謝 靜， 徐長航， 周乃望， 陳國明

(中國石油大學(華東)機電工程學院，山東 青島266580)

0 引 言

作為一種非接觸、非破壞及直觀的檢測技術(shù)，紅外熱成像技術(shù)具有非接觸測試、檢測效率高、操作簡單、檢測結(jié)果直觀等優(yōu)點，近年來在石油石化、航天航空、機械、電力等領(lǐng)域的產(chǎn)品質(zhì)量保障和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中得到廣泛應(yīng)用［1］。為了促進課程教學內(nèi)容更好地適應(yīng)現(xiàn)代無損檢測技術(shù)的飛速發(fā)展，近年來“安全監(jiān)測與監(jiān)控”課程將如何在教學過程中融入最新研究進展作為教學內(nèi)容和教學方式改革工作的重點內(nèi)容之一。作為課程教學內(nèi)容的組成部分，基于紅外熱成像原理的結(jié)構(gòu)無損檢測檢測技術(shù)教學模塊計劃將近年來本領(lǐng)域的最新研究成果之一——脈沖渦流熱激勵下的紅外熱像檢測技術(shù)(以下簡稱脈沖渦流紅外熱像檢測技術(shù))納入教學體系。

為了更好地實現(xiàn)課程中關(guān)于紅外熱成像檢測技術(shù)的教學改革要求，本文結(jié)合“理論與實踐并重”這一課程教學改革目標，設(shè)計并實現(xiàn)了基于脈沖渦流紅外熱像檢測技術(shù)的結(jié)構(gòu)缺陷無損檢測實驗系統(tǒng)和實驗教學內(nèi)容，從實踐教學角度為學生深刻理解這一技術(shù)的原理并真正掌握相應(yīng)檢測技術(shù)提供了必要的教學條件。

1 實驗原理

1.1 紅外熱成像技術(shù)的無損檢測原理

任何溫度大于絕對零度的物體均會向外輻射載有物體特征信息的紅外線，而且輻射強度隨溫度不同而不同。利用這一特性，通過光電紅外探測器能夠?qū)⑽矬w熱輻射的功率信號轉(zhuǎn)換成電信號，并應(yīng)用成像裝置形成與物體表面溫度空間分布相對應(yīng)的熱圖像視頻信號，亦即紅外熱圖序列［1］。

應(yīng)用紅外熱成像技術(shù)進行結(jié)構(gòu)無損檢測主要原理是，物體表面或者內(nèi)部缺陷的存在必然會導致不同熱傳導特性，如果此時對物體實施主動或被動方式的熱激勵，就會在物體表面形成所謂的熱區(qū)和冷區(qū)并呈現(xiàn)出隨時間變化的規(guī)律。這種溫度在時間和空間上的變化現(xiàn)象能夠為紅外熱像儀所采集，從而形成紅外熱圖像序列，借助肉眼觀察或者圖像處理技術(shù)，將含缺陷和不含缺陷的紅外熱圖進行比對分析，最終可以達到無損檢測的目的［2］。

1.2 脈沖渦流熱激勵與紅外熱成像檢測

紅外熱成像技術(shù)的應(yīng)用效果與熱激勵方式直接相關(guān)［3-4］。傳統(tǒng)的人工熱激勵方式包括電吹風加熱、閃光燈瞬時加熱等方式，往往具有受環(huán)境影響大、加熱速度較慢或不容易控制等缺點。脈沖渦流加熱技術(shù)利用電磁感應(yīng)原理可以使導體在短時間內(nèi)實現(xiàn)溫升現(xiàn)象，并能夠通過調(diào)整激勵電流頻率、幅值等手段，實現(xiàn)熱激勵效果的可控性(見圖1)。因此將脈沖渦流作為熱激勵方式，從而在金屬材料內(nèi)部快速形成溫度梯度場，有助于拍攝出能夠充分突出缺陷特征的高質(zhì)量紅外熱圖，為最終實現(xiàn)基于熱信息的缺陷識別與缺陷信息重建奠定良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。目前脈沖渦流紅外熱像檢測技術(shù)已經(jīng)在飛機、電氣設(shè)備以及復合材料等領(lǐng)域得到國內(nèi)外研究學者的廣泛關(guān)注［5-10］。

由于紅外熱成像技術(shù)最終獲得的是物體表面的溫度場信息，因此該技術(shù)對于物體表面的缺陷具有良好的檢測適用性。被測對象本身所包含的熱信息需要通過熱傳導的方式傳遞至物體表面最終為熱像儀采集形成紅外熱圖，然后通過目視觀察、圖像處理以及熱力學理論分析等手段能夠?qū)θ毕莸奈恢?、程度進行不同層次的分析［11］。本文實驗主要面向含表面缺陷的導電材料進行設(shè)計。

圖1 電磁感應(yīng)熱激勵條件下物體缺陷的紅外熱成像檢測原理

2 實驗設(shè)計

2.1 實驗方案總體設(shè)計

通過借鑒文獻［12-15］中其他相關(guān)教學實驗及無損檢測實驗的設(shè)計經(jīng)驗，根據(jù)紅外熱成像的原理及無損檢測的特點，本文在進行結(jié)構(gòu)無損檢測實驗設(shè)計時主要考慮:實驗對象、缺陷類型和熱激勵方式。實驗方案中對實驗對象的設(shè)計主要從材料類型方面綜合考慮，如實驗用試件的材料主要包括鐵磁性金屬材料、非鐵磁性金屬材料和復合材料，而且在不同試件通過人工預制的方式，加工形成通孔、盲孔、裂紋、壁厚減薄以及復合材料的沖擊損傷等多種工程中最為常見的缺陷類型，能夠有效保證實驗的效果。

由紅外熱成像原理可知，熱激勵方式對于紅外熱成像技術(shù)的檢測效率和效果具有至關(guān)重要的影響，因此熱激勵方式的選擇和相關(guān)參數(shù)設(shè)置也是本實驗方案設(shè)計的重要內(nèi)容。本實驗重點設(shè)計基于脈沖渦流熱激勵方式下的紅外熱像檢測實驗。為了進一步突出脈沖渦流熱激勵方式的優(yōu)點，實驗中同樣引入連續(xù)彌散性熱激勵方式(由可調(diào)功率電吹風實現(xiàn))作為對比。

2.2 實驗步驟設(shè)計

通過將上述實驗對象和熱激勵方式的設(shè)計結(jié)果進行組合，最終形成6 種實驗工況:彌散性熱激勵+金屬試件、彌散性熱激勵+非金屬試件、彌散性熱激勵+碳纖維試件;脈沖渦流熱激勵+金屬試件、脈沖渦流熱激勵+非金屬試件、脈沖渦流熱激勵+碳纖維試件。每組實驗需要4 人合作完成，實驗時間需要2 學時。

實驗操作步驟如下:①選擇一個試件并固定，記錄試件及缺陷的幾何與位置特征信息。②調(diào)節(jié)試件與攝像儀鏡頭之間的相對高度和距離，以待檢測區(qū)域占熱像儀成像區(qū)域3/4 面積為宜。③連接好電腦與紅外熱相儀，打開熱像儀開關(guān)，調(diào)節(jié)好焦距，固定熱像儀。④選擇一種熱激勵方式(電吹風、脈沖渦流等)，并預設(shè)熱激勵參數(shù)。⑤以未進行熱激勵狀態(tài)下的試件為對象，開始熱視頻拍攝約5 s，然后開啟熱激勵儀器，拍攝試件在熱激勵條件下全部溫升、溫度保持以及降溫全周期紅外視頻。⑥將采集到的視頻保存下來，并命名編號，寫入記錄表中。⑦調(diào)整熱激勵參數(shù)，重復步驟⑤、⑥。⑧更換熱激勵方式，重新步驟④～⑦。⑨更換實驗試件，重新步驟①～⑧。⑩實驗完畢后，退出系統(tǒng)，關(guān)電源，并整理好儀器及附件。實驗過程中需要注意，在實驗前需要對試件進行熱平衡以消除前一組實驗過程對試件造成的熱不均勻性，以免對實驗效果產(chǎn)生不利影響。

3 實驗裝置

3.1 實驗裝置總體構(gòu)成

基于本文的實驗設(shè)計方案，構(gòu)建了以含損傷結(jié)構(gòu)為對象的脈沖渦流紅外熱像實驗系統(tǒng)，如圖2 所示。該實驗裝置主要由紅外熱像儀、計算機、試件、脈沖渦流熱激勵設(shè)備三部分組成。在進行熱激勵方式對比實驗時，直接將脈沖渦流熱激勵設(shè)備更換為其他激勵設(shè)備即可。

圖2 實驗系統(tǒng)

3.2 實驗儀器

實驗中使用廣州颯特公司生產(chǎn)的HY6850 非制冷焦平面紅外熱像儀(見圖2)，該儀器能夠?qū)崿F(xiàn)－10 ～800℃范圍內(nèi)的高精度紅外視頻拍攝，主要特點如下:獲取數(shù)據(jù)的最大幀速為25 幀/s，溫度分辨率為0.08℃，空間分辨率可達1.3 mrad，可以與計算機連接實現(xiàn)各種基本操作。本實驗將熱像儀與電腦連接，利用熱像儀自帶軟件在計算機屏幕顯示熱像儀的視野，可以減少眼睛勞累，便于實現(xiàn)初步操作與數(shù)據(jù)存取。而熱激勵設(shè)備主要應(yīng)用圖中所示美國Ambrell 公司的EasyHeat 電磁感應(yīng)加熱系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對導電物體的非接觸、可重復式快速加熱。此外，為了方便進行實驗結(jié)果對比，加熱設(shè)備還包括電吹風等熱激勵設(shè)備。

3.3 實驗用試件

實驗中測試試件主要包括鐵磁性金屬材料、非鐵磁性金屬材料和碳纖維復合材料三類，圖3 ～5 給出了部分試件的實物圖片。其中鐵磁性材料試件主要是碳鋼材料的平板試件(見圖3)，試件上預制了通孔、盲孔和裂紋三類缺陷;非鐵磁性材料主要是銅質(zhì)圓管(見圖4)，試件上預制了不同直徑的通孔和盲孔。碳纖維材料試件上的缺陷類型為沖擊損傷(見圖5)。

圖3 鐵磁性金屬平板試件(含通孔、裂紋和盲孔缺陷)

圖4 非鐵磁性金屬圓管試件(含通孔和盲孔缺陷)

圖5 碳纖維復合材料試件

4 實驗教學效果分析

4.1 實驗結(jié)果及要求

每組學生完成全部實驗后得到一定時間范圍內(nèi)的紅外熱圖序列(紅外視頻)作為實驗結(jié)果，該結(jié)果主要包括圖像和溫度兩方面內(nèi)容，均可以作為判斷損傷是否存在和具體部位的依據(jù)。學生需要對全部實驗結(jié)果進行如下分析工作:①針對任一實驗試件，不同熱激勵方式下的紅外熱像最佳檢測結(jié)果對比(分別從圖像和溫度角度進行);②針對任一實驗試件，分析得到不同熱激勵方式的最佳檢測參數(shù)設(shè)置(分別從圖像和溫度角度進行);③針對脈沖渦流紅外熱像檢測技術(shù)，結(jié)合電磁感應(yīng)機理，深入分析鐵磁性材料、非鐵磁性材料和碳纖維復合材料的檢測參數(shù)差異;④從紅外熱圖的質(zhì)量角度入手，分析紅外熱成像檢測技術(shù)檢測質(zhì)量的影響因素以及圖像噪聲的來源。

4.2 實驗結(jié)果及分析

因篇幅所限，圖6 僅給出脈沖渦流熱激勵條件下紅外熱像檢測的部分實驗結(jié)果。通過對實驗過程及實驗結(jié)果的分析可以發(fā)現(xiàn):

(1)在脈沖渦流熱激勵條件下，試件上的多個不同類型的缺陷能夠?qū)崿F(xiàn)同時檢測，而且檢測結(jié)果在圖像清晰度方面遠優(yōu)于傳統(tǒng)彌散性熱激勵方式，因此能夠?qū)崿F(xiàn)不同熱激勵方式下紅外熱像檢測效果對比的實驗?zāi)康摹?/p>

(2)應(yīng)用脈沖渦流作為熱激勵方式時，加熱時間只需毫秒級別即可獲得良好的檢測效果(如鋼板只需20 ms 左右)，遠小于其他傳統(tǒng)熱激勵方式，因此可以通過實驗證明脈沖渦流熱激勵方式下紅外熱像技術(shù)在檢測效率方面的優(yōu)勢。

圖6 部分實驗結(jié)果

(3)激勵電流流動方向和電流大小對于缺陷檢測效果有較大影響，通過參數(shù)的優(yōu)化組合能夠有效提高檢測效果和檢測效率。特別是纖維增強復合材料的導電性在不同方向具有較大差異，更是對激勵電流的方向和大小參數(shù)極為敏感。因此通過本實驗，能夠幫助學生理解脈沖渦流熱激勵方式通過電磁感應(yīng)原理實現(xiàn)試件溫度變化的機制，同時為學生探尋最優(yōu)檢測參數(shù)提供了實驗條件。

(4)鐵磁性材料和非鐵磁材料的最優(yōu)檢測參數(shù)有很大差別，主要體現(xiàn)在熱激勵持續(xù)時間和激勵電流的選擇。由于復合材料導電性在不同方向上有很大差異，因此檢測結(jié)果包含大量復合材料編織紋路的圖像成分，因此復合材料的最優(yōu)檢測參數(shù)與其他兩種材料相比有著更大不同。因此，實驗為培養(yǎng)學生掌握針對不同類型材料進行紅外熱像無損檢測的能力提供了良好的鍛煉機會。

(5)學生還可以通過實驗獲得的紅外熱圖，在溫度信息、圖像處理等方面開展進一步深入的分析，從而為進一步開展脈沖渦流紅外熱像技術(shù)的數(shù)值模擬、基于圖像處理技術(shù)的缺陷自動識別和定位等方面，進行相關(guān)領(lǐng)域的科學研究工作。

5 結(jié) 語

本文以脈沖渦流熱激勵條件下紅外熱像技術(shù)為對象，設(shè)計并實現(xiàn)了面向結(jié)構(gòu)表面缺陷的無損檢測實驗。實驗設(shè)計過程中充分考慮缺陷類型、檢測對象等多種因素的影響，并將脈沖渦流與其他熱激勵方式進行對比。教學實踐結(jié)果表明，本實驗系統(tǒng)不僅能夠幫助學生深入理解脈沖渦流熱激勵下紅外熱像無損檢測的機理，同時還可以培養(yǎng)學生在實驗過程中通過自主探索掌握不同材料試件的最優(yōu)檢測參數(shù)設(shè)置方法，從而促進他們真正掌握脈沖渦流紅外熱成像這一先進的無損檢測技術(shù)。因此，本實驗方案的設(shè)計與相應(yīng)實驗裝置的實現(xiàn)，從實踐教學手段角度實現(xiàn)了國內(nèi)外最新研究成果與“安全監(jiān)測與監(jiān)控”課程相關(guān)教學內(nèi)容的有機融合，從而為我校安全科學與工程學科高素質(zhì)研究生培養(yǎng)支撐平臺建設(shè)提供了有益的參考。

［1］ 李曉剛，付冬梅. 紅外熱像檢測與診斷技術(shù)［M］. 北京:中國電力出版社，2006.

［2］ 謝 靜，楊曉燕，徐長航，等. 基于形態(tài)學方法的工件表面缺陷紅外熱像檢測技術(shù)［J］. 中國石油大學學報(自然科學版)，2012，36(3):146-150.

［3］ 呂中產(chǎn)，田裕鵬，周克印. 紅外無損檢測中熱激勵研究［J］. 無損探傷，2005，29(6):44-45.

［4］ 薛書文，洪偉銘. 脈沖加熱紅外熱成像無損檢測技術(shù)回顧［J］.湛江師范學院學報，2004，25(6):22-25.

［5］ Krishnapillai M，Jones R，Marshall I H，et al. Thermography as a tool for damage assessment［J］. Composite Strucutres，2005，67:149-155.

［6］ John Wilson，Guiyun Tian，IlhamMukriz，et al. PEC thermography for imaging multiple cracks from rolling contact fatigue［J］. NDT＆E International，2011，44(6):505-512.

［7］ Junling Fan，Xinglin Guo，Chengwei Wu. A new application of the infrared thermography for fatigue evaluation and damage assessment［J］. International Jounal of Fatigue，2012，44:1-7.

［8］ Liu Junyan，Liu Liqiang，Wang Yang. Experimental study on active infrared thermography as a NDI tool for carbon–carbon composites［J］. Composites Part B:Engineering，2013，45(1):138-147.

［9］ 曹海洋，張玉成，朱啟偉，等. 基于紅外熱成像技術(shù)的變壓器熱故障在線檢測與診斷［J］.實驗室研究與探索，2012，31(2):30-32.

［10］ Tsopelas N， Siakavellas N J. Experimental evaluation of electromagnetic-thermal non-destructive inspection by eddy current thermography in square aluminum plates［J］. NDT＆E International，2011，44(7):609-620.

［11］ 李俊山，楊 威，張雄美. 紅外圖像處理分析與融合［M］. 北京:科學出版社，2009.

［12］ 王 沖，劉 均. 復合材料力學性能分析實驗的設(shè)計［J］. 實驗技術(shù)與管理，2007，24(10):247-249.

［13］ 狄長安. 檢測技術(shù)綜合實驗的教學探索［J］. 實驗技術(shù)與管理，2005，22(12):107-108

［14］ 楊 磊，楊 明，付桑迪，等. 電阻噪聲實驗教學系統(tǒng)設(shè)計與實驗［J］. 實驗室研究與探索，2014，33(1):89-93.

［15］ 婁 久，李秀坤，王春雨.超聲相控陣無損檢測自動成像系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用［J］.實驗室研究與探索，2012，31(4):34-36.

［16］ 劉 燦，肖迪紅. 激光技術(shù)應(yīng)用于材料表面缺陷自動測量的研究［J］.實驗室研究與探索，2003，22(6):64-65.