沈功田,王尊祥

(中國特種設(shè)備檢測研究院，北京 100029)

目前，超聲、射線、渦流、磁粉、滲透等常規(guī)的無損檢測方法已在相關(guān)行業(yè)得到了成熟的應(yīng)用，但上述方法多用于已形成的宏觀缺陷的檢測，紅外檢測(Infrared testing, IRT)技術(shù)作為一種新的檢測方法，通過提取被檢測物體的紅外特征參數(shù)，可實現(xiàn)設(shè)備故障的實時監(jiān)測以及應(yīng)力集中和疲勞壽命的快速檢測。通過檢測此類“危險源”，可以確定構(gòu)件、設(shè)備的服役情況，從而為重要部件的后期壽命和安全評價提供參考和依據(jù)。與常規(guī)的無損檢測方法比較，紅外無損檢測還有以下優(yōu)勢：① 無需接觸測量；② 測量范圍大(可達(dá)0.1 m2)；③ 測量距離遠(yuǎn)(20 cm～20 m)； ④成像直觀、快速。IRT技術(shù)目前在航空航天、電力、建筑等工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。

筆者介紹了紅外檢測技術(shù)的原理，綜述了國內(nèi)外關(guān)于紅外檢測技術(shù)的發(fā)展情況和研究進(jìn)展，指出了重點研究領(lǐng)域和目前仍然存在的問題，最后介紹了基于紅外成像檢測技術(shù)的相關(guān)儀器設(shè)備和檢測標(biāo)準(zhǔn)，展望了該技術(shù)的未來發(fā)展趨勢和應(yīng)用前景。

1 IRT檢測原理

紅外檢測技術(shù)主要基于紅外輻射(紅外線)的理論，即任何高于絕對零度的物質(zhì)都會連續(xù)地向周圍輻射紅外線，紅外線是一種帶能量的電磁波，其波長為0.75～1 000 μm，頻率為3×1011～4×1014Hz[1]。紅外輻射與物體本身的溫度滿足一定的函數(shù)關(guān)系，被測物體表面溫度越高，輻射能量也越多。黑體紅外輻射的基本規(guī)律反應(yīng)了紅外輻射強度和波長隨溫度變化的定量關(guān)系，其滿足的基本規(guī)律主要有：普朗克輻射定律、維恩位移定律、斯特凡-玻爾茲曼定律等。

紅外線在大氣中穿透比較好的波段，被稱為“大氣窗口”，短波波長為3～5 μm，長波波長為7～14 μm。紅外熱像儀利用紅外探測器和光學(xué)成像系統(tǒng)接收被測物體的紅外輻射能量，并反映到紅外探測器的光敏元件上，從而獲得紅外熱像圖，這樣紅外熱像儀就將不可見的紅外能量轉(zhuǎn)化為可見的熱像圖，熱像圖與物體表面的熱分布場是相對應(yīng)的。通過對熱像圖溫度、幅值、相位等信息的提取和分析等，實現(xiàn)對被測物體的檢測、監(jiān)測和評估。

IRT檢測裝置根據(jù)是否需要外加激勵源可分為主動式和被動式兩種，檢測裝置分別如圖1和圖2所示。主動式檢測裝置由激勵部分(信號發(fā)生器和激勵源)、紅外熱像儀和PC(計算機(jī))終端3部分組成，而被動式檢測裝置無需激勵部分，紅外熱像儀主要由光學(xué)系統(tǒng)、紅外探測器、信號處理器和顯示器等4部分組成。PC終端可控制激勵信號以及對紅外熱像圖進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。

圖1 IRT主動檢測裝置示意

圖2 IRT被動檢測裝置示意

2 國外研究現(xiàn)狀

國外許多學(xué)者對紅外檢測技術(shù)的研究和應(yīng)用做了大量工作，比如法國國立高等工程技術(shù)學(xué)校的BALAGEAS團(tuán)隊[2]、意大利費德里克二世大學(xué)的MEOLA團(tuán)隊[3]以及日本名古屋大學(xué)的TSUJI團(tuán)隊、美國的RAMI HAJ-ALI團(tuán)隊、墨西拿大學(xué)的CRUPI等。目前,國際上對于紅外成像檢測技術(shù)的研究及應(yīng)用主要集中在缺陷檢測、應(yīng)力檢測和疲勞分析等方面。

2.1 缺陷檢測

目前,對于構(gòu)件缺陷的紅外成像檢測主要采用主動法，即通過對構(gòu)件施加可控的激勵來獲得熱像圖，構(gòu)件缺陷處與非缺陷處的熱阻和溫度分布是不同的，缺陷會阻礙“熱流”的均勻傳播擴(kuò)散，在構(gòu)件表面形成“高溫區(qū)”和“低溫區(qū)”。紅外熱成像檢測不受材料性質(zhì)的限制，目前主要集中應(yīng)用于復(fù)合材料領(lǐng)域的檢測，對裂紋、脫黏、沖擊損傷等缺陷的檢出率較高。CHATTERJEE等[4]在對紅外熱成像檢測技術(shù)進(jìn)行對比研究時發(fā)現(xiàn)，熱像圖的噪聲主要來源于結(jié)構(gòu)的不均勻性，當(dāng)缺陷位置較淺時，脈沖紅外熱成像檢測技術(shù)的圖像信噪比最高，但隨著缺陷深度的增加，3種方法的差異會逐漸減小。MUNOZ等[5]對航空碳纖維復(fù)合材料的損傷演變機(jī)理進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)0°拉伸有3種損傷：基體破壞、纖維斷裂和脫黏，而90°拉伸不存在基體破壞的模式。BALAGEASL等[6]對先進(jìn)復(fù)合材料的內(nèi)部裂紋、外部夾雜物、脫膠、分層等缺陷成功進(jìn)行了紅外無損檢測，發(fā)現(xiàn)相比其他檢測方法，該方法檢測效率更高，安全性更高，非常適于在線監(jiān)控。波蘭的PSUJ[7]對熱像圖序列進(jìn)行歸一化和DFT(離散傅里葉變換)處理，通過幅值和相位圖分析研究了裂紋的生長過程。TSUJI等[8]在碳纖維復(fù)合材料的鎖相試驗中發(fā)現(xiàn)低壓下厚度方向的熱擴(kuò)散系數(shù)要小于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的熱擴(kuò)散系數(shù)，平面方向上熱擴(kuò)散系數(shù)取決于激勵的加熱頻率。EKANAYAKE等[9]采用CT(X射線計算機(jī)斷層掃描)技術(shù)驗證了基于紅外成像技術(shù)的碳纖維缺陷幾何尺寸測量的準(zhǔn)確性，整體相對誤差小于10%。

金屬材料的熱傳導(dǎo)率相比復(fù)合材料的大很多，相對研究要少一些。KOCHANOWSKI等[10]發(fā)現(xiàn)采用脈沖紅外熱像法測得的奧氏體不銹鋼316L的熱擴(kuò)散系數(shù)與文獻(xiàn)中給出值的誤差僅為0.5%，利用熱傳導(dǎo)方程來解相關(guān)的簡單邊界條件也更加方便。SEKHARBABU等[11]對D2工具鋼的摩擦焊過程進(jìn)行紅外監(jiān)測，測得其紅外輪廓，并發(fā)現(xiàn)其焊接溫度場的峰值溫度可達(dá)1 200 ℃，由于馬氏體相變和初生碳化物的細(xì)化，提高了顯微硬度和耐磨性，有利于研究焊接過程中的組織變化。

2.2 應(yīng)力檢測

紅外應(yīng)力檢測是基于熱彈性效應(yīng)原理進(jìn)行的。紅外熱彈性效應(yīng)于1853年首次由LORD KELVIN提出，后經(jīng)過BLOT的進(jìn)一步研究，建立了表面溫度變化與應(yīng)力變化之間的定量關(guān)系表達(dá)式，如式(1)所示。

ΔTe=-KTΔσe

(1)

式中：ΔTe為在溫度T時的熱彈性溫度變化；K,T分別為與膨脹系數(shù)、密度和熱容量有關(guān)的常數(shù)；Δσe為彈性應(yīng)力增加值。

由式(1)可以看出，熱彈性溫度變化與彈性應(yīng)力增加值呈線性關(guān)系，任何固體材料在受到拉伸時，其自身溫度會降低，形成“冷發(fā)射”;在受到壓縮時，自身溫度會升高，形成“熱發(fā)射”。根據(jù)目前的研究可知，溫升1 mK，對應(yīng)鋼材的應(yīng)力變化約為1 MPa，對應(yīng)鋁構(gòu)件的應(yīng)力變化約為0.4 MPa[12]。

2008年，HAJ-ALI等[13]采用虛擬裂紋閉合技術(shù)(VCCT)和有限元(FE)兩種熱彈性應(yīng)力分析方法對復(fù)合材料表面的應(yīng)力場分布進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)I型應(yīng)力強度因子與應(yīng)力場有較高的吻合度，II型應(yīng)力強度因子與裂紋尖端的位置和尖端附近的非彈性以及損傷區(qū)域的大小有關(guān)。同年，EMERY等[14]提出了一種新的分層材料熱彈性定量分析矯正方法，并成功應(yīng)用于復(fù)合材料的檢測中。2011年，KUTIN等[15]采用紅外熱像技術(shù)對環(huán)氧玻璃復(fù)合材料進(jìn)行應(yīng)力檢測，試驗得到了傳統(tǒng)檢測技術(shù)的驗證，表明該方法可作為一種高效的復(fù)合材料早期診斷方法。BRéMOND等[16]在壓強30 MPa，加載頻率3 Hz的參數(shù)設(shè)置下準(zhǔn)確測量了裂紋長度。

2.3 疲勞分析

機(jī)械零部件在交變載荷的長期作用下，會萌生細(xì)小裂紋并形成主導(dǎo)裂紋隨后穩(wěn)定擴(kuò)展，最終引起構(gòu)件的失穩(wěn)或完全斷裂[17]。據(jù)報道，目前80%的斷裂事故屬于疲勞斷裂，金屬材料在疲勞試驗過程中的不同階段會伴隨有不同的固有耗散能釋放，材料的表面溫度在疲勞進(jìn)程中會出現(xiàn)3個階段：開始時表面溫度迅速升高，中間緩慢增加和最后裂紋擴(kuò)展時快速升高，且只有當(dāng)循環(huán)應(yīng)力大于疲勞極限時溫度才會顯著升高[18]。傳統(tǒng)的疲勞試驗周期長、成本高，紅外熱像儀的出現(xiàn)為疲勞檢測提供了一種新的快速高效檢測方法，采用紅外熱像儀來表征溫度的變化，可深入分析其斷裂原理。MICHAL等[19]已通過試驗驗證了該方法的可行性。目前，疲勞特性的研究已經(jīng)在鋼材、鑄鐵、鎂合金、鋁合金等金屬的疲勞試驗中取得了良好的效果。

LUONG[20]曾在1998年采用紅外熱像法研究了疲勞演變過程和預(yù)估汽車零部件連桿的疲勞極限。2010年，CRUPI等[21]在焊接接頭的低周疲勞試驗中發(fā)現(xiàn)材料表面也會出現(xiàn)類似高周疲勞的三個溫升階段，且溫升與磁滯回線緊密關(guān)聯(lián)，都屬于在塑性變形中釋放能量的一種表現(xiàn)形式。同年，CRUPI又對原有的熱像法(EM)進(jìn)行了改進(jìn)，與能量分析相結(jié)合，提出了一種新的定量分析方法來預(yù)測剩余疲勞壽命和進(jìn)行非線性應(yīng)力的測量，并通過試驗驗證得到測量誤差分別為13%和4%[22]。MOUMNI等[23]研究了加載頻率對形狀記憶合金的低周疲勞壽命影響，得到以下結(jié)論：① 隨著加載頻率的增加，溫度的振幅會隨著時間先增大后趨于穩(wěn)定；② 不管是應(yīng)力控制還是應(yīng)變控制,溫度振幅整體都會隨著加載頻率的增加而減少；③ 加載頻率很低時疲勞壽命對溫度基本無影響。

2.4 其他領(lǐng)域

由于紅外熱成像檢測具有檢測面積大、速度快、適于實時監(jiān)測等優(yōu)點，已被廣泛應(yīng)用在電力、建材、地質(zhì)、醫(yī)療、大氣研究等領(lǐng)域[24]。HUDA等[25]運用基于紅外熱成像法的智能系統(tǒng)進(jìn)行電力設(shè)備故障的預(yù)防性檢測，試驗采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和統(tǒng)計特征方法進(jìn)行設(shè)備內(nèi)部缺陷的檢測，結(jié)果表明統(tǒng)計特征方法具有更好的性能，準(zhǔn)確率為82.40%。KORDATOS等[26]利用紅外熱成像技術(shù)來評價壁畫和歷史紀(jì)念碑的損壞情況。LUONG[27]運用紅外熱成像技術(shù)來進(jìn)行土地動力學(xué)研究，為研究土地變形的機(jī)理提供了依據(jù)。MEOLA等[28]對熱塑性基體復(fù)合材料進(jìn)行在線紅外監(jiān)測中發(fā)現(xiàn)溫升與材料密切相關(guān)，從而可作為評判新材料性能的指標(biāo)，相位圖則可以為沖擊動力學(xué)提供參考信息。SAHU等[29]進(jìn)行了癌癥的紅外光譜研究工作。MEOLA等[30]發(fā)現(xiàn)相位值與材料的某些特性(密度，孔隙率，硬度等)相關(guān)聯(lián)。鎖相熱成像技術(shù)能夠區(qū)分成分非常相似的材料，可以用來表征金屬、塑料、復(fù)合材料等多種材料，評估材料老化或暴露于不利環(huán)境下而出現(xiàn)的特性變化情況。

3 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國的IRT技術(shù)起步于20世紀(jì)50年代，改革開放以來得到了迅速發(fā)展。目前國內(nèi)對IRT研究較多的有華中科技大學(xué)、電子科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、南京理工大學(xué)、首都師范大學(xué)、中國特種設(shè)備檢測研究院等科研院所。這些研究主要集中在缺陷檢測、應(yīng)力和疲勞分析、模擬仿真和圖像處理等方面，并涉及到了機(jī)械設(shè)備故障診斷的應(yīng)用領(lǐng)域。

3.1 缺陷檢測

國內(nèi)對于缺陷檢測的研究主要集中在常規(guī)、鎖相和脈沖相位等不同熱成像技術(shù)的理論和試驗研究中，如缺陷深度測量、相位信息分析等。張金玉等[31]在涂層的鎖相無損檢測中發(fā)現(xiàn)當(dāng)涂層厚度一定時，相位差隨著缺陷尺寸的增大會先增大后減小，并通過溫度的一階差分實現(xiàn)了對缺陷的定量識別。沈功田等[32]針對金屬高溫壓力管道設(shè)計了一系列試驗，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)熱率越低的材料，檢測靈敏度越高，缺陷顯現(xiàn)時間越長，缺陷面積越大，材料厚度越薄，檢測缺陷的靈敏度也越高;檢測靈敏度還與加熱和冷卻方式有關(guān)，試驗中內(nèi)部加熱法的檢測靈敏度高于外部冷卻法的。霍雁等[33]對電路板分層缺陷進(jìn)行檢測時發(fā)現(xiàn)，鎖相成像技術(shù)的缺陷檢出率要高于脈沖成像技術(shù)的。孫豐瑞等[34]系統(tǒng)地研究了正弦規(guī)律加熱沉孔型缺陷時的表面溫度變化的情況，發(fā)現(xiàn)構(gòu)件材料對檢測表面溫差變化影響較大，采用反射法和透射法檢測，構(gòu)件表面的溫度場變化趨勢是一致的。李艷紅[35]通過傅里葉變換提取紅外熱波信號的位相頻率信息來檢測缺陷深度，得出計算深度是實際深度的1.98倍的結(jié)論。

在復(fù)合材料的檢測方面，武翠琴等[36]對玻璃纖維復(fù)合材料殼體/絕熱層構(gòu)件中深度為5 mm以內(nèi)、直徑10 mm以上的脫黏缺陷取得了較好的檢測效果。周正干等[37]進(jìn)行了鈦合金蜂窩結(jié)構(gòu)蒙皮的紅外熱成像研究工作，發(fā)現(xiàn)厚度為0.6～2.0 mm構(gòu)件的最佳鎖相檢測激勵調(diào)制頻率為0.04 Hz～0.1 Hz。蔣淑芳等[38]采用紅外熱成像技術(shù)成功檢測出鋁蜂窩復(fù)合材料的夾層膠接情況和蜂窩結(jié)構(gòu)。

3.2 應(yīng)力和疲勞分析

我國的應(yīng)力、疲勞分析研究多與實際應(yīng)用相結(jié)合，沈功田[39-40]通過檢測蓄能器疲勞區(qū)熱斑跡的變化來研究裂紋的走向和大小變化，此外對液化石油氣儲罐的應(yīng)力集中部位的檢測也取得了良好的效果。曾偉等[41]提出了一種基于溫升對循環(huán)周次的積分M，來確定材料的S-N(應(yīng)力-疲勞)曲線的新方法。呂寶西[42]在對U71Mn鋼軌疲勞裂紋擴(kuò)展的紅外檢測試驗中，發(fā)現(xiàn)低速擴(kuò)展裂紋尖端的溫度高于周圍的現(xiàn)象并不明顯，金屬表面的裂紋紅外檢測效果并不理想。王文先等[43]采用紅外熱成像技術(shù)研究了AZ31B鎂合金的裂紋尖端溫升值與裂紋擴(kuò)展速度之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)快速擴(kuò)展階段的溫升明顯大于穩(wěn)定擴(kuò)展階段的。李萌等[44]對2A12鋁合金的鉚接結(jié)構(gòu)進(jìn)行了紅外鎖相疲勞極限的快速測定，對試驗結(jié)果采用階梯法驗證,得到誤差為4.82%，此方法尤其適用于處于多軸應(yīng)力狀態(tài)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件。張傳豹[45]對Q235材料的十字接頭焊趾處應(yīng)力集中系數(shù)進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)結(jié)果高于理論計算和仿真模擬計算的結(jié)果，但仍是可信的。李旭東等[46]采用鎖相紅外熱成像技術(shù)選取合適的加載頻率，成功地對機(jī)翼表面的應(yīng)力分布狀態(tài)進(jìn)行了測量。

3.3 模擬仿真

國內(nèi)還有很多學(xué)者利用ANSYS,MATLAB等仿真軟件對紅外檢測技術(shù)進(jìn)行了研究。顧桂梅等[47]對鋼軌裂紋缺陷進(jìn)行模擬研究，并采用溫度-時間二階對數(shù)微分峰值法進(jìn)行裂紋深度計算，發(fā)現(xiàn)對鋼軌亞表面6 mm以內(nèi)的疲勞裂紋有較高的準(zhǔn)確性。郭杏林等[48]對焊接接頭采用差分熱像法獲得了不同應(yīng)力范圍的穩(wěn)定溫升值，通過建立的能量損傷模型得到的剩余疲勞壽命與實際值誤差為6.5%，實現(xiàn)了快速預(yù)測。劉俊巖等[49-50]發(fā)現(xiàn):隨著缺陷與加載中心距離的增加，幅值差會降低但相位差基本保持不變，初始靜壓升高，幅值差升高，相位差基本不變;調(diào)制頻率提高，幅值差降低，相位差升高。此外,他們還通過建立的熱-電等效模型確定了相位與缺陷深度之間的關(guān)系。郭興旺等[51]通過建立振動熱像檢測的數(shù)學(xué)模型研究裂紋區(qū)表面溫升與激勵時間、頻率、幅值等參數(shù)的關(guān)系。張金玉等[52]建立了涂層的三維瞬態(tài)導(dǎo)熱模型，得到了鎖相法理論可檢的最大涂層厚度是熱擴(kuò)散長度的1.5～2倍,且檢測厚涂層時檢測頻率應(yīng)適當(dāng)減小的結(jié)論，并給出了涂層厚度與相位的計算關(guān)系式。

3.4 圖像處理

在圖像處理方面，秦翰林等[53]針對弱小目標(biāo)的復(fù)雜背景提出了剪切波與高斯尺度混合模型的新算法，檢測結(jié)果優(yōu)于二維最小均方誤差濾波算法的結(jié)果。周正干等[54]對紅外鎖相法得到的相位圖采用模糊C均值(CFM)算法進(jìn)行處理，對缺陷進(jìn)行定量檢測，誤差小于4%，具有很高的吻合度。李宇光等[55]提出了一種新的小波變換的紅外圖像增強技術(shù)，該技術(shù)更有利于故障點的信息提取，提高檢測的準(zhǔn)確性?？甸L青等[56]針對目前算法的鬼影和參數(shù)時間漂移的問題，提出了一種新的基于中間均衡直方圖的圖像矯正算法。

3.5 故障診斷

我國紅外檢測技術(shù)的應(yīng)用最早開始于電力行業(yè)的故障診斷與監(jiān)測，但存在圖像噪聲大、精度不高的問題，上述圖像處理的研究工作大大提高了弱小目標(biāo)的檢測精度，為紅外檢測技術(shù)的應(yīng)用提供了更多的可能。李大鵬等[57]針對機(jī)電設(shè)備給出了一種紅外故障診斷可診性的評價體系，為故障診斷應(yīng)用提供了參考。于澤奇[58]設(shè)計了基于紅外熱成像的輪機(jī)故障檢測系統(tǒng)，可以用來監(jiān)控船舶設(shè)備運行情況和查找故障。李明等[59]成功自行設(shè)計了高溫爐管剩余壽命的紅外在線監(jiān)測系統(tǒng)。葉超等[60]將紅外熱像技術(shù)應(yīng)用于游樂設(shè)施的機(jī)械和電氣部件的檢測中，取得了初步結(jié)果。楊振中等[61]對汽車尾氣排放物的成分和濃度進(jìn)行了紅外光譜研究，并提出了實時性較好的診斷技術(shù)。

4 國內(nèi)外IRT儀器現(xiàn)狀

紅外熱像儀主要有制冷型紅外熱像儀和非制冷型紅外熱像儀兩種。制冷型紅外熱像儀由于價格昂貴、攜帶不方便等原因還未得到大規(guī)模應(yīng)用；非制冷型紅外熱像儀經(jīng)過近20年的快速發(fā)展，價格已大幅下降，性能也得到了快速提升，受到了多個行業(yè)的青睞。作為儀器核心的紅外探測器，光譜響應(yīng)從短波紅外擴(kuò)展到長波紅外，實現(xiàn)了對室溫目標(biāo)的探測，成像目標(biāo)也從單元發(fā)展到多元，從多元發(fā)展到焦平面，實現(xiàn)了單波段向多波段、點源探測到目標(biāo)熱成像的飛躍，為系統(tǒng)應(yīng)用提供了充分的選擇余地。紅外熱像儀包括便攜式、在線式和掃描式三大系列，并部分配有各種選件(如鏡頭、存儲卡等)。

4.1 國外設(shè)備

瑞典的AGEMA公司于1995年首先開發(fā)了鎖相熱成像檢測技術(shù)，后被FLIR公司并購，目前美國的TWI、德國的Edevis以及以色列的Opgal公司的主動式紅外熱成像檢測系統(tǒng)產(chǎn)品技術(shù)較成熟，應(yīng)用較廣。被動式的紅外熱像儀廠家較多，知名的有美國的FLIR、RAYTEK、KELLER和日本的NEC、德國的Infratec等公司。其中美國FLIR公司主要的紅外檢測設(shè)備有P系列、E系列、S系列、A系列、2000/3000系列、FLIR B 系列、FLIR T 系列、SC 7000系列、BCAMTM系列等眾多產(chǎn)品。

FLIR公司的T640紅外熱像儀，分辨率高達(dá)640像素×480像素，視場角可達(dá)25°×19°，1～8倍的變焦，內(nèi)置800像素×480像素的取景器，在工業(yè)檢測領(lǐng)域尤其是電力行業(yè)的絕緣子脫落、連接松動、接觸不良、過熱、過載等故障的監(jiān)測中，有著廣泛的應(yīng)用。RAYTEK公司的MT4紅外測溫儀，測溫范圍為-18 ℃～400 ℃；距離系數(shù)比達(dá)8…1，采用單點激光瞄準(zhǔn)，主要應(yīng)用于汽車檢測與維護(hù)、燃油壓力過低、排風(fēng)系統(tǒng)以及冷卻系統(tǒng)的檢測中。

4.2 國內(nèi)設(shè)備

我國紅外熱成像檢測技術(shù)起步較晚，1975年西安熱工所和昆明物理所等單位合作研制了我國第一臺HRD21紅外熱像儀。華中光電研究所于2001年成功研制了首臺非制冷型紅外熱像儀。武漢高德紅外于2014年成功研制出紅外探測器芯片，打破了國外技術(shù)壟斷。

我國研究人員在增透膜和中長波紅外變焦系統(tǒng)的改進(jìn)、雜散輻射的抑制等方面做了大量的工作。中科院的楊為錦設(shè)計了高變倍比中波紅外連續(xù)變焦系統(tǒng)，實現(xiàn)了11～200 mm的連續(xù)變焦，變倍比達(dá)18+，滿足100%冷光闌效率[62]。昆明物理所設(shè)計了折射/衍射的長焦距紅外系統(tǒng)，系統(tǒng)焦距可達(dá)300 mm[63]。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的汪子君等[64]在國外熱像儀的基礎(chǔ)上建立了紅外熱像無損檢測系統(tǒng)，并自行設(shè)計了硬件和軟件系統(tǒng)，經(jīng)測試性能達(dá)到了國外同類技術(shù)水平。

目前國內(nèi)從事紅外檢測技術(shù)產(chǎn)品研制、生產(chǎn)和經(jīng)營的單位約有400余家。國內(nèi)紅外檢測設(shè)備生產(chǎn)廠家有廣州颯特、濟(jì)寧科電、浙江大立、武漢高德以及推出主動式紅外熱成像系統(tǒng)的北京維泰凱信和南京諾威爾等公司。廣州颯特生產(chǎn)的VS 640型高端旗艦機(jī)，主要應(yīng)用于電力、建筑、石油化工、制造業(yè)等工業(yè)領(lǐng)域，紅外測溫范圍為-20 ℃～600 ℃，最高可達(dá)2 000 ℃，分辨率可達(dá)640像素×480像素，精度可達(dá)±2 ℃。維泰凱信的InspectIR2.0系統(tǒng)，易于操作，速度快，每次測量一般只需幾秒到幾十秒鐘；高效、單次檢測面積大，大型試件的分區(qū)檢測結(jié)果可自動拼圖處理，能定量測量缺陷的位置、大小和深度，可集成多種激勵方式。

5 國內(nèi)外檢測標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

由于紅外技術(shù)興起較晚，研究也正處于發(fā)展階段，目前國內(nèi)外關(guān)于紅外檢測的標(biāo)準(zhǔn)已陸續(xù)頒布，并在加速制定中。

國際上主要有ISO 10878:2013 《無損檢測-紅外熱成像技術(shù)-術(shù)語》、ISO 10880:2017 《無損檢測-紅外熱成像檢測-導(dǎo)則》和ISO 18251-1:2017《無損檢測-紅外熱成像檢測 第1部分：系統(tǒng)和設(shè)備的特性》；美國的材料與試驗協(xié)會ASTM也頒布了幾項紅外熱成像標(biāo)準(zhǔn)，如：ASTM E1862-14 《用紅外成像輻射儀測量和均衡反射溫度的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法》、ASTM E1897-14 《用紅外成像輻射儀測量和均衡衰減介質(zhì)的傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)試驗方法》、ASTM E1933-14 《用紅外成像輻射儀測量和均衡衰減介質(zhì)發(fā)射率的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法》；ASTM E1934-99a(2014) 《機(jī)械和電氣紅外熱成像技術(shù)應(yīng)用導(dǎo)則》，此外還有一些美國軍用電氣紅外檢測標(biāo)準(zhǔn)。

國內(nèi)相關(guān)人員也做了大量的研究和制定工作[65-66]。主要有GB/T 12604.9-2008 《無損檢測 術(shù)語 紅外檢測》、GB/T 31768.2-2015 《無損檢測 術(shù)語 第2部分：檢測規(guī)范》、GB/T 26643-2011 《無損檢測 閃光燈激勵紅外熱像法 導(dǎo)則》、GB/T 31768.2-2015 《無損檢測 閃光燈激勵紅外熱像法 第2部分：檢測規(guī)范》、GB/T 26643.3-2015 《無損檢測 閃光燈激勵紅外熱像法 第3部分：試塊》、GB/T 31768.4-2015 《無損檢測 閃光燈激勵紅外熱像法 第4部分：檢測系統(tǒng)》、GB/T 19870-2018 《工業(yè)檢測型紅外熱像儀》和DL/T664-2008 《帶電設(shè)備紅外診斷技術(shù)應(yīng)用導(dǎo)則》、GB/T 28706-2012 《無損檢測 機(jī)械及電氣設(shè)備紅外熱成像檢測方法》、GB/T 36668.3-2018 《游樂設(shè)施狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷 第3部分：紅外熱成像監(jiān)測方法》、HB 8428-2014 《航空復(fù)合材料閃光燈激勵紅外熱成像檢測方法》、MH/T 3022-2011 《航空器復(fù)合材料構(gòu)件紅外熱像檢測》，此外還有一些物質(zhì)紅外光譜法的標(biāo)準(zhǔn)如DB 23/T 1196-2007 《植物油反式脂肪酸的測定紅外光譜法》、DB 37/T 2651-2015 《車用汽油中甲縮醛含量的測定 紅外光譜法》等。

6 紅外檢測技術(shù)應(yīng)用

6.1 卷揚機(jī)紅外檢測應(yīng)用

卷揚機(jī)作為常見機(jī)械系統(tǒng)部件，因操作簡單、繞繩量大、移置方便而廣泛應(yīng)用于建筑、水利工程、礦山等行業(yè)，作為主要受力部件的鋼絲繩，常見的報廢原因有直徑減小、表面腐蝕、結(jié)構(gòu)破壞、超載等，紅外檢測技術(shù)可以方便快捷地判斷鋼絲繩的使用情況。

機(jī)械系統(tǒng)鋼絲繩受力時，兩端鋼絲繩的受力明顯大于中間部分的，這與機(jī)械結(jié)構(gòu)和安裝都有密切聯(lián)系。鋼絲繩長期受力不平衡會出現(xiàn)損耗，鋼絲繩的溫度變化可以反映出卷揚機(jī)的運動狀態(tài)和安全狀態(tài)，可為鋼絲繩的串位和更換提供指導(dǎo)。卷揚機(jī)的可見光圖與紅外熱像圖如圖3所示。

圖3 卷揚機(jī)的可見光圖與紅外熱像圖

6.2 液壓系統(tǒng)紅外檢測應(yīng)用

液壓站是為機(jī)械運行提供潤滑、動力的一種機(jī)電裝置。液壓系統(tǒng)對溫度變化敏感，溫度每升高10 ℃,密封件壽命就會減半，所以應(yīng)密切關(guān)注液壓系統(tǒng)的油溫變化，采用紅外檢測技術(shù)可以快速檢測油溫的變化情況，排除安全隱患。

圖4，5可以客觀反映出液壓系統(tǒng)的工作原理，不同輸油管和回油管的溫度呈現(xiàn)相同的周期性變化趨勢，出油管的溫度變化幅度相對較小，經(jīng)散熱后的溫度要低于散熱前的油管溫度。這些發(fā)熱規(guī)律都為實際工作中液壓系統(tǒng)的維護(hù)保養(yǎng)提供了重要的參考，比如油液污染時，各輸油管的溫度會普遍高于正常溫度，某處油管濾芯堵塞或者出現(xiàn)連接問題會造成某一段油管的溫度異常，散熱扇散熱效率下降會導(dǎo)致回油管的溫度異常等。

圖4 液壓系統(tǒng)的可見光圖和紅外熱像圖

圖5 液壓系統(tǒng)的溫度變化曲線

6.3 電氣系統(tǒng)紅外檢測應(yīng)用

電氣系統(tǒng)的檢測大部分需要停電進(jìn)行，發(fā)熱點溫度難以量化，測量時也有一定的危險性，紅外檢測技術(shù)具有非接觸、檢測面積大、不受白天黑夜影響等特點，可以解決上述問題。若發(fā)生電氣設(shè)備故障，故障點的溫度會大幅上升，并以故障點為中心向外圍輻射大量的熱能，在周圍形成一個“能量熱場”，通過檢測“能量熱場”就可以找到故障發(fā)生處。

圖6 電氣系統(tǒng)溫度紅外及溫升圖

圖6是采用紅外檢測技術(shù)進(jìn)行電氣系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測應(yīng)用的案例，案例中采集了電氣柜中24組接線端子的溫度變化數(shù)據(jù)，采用參數(shù)對比法進(jìn)行故障分析和診斷。由圖6可以看出，11號測試點的溫度發(fā)熱明顯異常，溫度相比其余測試點要高出2℃～5℃，經(jīng)檢查，11號測試點的接線端子發(fā)生松動，后經(jīng)維修，溫度恢復(fù)正常。

7 發(fā)展趨勢

紅外熱成像檢測技術(shù)作為新興的和逐步成熟的無損檢測技術(shù)，具有非接觸、一次可測量面積大、快速高效等優(yōu)點，得到了很多學(xué)者的關(guān)注，目前在電力、航空航天、交通運輸、石油化工、冶金、醫(yī)藥等設(shè)備的檢測監(jiān)測方面得到了成熟應(yīng)用并有著巨大的應(yīng)用前景。面向眾多的工程需求和目前紅外檢測技術(shù)存在的不足，筆者認(rèn)為未來紅外檢測技術(shù)的發(fā)展應(yīng)集中在以下幾個方面。

(1) 材料內(nèi)部缺陷的二維或三維模型建立、缺陷尺寸定量化檢測的研究。

(2) 設(shè)備的運行狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷方法的研究。

(3) 幅值相位等數(shù)據(jù)信息提取以及小波變換、模糊算法等數(shù)據(jù)處理的研究。

(4) 便攜化、簡單化、智能化檢測設(shè)備的開發(fā)和研究。

(5) 激勵方式的多樣化研究。

(6) 新檢測標(biāo)準(zhǔn)的制定和標(biāo)準(zhǔn)體系的建立。

8 結(jié)語

近幾年國內(nèi)外關(guān)于IRT技術(shù)的研究越來越多，應(yīng)用也越來越廣泛。目前國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)揭示了許多熱像圖特征與對應(yīng)缺陷之間的關(guān)系，為材料尤其是復(fù)合材料和新材料的缺陷檢測提供了一種新的高效檢測方法。IRT技術(shù)還可以實現(xiàn)金屬材料的應(yīng)力分析、疲勞壽命的快速預(yù)測，同時也帶動了模擬仿真、圖像處理、紅外系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)的進(jìn)步。

與歐美等發(fā)達(dá)工業(yè)國家相比，目前我國IRT技術(shù)領(lǐng)域的儀器開發(fā)和工程推廣應(yīng)用等方面略顯薄弱，在缺陷識別和自動化檢測方面的差距較大，國內(nèi)還未形成完善的缺陷識別方法。今后應(yīng)該加大IRT技術(shù)的基礎(chǔ)研究和工程應(yīng)用、設(shè)備系統(tǒng)的自主開發(fā)，尤其是自動化檢測缺陷的研究以及相關(guān)行業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)化制定工作，發(fā)掘紅外熱成像技術(shù)更大的工程應(yīng)用潛能。