賀赟

摘? 要：超聲紅外熱像技術(shù)是一種新型的無損檢測技術(shù)，是將超聲波檢測技術(shù)和紅外線檢測技術(shù)進行結(jié)合，采用超聲波作為激勵源，紅外熱像儀進行捕捉熱圖像，充分發(fā)揮了二者的長處，彌補了單獨使用的不足。本文介紹了該技術(shù)的基本原理，以及優(yōu)于其他主動式激勵紅外熱像技術(shù)的特點，系統(tǒng)地歸納了超聲紅外熱像技術(shù)在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀。最后展望了該技術(shù)在無損檢測中應(yīng)用的前景，并提出了一些建議和對策。

關(guān)鍵詞：超聲紅外熱像? 熱激勵? 混凝土? 無損檢測

中圖分類號：TH878 ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2020）07（c）-0086-03

Abstract： The ultrasonic infrared thermal imaging technology is a new nondestructive testing technology， which combines ultrasonic detection technology and infrared detection technology， USES ultrasonic as the excitation source， infrared thermal imager to capture thermal image， gives full play to the advantages of the two， and makes up for the disadvantages of using them alone. The paper introduces the basic principle of this technology， and features better than other active excitation infrared imaging technology， and systematically summarizes the research status of ultrasonic infrared thermography technology at home and abroad. Finally， the prospect of application of the technique in the nondestructive detection of the prospect， and puts forward some suggestions and countermeasures.

Key Words： Ultrasound infrared thermal imagin;Thermal excitation;Concrete;Nondestructive testing

隨著現(xiàn)代社會的發(fā)展，新的無損評價和無損檢測技術(shù)如雨后春筍般地涌現(xiàn)。無損檢測技術(shù)對于實際工作中的設(shè)備的安全檢測，確保安全運行，發(fā)揮著舉足輕重的作用。

超聲紅外熱像技術(shù)作為一種新型的無損檢測技術(shù)，是將超聲波檢測技術(shù)和紅外線檢測技術(shù)相結(jié)合，采用超聲波作為激勵源，利用紅外熱像儀捕捉熱圖像，充分發(fā)揮了二者的長處，彌補了單獨使用的不足。

1? 超聲紅外熱像技術(shù)的原理

紅外熱像技術(shù)是將紅外輻射承載的物體特征信息轉(zhuǎn)化成人眼可見的溫度熱像圖。與傳統(tǒng)無損檢測方法相比，紅外熱成像技術(shù)具有單次檢測面積大、速度快、非接觸、安全可靠及適于現(xiàn)場檢測等優(yōu)點。紅外熱成像技術(shù)主要分兩種，一種是被動式紅外熱像檢測法，是利用被測物體自身的溫度變化來檢測物體的缺陷;另一種是主動式紅外熱像檢測法。在實際的工程應(yīng)用中，由于絕大多數(shù)被檢測試件在常態(tài)下不會引起試件表面溫度差，必須采用一種加熱的激勵方式來保證被測試件內(nèi)部缺陷或者表面微裂紋的溫度變化能夠反映在試件表面，這樣才能更好地檢測試件缺陷。

超聲紅外熱像檢測技術(shù)的依據(jù)是固體內(nèi)耗的基本原理，把試件中的每一個缺陷視為一個內(nèi)耗源，當試件振動的頻率與內(nèi)耗源的頻率相同時該內(nèi)耗源的內(nèi)耗會快速地增大[1]。超聲紅外熱像檢測技術(shù)采用的激勵源是超聲波，超聲波在構(gòu)件缺陷處衰減從而選擇性加熱，提高了檢測溫度分辨率;用紅外熱像技術(shù)處理熱像序列圖，減少了被檢測試件的結(jié)構(gòu)因素、環(huán)境因素對檢測結(jié)果的影響，提高了檢測試件缺陷的靈敏能力;并且該檢測技術(shù)與其他無損檢測法相比具有檢測時間短、效率高、激勵能量偏低、檢測缺陷深度大等優(yōu)點。

2? 超聲紅外熱像技術(shù)的應(yīng)用

2.1 國外方面

20世紀90年代，英國巴斯大學(xué)的D.P.Almond指出通過降低超聲發(fā)射功率的措施可以有效地避免構(gòu)件在超聲紅外熱像法檢測過程中被損傷;在計算激勵生熱方面，把微裂紋看作一個非均勻熱源，通過間接測量激勵過程中裂紋導(dǎo)致的附加阻尼來預(yù)測生熱量，并通過試驗證明了預(yù)測生熱量算法的準確性。加拿大X.Maldague教授通過對航天用CFRP蒙皮蜂窩夾層結(jié)構(gòu)和玻璃鋼擋風(fēng)板上存在的缺陷進行紅外無損檢測，探討了脈沖、鎖相和超聲熱像法三種主動式紅外無損檢測法各自的適用性，并指出超聲紅外熱像法與光為激勵源的紅外無損檢測法相比的優(yōu)越性;通過大量的試驗研究得出超聲紅外熱像法對涂覆材料開口微裂紋類缺陷具有極強的檢測能力;他們系統(tǒng)地開展了超聲紅外熱像檢測鋁蒙皮蜂窩火層結(jié)構(gòu)中不同深度不同類型缺陷的工作。美國愛荷華州立大學(xué)的S.D.Holland等人[2]通過濾波、空間一階、二階求導(dǎo)等步驟形成了一套圖像處理算法，消除了熱擴散對信息識別的影響并將熱量進行提取生成相應(yīng)的獨立區(qū)域。Gian等提出了一種新的“非線性超聲受激熱像法”（NUST），該方法克服了傳統(tǒng)線性超聲/熱像儀無損檢測系統(tǒng)的一些局限性，為各向同性材料的疲勞損傷提供了一種可靠、快速、經(jīng)濟有效的檢測方法，在損傷區(qū)域的熱產(chǎn)生可以通過激發(fā)提供非線性響應(yīng)的頻率來放大，從而以一種快速和可重現(xiàn)的方式提高材料損傷的成像和NUST的可靠性。Tzer Yuan等人[3]提出了一種新的對比度增強方法——自適應(yīng)三邊對比度增強（ATCE）方法，在夜光環(huán)境下拍攝的一組紅外熱成像實驗中，對ATCE進行了評價，并與現(xiàn)有的幾種對比度增強方法進行了比較，結(jié)果表明在熵增強的度量上，ATCE明顯優(yōu)于現(xiàn)有的其他方法。

2.2 國內(nèi)方面

超聲紅外熱像檢測技術(shù)的研究工作在國內(nèi)的起步比較晚，涉及到的研究領(lǐng)域也比較有限。董麗虹等[4]在承壓設(shè)備裂紋缺陷位置采用振動紅外熱像技術(shù)以及ABAQUS有限元模擬軟件分別進行實驗和模擬研究，驗證了裂紋處能明顯看到生熱現(xiàn)象以及激勵頻率與裂紋的振動生熱并不成正相關(guān)或負相關(guān)，當試件裂紋區(qū)域振動最劇烈時生熱最多，如共振頻率，且當激勵時間超過2s時對檢測效果影響不大。南京工業(yè)大學(xué)徐歡等[5]采用ANSYS和ABAQUS軟件通過數(shù)值模擬、熱力學(xué)第一理論以及聲波傳播理論，對裂紋微觀界面的生熱機理進行了研究，發(fā)現(xiàn)超聲激勵下裂紋生熱的速率極快，近表面的裂紋處生熱量大，溫升高，進一步證明了超聲紅外檢測的高效性和可行性，為科研實驗和工程檢測提供了相關(guān)的理論依據(jù)。福州大學(xué)唐長明等[6]基于ANSYS有限元軟件模擬了焊縫裂紋在超聲激勵作用下的升溫現(xiàn)象，定性分析了超聲激勵幅值、頻率、方向和焊縫余高4個參數(shù)對裂紋升溫的影響，驗證了超聲紅外檢測焊縫裂紋的可行性，并通過試驗驗證了有限元分析的準確性。馮輔周等[7]以金屬平板疲勞裂紋為研究對象，搭建了超聲紅外鎖相熱像檢測實驗系統(tǒng)，分析了調(diào)制超聲激勵下裂紋生熱及熱信號頻譜的規(guī)律。敬甫盛等[8]采用超聲熱波成像技術(shù)對機車鉤舌部件進行裂紋檢測，該技術(shù)對表面的形狀、銹跡、粉塵及污染等不敏感，在裂紋等缺陷檢測中有特殊的應(yīng)用優(yōu)勢;米浩等[9]使用限制對比度自適應(yīng)直方圖均衡方法對超聲激勵后熱圖像進行對比度增強，用巴特沃斯濾波器進行降噪，根據(jù)圖像的局部方差特征判斷是否有缺陷，并通過形態(tài)學(xué)處理對缺陷中心進行定位;吳昊等[10]認為超聲紅外熱波檢測法能快速有效檢測螺栓緊固件損傷，結(jié)合圖像識別方法可以有效提取損傷信息。

3? 結(jié)語

國內(nèi)外學(xué)者們針對超聲紅外熱像檢測法的研究已經(jīng)做了大量的工作，取得了可觀的理論成果，在一些實際的工程中也得到了應(yīng)用。綜觀超聲紅外熱像無損檢測技術(shù)在國內(nèi)外的研究領(lǐng)域和研究成果來看，可以預(yù)測到該技術(shù)發(fā)展趨勢將會在各個領(lǐng)域得到普及并越來越完善精確，具體體現(xiàn)為：

（1）研究方向：將針對該過程的理論以及溫升過程的量化過程開展研究，所研究的領(lǐng)域?qū)⑾驈?fù)合材料領(lǐng)域擴展。

（2）熱激勵方式：可能會將激勵源注入混凝土內(nèi)部來更好的研究升溫現(xiàn)象;對于不同的缺陷類型有針對性的選擇合適的超聲波頻率，提高熱圖像信噪比;

（3）熱圖像處理：可通過編制特制程序軟件對熱圖像進行去噪、去背景、提取關(guān)鍵點等;

（4）超聲激勵系統(tǒng)：進一步開發(fā)新的激勵系統(tǒng)應(yīng)用到實際大型工程中，并研發(fā)廣視角的紅外熱像儀;

（5）檢測過程：向全自動化檢測過程方向發(fā)展;

（6）三維建模：目前的熱像技術(shù)還停步在二維研究，而熱擴散是在三維空間中，所以對紅外熱圖像三維建模，確定缺陷的空間特征信息將是個新的研究課題。

參考文獻

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