高 峰 金肇鵬

（中國民用航空飛行學(xué)院 四川 廣漢 618307）

1 研究意義

紅外熱波檢測技術(shù)作為一門新興的學(xué)科，因其快速直觀、可測面積大、檢測距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，在航空器鋁蒙皮加強(qiáng)筋開裂與銹蝕，機(jī)身蜂窩結(jié)構(gòu)材料、碳纖維和玻璃纖維增強(qiáng)多層復(fù)合材料缺陷的檢測、表征、損傷判別與評估領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景。該技術(shù)通過紅外熱成像技術(shù)記錄材料表面的紅外輻射，測量和記錄物體表面的溫度分布，根據(jù)這些信息獲取材料的均勻性信息和材料表面下的結(jié)構(gòu)信息，進(jìn)而對其內(nèi)部是否存在缺陷，運(yùn)行狀態(tài)是否正常作出判斷，這就是紅外熱波檢測的基本原理。2003年，主動紅外熱成像技術(shù)飛機(jī)檢測應(yīng)用研究列入國家“863”計(jì)劃；2005年，首都師范大學(xué)主動紅外熱成像無損檢測聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室在西安飛機(jī)公司測試中心安排下對國產(chǎn)運(yùn)七型民航運(yùn)輸機(jī)進(jìn)行了外場檢測試驗(yàn)，這是國內(nèi)首次將主動紅外熱成像技術(shù)用于外場真飛機(jī)檢測，表明該技術(shù)逐步走向民航飛機(jī)檢測實(shí)際應(yīng)用[1]。

熱波無損檢測采用主動式控制加熱來激發(fā)被檢物的內(nèi)部損傷和缺陷，通過快速熱圖采集和基于熱波理論的圖像處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)損傷探測。由于采用主動加熱技術(shù)，從理論上講，只要能夠使被檢對象中的各種缺陷或損傷與基體材料的溫度差值達(dá)到了熱成像儀的捕捉范圍(熱靈敏度)，就能發(fā)現(xiàn)該缺陷或損傷[2]。有效的、可控的熱激勵方式是主動紅外檢測成功的關(guān)鍵因素之一。

2 主動式熱激勵方法

主動式熱激勵(加熱)能使被檢測材料由于內(nèi)部缺陷在表面產(chǎn)生不同的溫度場分布,再通過熱像儀成像,從而可以比較直觀地看清內(nèi)部缺陷。同時經(jīng)過后期的缺陷識別,可對缺陷進(jìn)行定量研究。因此,熱激勵方法的選擇直接影響最終檢測結(jié)果的可靠性。在主動式熱激勵中由于被測物體的材質(zhì)密度、熱傳導(dǎo)率、比熱等物理參數(shù)不同因而其熱傳遞和擴(kuò)散方式也不同[3]。采用外部加熱方法應(yīng)滿足兩個基本條件：（1）通過加熱能使被檢測件內(nèi)部材質(zhì)差異所導(dǎo)致熱傳遞過程中在表面產(chǎn)生的溫差變化超過熱像儀的熱靈敏度；（2）表面溫差的持續(xù)時間應(yīng)大于熱像儀的相應(yīng)輸出時間。

主動紅外加熱方法主要有熱風(fēng)法、紅外輻射燈照射法、脈沖閃光法、超聲激勵法、微波加熱法等。影響加熱的因素有（1）加熱能量：加熱能量越大，被檢測得材料與外部環(huán)境相對溫差越大，檢測靈敏度越高；（2）加熱時間：加熱時間太短，由于溫度滯后，不能及時反映到輸出上；加熱時間太長，表面溫度過高，不利于產(chǎn)生溫差，導(dǎo)致漏檢；（3）加熱可控性：主動加熱源最好具有較好的可控性，以適應(yīng)不同檢測對象的加熱需求；（4）環(huán)境條件和儀器操作：在外場要考慮周圍環(huán)境溫度及自然光線對檢測的影響，設(shè)備應(yīng)該具備體積小、重量輕、可移動等特點(diǎn)。

3 熱激勵方法的選擇

根據(jù)上述要求并考慮飛機(jī)外場檢測實(shí)際條件，對飛機(jī)復(fù)合材料宜采用以光熱輻射致熱機(jī)理為主的熱激勵方法。其中脈沖閃光和連續(xù)輻射熱激勵兩種方法易于實(shí)現(xiàn)、成本較低且可控性好[4]。前者是利用脈沖氮燈或其它高能氣體放電燈進(jìn)行高能放電時所發(fā)出的強(qiáng)光輻射，對材料進(jìn)行瞬時熱激勵，可用于較薄的復(fù)合材料層合板、壁板和蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)等。后者是利用鹵素?zé)?、高壓鈉燈等連續(xù)工作時所發(fā)出的熱輻射對材料進(jìn)行熱激勵，該法可利用其激勵能量大和持續(xù)時間長的優(yōu)點(diǎn)，作為前者的一種補(bǔ)充，解決較厚復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的熱激勵。

單點(diǎn)脈沖加熱方式采用的是高能的氙燈或氖燈對物體進(jìn)行短時間的照射，又稱為閃光加熱。通過高能脈沖熱源的加熱，被檢測體表面溫度差與脈沖熱源施加的脈沖能量密度成正比關(guān)系，因此在檢測中適當(dāng)?shù)奶岣呙}沖加熱源的峰值功率，在一定程度上能提高系統(tǒng)的探傷能力。脈沖閃光加熱，輸出能量為6000J，閃光時間為2ms；或1500J，脈沖寬度0.6ms，觸發(fā)電壓15kv，工作電壓大于1kV，峰值熱功率為106W。連續(xù)脈沖加熱方式一般采用鹵素?zé)暨M(jìn)行加熱操作，要求輸出總功率為1200W，加熱時間為5s。

通過比較可以發(fā)現(xiàn)在時間要求不高的場合，單點(diǎn)脈沖加熱對紅外成像儀的靈敏度有較高的要求，并且加熱并不充分，對表面下較為深得部分探測能力較弱。因此本實(shí)驗(yàn)選用連續(xù)脈沖加熱的方式來進(jìn)行，加熱溫度在被測材料上的有效時間相對較長，成像效果也較好。

4 試制方案

本實(shí)驗(yàn)通過時間繼電器控制多個鹵素?zé)魧Ρ粶y器件進(jìn)行加熱，最后選擇了4*4的鹵素?zé)絷嚵蟹植迹侠戆才披u素?zé)糸g距，盡可能形成與脈沖加熱的材料表面平行的平面熱源，并且在被檢測物體表面形成均勻的溫度場，滿足熱波瞬間激勵薄層被檢物體熱均勻特性。熱激勵均勻性是指施加于被檢測面的能量均勻或者通過熱激勵在被檢測面激發(fā)出均勻分布的能量(熱量)，且盡可能使熱量(熱波)只沿著被測材料厚度方向傳播。

圖1 鹵素?zé)舨季衷O(shè)計(jì)

在實(shí)驗(yàn)中，把這些鹵素?zé)糇鳛檎w陣列熱激勵源可對大面積試件物體加熱，盡量保證照射區(qū)域勻光、防擴(kuò)散?？偰芰靠筛鶕?jù)實(shí)際條件調(diào)節(jié)用時間繼電器控制16個100W的鹵素?zé)簦◣舯u素?zé)舨捎?20V/100W的型號，省去了變壓環(huán)節(jié)。時間繼電器工作在220V電壓的環(huán)境下，容量是5A，可以滿足實(shí)驗(yàn)要求。

圖2 紅外熱激勵源實(shí)物平面圖

通過對熱源進(jìn)行現(xiàn)場測試，所制作的主動熱激勵源工作在連續(xù)輻射脈沖加熱時輸出峰值熱功率可達(dá)1200W，時間繼電器設(shè)置連續(xù)加熱時間為5s，能夠很快對復(fù)合材料飛機(jī)構(gòu)件進(jìn)行加熱。

5 結(jié)語

主動熱激勵方法的研究和選擇在紅外熱成像檢測中是重要環(huán)節(jié)，在保證熱激勵有效的前提下，還應(yīng)考慮熱激勵方案實(shí)施的便捷性、外場實(shí)際測試條件和光源材料的易損耗性。熱激勵硬件的設(shè)計(jì)開發(fā)中要綜合考慮到產(chǎn)生有效溫差和熱激勵均勻性的要求，從而紅外熱波檢測圖像采集的順利實(shí)施。

［1］B Liu.The study and application of pulsed excitation-de-vice with flashing lamps array based on infrared thermal wave nondestructive testing system[D].Beijing:Capital Normal University，2006:8－9.(in Chinese).

［2］魏敦軍.軍用飛機(jī)紅外熱波無損檢測[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2007.

［3］楊小林,杜來林,馮立春.紅外熱成像檢測中的主動加熱方法研究[J].激光與紅外,2007,37(11):1188-1191.

［4］楊小林,呂伯平,先明樂.飛機(jī)復(fù)合材料紅外檢測中的熱激勵方法[J].無損檢測,2008,30(6):369-371.