江海軍，陳 力

(南京諾威爾光電系統(tǒng)有限公司，南京 210046)

閃光燈熱激勵(lì)紅外熱波成像無(wú)損檢測(cè)設(shè)備及應(yīng)用

江海軍，陳 力

(南京諾威爾光電系統(tǒng)有限公司，南京 210046)

介紹了基于閃光燈熱激勵(lì)的紅外熱波無(wú)損檢測(cè)設(shè)備，該系統(tǒng)采用自主研制的非制冷型熱像儀，通過(guò)燈管對(duì)稱(chēng)排列與反光燈罩設(shè)計(jì)使得閃光燈能量的均勻性得到提高，通過(guò)紅外圖像降噪處理和數(shù)據(jù)重建使得紅外圖像信噪比得到提高。研制的熱激勵(lì)電源包括多種脈沖寬度控制方式，系統(tǒng)的控制軟件可對(duì)熱波圖像進(jìn)行采集及數(shù)字處理，增強(qiáng)了圖像質(zhì)量；操作界面采用觸屏控制，使用方便。該臺(tái)式系統(tǒng)具有高能量和完整的圖像處理能力，設(shè)備便攜、結(jié)構(gòu)緊湊，利于在役及原位檢測(cè)。

閃光燈熱激勵(lì)；脈沖熱激勵(lì)；熱波成像

熱波成像檢測(cè)技術(shù)與其他常規(guī)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)相比具有獨(dú)特的優(yōu)越性，具有檢測(cè)速度快、單次檢測(cè)面積大、和試件不接觸、檢測(cè)結(jié)果以圖像形式直觀顯示等優(yōu)點(diǎn)，特別適合在役及原位檢測(cè)，目前已普遍應(yīng)用于航天航空、國(guó)防軍工等領(lǐng)域[1-3]，并開(kāi)始向軌道交通、新能源等領(lǐng)域普及[4-5]。

紅外熱波無(wú)損檢測(cè)是一種主動(dòng)式紅外檢測(cè)技術(shù)，其采用熱激勵(lì)源對(duì)試件表面進(jìn)行加熱，在熱流向試件內(nèi)部傳播的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷的檢測(cè)。按時(shí)域進(jìn)行分類(lèi)，熱激勵(lì)主要有3種形式，包括短周期脈沖、長(zhǎng)周期脈沖和交變調(diào)制。其中，短周期脈沖激勵(lì)具有分辨率高、反應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)，特別適合高導(dǎo)熱率的樣品，如金屬、碳纖維等，或者是薄層樣品，如蜂窩結(jié)構(gòu)件和各種涂層等[6-7]，短周期脈沖激勵(lì)是國(guó)際上主流的熱激勵(lì)方法[8]。

采用光熱效應(yīng)實(shí)現(xiàn)短周期熱激勵(lì)的方法主要有大能量閃光燈、脈沖激光器與掃描連續(xù)激光等[9]，其中，大能量閃光燈對(duì)便攜設(shè)備而言更具有實(shí)用性。但目前市場(chǎng)上僅有的便攜式閃光燈熱波無(wú)損檢測(cè)設(shè)備的體積大，并由多件設(shè)備組合，單人很難操作，加上設(shè)備依賴進(jìn)口，不僅價(jià)格昂貴，且受西方國(guó)家嚴(yán)格的出口管制。

閃光燈激勵(lì)熱波成像無(wú)損檢測(cè)技術(shù)采用短脈沖熱激勵(lì)的方式對(duì)樣品表面進(jìn)行加熱，產(chǎn)生的熱脈沖向樣品內(nèi)部傳播，樣品內(nèi)部的非均勻性，如脫粘、裂紋、銹蝕、損傷等都會(huì)擾動(dòng)熱波的傳播，從而影響到樣品表面的溫度場(chǎng)分布。筆者將樣品表面溫度隨時(shí)間變化的過(guò)程用紅外熱像儀記錄下來(lái)，通過(guò)算法對(duì)該紅外熱圖序列進(jìn)行分析處理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品內(nèi)部性狀的評(píng)估。因此，該儀器綜合了調(diào)制熱激勵(lì)、紅外成像、信號(hào)檢測(cè)、圖像處理等多方面的技術(shù)。

1 設(shè)備介紹

圖1為閃光燈熱激勵(lì)紅外熱波成像無(wú)損檢測(cè)設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意，其主要由3部分組成：閃光燈熱激勵(lì)系統(tǒng)、紅外圖像采集處理系統(tǒng)、用于協(xié)調(diào)熱像儀采集與閃光燈觸發(fā)時(shí)間的同步觸發(fā)器等。

圖1 閃光燈熱激勵(lì)紅外熱波成像無(wú)損檢測(cè)設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意

1.1熱激勵(lì)源

系統(tǒng)采用自主研制的適合熱波成像技術(shù)的閃光燈系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有能量大、體積小、輕便及安全可靠等特點(diǎn)。閃光燈能量由軟件系統(tǒng)控制，閃光脈沖寬度連續(xù)可調(diào)，有3種控制模式，包括自由模式(閃光脈沖寬度大，可最大限度釋放電容器所儲(chǔ)存的能量，適合一些需要高熱激勵(lì)能量的場(chǎng)合，如熱吸收差、導(dǎo)熱率低及較厚的樣品)、固定周期模式(閃光脈沖寬度從1 ms起精確可控，適合檢測(cè)導(dǎo)熱率大的樣品，如金屬試件及蜂窩試件等薄壁制品)、固定能量模式(每次閃光的總能量固定，可自動(dòng)補(bǔ)償閃光系統(tǒng)的能量衰變，適合需要精準(zhǔn)控制檢測(cè)過(guò)程的場(chǎng)景，如生產(chǎn)線上的質(zhì)量控制)。

1.2紅外圖像采集

熱像儀為熱波成像無(wú)損檢測(cè)設(shè)備的核心部件，通常分為制冷型和非制冷型。制冷型熱像儀具有較高的圖像質(zhì)量，特別是標(biāo)志噪聲水平的熱靈敏度低，熱響應(yīng)速度快，可以運(yùn)行在較高的幀頻下，有利于高速熱波成像；同時(shí)，制冷型熱像儀是凝視型電子結(jié)構(gòu)，整幅圖像同時(shí)采集，有利于后期的圖像處理。但是制冷型熱像儀的體積大、質(zhì)量大，且價(jià)格昂貴，不利于熱波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的推廣，因此，在多數(shù)情況下都是采用非制冷型熱像儀。由于非制冷型熱像儀的噪聲水平較高，通常為制冷型熱像儀的2倍，為了彌補(bǔ)這一缺陷，筆者在整體系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上進(jìn)行了多處優(yōu)化。由于市售的非制冷熱像儀都是為常規(guī)應(yīng)用所設(shè)計(jì)的，在熱波成像方面不能最大限度地發(fā)揮其潛能，為此研制了適合熱波無(wú)損檢測(cè)設(shè)備應(yīng)用的專(zhuān)用熱像儀，所有熱像儀芯片的功能都可以任意設(shè)置，并配合以特別適合熱波成像的圖像處理及降噪功能。另外，對(duì)專(zhuān)用鏡頭的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，大幅增加光通量。綜合以上幾點(diǎn)措施，熱像儀實(shí)測(cè)的熱靈敏度可優(yōu)于30 mK。為了提高檢測(cè)信噪比，閃光燈最大閃光能量為12 800 J，相對(duì)于進(jìn)口設(shè)備的最大閃光能量9 600 J而言，最大閃光能量提高了33.3%，系統(tǒng)的性能得到進(jìn)一步提高。

1.3圖像處理及系統(tǒng)組成熱激勵(lì)源、熱波圖像采集、圖像顯示等都需要通過(guò)軟件進(jìn)行控制與處理，研制的基于Windows操作系統(tǒng)的軟件ThermPulse具有熱波成像專(zhuān)用的系統(tǒng)控制與多種信號(hào)處理功能，其具有界面清新、簡(jiǎn)單易用、觸屏控制、操作方便等優(yōu)點(diǎn)。ThermPulse軟件主要功能模塊如表1所示，可以實(shí)現(xiàn)包括閃光能量、觸發(fā)同步、閃光周期控制、熱像儀采集時(shí)間、幀頻、背景采集等的控制，以及對(duì)紅外圖像的處理、分析等。

表1 ThermPulse軟件主要功能模塊

圖2為閃光燈熱激勵(lì)紅外無(wú)損檢測(cè)熱圖序列，在采集熱圖序列前需要獲得背景圖像，以利于后續(xù)圖像處理，閃光過(guò)程需要與采集過(guò)程保持同步關(guān)系，根據(jù)試件的不同決定采集幀數(shù)(采集幀頻×采集時(shí)間)。

圖2 閃光燈熱激勵(lì)紅外無(wú)損檢測(cè)熱圖序列示意

1.4臺(tái)式閃光燈激勵(lì)熱波成像系統(tǒng)

研制的臺(tái)式閃光燈激勵(lì)熱波成像系統(tǒng)具有高熱激勵(lì)能量、完整圖像處理功能的特點(diǎn)，可以選配多種熱像儀，包括非制冷、制冷、高分辨率熱像儀等。系統(tǒng)的檢測(cè)視場(chǎng)范圍約為300 mm×400 mm，閃光燈單次觸發(fā)最大能量可達(dá)12 800 J。紅外熱像儀采集得到的紅外圖像輸入到計(jì)算機(jī)，通過(guò)ThermPulse軟件系統(tǒng)進(jìn)行處理分析。閃光燈電源及控制系統(tǒng)集成在可移動(dòng)機(jī)柜中，閃光燈激勵(lì)紅外無(wú)損檢測(cè)設(shè)備外觀如圖3所示，系統(tǒng)可采用大屏觸摸顯示器進(jìn)行操作，同時(shí)也配有鍵盤(pán)鼠標(biāo)，顯示屏的俯仰角度可任意調(diào)節(jié)。測(cè)試單元可以手持操作，但通常安裝在測(cè)試平臺(tái)或者助力臂上，以便根據(jù)測(cè)試對(duì)象進(jìn)行位置與角度的調(diào)整。臺(tái)式閃光燈熱激勵(lì)熱波成像系統(tǒng)的主要參數(shù)如表2所示(可檢測(cè)材料為金屬、非金屬、復(fù)合材料)。

表2 臺(tái)式閃光燈熱激勵(lì)熱波成像系統(tǒng)的主要參數(shù)

圖3 閃光燈激勵(lì)紅外無(wú)損檢測(cè)設(shè)備外觀

1.5便攜式系統(tǒng)

由于熱波成像技術(shù)具有非接觸、快速成像等特點(diǎn)，特別適合于外場(chǎng)的在役原位檢測(cè)，因此設(shè)備的便攜性顯得十分重要。研制的便攜式閃光燈熱激勵(lì)紅外熱波無(wú)損檢測(cè)設(shè)備采用了高度集成的設(shè)計(jì)，便于單人操作。便攜式閃光燈熱激勵(lì)紅外無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)外觀如圖4所示，閃光燈電源由鋰電池供電，適合在沒(méi)有市電的地方使用，一次充電可使用超過(guò)百次，電池可更換，不僅安全，還免除了移動(dòng)設(shè)備時(shí)到處拖著電纜的煩惱。測(cè)試單元集成了閃光燈、圖像采集處理及顯示等功能，可由單手握持，另外一只手用來(lái)操作，也可以安裝在三角架上。該系統(tǒng)的主要參數(shù)如表3所示(可檢測(cè)材料為金屬、非金屬、復(fù)合材料)。

圖4 便攜式閃光燈熱激勵(lì)紅外無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)外觀

參數(shù)規(guī)格熱激勵(lì)能量/J6400(最大)閃光脈沖寬度/ms130(可調(diào))探測(cè)器類(lèi)型非制冷焦平面探測(cè)器分辨率384×288最大幀頻/Hz100檢測(cè)面積/cm22×30顯示器10.4英寸觸摸屏尺寸(長(zhǎng)×寬×高)/cm31×23.6×31(探測(cè)單元),23×20×24(電源)質(zhì)量/kg2.5(探測(cè)單元),8.5(電源)電源/V110～220AC/鋰電池

2 檢測(cè)結(jié)果

為了驗(yàn)證設(shè)備的有效性，對(duì)一系列不同材料和結(jié)構(gòu)的試件分別采用臺(tái)式和便攜式系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)。復(fù)合材料人工試件檢測(cè)結(jié)果如圖5所示，在一塊20 mm厚平板的背面上有15個(gè)不同深度的平底孔，孔徑全為20 mm，孔底到表面的厚度從15 mm逐步增大，其中一個(gè)孔里注入了水，但沒(méi)有注滿。通過(guò)臺(tái)式設(shè)備的檢測(cè)可以清楚地顯示出這些平底孔，并可以分辨出注水的孔。紅外熱像的圖像采集時(shí)間為30 s，顯示圖像為第25 s處的一階微分圖。

圖5 復(fù)合材料人工試件檢測(cè)結(jié)果

圖6 鋁合金人工試件檢測(cè)結(jié)果

圖6為鋁合金人工試件的檢測(cè)結(jié)果，鋁板厚20 mm，背面分別加工有3行平底孔，每排孔的直徑從上到下分別為10，15，20 mm，每行孔的底部到上表面的距離從左到右分別為1，2，3，4 mm，試件表面涂黑。采用了閃光燈熱激勵(lì)紅外無(wú)損檢測(cè)設(shè)備對(duì)此試件進(jìn)行檢測(cè)，從圖中可以看到所有孔都清晰可辨。實(shí)驗(yàn)時(shí)圖像采集了10 s，圖像顯示的為0.8 s時(shí)刻的一階微分圖。

圖7為一個(gè)背面開(kāi)放的不銹鋼釬焊蜂窩結(jié)構(gòu)試件，表面不銹鋼板厚1.2 mm，蜂窩壁厚0.2 mm，蜂窩邊長(zhǎng)5 mm。采用便攜式閃光燈熱激勵(lì)紅外設(shè)備對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，圖像顯示熱波成像技術(shù)可以較好地反映焊接情況。經(jīng)仔細(xì)觀察后發(fā)現(xiàn)，紅外圖像中蜂窩壁的顏色深淺變化是由釬焊材料的多少所引起的。

圖7 不銹鋼釬焊蜂窩結(jié)構(gòu)試件檢測(cè)結(jié)果

圖8為碳纖維復(fù)合材料蜂窩結(jié)構(gòu)試件的檢測(cè)結(jié)果，表面碳纖維板的厚度約1.5 mm，蜂窩為聚酯紙質(zhì)結(jié)構(gòu)。采用該便攜式設(shè)備檢測(cè)，可以看出試件內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，蜂窩形狀清晰，其中上部一道深色橫條為支撐結(jié)構(gòu)，而左下方的一個(gè)深色點(diǎn)為人為注水產(chǎn)生。

圖8 碳纖維復(fù)合材料蜂窩結(jié)構(gòu)試件檢測(cè)結(jié)果

3 結(jié)語(yǔ)

介紹了自主研制的閃光燈熱激勵(lì)紅外無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用自主研發(fā)的高能量閃光燈熱激勵(lì)裝置，具有多種閃光能量與脈沖周期控制單元，可搭配各種制冷、非制冷熱像儀，采用獨(dú)特的數(shù)據(jù)處理算法，使缺陷清晰顯示。根據(jù)應(yīng)用需求，系統(tǒng)可以設(shè)計(jì)為適合于生產(chǎn)線及實(shí)驗(yàn)室的臺(tái)式設(shè)備，以及適合于現(xiàn)場(chǎng)原位檢測(cè)的便攜式設(shè)備。最后，通過(guò)閃光燈熱激勵(lì)紅外無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)復(fù)合材料、鋁合金、不銹鋼蜂窩、碳纖維蜂窩試件進(jìn)行了檢測(cè)，取得了較好的檢測(cè)結(jié)果。

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ApplicationofFlashThermalExcitationInfraredThermographicNondestructiveTestingEquipment

JIANG Haijun, CHEN Li

(Novelteq Ltd., Nanjing 210046，China)

The infrared thermographic nondestructive equipment based on flash thermal excitation device was introduced. The system adopts the independent development of uncooled infrared thermal imager, the lamp symmetrical arrangement and reflective shade design makes the uniformity of the flash energy increase,the signal-to-noise ratio of infrared image is improved by infrared image denoising and data reconstruction. Independent thermal excitation power supply includes a variety of pulse width control method. The control software of the system can perform thermal wave image acquisition and digital processing to enhance image quality, and the interface adopts touch screen control,which is portable and compact.The system facilitates the detection of in-service and in-situ.

flash thermal excitation; pulse heat excitation; thermographic

TG115.28

： A

：1000-6656(2017)09-0057-04

2016-12-16

科技部中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新資助項(xiàng)目(14C26213201110)

江海軍(1988-)，男，碩士，主要從事紅外無(wú)損檢測(cè)技術(shù)研究工作

江海軍，hjiang@novelteq.com

10.11973/wsjc201709014