李媛媛++李保志++段立軍

[摘 要]紅外熱成像無(wú)損檢測(cè)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬、非金屬及復(fù)合材料中存在的裂紋等缺陷進(jìn)行檢測(cè)，具有非接觸、檢測(cè)面積大、速度快、在線檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)介紹幾種對(duì)紅外檢測(cè)診斷產(chǎn)生不利影響的因素，并對(duì)檢測(cè)過(guò)程中如何減小這些不利影響進(jìn)行簡(jiǎn)單說(shuō)明，從理論上證明該項(xiàng)技術(shù)的可行性。

[關(guān)鍵詞]紅外無(wú)損檢測(cè)；表面溫度；紅外輻射；熱傳導(dǎo)

中圖分類號(hào)：TP274.52 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）03-0363-01

紅外熱成像無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是近年來(lái)應(yīng)用逐漸廣泛的一種新興檢測(cè)技術(shù)。作為一種非接觸的無(wú)損檢測(cè)手段，廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)械、醫(yī)療、石化等領(lǐng)域.常規(guī)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)例如超聲波探傷、射線探傷、磁粉和滲透探傷等的研究已經(jīng)很成熟，但仍存在高空、地下架設(shè)等無(wú)法滿足檢測(cè)要求的情況，具有一定局限性。

紅外熱成像無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的創(chuàng)新性在于使用紅外測(cè)溫的方式，不接觸被測(cè)物體，不破壞溫場(chǎng)，以熱圖像的形式直觀準(zhǔn)確的反映物體的二維溫度場(chǎng)分布，使材料表面下的物理特性通過(guò)其表面溫度變化反映出來(lái)。近幾年紅外無(wú)損檢測(cè)技術(shù)飛速發(fā)展，已經(jīng)成為傳統(tǒng)檢測(cè)方式如激光、超聲等技術(shù)的補(bǔ)充及替代。該技術(shù)也可以與其他檢測(cè)方式相結(jié)合以提高檢測(cè)的精確度及可靠性。與傳統(tǒng)的檢測(cè)方式相比，該技術(shù)的特點(diǎn)如下：

（1）適用范圍廣，可檢測(cè)金屬及非金屬材料；

（2）測(cè)量結(jié)果的可視性，可以通過(guò)圖像顯示測(cè)量結(jié)果：

（3）非接觸式測(cè)量，不會(huì)對(duì)物體造成污染：

（4）檢測(cè)面積廣，可對(duì)大型設(shè)備進(jìn)行整體觀測(cè)；

（5）檢測(cè)設(shè)備攜帶方便，適用于現(xiàn)場(chǎng)在線檢測(cè)；

（6）檢測(cè)速度快。

一、 紅外熱成像無(wú)損檢測(cè)原理

（一）基本原理

紅外熱成像無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是根據(jù)紅外輻射的基本原理，通過(guò)紅外輻射的分析方法對(duì)物體內(nèi)部能量流動(dòng)情況進(jìn)行測(cè)量，使用紅外熱成像儀顯示檢測(cè)結(jié)果，對(duì)缺陷進(jìn)行直觀上的判定。此方法以熱傳導(dǎo)理論和紅外熱成像理論為基礎(chǔ)。當(dāng)物體的溫度與環(huán)境溫度存在差異時(shí)，就會(huì)在物體內(nèi)部產(chǎn)生熱量的流動(dòng)。如果向該物體注入熱量，其中一部分熱流必然向內(nèi)部擴(kuò)散，使物體表面的溫度分布發(fā)生變化。

1、對(duì)于無(wú)缺陷的物體，當(dāng)熱流均勻注入時(shí)，熱流能夠均勻的向內(nèi)部擴(kuò)散或從表面擴(kuò)散，因而表面的溫度場(chǎng)分布也是均勻的；

2、當(dāng)物體內(nèi)部存在隔熱性缺陷時(shí)，熱流會(huì)在缺陷處受阻，造成熱量堆積，導(dǎo)致表面出現(xiàn)溫度高的局部熱區(qū)；

3、當(dāng)物體內(nèi)部含有導(dǎo)熱性缺陷時(shí)，物體表面就會(huì)出現(xiàn)溫度較低的局部冷區(qū)。

由以上三種情況可看出，當(dāng)物體內(nèi)部存在缺陷時(shí)，就會(huì)在物體有缺陷區(qū)和無(wú)缺陷區(qū)形成溫差。且該溫差除了取決于物體材料的熱物理性質(zhì)外，還與缺陷的尺寸、距表面的距離及它的熱物理性質(zhì)有關(guān)。由于物體局部溫差的存在，必然導(dǎo)致紅外輻射強(qiáng)度的不同，利用紅外熱像儀即可檢測(cè)出溫度的變化狀況，進(jìn)而判斷缺陷的情況。

（二）檢測(cè)理論依據(jù)

1、紅外熱成像理論

高于絕對(duì)溫度零度的任何物體都會(huì)不停地向外界發(fā)射電磁波，紅外熱成像無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是建立在電磁輻射和熱傳導(dǎo)理論基礎(chǔ)上的一門無(wú)損探傷技術(shù)。根據(jù)物體輻射的特點(diǎn)可以將物體分為絕對(duì)黑體和灰體兩類，被檢測(cè)物體輻射都屬于灰體輻射。灰體輻射總輻射強(qiáng)度等于同一溫度黑體的總輻射強(qiáng)度乘以灰體的發(fā)射系數(shù)，即灰體輻射滿足斯蒂芬波爾茲曼定律。

（1）

式中—灰體發(fā)射系數(shù)

—斯蒂芬波爾茲曼常數(shù)

—物體輻射強(qiáng)度

—物體絕對(duì)溫度

紅外熱成像無(wú)損檢測(cè)技術(shù)正是利用這個(gè)公式，通過(guò)紅外熱像儀接收來(lái)自物體的輻射，從而測(cè)定物體表面的溫度場(chǎng)分布，然后根據(jù)溫度場(chǎng)的異常分布情況來(lái)識(shí)別物體內(nèi)是否存在缺陷。因此，物體具有不同的溫度和發(fā)射系數(shù)，紅外熱像儀接受來(lái)自物體的輻射，便可測(cè)定物體表面的溫度場(chǎng)分布。

2、熱傳導(dǎo)理論

熱量從物體內(nèi)溫度較高的部位傳遞到溫度較低的部位，或從溫度較高的物體傳遞到與之接觸的另一溫度較低的物體，此熱傳遞過(guò)程稱為熱傳導(dǎo)。物體內(nèi)部產(chǎn)生導(dǎo)熱的起因在于物體各部分之間具有溫度差，所以只要確定物體內(nèi)部溫度場(chǎng)，根據(jù)傅里葉定律就能確定物體內(nèi)的熱流。

（2）

—單位面積上在溫度降低方向上單位時(shí)間的熱流量

—被測(cè)物體導(dǎo)熱系數(shù)

—被測(cè)物體內(nèi)空間、時(shí)間溫度分布

上式揭示了熱流量與溫度之間的關(guān)系，對(duì)于穩(wěn)態(tài)場(chǎng)和非穩(wěn)態(tài)場(chǎng)都適用。通常用熱傳導(dǎo)微分方程來(lái)描述溫度場(chǎng)時(shí)空域的內(nèi)在聯(lián)系。

（3）

—加載熱源項(xiàng)

—被測(cè)物體密度

—被測(cè)物體比熱容

在給定溫度梯度的條件下，熱流的大小正比于物體的導(dǎo)熱系數(shù)。因此，在熱傳導(dǎo)分析中，物體的導(dǎo)熱系數(shù)是一個(gè)很重要的參數(shù)，它直接影響物體內(nèi)熱流的大小。各種工程材料的導(dǎo)熱系數(shù)相差懸殊，最大的是純金屬，最小的是氣體和蒸汽，非結(jié)晶絕緣體和無(wú)機(jī)液體的導(dǎo)熱系數(shù)介于兩者之間。

二、檢測(cè)方式

（一）主動(dòng)式檢測(cè)

為了使被測(cè)物體失去熱平衡，在紅外熱成像無(wú)損檢測(cè)時(shí)為被測(cè)物體注入熱量。被測(cè)物體內(nèi)部溫度不必達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，內(nèi)部溫度不均勻時(shí)即可進(jìn)行紅外檢測(cè)的方法即為主動(dòng)式紅外檢測(cè)。該種檢測(cè)方式是人為給試樣加載熱源的同時(shí)或延遲一段時(shí)間后測(cè)量表面的溫度場(chǎng)的分布。從而確定金屬、非金屬、復(fù)合材料內(nèi)部是否存在孔洞、裂縫等缺陷。

（二）被動(dòng)式檢測(cè)

被動(dòng)式紅外熱成像無(wú)損檢測(cè)利用周圍環(huán)境的溫度與物體溫度差，在物體與環(huán)境進(jìn)行熱交換時(shí)，通過(guò)對(duì)物體表面發(fā)出的紅外輻射進(jìn)行檢測(cè)缺陷的一種方式。這種檢測(cè)方法不需要加載熱源，一般應(yīng)用于定性化的檢測(cè)。被測(cè)物本身的溫度變化就能顯示內(nèi)部的缺陷。它經(jīng)常被應(yīng)用于在線檢測(cè)電子元器件和科研器件及運(yùn)行中設(shè)備的質(zhì)量控制。

三、總結(jié)

紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)不同于常規(guī)的檢測(cè)手段（如射線、磁粉、超聲、渦流、滲透等），可以快速掃描，提高檢測(cè)效率。作為目前較為成熟的檢測(cè)技術(shù)，脈沖紅外熱成像技術(shù)脈沖能量大，單次檢測(cè)面積大，檢測(cè)速度快。鎖相紅外熱成像技術(shù)所得的位相圖不受物體的表面情況等影響。對(duì)于深層缺陷，疲勞損傷和微小缺陷可以達(dá)到較好的檢測(cè)深度，同時(shí)鎖相紅外熱成像的位相延遲和物體的缺陷深度和鎖相頻率有關(guān)，當(dāng)知道鎖相頻率和位相延遲就可以求出缺陷的深度。

在實(shí)際應(yīng)用中，兩種技術(shù)可以互補(bǔ)使用，對(duì)于具體的物體和具體的檢測(cè)要求可選擇不同方案。由于被測(cè)物體溫度場(chǎng)變化迅速，儀器精度和靈敏度受外界影響較大。而且對(duì)儀器的設(shè)置、環(huán)境和被測(cè)物體表面等要求嚴(yán)格，這些因素決定了使用紅外熱成像無(wú)損檢測(cè)方法后，可使用常規(guī)無(wú)損檢測(cè)手段進(jìn)行復(fù)檢，以提高檢測(cè)的正確性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 梅林，王裕文，薛錦.紅外熱成像無(wú)損檢測(cè)缺陷的一種新方法[J].紅外與毫米波學(xué)報(bào)，2000.

[2] 王康印.紅外檢測(cè)[M].國(guó)防工業(yè)出版社，1986

[3] 宗明成，全宏慶.紅外熱成像無(wú)損探傷技術(shù)的應(yīng)用研究[J].北方交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1993.

[4] 王迅，金萬(wàn)平，張存林.紅外熱波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)及其發(fā)展[J].無(wú)損檢測(cè)，2004.

[5] 程玉蘭.紅外診斷現(xiàn)場(chǎng)使用技術(shù)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[6] 楊黎俊，耿完禎.紅外熱像檢測(cè)中的缺陷大小評(píng)估[J].無(wú)損檢測(cè)，1999.

[7] 王永茂，郭興旺.紅外檢測(cè)中缺陷大小和深度測(cè)量[J].紅 外技術(shù)，2002.

[8] 田裕鵬.紅外檢測(cè)與診斷技術(shù)[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2006.