，，

(南京諾威爾光電系統(tǒng)有限公司，南京 210046)

隨著現(xiàn)代科學(xué)與工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度不斷加快，對產(chǎn)品質(zhì)量及安全的要求也越來越高，產(chǎn)品檢測的技術(shù)也越來越受到重視，新的檢測方法不斷出現(xiàn)并逐步發(fā)展和完善。鎖相熱波成像是近年來新興的無損檢測技術(shù)，在國際上得到了廣泛的關(guān)注[1-3]。其結(jié)合了熱波成像與數(shù)字鎖相技術(shù)的優(yōu)勢，大幅降低了對熱激勵源峰值能量的要求，也降低了對加熱均勻性和表面發(fā)射率一致性的要求，同時提高了信噪比，檢測靈敏度和檢測能力也得到了很大的提高。鎖相熱波成像技術(shù)與材料或構(gòu)件表面的輻射發(fā)生率、環(huán)境條件及構(gòu)件結(jié)構(gòu)無關(guān)[4-5]，既可作為紅外熱成像無損檢測技術(shù)的補(bǔ)充，也可發(fā)揮其獨特的技術(shù)優(yōu)勢，對解決待測物體表面及內(nèi)部缺陷的檢測，以及保證產(chǎn)品質(zhì)量安全提供了有效的工具。

德國、法國、加拿大等的研究人員都對鎖相熱波成像技術(shù)進(jìn)行了深入研究。近年來,鎖相熱波成像技術(shù)也受到國內(nèi)學(xué)者和工程技術(shù)人員的廣泛關(guān)注。馮立春等[6]采用紅外加熱燈作為熱源，結(jié)合信號發(fā)生器輸出的方波信號，并采用0.67 Hz鎖相頻率對涂層涂覆缺陷人工樣品進(jìn)行了檢測，缺陷清晰可見。趙廷廣等[7]采用法國Cedip公司開發(fā)的鎖相紅外熱成像系統(tǒng)實現(xiàn)了加筋結(jié)構(gòu)的檢測，該系統(tǒng)采用鹵素?zé)糇鳛闊嵩?，函?shù)發(fā)生器輸出正弦信號，采用的鎖相頻率范圍為0.3～0.5 Hz，實現(xiàn)了對加筋結(jié)構(gòu)缺陷的檢測。劉俊巖等[8]采用法國Cedip公司的鎖相紅外熱成像系統(tǒng)在鎖相頻率為低頻(0.1～0.25 Hz)時實現(xiàn)了對鋼板、CFRP(碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料)蒙皮蜂窩夾層及軸瓦缺陷的檢測，取得了較好的效果。程騰等[9]采用紅外燈作為熱源，函數(shù)發(fā)生器輸出正弦信號，并采用0.1 Hz鎖相頻率對囊體布熱合缺陷進(jìn)行檢測，可以有效識別該類缺陷，具有較高的可靠度和較強(qiáng)的抗干擾能力。周正干等[10]采用鹵素?zé)糇鳛闊嵩?，函?shù)發(fā)生器輸出正弦信號，實現(xiàn)了鎖相頻率范圍為0.001～1 Hz，并采用該系統(tǒng)對鈦合金蜂窩結(jié)構(gòu)蒙皮脫焊缺陷進(jìn)行了檢測，取得了較好的檢測結(jié)果。

目前對鎖相熱波成像技術(shù)的研究中，大多采用信號發(fā)生器對熱源信號進(jìn)行調(diào)制。熱源多采用大功率的鹵素?zé)糁惖募t外光源，但這些熱源的啟動時間長、熱慣性大，無法實現(xiàn)高頻率的周期性調(diào)制。激光器雖然可以快速調(diào)制，但由于能量有限及均勻擴(kuò)束的問題，無法實現(xiàn)大面積熱激勵。

筆者提出了采用光學(xué)斬波器結(jié)合紅外燈陣列進(jìn)行周期性調(diào)制，紅外燈在較高調(diào)制頻率時的調(diào)制深度有限，但通過鎖相系統(tǒng)控制的光學(xué)斬波器可以使調(diào)制深度達(dá)到100%，從而實現(xiàn)有效的高頻率周期性調(diào)制，并使得調(diào)制頻率范圍得到較大的擴(kuò)展。該系統(tǒng)還可以實現(xiàn)單脈沖熱波成像檢測，斬波器在加熱期間處于靜止，當(dāng)降溫階段開始時，斬波器快速擋住光源，避免了光源余熱對檢測結(jié)果產(chǎn)生影響，提高了檢測精度。

鎖相熱波成像技術(shù)在檢測缺陷時，存在一個缺陷對比度最高的最佳鎖相頻率，或者說缺陷檢測的效果與鎖相調(diào)制頻率相關(guān)。缺陷越淺或材料導(dǎo)熱越快，需要的鎖相頻率越高；相反，缺陷越深、材料導(dǎo)熱越慢，需要的鎖相頻率就越低。因而，具有較高調(diào)制頻率的鎖相熱波成像系統(tǒng)特別適合于諸如涂層、太陽能電池、薄金屬板件等的檢測。

1 鎖相紅外熱波成像原理

鎖相熱波成像技術(shù)有別于脈沖熱波成像技術(shù),其最大的區(qū)別是鎖相技術(shù)中使用的是周期性熱源。其檢測原理是：對待測物體進(jìn)行周期性加熱,若待測物體內(nèi)部有缺陷,該缺陷對其上方表面溫度的分布會產(chǎn)生周期性的影響,因此有缺陷的地方與無缺陷的地方會產(chǎn)生振幅與相位差,通過紅外熱像儀采集物體表面溫度分布并進(jìn)行計算，達(dá)到識別缺陷的目的。其本質(zhì)上是通過信號相關(guān)的手段對噪聲進(jìn)行抑制，提取單頻熱響應(yīng)，將微弱信號從眾多干擾信號中提取出來，使得缺陷被檢測出來。

鎖相技術(shù)的一個優(yōu)點是可以通過增加檢測周期來提高信噪比，因此特別適合一些微小缺陷，如裂紋等的檢測。這些缺陷的熱波響應(yīng)對試件表面溫度分布的影響小，多數(shù)情況下甚至低于噪聲的影響，通過熱圖序列很難觀察得到。

設(shè)計的鎖相熱波成像系統(tǒng)框圖如圖1所示，系統(tǒng)由紅外熱像儀、鎖相控制系統(tǒng)、光學(xué)斬波器、紅外光源、控制與圖像處理系統(tǒng)等組成。通過鎖相控制模塊調(diào)節(jié)光學(xué)斬波器，將紅外燈的輻射調(diào)制成周期性熱激勵。光學(xué)斬波器的轉(zhuǎn)動速度與鎖相頻率保持同步關(guān)系。斬波器中間的圓孔處安裝了紅外熱像儀，以對試件表面溫度進(jìn)行采集。該熱激勵系統(tǒng)還可以級聯(lián)，即多個單元同時使用，以統(tǒng)一調(diào)制頻率與相位，特別適用于大面積的檢測需求。

鎖相紅外熱成像技術(shù)最終可得到兩張圖像，即振幅圖與相位圖。數(shù)據(jù)可采用FFT(快速傅里葉變換)進(jìn)行處理，一般采用1 024個數(shù)據(jù)點或2 048個數(shù)據(jù)點。

圖1 鎖相熱波成像系統(tǒng)框圖

2 鎖相紅外熱波成像理論分析

對于采用調(diào)制頻率為fe的正弦調(diào)制的光激勵，其熱激勵功率密度為[11]

(1)

式中:I(t)為周期性變化的功率密度；I0為熱源的最大加熱功率；fe為熱源激勵加載頻率;t為時間。

當(dāng)熱波在試件中傳遞時，傅里葉熱擴(kuò)散方程可描述該過程，如式(2)所示。

(2)

式中:k為材料的熱導(dǎo)率；ρ為材料密度;c為材料比熱容。

為了分析周期性熱流在試件中的傳遞過程，可將方程進(jìn)行簡化，只考慮熱波沿z方向的傳導(dǎo)，則可以得到正弦規(guī)律變化的熱流在試件中傳遞時的溫度分布和變化歷程模型的解析方程。

T(z,t)=Tam+ΔT[1-exp(-t/r)]+

Aexp-z/Λ)exp[i2πfet-z/Λ)]

(3)

(4)

式中：Tam為環(huán)境溫度；A為恒定熱流引起的溫度變化量；ΔT為余弦波變化熱流引起的溫度變化量；Λ為熱擴(kuò)散長度；a為熱擴(kuò)散系數(shù);fe為熱波頻率。

采集頻率為fs，采集數(shù)據(jù)點數(shù)為N，則鎖相頻率為

n=1,2,3,4,…,N

(5)

鎖相頻率flock-in與采集頻率、數(shù)據(jù)點數(shù)有相對應(yīng)的固定關(guān)系，不能任意取值。

不同的鎖相頻率對應(yīng)不同的檢測深度，檢測頻率和熱波傳播深度滿足下述關(guān)系

(6)

α=k/(ρ·c)

(7)

式中：μ為熱擴(kuò)散長度;α為熱擴(kuò)散系數(shù)。

從式(6)可以看出，熱波傳播深度只與熱擴(kuò)散系數(shù)和鎖相頻率有關(guān)，與熱源強(qiáng)度無關(guān)。因此，在檢測淺缺陷時，可采用較高的鎖相頻率；在檢測深缺陷時，可采用較低的鎖相頻率。

紅外熱像儀采集N幀數(shù)據(jù)后，每一個像素點(i,j)對應(yīng)N個離散溫度時間信號T(i,j)(t)，對每一個像素點進(jìn)行FFT變換得到

(8)

φn=arctanImn/Ren)

(9)

(10)

式中：Ren,Imn分別為序列n頻域信號的實部和虛部；φn為信號的相位角；An為信號的幅度。

最后提取每一個像素點對應(yīng)鎖相頻率flock-in的振幅和相位，構(gòu)成振幅圖和相位圖。

3 試驗系統(tǒng)

試驗采用的是自主研發(fā)的基于光學(xué)斬波調(diào)制的鎖相熱波成像系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用4個紅外燈管作為熱激勵源，燈管呈對稱分布，每個紅外燈管的功率為500 W,總功率為2 000 W。斬波器由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，每轉(zhuǎn)一圈熱激勵能量改變4次，斬波頻率可達(dá)100 Hz?？紤]到便攜性，系統(tǒng)集成了非制冷熱像儀，工作波段為7～14 μm，圖像分辨率為384 像素×288 像素，幀頻可調(diào)，采集幀頻最高為100 Hz?？刂啤Ⅱ?qū)動、采集、圖像數(shù)據(jù)處理等功能集成在一個便攜手提箱中，同時搭配一個可移動支架，使用與移動都十分方便。斬波調(diào)制鎖相熱波系統(tǒng)外觀如圖2所示。

該系統(tǒng)為多功能熱波成像無損檢測設(shè)備，即具有寬調(diào)制頻率范圍的鎖相熱激勵與長周期的脈沖熱激勵。對于長脈沖熱激勵，斬波器的作用相當(dāng)于快門，加熱時處于靜止，加熱結(jié)束開始采集前將其快速轉(zhuǎn)動到阻擋的位置，避免紅外燈的余熱對采集信號造成影響。

圖2 斬波調(diào)制鎖相熱波系統(tǒng)外觀

圖3 太陽能電池板外觀

4 檢測結(jié)果

為了驗證基于光學(xué)斬波器的鎖相熱波成像系統(tǒng)的有效性，分別采用不同的鎖相頻率對不同的試件進(jìn)行了缺陷檢測。

太陽能電池由硅半導(dǎo)體材料集成，通過吸收太陽光并轉(zhuǎn)換成電荷進(jìn)行發(fā)電。在使用過程中，由于轉(zhuǎn)換效率不能很高，會有很多熱能產(chǎn)生，因此電池片與背板的黏接質(zhì)量直接影響太陽能電池的發(fā)電效率與壽命。太陽能電池板外觀如圖3所示(左上、右上、左下、右下分別為編號是5，6，3，4的太陽能電池)，包括4片小硅太陽能電池。由于硅太陽能電池板厚度大約為0.2 mm，因此采用鎖相方式需要較高的鎖相頻率，試驗中熱像儀頻率設(shè)為50 Hz，鎖相頻率為4 Hz，共采集了1 024幀圖像。

圖4所示為硅太陽能電池的鎖相熱波檢測結(jié)果，圖4(a)為振幅圖，圖4(b)為相位圖。從相位圖中可以看出，編號為5的硅太陽能電池中間有一大片黏接質(zhì)量差的區(qū)域，編號為3，6的硅太陽能電池黏接質(zhì)量良好，編號為4的硅太陽能電池左邊出現(xiàn)類似圓環(huán)區(qū)域，為黏接質(zhì)量差的區(qū)域。由圖中對比可以看出，相位圖比振幅圖提供了更多的內(nèi)部缺陷信息。

圖4 硅太陽能電池的鎖相熱波檢測結(jié)果

第二個試件是有平底孔缺陷的碳纖維復(fù)合材料，材料尺寸為150 mm×100 mm×5.5 mm(長×寬×高)，平底孔直徑為40 mm，缺陷深度分別為(從左到右)3.9 ，4.7 mm。碳纖維復(fù)合材料平底孔的光學(xué)圖像如圖5所示，其中圖5(a)為正面圖像，即檢測面，圖5(b)為背面圖像，是平底孔所在面。由于缺陷較深，試驗中熱像儀采集頻率為10 Hz，鎖相頻率為0.01 Hz，共采集了2 048幀圖像。

圖5 碳纖維復(fù)合材料平底孔的光學(xué)圖像

圖6為碳纖維復(fù)合材料平底孔鎖相熱波的檢測結(jié)果，可以看出在這個調(diào)制頻率下，振幅圖更多地提供了試件表面的信息，而缺陷深度很難檢測出來。試件表面的不均勻?qū)ο辔粓D來說干擾不大，從相位圖可以看出，兩個平底孔缺陷清晰可見，且3.9 mm平底孔比4.7 mm平底孔相位差更大，圖像對比度更高。

圖6 碳纖維復(fù)合材料平底孔鎖相熱波的檢測結(jié)果

5 結(jié)語

在常規(guī)的鎖相熱波成像檢測中，由于大功率熱源多采用紅外燈，其啟動慢、熱慣性大，很難實現(xiàn)高頻率調(diào)制。通過引入光學(xué)斬波器，結(jié)合紅外燈陣列，實現(xiàn)了對熱源的高頻率調(diào)制。在此基礎(chǔ)上研發(fā)的鎖相紅外熱成像系統(tǒng)可以實現(xiàn)對熱源的寬頻率范圍調(diào)制，適用于多種測試場合。其既可以實現(xiàn)鎖相熱波成像，也可以實現(xiàn)長周期的脈沖熱波成像，且具有快速隔斷光源余熱，達(dá)到降低背景干擾的目的，因而對熱波成像技術(shù)的推廣應(yīng)用具有較好的價值。

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