究和应用，对提高航空航天器以及土木工程等多方面的应用具有重要意义。
　　[关键词]红外热成像；无损检测技术
　　一、红外热成像检测特点
　　（1）安全性极强。由于红外检测本身是探测自然界无处不在的红外辐射，所以它的检测过程对人员和设备材料都丝毫不会构成任何危害，而它的检测方式又是不接触被检目标，因而被检目标即使是有害于人类健康的物体，也将由于红外技术的遥控探测而避免了危险。
　　（2）被动式。不需要配置辐射源，完全利用目标自身的热辐射来成像。
　　（3）全天候。既可以在白天工作，更重要的是能在夜间工作。
　　（4）全场性。不同于一般的红外测温方法只能显示物体表面某一区域或某一点的温度值，热像仪则可以同时测量物体表面各点温度的高低，并以图像形式显示出来。通过分析不同温度区域特征，达到对目标的健康状态的检测和诊断。
　　（5）较高的温度分辨率。现代的热像仪最高的温度分辨率可以达到10-3K级。因此只要有小的温度差异，就可以被检测出来。
　　二、红外热成像无损检测技术现状
　　（一）光脉冲热成像技术
　　分为反射式和透射式两种。它是利用高能脉冲闪光灯对被检物表面进行热激励，瞬间在试件表面形成一层平面热源，并以热波的形式在其中传播。如果试件内部有缺陷（脱粘、分层等），会使该处热波的传播形式发生改变，从而引起试件表面温场的变化。同时用热像仪捕捉这个变化的过程，找到缺陷的位置和形状。此外，热图序列还包含了温场变化的时间信息，通过相应的数据处理算法，可以实现缺陷属性识别、缺陷深度定量测量等。該方法是最为经典、成熟的方法，其优点是非接触、检测速度快。但该方法也受试件表面红外发射率、试件几何形状以及加热均匀性的影响。
　　（二）超声激励红外热成像
　　超声激励红外热成像又叫做振动红外热成像，该方法是利用超声能量作为热激励源，将20～40kHz的超声波耦合进试件。如果试件中有裂纹、分层等缺陷，高频振动的超声能量将会引起缺陷界面的摩擦生热，热像仪捕捉试件表面温场的变化，从而实现缺陷的探测。该方法利用缺陷部位自身生热，受背景噪声影响小，得到的热图像对比度高，对垂直于试件表面的裂纹尤其敏感。但该技术热激励过程中，超声焊枪需要在一定压力下将超声能量耦合进试件，容易对试件造成二次损伤。然而，现阶段受制于设备功率和超声在空气中的严重衰减，激励效果还远不如传统接触式的方法。但由于其非接触、无损的特点，有很好的发展前景。
　　（三）锁相红外热成像
　　锁相红外热成像技术是主动对被检物施加周期调制的热激励（光、超声等），如被检测物内部存在缺陷，缺陷部位会产生周期性的热响应，进而影响试件表面温场分布。热像仪采集表面温场的变化，通过软、硬件提取特定锁相频率下表面热信号的幅值、相位信息。幅值表征了反射波和入射波的矢量和，相位则表征了反射波和入射波之间的相位差，由此来分析被检测物中的缺陷信息。光锁相红外热成像一次性检测面积大，所得的相位图不易受热激励不均匀性、环境反射、材料表面状况等影响。超声锁相热成像，可以用功率较小（相对于脉冲超声激励）的周期性超声激励得到较好的检测结果，一定程度上避免了对试件造成二次损伤。但是不论是光锁相还是超声锁相，检测时都需要尝试不同的锁相调制频率，频率太高热波穿透深度不够，太低得到热图像的信噪比低，且单次实验周期较长。
　　（四）脉冲红外热成像检测技术
　　脉冲红外热成像技术是一种集光、机、电为一体的非接触式无损检测方法，也是目前研究最多和最成熟的方法之一。其以高能脉冲闪光灯作为激励热源，热流在被测构件内部传导过程中，若构件内部存在缺陷或损伤，则使得物体内部热分布特性存在不连续性结构，从而导致其缺陷或损伤处的表面温度与无缺陷或损伤处有着明显不同。采用该技术进行实际检测时，需采用多项式拟合、傅里叶变换等相关信号处理技术，实现对缺陷特征的有效提取。
　　三、红外热成像无损检测技术的应用
　　（一）在航天航空领域中的应用
　　发动机涡轮叶片是飞机中能量转换的关键部件，在燃气冲击下高速旋转，不但承受变化巨大的各种应力，还受到高温氧化等作用，所以准确高效的检测涡轮叶片的缺陷，对于预防危害性故障，提高飞机运行安全有着重要意义。例如，以热风作为激励源，对正常和故障叶片分别进行相同的持续激励，然后用红外热像仪记录叶片表面的温度变化情况，由此可知，在故障叶片冷却过程中，存在热障涂层脱落的顶端区域温度较高，可以清晰准确的找出缺陷位置，为后续的维修等工作提供了依据。
　　（二）在土木工程领域的应用
　　随着红外热成像检测技术的日新月异，其在土木工程领域中的应用也有了很大发展。尤其在建筑物外墙饰面施工质量检测技术日趋成熟。当外墙饰面材料发生空鼓现象时，空鼓位置处形成很薄的空气层，而因为空气层具有较好的隔热性能，导致空鼓处的热量不能及时传给基底及墙体，因此，空鼓部分的温度会比正常区域的温度偏高。由此可知，通过采集外墙表面的温度场变化，可为判断饰面工程质量提供一种途径。

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