摘要：紅外熱成像無(wú)損檢測(cè)技術(shù)作為潛力巨大的無(wú)損檢測(cè)與評(píng)估技術(shù)正受到廣泛關(guān)注。通過對(duì)渦流熱成像、光學(xué)熱成像和超聲熱成像3種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的比較研究，探討它們的理論基礎(chǔ)、檢測(cè)系統(tǒng)、應(yīng)用領(lǐng)域、數(shù)據(jù)獲取與處理、檢測(cè)效率與精準(zhǔn)度等，并對(duì)渦流熱成像無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在缺陷檢測(cè)與評(píng)估研究中的熱點(diǎn)和應(yīng)用前景進(jìn)行分析展望。

關(guān)鍵詞：紅外熱成像技術(shù)；光學(xué)熱成像技術(shù)；超聲熱成像技術(shù)；渦流熱成像技術(shù)

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-5124（2015）02-0005-06

引 言

紅外熱成像技術(shù)是通過紅外熱像儀獲取被檢零部件表面熱像圖，并對(duì)熱像圖進(jìn)行定性與定量分析，從而確定缺陷類型、大小、深度等特征的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。該技術(shù)的發(fā)展可追溯到20世紀(jì)60年代初期，近年來(lái)隨著紅外熱像儀在檢測(cè)靈敏度和空間分辨率上的提升，以及計(jì)算機(jī)在控制、圖像顯示和數(shù)據(jù)處理等方面的進(jìn)步，紅外熱成像技術(shù)發(fā)展迅速，在零部件缺陷診斷和監(jiān)測(cè)上潛力巨大。

根據(jù)是否需要外部激勵(lì)源，紅外熱成像技術(shù)可分為被動(dòng)式熱成像技術(shù)和主動(dòng)式熱成像技術(shù)。被動(dòng)式熱成像技術(shù)是熱像儀接收物本身的紅外輻射并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)最終獲得熱像圖的熱成像技術(shù)；主動(dòng)式熱成像技術(shù)是通過加載外部激勵(lì)的方式使被檢零件表面溫度發(fā)生變化，由熱像儀記錄時(shí)序熱圖像并從中提取缺陷特征的熱成像技術(shù)，外部激勵(lì)源常用的有閃光燈、超聲波、激光、電流、機(jī)械震動(dòng)等。在被動(dòng)熱成像技術(shù)應(yīng)用中，被檢零件表面溫度變化來(lái)源于表面自然發(fā)熱狀況，缺陷區(qū)域與非缺陷區(qū)域溫差并不明顯；而主動(dòng)式熱成像技術(shù)因其可控?zé)嵩春投喾N有效數(shù)據(jù)處理技術(shù)，應(yīng)用更為廣泛。根據(jù)激勵(lì)方式的不同，主動(dòng)式紅外熱成像無(wú)損檢測(cè)技術(shù)可大致分為4類：光學(xué)熱成像技術(shù)、機(jī)械波熱成像技術(shù)、感應(yīng)熱成像技術(shù)和微波熱成像技術(shù)，如圖1所示。圖中LT，PT，ECT，PECT，ULT和UBT分別為鎖相熱成像、脈沖熱成像、渦流熱成像、脈沖渦流熱成像、超聲鎖相熱成像和脈沖鎖相熱成像。在實(shí)際檢測(cè)中，應(yīng)選擇合適的方式對(duì)不同材料中的不同缺陷進(jìn)行檢測(cè)。本文對(duì)光學(xué)熱成像技術(shù)（OT）、超聲熱成像技術(shù)（UT）和渦流熱成像技術(shù)（ECT）的理論基礎(chǔ)和相關(guān)應(yīng)用進(jìn)行了比較分析，并在此基礎(chǔ)上討論了渦流熱成像技術(shù)的深入動(dòng)向和潛在研究方向。

1.理論基礎(chǔ)

I.I 激勵(lì)方式

在熱成像無(wú)損檢測(cè)技術(shù)中，不同的激勵(lì)方式?jīng)Q定了不同實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)采集方式。

在光學(xué)熱成像技術(shù)中，被檢零件受到光學(xué)熱源（如閃光燈和鹵素?zé)簦┑募?lì)，零件表面被加熱，產(chǎn)生的熱波向零件內(nèi)部傳遞，若試件中存在缺陷則熱波傳遞受阻，最終導(dǎo)致零件表面溫度分布不均，這種溫度變化由紅外熱像儀所記錄，得到時(shí)序熱像圖，提取并分析熱像圖中信息從而獲得缺陷的特征信息。實(shí)驗(yàn)設(shè)置與實(shí)驗(yàn)原理如圖2所示。根據(jù)激勵(lì)信號(hào)的不同，分為脈沖熱成像和鎖相熱成像兩種方法。

超聲熱成像技術(shù)是一項(xiàng)新的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。與光學(xué)熱成像技術(shù)不同，它利用特定的超聲波作用在不同材料或結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，超聲波在缺陷處因熱彈效應(yīng)和滯后效應(yīng)導(dǎo)致聲能衰減而釋放熱量，機(jī)械能轉(zhuǎn)換為熱能并傳遞至零件表面，引起零件表面局部發(fā)熱并由紅外熱像儀所記錄，缺陷本身可視為熱源進(jìn)行熱波傳遞。超聲熱成像的實(shí)驗(yàn)設(shè)置及檢測(cè)原理如圖3所示，其中超聲換能器產(chǎn)生超聲波，并通過耦合劑傳播。在實(shí)驗(yàn)過程中試件與換能器需緊密固定。

相比于前兩種熱成像技術(shù)，渦流熱成像技術(shù)基于電磁學(xué)中的渦流現(xiàn)象和焦耳熱特性，在被檢零件外對(duì)線圈施加高頻交變電流，由于電磁感應(yīng)效應(yīng)，感應(yīng)線圈附近的被檢零件表面產(chǎn)生感生渦流；若試件表面存在缺陷，則將引起缺陷附近感生渦流場(chǎng)分布不均，因局部焦耳熱現(xiàn)象導(dǎo)致缺陷附近溫度分布不均，通過紅外熱像儀記錄這種溫度變化的時(shí)序圖像，并對(duì)圖像進(jìn)行分析處理來(lái)獲得零件缺陷信息。渦流熱成像技術(shù)具有高空間分辨率、高靈敏度的特點(diǎn)，適用于零件表面和近表面缺陷的檢測(cè)，近來(lái)備受關(guān)注。

根據(jù)渦流熱成像技術(shù)原理，其檢測(cè)過程分為電磁感應(yīng)階段、產(chǎn)生焦耳熱階段和熱傳導(dǎo)階段3個(gè)階段。在電磁感應(yīng)階段，感生渦流在均勻試件表面的滲透深度為式中：μ——磁導(dǎo)率；

σ——電導(dǎo)率，電導(dǎo)率隨溫度變化而變化，σ=

是初始溫度為To時(shí)的電導(dǎo)

率，α是相對(duì)溫度系數(shù)；

f——激勵(lì)頻率。

根據(jù)Maxwell方程，被檢零件內(nèi)渦流分布控制方程為式中：A——磁矢量勢(shì)；

J——外部電流密度。

根據(jù)Joule定律，感生渦流產(chǎn)生的發(fā)熱功率為式中：Q——渦流引起的焦耳熱量；

E——電場(chǎng)強(qiáng)度。

在不考慮熱輻射和熱對(duì)流的情況下，根據(jù)能量守恒定律，由焦耳熱引起的熱傳導(dǎo)方程為其中p、Cp、k分別為材料密度、比熱和熱傳導(dǎo)系數(shù)。

渦流熱成像無(wú)損檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)組成及缺陷附近渦流分布示意如圖4c8]所示。試件中缺陷附近某點(diǎn)處溫度變化如圖5[8]所示，在溫升階段，溫度變化受渦流加熱和熱擴(kuò)散的共同影響；在冷卻階段，溫度變化主要是由試件中的熱擴(kuò)散引起。通過對(duì)兩個(gè)階段的溫度變化進(jìn)行綜合分析可以提取到有效缺陷信息。

1.2 可檢性比較分析

在實(shí)際檢測(cè)中，可檢性是選擇檢測(cè)方法時(shí)須考慮的因素。選擇合適的檢測(cè)方法可以提高檢測(cè)效率和準(zhǔn)確度。

光學(xué)熱成像技術(shù)廣泛應(yīng)用于金屬材料的表面缺陷和復(fù)合材料中的脫層、夾雜物等的檢測(cè)。鎖相光學(xué)熱成像中缺陷可檢性主要依賴于熱波滲透深度（與材料熱擴(kuò)散系數(shù)和激勵(lì)頻率相關(guān)）；低頻激勵(lì)熱波在熱擴(kuò)散系數(shù)較大的材料中傳播更深，應(yīng)用此方法通?？蓹z測(cè)試件較淺位置的缺陷。在脈沖光學(xué)熱成像方法中，脈沖可分解為不同頻率的周期波，脈沖越短則頻率范圍越廣，而由此產(chǎn)生的熱擴(kuò)散過程較鎖相熱成像方法更復(fù)雜；且實(shí)驗(yàn)結(jié)果易受非均勻加熱、發(fā)射率變化、環(huán)境反射和試件表面形狀影響，因此需采用合適的數(shù)據(jù)處理方法提取有效信息。

超聲熱成像技術(shù)主要用于金屬、陶瓷材料中裂紋缺陷和復(fù)合材料中分層、脫粘的檢測(cè)；檢測(cè)結(jié)果受許多因素的影響，包括被檢測(cè)材料類型、檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、檢測(cè)環(huán)境、振動(dòng)模式、激勵(lì)源位置、耦合劑、激勵(lì)頻率、接觸壓力等。測(cè)試過程中每一步都需謹(jǐn)慎處理以獲得好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。該方法適合于檢測(cè)試件中較深的微裂紋，目前主要用于缺陷的定性檢測(cè)而非定量分析。

在渦流熱成像技術(shù)中，被檢零件需具有一定的導(dǎo)電性?？蓹z測(cè)缺陷深度由渦流滲透深度和熱傳導(dǎo)深度共同決定，而這兩個(gè)深度又取決于材料的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、熱擴(kuò)散系數(shù)和測(cè)量時(shí)長(zhǎng)。該方法主要適用于規(guī)則試件表面和亞表面缺陷的檢測(cè)。缺陷的可檢性由試件的材料屬性、幾何形態(tài)以及缺陷的位置、類型和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)共同決定。

渦流熱成像方法比光學(xué)熱成像方法受被檢測(cè)零件表面狀況的影響小，功耗更低，且無(wú)需超聲熱成像實(shí)驗(yàn)中所需的耦合劑。在渦流熱成像檢測(cè)中，感應(yīng)線圈溫度變化很小，則對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的干擾很??；并且試件表面溫度變化也較小，不會(huì)對(duì)被檢材料造成損壞，渦流的直接作用可提高近表面缺陷的可檢性。

1.3 數(shù)據(jù)處理

熱成像無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的關(guān)鍵在于對(duì)所獲得熱像圖序列進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚砗头治?，包括預(yù)處理和后處理，常用的數(shù)學(xué)處理方法有溫度對(duì)比、時(shí)間導(dǎo)數(shù)、信號(hào)變換和矩陣分解4種。

溫度對(duì)比是利用試件中缺陷區(qū)域和非缺陷區(qū)域的溫差來(lái)判別缺陷。對(duì)比方式包括絕對(duì)對(duì)比、遞進(jìn)對(duì)比、歸一化對(duì)比、標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比、差分絕對(duì)對(duì)比和改進(jìn)差分絕對(duì)對(duì)比等。前4種方法都需要缺陷區(qū)域和參考區(qū)域的熱像圖序列，其處理結(jié)果易受到不同參考區(qū)域選取的影響。在差分絕對(duì)對(duì)比方法中，參考區(qū)域的溫度變化可通過計(jì)算得出，可有效減少非均勻加熱和試件表面形狀的影響。差分絕對(duì)對(duì)比方法局限于對(duì)較淺缺陷的描述，因?yàn)槠淅碚摶A(chǔ)是一維傅里葉熱傳導(dǎo)方程，僅在熱傳導(dǎo)開始階段可近似看作是一維熱傳導(dǎo)，隨著時(shí)間的增加，熱波在試件中沿各個(gè)方向擴(kuò)散，則該方法不再適用。改進(jìn)的差分絕對(duì)對(duì)比方法，利用拉普拉斯逆變換提取熱傳導(dǎo)后期階段的有效信息。

時(shí)間導(dǎo)數(shù)方法通過求解溫升變化對(duì)時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)進(jìn)行缺陷的定量分析；通過提取關(guān)鍵點(diǎn)的溫升變化及比較其時(shí)間延遲可獲得缺陷特征信息。時(shí)間導(dǎo)數(shù)通常與溫度對(duì)比結(jié)合應(yīng)用，通過比較檢測(cè)過程中溫差最大時(shí)間和溫差變化率最大時(shí)間來(lái)獲取缺陷信息。

在信號(hào)變換力法中，分析的不再僅僅是時(shí)域信息，而是通過頻域信息、時(shí)頻信息等其他角度優(yōu)化并分析圖像，以獲取缺陷特征。信號(hào)變換主要用于圖像降噪處理、數(shù)據(jù)壓縮、圖像分割和融合。信號(hào)變換方法有很多，其中應(yīng)用廣泛的有脈沖相位熱成像、小波變換和Hough變換。

矩陣分解方法是利用矩陣的性質(zhì)保留主要數(shù)據(jù)，減少數(shù)據(jù)量；其中，主成分分析法應(yīng)用較為廣泛。該方法采取降維的思想，將多指標(biāo)轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個(gè)綜合指標(biāo)。它將給定的相關(guān)變量通過線性變換為不相關(guān)變量，并按照方差依次遞減的順序排列，通常采用奇異值分解的方法壓縮并簡(jiǎn)化溫升數(shù)據(jù)來(lái)獲得主成分。

以上數(shù)據(jù)處理方法均可用于熱像圖的處理，且這些方法的適當(dāng)綜合可以提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，以便更好地獲得缺陷特征信息。

2.應(yīng)用對(duì)比

2.1 光學(xué)熱成像方法的應(yīng)用

光學(xué)熱成像的應(yīng)用范圍很廣，被檢零件材料包括金屬、復(fù)合材料和陶瓷等，其中在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用最為廣泛。利用脈沖熱成像進(jìn)行缺陷檢測(cè)需要綜合考慮材料熱擴(kuò)散系數(shù)、環(huán)境因素和儀器靈敏度等影響因素，也需要適當(dāng)?shù)姆椒ㄌ幚頍嵯駡D。而鎖相熱成像方法中，由于采用單一頻率波激勵(lì)試件，常采用傅里葉變換或快速傅里葉變換提取振幅和相位信息，根據(jù)振幅或相位的延遲效應(yīng)獲取缺陷特征信息。相比于振幅信息，相位信息因受光照局部變化和試件發(fā)射率影響更小，且可檢深度更大而應(yīng)用更加廣泛。近年來(lái)，光學(xué)熱成像無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用參見文獻(xiàn)。

2.2 超聲熱成像方法的應(yīng)用

近年來(lái)超聲熱成像無(wú)損檢測(cè)技術(shù)發(fā)展迅速，并已成功應(yīng)用于纖維增強(qiáng)塑料、金屬和其他許多工程材料的缺陷檢測(cè)。當(dāng)前超聲熱成像方法的應(yīng)用領(lǐng)域主要包括：1）結(jié)構(gòu)缺陷的檢測(cè)；2）循環(huán)載荷下材料失效的分析；3）使材料機(jī)械應(yīng)力可視化的熱塑性和磁滯效應(yīng)分析。利用超聲熱成像方法可以檢測(cè)出其他技術(shù)無(wú)法檢測(cè)的高發(fā)射率材料中的缺陷和閉合裂紋，且檢測(cè)試驗(yàn)無(wú)需考慮試件的位置擺放。

2.3 渦流熱成像方法的應(yīng)用

渦流熱成像方法適合檢測(cè)零件表面與近表面缺陷，目前廣泛用于導(dǎo)電材料的缺陷檢測(cè)和材料特性評(píng)估，如金屬和某些復(fù)合材料。其主要特點(diǎn)是檢測(cè)速度快、效率高，非常適合在線在役檢測(cè)。文獻(xiàn)探究了脈沖渦流熱成像技術(shù)用于復(fù)雜曲面零件表面裂紋缺陷檢測(cè)的有效性，文獻(xiàn)對(duì)金屬構(gòu)件熱像圖中裂紋附近溫度變化特征進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)探討了渦流熱成像實(shí)驗(yàn)中激勵(lì)頻率對(duì)缺陷檢測(cè)的影響。文獻(xiàn)應(yīng)用單通道盲頻分離算法從熱像圖序列中提取缺陷附近溫度信息，并應(yīng)用主成分分析法和光流法檢測(cè)了3種不同缺陷。

3.渦流熱成像法研究動(dòng)態(tài)

渦流熱成像無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在近年發(fā)展迅速，研究人員在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化、材料與缺陷類型的可檢性研究、缺陷定性和定量分析等領(lǐng)域開展了大量研究。但是對(duì)于微觀和宏觀裂紋的檢測(cè)以及檢測(cè)機(jī)制尚需深入研究。渦流熱成像法在無(wú)損檢測(cè)與評(píng)估、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

渦流熱成像法目前的研究熱點(diǎn)包括：1）缺陷檢測(cè)與評(píng)估方法的深入研究。包括成像系統(tǒng)改進(jìn)、電磁激勵(lì)系統(tǒng)改進(jìn)、熱像圖數(shù)據(jù)獲取與處理的算法優(yōu)化等。2）應(yīng)力和材料測(cè)試應(yīng)用研究。包括材料在循環(huán)應(yīng)力和撞擊影響下的疲勞損傷鑒定，這是重要部件的安全運(yùn)行、維護(hù)和健康監(jiān)測(cè)的保證。研究?jī)?nèi)容涉及缺陷檢測(cè)、識(shí)別、量化、視覺重建和缺陷演化監(jiān)測(cè)，以實(shí)現(xiàn)零部件的健康評(píng)估、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)和剩余壽命評(píng)估。3）以實(shí)現(xiàn)更為可靠的缺陷表征和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)為目標(biāo)，針對(duì)多物理場(chǎng)耦合的數(shù)據(jù)融合研究以及相關(guān)仿真軟件的開發(fā)。

4.結(jié)束語(yǔ)

紅外熱成像技術(shù)因其特有的技術(shù)優(yōu)勢(shì)而在無(wú)損檢測(cè)與評(píng)估應(yīng)用中得到迅速發(fā)展。通過對(duì)光學(xué)熱成像、超聲熱成像和渦流熱成像的理論基礎(chǔ)、數(shù)據(jù)處理以及應(yīng)用的對(duì)比分析，可以得出以下結(jié)論：

1）依據(jù)潛在缺陷類型、材料類型和檢測(cè)環(huán)境等選擇合適的熱成像檢測(cè)方法。光學(xué)熱成像技術(shù)廣泛應(yīng)用于復(fù)合材料中，超聲熱成像技術(shù)在金屬材料中應(yīng)用最多，渦流熱成像技術(shù)適用于檢測(cè)具有一定導(dǎo)電性的材料（包括金屬材料和某些非金屬材料）。

2）在這3種檢測(cè)技術(shù)中，渦流熱成像技術(shù)對(duì)表面和亞表面的微裂紋的檢測(cè)最靈敏有效。雖然超聲熱成像技術(shù)對(duì)這一類型的裂紋檢測(cè)也很靈敏，但是存在高振幅超聲波振動(dòng)損壞材料的風(fēng)險(xiǎn)。

3）超聲熱成像技術(shù)的檢測(cè)速度最快，其次是渦流熱成像技術(shù)，檢測(cè)最慢是光學(xué)熱成像技術(shù)。

4）因超聲波激勵(lì)可以使超聲振動(dòng)擴(kuò)散到整個(gè)被檢測(cè)試件，超聲熱成像技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)全視場(chǎng)成像；光學(xué)熱成像技術(shù)的檢測(cè)區(qū)域較大，單個(gè)熱源的檢測(cè)面積根據(jù)最小缺陷尺寸而定，通常其檢測(cè)面積可達(dá)到200 mmx200 mm；渦流熱成像技術(shù)受線圈尺寸和產(chǎn)生渦流場(chǎng)的均勻性制約，可檢測(cè)面積最小。

5）在進(jìn)行紅外熱成像檢測(cè)實(shí)驗(yàn)時(shí)，被檢測(cè)零件表面紅外輻射都會(huì)受到表面發(fā)射率和吸收率的影響。應(yīng)用光學(xué)熱成像技術(shù)時(shí)常在試件表面添加涂層；超聲熱成像和渦流熱成像由于其激勵(lì)方式獨(dú)立于試件表面光學(xué)特性，所受影響相對(duì)較小。

6）超聲熱成像需考慮傳感器位置、試件的固定和耦合介質(zhì)的選取等眾多因素，其測(cè)試系統(tǒng)相對(duì)較為復(fù)雜；渦流熱成像存在缺陷敏感方向，若缺陷方向未知，則需要從相交90。的兩個(gè)方向分別進(jìn)行檢測(cè)。