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        紅外熱成像無損檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展

        2016-10-31 08:42:44陳大鵬毛宏霞肖志河
        關(guān)鍵詞:鎖相脈沖試件

        陳大鵬,毛宏霞,肖志河

        (1.光學(xué)輻射重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100854;2.北京環(huán)境特性研究所,北京 100854)

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        紅外熱成像無損檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展

        陳大鵬1,毛宏霞2,肖志河2

        (1.光學(xué)輻射重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100854;2.北京環(huán)境特性研究所,北京100854)

        紅外熱成像是近年來發(fā)展起來的一種快速有效的無損檢測(cè)技術(shù),通過主動(dòng)熱激勵(lì)使物體內(nèi)部的異性結(jié)構(gòu)以表面溫場(chǎng)變化的差異形式表現(xiàn)出來,實(shí)現(xiàn)缺陷的定位、識(shí)別和定量測(cè)量;它是一門跨學(xué)科的技術(shù),它的研究和應(yīng)用,提高了多種軍、民用工業(yè)設(shè)備的安全性可靠性;綜述了紅外熱成像無損檢測(cè)技術(shù)的基本概念、關(guān)鍵技術(shù)原理和系統(tǒng)組成,比對(duì)分析了光脈沖、超聲、鎖相、太赫茲等各種熱激勵(lì)方式的技術(shù)特點(diǎn),介紹了國(guó)內(nèi)外相應(yīng)的發(fā)展?fàn)顩r和進(jìn)展,并給出了一些典型應(yīng)用案例,最后總結(jié)了該技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

        紅外熱成像;無損檢測(cè);熱激勵(lì)

        0 引言

        無損檢測(cè)(nondestructive testing,NDT),是指在不會(huì)對(duì)材料或元件的有效性或可靠性造成損害的前提下,對(duì)其內(nèi)部的異性結(jié)構(gòu)(缺陷或損傷)進(jìn)行探測(cè)、定位、識(shí)別及測(cè)量的一種實(shí)用性技術(shù)[1]。目前常規(guī)的無損檢測(cè)技術(shù)有,超聲、X射線、渦流、磁粉、滲透等,各種方法都有其優(yōu)勢(shì),也有其局限性和不足。隨著航空航天等高精尖產(chǎn)業(yè)對(duì)無損檢測(cè)的需求,各種新的檢測(cè)方法不斷涌現(xiàn)。

        隨著紅外技術(shù)的發(fā)展,近年來出現(xiàn)了一種新的無損檢測(cè)技術(shù)-紅外熱成像無損檢測(cè)技術(shù)(又稱紅外熱波無損檢測(cè)技術(shù))。它是一門跨學(xué)科的技術(shù),它的研究和應(yīng)用,對(duì)提高航空航天器,多種軍、民用工業(yè)設(shè)備的安全可靠性具有重要意義。美國(guó)多家大公司及政府機(jī)構(gòu)已經(jīng)在廣泛應(yīng)用和推廣該技術(shù)[2-3]。

        該技術(shù)在我國(guó)近十幾年發(fā)展起來,2003年9月該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用研究也列入了我國(guó)國(guó)家863 高科技發(fā)展計(jì)劃,逐漸應(yīng)用于航空航天、風(fēng)電、土木、軍工等領(lǐng)域。

        1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

        紅外熱成像無損檢測(cè)技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用受益于20世紀(jì)熱成像設(shè)備的發(fā)展。1964年,二次世界大戰(zhàn)后,美國(guó)德克薩斯儀器公司首次研制成第一代軍用紅外熱像設(shè)備。1965年,瑞典開發(fā)研制了具有溫度測(cè)量功能的紅外成像裝置,稱為熱像儀。1978年,美國(guó)德克薩斯儀器公司又研制成功世界上第一個(gè)非制冷紅外熱像系統(tǒng)。20世紀(jì)90年代中期,美國(guó)FSI公司研制出新一代焦平面熱像儀。隨著焦平面熱像儀的發(fā)展及應(yīng)用,紅外熱波技術(shù)進(jìn)入了快速發(fā)展的階段,在無損檢測(cè)領(lǐng)域中的重要性逐漸顯示出來[4]。

        之后,國(guó)際上積極開展紅外熱成像無損檢測(cè)技術(shù)的研究,美國(guó)韋恩州立大學(xué)是最早從事該項(xiàng)技術(shù)的研究單位之一,一直處于該領(lǐng)域的前沿,在光脈沖、超聲激勵(lì)紅外熱成像方面取得了很多實(shí)際有用的研究成果。之后該技術(shù)逐漸被美國(guó)多家大公司(如GE、GM、波音、福特、洛克西德、西屋等)及政府機(jī)構(gòu)(如NASA、FAA、空軍、海軍)所采用,并形成了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),除已有美國(guó)無損檢測(cè)學(xué)會(huì)指定的ASNT標(biāo)準(zhǔn)外,還有美國(guó)材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)指定的ASTM標(biāo)準(zhǔn),此外,還有各行業(yè)制定的各種操作說明書以及嚴(yán)格的人員培訓(xùn)體系。美國(guó)TWI是第一個(gè)將紅外熱波技術(shù)商業(yè)化的公司,其閃光燈脈沖熱成像產(chǎn)品已經(jīng)被NASA等航空航天部門所承認(rèn)和廣泛應(yīng)用[5-9]。此外,英國(guó)巴思(Bath)大學(xué)、英國(guó)無損檢測(cè)協(xié)會(huì)、德國(guó)斯圖加特大學(xué)、法國(guó)Cedip公司、加拿大Laval大學(xué)、俄羅斯、澳大利亞等國(guó)都在致力于該項(xiàng)技術(shù)的研究,并廣泛應(yīng)用于飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件內(nèi)部缺陷及膠接質(zhì)量的檢測(cè)、沖擊損傷檢測(cè)以及蒙皮鉚接質(zhì)量檢測(cè)等[10-18]。

        國(guó)內(nèi),受熱像儀發(fā)展的限制,紅外熱波無損檢測(cè)技術(shù)的研究起步較晚。前期工作主要局限在傳統(tǒng)被動(dòng)式紅外熱成像檢測(cè),掃描、非制冷熱像儀占據(jù)市場(chǎng)主導(dǎo),其溫度分辨率和采集頻率無法滿足捕捉快速變化溫場(chǎng)的需要。隨著焦平面制冷型熱像儀的發(fā)展和引進(jìn),主動(dòng)式紅外熱成像無損檢測(cè)技術(shù)近十幾年才逐漸發(fā)展起來[19]。主要研究單位有首都師范大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、北京理工大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、南京大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、航空材料研究院、中國(guó)民航科學(xué)技術(shù)研究院等各大高校和科研院所。在熱波檢測(cè)理論、熱激勵(lì)方法、缺陷尺寸和深度的定量研究等方面取得了一些進(jìn)步[20-27],逐漸將其應(yīng)用于航空航天、風(fēng)力發(fā)電、汽車制造等領(lǐng)域,并制定了相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),如,無損檢測(cè)-閃光燈激勵(lì)紅外熱像法[28]。

        2 關(guān)鍵技術(shù)及原理

        紅外熱成像(又稱“紅外熱波”)技術(shù)是一種基于瞬態(tài)熱傳導(dǎo)理論的無損檢測(cè)方法。通過主動(dòng)對(duì)物體施加可控?zé)峒?lì),使物體內(nèi)部的異性結(jié)構(gòu)(缺陷和損傷,如異物、孔隙、分層、脫粘、多膠、滲入液體等)以表面溫場(chǎng)變化的差異形式表現(xiàn)出來,采用紅外熱像儀連續(xù)觀測(cè)和記錄物體表面的溫場(chǎng)變化,并對(duì)序列熱圖結(jié)果進(jìn)行運(yùn)算和處理(減背景、擬合、微分、傅里葉變換等),以實(shí)現(xiàn)對(duì)物體內(nèi)部異性結(jié)構(gòu)定性和定量的表征[2-4]。

        紅外熱成像檢測(cè)的核心是采用了主動(dòng)式控制熱激勵(lì)的方法,與傳統(tǒng)的被動(dòng)式紅外熱成像檢測(cè)是有區(qū)別的。針對(duì)被測(cè)物的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)和缺陷類型以及特定的檢測(cè)環(huán)境和條件,需要采用大功率閃光燈、超聲波、激光、THz 波、熱風(fēng)、電磁感應(yīng)、電流、機(jī)械振動(dòng)等不同方式的熱激勵(lì)手段及相應(yīng)的機(jī)械裝置、控制裝置及編制控制軟件,同時(shí)采用紅外熱成像技術(shù)對(duì)時(shí)序熱波信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,采用專用軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像信號(hào)處理,并顯示檢測(cè)結(jié)果。下面介紹幾種典型的熱激勵(lì)方式。

        2.1光脈沖熱成像技術(shù)

        分為反射式和透射式兩種,如圖1(a)、(b)所示。它是利用高能脈沖閃光燈對(duì)被檢物表面進(jìn)行熱激勵(lì),瞬間在試件表面形成一層平面熱源,并以熱波的形式在其中傳播。如果試件內(nèi)部有缺陷(脫粘、分層等),會(huì)使該處熱波的傳播形式發(fā)生改變,從而引起試件表面溫場(chǎng)的變化。同時(shí)用熱像儀捕捉這個(gè)變化的過程,找到缺陷的位置和形狀。此外,熱圖序列還包含了溫場(chǎng)變化的時(shí)間信息,通過相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理算法,可以實(shí)現(xiàn)缺陷屬性識(shí)別、缺陷深度定量測(cè)量等。該方法是最為經(jīng)典、成熟的方法,其優(yōu)點(diǎn)是非接觸、檢測(cè)速度快。但該方法也受試件表面紅外發(fā)射率、試件幾何形狀以及加熱均勻性的影響[29-31]。

        圖1 光脈沖紅外熱成像檢測(cè)原理圖

        2.2超聲激勵(lì)紅外熱成像

        超聲激勵(lì)紅外熱成像又叫做振動(dòng)紅外熱成像,該方法是利用超聲能量作為熱激勵(lì)源,將20~40 kHz的超聲波耦合進(jìn)試件。如果試件中有裂紋、分層等缺陷,高頻振動(dòng)的超聲能量將會(huì)引起缺陷界面的摩擦生熱,熱像儀捕捉試件表面溫場(chǎng)的變化,從而實(shí)現(xiàn)缺陷的探測(cè)[32-34]。該方法利用缺陷部位自身生熱,受背景噪聲影響小,得到的熱圖像對(duì)比度高,對(duì)垂直于試件表面的裂紋尤其敏感。但該技術(shù)熱激勵(lì)過程中,超聲焊槍需要在一定壓力下將超聲能量耦合進(jìn)試件,容易對(duì)試件造成二次損傷。目前,首都師范大學(xué)紅外熱波聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室正致力于空氣耦合超聲激勵(lì)紅外熱成像技術(shù)的研究[35],利用特殊設(shè)計(jì)的槍頭,將超聲能量通過空氣耦合進(jìn)試件,實(shí)現(xiàn)非接觸超聲熱激勵(lì)。然而,現(xiàn)階段受制于設(shè)備功率和超聲在空氣中的嚴(yán)重衰減,激勵(lì)效果還遠(yuǎn)不如傳統(tǒng)接觸式的方法。但由于其非接觸、無損的特點(diǎn),有很好的發(fā)展前景。圖2(a)和(b)分別為接觸式與非接觸式超聲激勵(lì)紅外熱成像原理圖。

        圖2 超聲激勵(lì)紅外熱成像原理圖

        2.3鎖相紅外熱成像

        鎖相紅外熱成像技術(shù)是主動(dòng)對(duì)被檢物施加周期調(diào)制的熱激勵(lì)(光、超聲等),如被檢測(cè)物內(nèi)部存在缺陷,缺陷部位會(huì)產(chǎn)生周期性的熱響應(yīng),進(jìn)而影響試件表面溫場(chǎng)分布。熱像儀采集表面溫場(chǎng)的變化,通過軟、硬件提取特定鎖相頻率下表面熱信號(hào)的幅值、相位信息[36-37]。幅值表征了反射波和入射波的矢量和,相位則表征了反射波和入射波之間的相位差,由此來分析被檢測(cè)物中的缺陷信息。圖3(a)和(b)分別為光鎖相紅外熱成像檢測(cè)原理圖和超聲激勵(lì)鎖相紅外熱成像原理圖。

        圖3 鎖相紅外熱成像檢測(cè)原理圖

        光鎖相紅外熱成像一次性檢測(cè)面積大,所得的相位圖不易受熱激勵(lì)不均勻性、環(huán)境反射、材料表面狀況等影響[38]。超聲鎖相熱成像,可以用功率較小(相對(duì)于脈沖超聲激勵(lì))的周期性超聲激勵(lì)得到較好的檢測(cè)結(jié)果,一定程度上避免了對(duì)試件造成二次損傷。但是不論是光鎖相還是超聲鎖相,檢測(cè)時(shí)都需要嘗試不同的鎖相調(diào)制頻率,頻率太高熱波穿透深度不夠,太低得到熱圖像的信噪比低,且單次實(shí)驗(yàn)周期較長(zhǎng)[39]。

        2.4脈沖相位熱成像

        2.5太赫茲激勵(lì)的紅外熱波技術(shù)(THz Thermal Wave NDT)

        太赫茲(Terahertz或THz,1 THz=1012Hz)波通常指的是頻率在0.1~10 THz范圍內(nèi)的電磁輻射。利用THz波作為熱源進(jìn)行紅外熱波檢測(cè)是一個(gè)新的探索,通常利用返波振蕩器(返波管,BWO,Backward Wave Oscillator)太赫茲源對(duì)試件表面進(jìn)行持續(xù)的或是周期性的熱激勵(lì),熱像儀探測(cè)試件表面溫場(chǎng)變化,檢測(cè)原理圖如圖4所示。目前受太赫茲功率源的限制,這項(xiàng)技術(shù)還處于試驗(yàn)階段,對(duì)較薄吸波涂層下預(yù)埋缺陷進(jìn)行小范圍熱激勵(lì)有一定的檢測(cè)效果[43]。在檢測(cè)能力上,與技術(shù)較為成熟的閃光燈脈沖激勵(lì)相比還有很大的差距。但隨著THz技術(shù)的發(fā)展,THz發(fā)射源的改進(jìn),以其作為熱源的紅外熱波技術(shù)也將進(jìn)一步提高。理論上用THz作為熱激勵(lì)源,有如下優(yōu)勢(shì):

        1)表面薄膜的紅外熱波檢測(cè),如加熱能量過高,會(huì)將其燒毀而破壞被檢測(cè)件。而小能量的THz波在不損壞被檢測(cè)件的前提下能有效地進(jìn)行熱激勵(lì)。

        2)在檢測(cè)某些對(duì)可見光敏感的材料時(shí),用THz波進(jìn)行熱激勵(lì)可避免對(duì)試件造成二次污染。

        3)傳統(tǒng)的閃光燈激勵(lì)脈沖寬度寬,為毫秒量級(jí),近表面的結(jié)構(gòu)信息往往由于脈寬太寬而被掩埋掉。而THz脈寬窄,為皮秒量級(jí),如用大功率太赫茲脈沖熱激勵(lì),窄脈沖能夠?yàn)樘綔y(cè)近表面結(jié)構(gòu)信息提供可能(如熱障涂層的厚度測(cè)量)。

        2.6電磁激勵(lì)紅外熱成像

        又叫做渦流紅外熱成像,主要是針對(duì)金屬材料,尤其是金屬裂紋的檢測(cè),利用高頻磁場(chǎng)在試件產(chǎn)生表面及亞表面的感應(yīng)電流,如有裂紋存在,會(huì)造成裂紋根部電流密度集中,產(chǎn)生多余的熱量,同時(shí)用熱像儀探測(cè)溫場(chǎng)變化,達(dá)到檢測(cè)的目的。常用交流電的頻率50~500 kHz,功率為5~10 kW。該方法的優(yōu)點(diǎn)是速度快、非接觸,只有缺陷部位生熱,得到的結(jié)果信噪比高;缺點(diǎn)是只能對(duì)導(dǎo)電材料進(jìn)行檢測(cè),不適用某些復(fù)合材料。

        圖5 太赫茲激勵(lì)紅外熱成像檢測(cè)原理圖

        以上是用于紅外熱波技術(shù)的幾種典型的熱激勵(lì)方式,但并不局限于以上幾種,任何能夠?qū)Ρ粰z物產(chǎn)生熱擾動(dòng)的可控?zé)峒?lì)都可以被采用,如,電熱毯、熱吹風(fēng)、熱水袋等。只有發(fā)展新的、有效的熱激勵(lì)方式,以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理算法,才能不斷提高紅外熱波技術(shù)的檢測(cè)能力[44-45]。

        3 應(yīng)用案例

        美國(guó)、俄羅斯、法國(guó)、加拿大等國(guó)已把紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)廣泛應(yīng)用于飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件內(nèi)部缺陷及膠接質(zhì)量檢測(cè)、蒙皮鉚接質(zhì)量檢測(cè)。美國(guó)還把它用于航天飛機(jī)耐熱保護(hù)層潮濕檢測(cè),Atlas 空間發(fā)射艙復(fù)合材料的脫粘檢測(cè),A3火箭無損檢測(cè)[46],圖6為NASA利用脈沖式紅外熱波技術(shù)檢測(cè)航天飛機(jī)機(jī)身蒙皮的照片。

        圖6 NASA利用脈沖式紅外熱波技術(shù)檢測(cè)航天飛機(jī)機(jī)身蒙皮的照片

        美國(guó)韋恩州立大學(xué)在該技術(shù)領(lǐng)域的研究上一直處于最前沿,取得了很多實(shí)際的研究成果。圖7所示是他們利用反射式脈沖熱激勵(lì)紅外檢測(cè)設(shè)備對(duì)波音747機(jī)身復(fù)合材料進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)、在役檢測(cè)照片。圖8所示的熱圖像是對(duì)該飛機(jī)尾翼的蜂窩部件積水缺陷的檢測(cè)結(jié)果,分別從3個(gè)方向(上、下、垂直)進(jìn)行檢測(cè)[47]。

        圖7 波音747紅外熱波檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)照片

        圖8 紅外熱成像方法用于飛機(jī)蜂窩結(jié)構(gòu)材料液體滲入的探測(cè)

        空客公司則是用多種熱激勵(lì)方式的紅外熱成像技術(shù)檢測(cè)飛機(jī)蜂窩結(jié)構(gòu)內(nèi)部浸入液體。利用電熱毯、烤箱和冰箱等進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)熱激勵(lì),熱像儀采集試件表面升溫及降溫過程。圖9(a)、(b)、(c)分別為3種熱激勵(lì)的檢測(cè)照片。實(shí)驗(yàn)的目的主要是從快速、大面積、工程應(yīng)用的角度來研究飛機(jī)機(jī)身蜂窩結(jié)構(gòu)滲入液體的檢測(cè)問題[48]。

        圖9 空客公司飛機(jī)蜂窩結(jié)構(gòu)材料積水的紅外熱成像檢測(cè)

        在FAA1998,1999 和2000年飛機(jī)機(jī)身無損探傷技術(shù)競(jìng)標(biāo)中,此技術(shù)擊敗包括X 射線、超聲波、暗電流檢測(cè)等多項(xiàng)技術(shù)而唯一勝出。并逐漸被NASA、美國(guó)空軍和海軍、波音、洛克希德,各大汽車公司及各大航空公司等許多知名大公司所采用[49]。

        加拿大空中交通研究中心和LAVAL大學(xué)設(shè)計(jì)有不同尺寸、不同類型缺陷的碳纖維蒙皮蜂窩結(jié)構(gòu)材料板。對(duì)不同檢測(cè)手段的檢測(cè)效果和精度進(jìn)行比對(duì)分析[50-53],如圖10所示。

        圖10 試件設(shè)計(jì)示意圖

        德國(guó)斯圖加特大學(xué)開發(fā)了超聲激勵(lì)的鎖相紅外熱成像技術(shù),對(duì)物體施加周期性、可控頻率的超聲熱激勵(lì),來研究物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)周期性溫度變化的熱響應(yīng)[5],該研究單位有大量關(guān)于金屬及復(fù)合材料微裂紋檢測(cè)的相關(guān)報(bào)道,在超聲鎖相熱成像技術(shù)領(lǐng)域一直處于領(lǐng)先地位[32]。此外,俄羅斯、英國(guó)、日本、澳大利亞、芬蘭、意大利等國(guó)家也都致力于該項(xiàng)技術(shù)的研究,并形成了各自的技術(shù)特點(diǎn)[54-56]。

        國(guó)內(nèi),紅外熱成像無損檢測(cè)技術(shù)近十幾年逐漸發(fā)展起來,尤其是在復(fù)合材料無損探傷領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)逐漸體現(xiàn)出來。文獻(xiàn)報(bào)道中,已有多家單位將其用于飛機(jī)復(fù)合材料內(nèi)部缺陷的檢測(cè)。如,航天材料及工藝研究所的陳桂才等學(xué)者利用有源紅外熱波無損檢測(cè)技術(shù)對(duì)鋁蜂窩和泡沫夾芯復(fù)合材料的脫粘缺陷進(jìn)行了檢測(cè)研究,驗(yàn)證了該方法的可行性[26];北京航空航天大學(xué)的郭興旺教授研究了脈沖相位法在復(fù)合材料檢測(cè)中的應(yīng)用,指出分析相位圖是對(duì)蜂窩結(jié)構(gòu)復(fù)合材料無損檢測(cè)和評(píng)估的有效方法[42];哈爾濱工業(yè)大學(xué)的汪子君博士,利用鎖相紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,劉慧等利用頻率調(diào)制的超聲紅外熱成像技術(shù)檢測(cè)金屬微裂紋缺陷,并研究了不同熱激勵(lì)位置對(duì)檢測(cè)效果的影響,圖11所示為不同熱激勵(lì)位置得到的相位熱圖[57];

        圖11 超聲鎖相激勵(lì)熱成像相位熱圖

        s空軍第一航空學(xué)院利用脈沖紅外熱成像技術(shù)對(duì)某型號(hào)戰(zhàn)斗機(jī)上使用的玻璃纖維復(fù)合材料中的分層缺陷和蜂窩結(jié)構(gòu)復(fù)合材料沖擊損傷缺陷進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,提出了利用圖像增強(qiáng)和二值化處理方法計(jì)算沖擊損傷面積[25];中國(guó)航空綜合技術(shù)研究所李慧娟、蔡良續(xù)等對(duì)復(fù)合材料中典型缺陷進(jìn)行了脈沖紅外檢測(cè)和鎖相紅外檢測(cè)的研究,設(shè)計(jì)不同的試件來研究脫粘、分層缺陷的紅外熱成像檢測(cè)方法、檢測(cè)能力、檢測(cè)工藝等[58-59];裝甲兵工程學(xué)院利用該技術(shù)對(duì)武器裝備機(jī)電系統(tǒng)進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè),提高了武器裝備的使用壽命。南京大學(xué)對(duì)超聲激勵(lì)作用下鋁板裂紋缺陷發(fā)熱情況進(jìn)行了有限元模擬研究。2003年9月,北京航空航天大學(xué)與首都師范大學(xué)建立紅外熱波聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室,承擔(dān)國(guó)家863項(xiàng)目—關(guān)于紅外熱波無損檢測(cè)技術(shù)在復(fù)合材料的應(yīng)用研究,開展了脈沖紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)對(duì)于復(fù)合材料中分層、脫粘、沖擊損傷等缺陷檢測(cè)和深度測(cè)量的研究,圖12為該實(shí)驗(yàn)室對(duì)碳纖維層壓板沖擊損傷檢測(cè)紅外熱成像檢測(cè)結(jié)果的熱圖序列,圖13為利用超聲熱激勵(lì)檢測(cè)飛機(jī)前起落架旋轉(zhuǎn)臂裂紋缺陷熱圖像,并對(duì)裂紋位置和尺寸進(jìn)行了測(cè)量。此外,相關(guān)報(bào)道中該技術(shù)在固體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)、ITER項(xiàng)目、土木工程、文物保護(hù)等領(lǐng)域也有大量應(yīng)用案例[60-62]。

        圖12 碳纖維沖擊損傷檢測(cè)結(jié)果熱圖序列

        圖13 超聲激勵(lì)紅外熱成像檢測(cè)飛機(jī)起落架裂紋缺陷

        4 結(jié)束語(yǔ)

        紅外熱成像無損檢測(cè)技術(shù)是一項(xiàng)通用技術(shù),具有很強(qiáng)應(yīng)用性和可拓展性??梢詰?yīng)用于多種材料和結(jié)構(gòu)。該技術(shù)的應(yīng)用既可作為產(chǎn)品評(píng)價(jià)的依據(jù),也為工藝分析提供參考信息??捎糜诟倪M(jìn)材料的產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、加工制造、成品檢驗(yàn)以及使用的各個(gè)階段。該項(xiàng)檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)明顯,應(yīng)用也越來越廣泛,從軍工到民用,從航空航天到土木建筑。目前已形成相應(yīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn),從實(shí)驗(yàn)室研究逐漸發(fā)展成為一種符合工程應(yīng)用需求的常規(guī)檢測(cè)技術(shù),為各行各業(yè)產(chǎn)品故障診斷和延長(zhǎng)使用壽命起到了不可或缺的作用??偨Y(jié)該技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)有如下幾點(diǎn):

        1)脈沖紅外熱成像,隨著理論、算法研究的成熟,逐漸向高精度、定量化檢測(cè)方向發(fā)展;另外,窄脈沖激勵(lì)、高幀頻熱像儀的發(fā)展為較薄(微米級(jí))涂層的檢測(cè)和測(cè)厚測(cè)量提供了可能。

        2)超聲紅外熱成像的發(fā)展則更傾向于頻率調(diào)制、低激勵(lì)能量、空氣耦合等特點(diǎn),以適應(yīng)各種被檢對(duì)象的需求,并不再局限于金屬裂紋的檢測(cè),逐漸應(yīng)用于非金屬材料和復(fù)合材料。

        3)隨著太赫茲技術(shù)的發(fā)展,太赫茲與紅外相結(jié)合的檢測(cè)方式也是未來的發(fā)展方向之一。

        4)針對(duì)快速、工程化檢測(cè)的需求,各種簡(jiǎn)單、有效的激勵(lì)方式被開發(fā)出來,如熱吹風(fēng),冷熱水循環(huán)、電熱毯等,針對(duì)不同檢測(cè)需求,設(shè)計(jì)相應(yīng)的熱激勵(lì)方法是工程化檢測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)。

        5)由航空航天逐漸向民用領(lǐng)域發(fā)展,如風(fēng)電、文物保護(hù)、建筑等;近年來該技術(shù)各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)逐漸完善,操作人員考級(jí)持證上崗,該技術(shù)也由五大傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)的補(bǔ)充,逐漸發(fā)展成為一種不可或缺的常規(guī)檢測(cè)技術(shù)。

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        Infrared Thermography NDT and Its Development

        Chen Dapeng1,Mao Hongxia2,Xiao Zhihe2

        (1.Key Lab.of Science and Technology on Optical Radiation,Beijing 100854, China; 2.Beijing Institute of Environment Features, Beijing100854, China)

        The Infrared Thermography is a fast and effective NDT technology which developed ten of years. The non-uniform structure under the surface becomes visualized because of the surface temperature variation by the active heat stimulation; and the locating,recognition and quantitative measurement of the defects are realized by data processing. Infrared thermography NDT is an interdisciplinary technology; the research and application of it improve the safety and reliability of variety of military and civilian equipment. In this paper,the principle,concept and system compositions of infrared thermography are briefly introduced; technical characteristics of several stimulations methods,such as light pulse,ultrasonic,Lock-in,and THz are compared and analyzed; furthermore,development of the technology at aboard and native is introduced,as well as some typical applications are shown,and finally the development trend of this technology is summarized.

        infrared thermography; non-destructive testing; thermal stimulation

        1671-4598(2016)04-0001-06DOI:10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.04.001

        TP274

        A

        2015-09-23;

        2015-10-18。

        陳大鵬(1983-),男,山東淄博人,博士,主要從事目標(biāo)與環(huán)境光學(xué)特性方向的研究。

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