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(1 紹興文理學(xué)院數(shù)理信息學(xué)院 浙江 紹興 312000)

(2 浙江古越龍山紹興酒股份有限公司 浙江 紹興 312000)

陶瓷酒瓶是一種常見容器,通常用于盛裝液體或需要密封的固體。因此,陶瓷酒瓶的密封性對其性能至關(guān)重要,直接影響酒的品質(zhì)。酒瓶不僅易于研究,同時(shí)還具有極高研究價(jià)值。

在傳統(tǒng)陶瓷缺陷檢測方法中,包括目視檢查和手觸檢測等。目視檢查是通過仔細(xì)觀察酒瓶的外觀,尤其是底部和側(cè)面,來查找可見的裂紋或損壞。有時(shí)候,利用光線照射酒瓶,裂紋在特定角度下更加明顯可見。手觸檢測則是用手輕輕摩擦或滑動(dòng)在酒瓶表面,特別是在疑似存在裂紋的區(qū)域。如存在裂紋,你可能會(huì)感覺到表面不平滑或微小凹陷。然而,這些傳統(tǒng)的檢測方法需要大量的人力和時(shí)間成本。對于大規(guī)模生產(chǎn)線來說,依賴人工檢測可能既不高效,也成本過高。此外,長時(shí)間的檢測也可能導(dǎo)致疲勞和注意力不集中,從而錯(cuò)過或錯(cuò)誤地判斷一些缺陷。因此,運(yùn)用科技手段輔助陶瓷酒瓶缺陷檢測非常必要,既能提高生產(chǎn)效率,降低人工成本,又能發(fā)現(xiàn)人眼無法察覺的裂紋。

目前,采用科技手段進(jìn)行酒瓶缺陷檢測的方法有超聲波檢測、紅外熱成像、聲發(fā)射、激光超聲和X 射線等。超聲波和聲發(fā)射檢測方法對于分層、密度缺陷、裂紋和焊縫等缺陷非常敏感、效率高、缺陷定位準(zhǔn)確,但難以檢測到材料內(nèi)部缺陷,存在一定的檢測盲區(qū)。激光檢測成本較高,不適合大批量檢測。使用X 射線檢測陶瓷缺陷的成本相對較高,大型陶瓷產(chǎn)品的檢測效率也較低,甚至難以檢測。相比之下,紅外熱成像檢測技術(shù)適用性廣、非接觸、操作簡單,可在線檢測等特點(diǎn),同時(shí)檢測效率高,檢測信息也更加豐富完整,更適合工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化和大批量檢測。因此,筆者將采用紅外熱成像技術(shù)來探索酒瓶缺陷。

1 材料和方法

1.1 紅外無損檢測原理

紅外熱成像技術(shù)是指利用紅外攝像機(jī)將樣品表面不可見的紅外熱輻射特定波段信號轉(zhuǎn)換為人眼可直觀識別、非接觸、實(shí)時(shí)的快速檢測方法的圖像,進(jìn)一步計(jì)算溫度值,從而觀察物體的溫度分布。因?yàn)槲矬w自身的輻射是各個(gè)方向的,其紅外輻射能量大小按其波長的分布與其表面溫度有著十分密切的關(guān)系。該檢測技術(shù)主要基于紅外光波的理論,運(yùn)用斯蒂芬-波爾茲曼定律,該定律描述了黑體紅外輻射的能量與黑體本身的溫度之間關(guān)系,即:

式中:σ——斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù);T——待測物體表面面元的溫度;ω——物體表面總輻射度。

通過公式(1)可以得知,黑體輻射的功率與黑體本身的熱力學(xué)溫度的4次方成正比。這意味著即使物體的溫度變化非常小,也會(huì)引起較大的熱效應(yīng)變化。因此,紅外熱成像技術(shù)可以通過檢測非常小的溫度變化來實(shí)現(xiàn)對物體表面缺陷的高效檢測,而不會(huì)超出其測量范圍。這一點(diǎn)對于陶瓷酒瓶等易受損物體的檢測尤為重要。通過紅外熱成像技術(shù)的應(yīng)用,可以實(shí)現(xiàn)對大批量酒瓶的高效無損檢測,從而提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量控制水平。

在主動(dòng)式紅外熱成像技術(shù)中,通過對被檢測物體施加熱激勵(lì)來獲取高質(zhì)量的熱圖像。在本研究中,我們采用主動(dòng)式紅外無損檢測技術(shù)來探測酒瓶的裂縫。該方法通過施加可控的熱激勵(lì),使內(nèi)部的缺陷在表面溫度場中顯示出差異,從而實(shí)現(xiàn)無損檢測。具體而言,我們通過加熱酒瓶來產(chǎn)生溫度梯度,以便檢測其中的裂縫。根據(jù)熱量在物體中的傳導(dǎo)原理,熱量會(huì)在材料周圍傳遞。當(dāng)熱量傳播到內(nèi)部時(shí),由于裂縫阻礙,熱量會(huì)積聚并在表面形成高溫區(qū)域。通常情況下,被測物體和缺陷之間的密度和熱容量差異會(huì)導(dǎo)致有關(guān)表面和內(nèi)部缺陷的信息。我們可以利用紅外熱像儀連續(xù)觀察和記錄物體表面的溫度場變化,從而定性和定量地描述物體內(nèi)部異質(zhì)結(jié)構(gòu)。

在使用主動(dòng)式紅外技術(shù)進(jìn)行酒瓶無損檢測的實(shí)際過程中,如果被檢測的酒瓶存在裂縫,則裂縫區(qū)域中間存在空氣介質(zhì),而空氣的比熱容比陶瓷大得多。由于物體比熱容越大,物體的降溫速度越慢,因此裂縫區(qū)域相對于其他陶瓷區(qū)域的溫度下降速度更慢,產(chǎn)生存在溫差的圖像。通過比較呈現(xiàn)的酒瓶溫度圖像分布情況和實(shí)際上觀察到的酒瓶裂縫,可以驗(yàn)證紅外熱成像技術(shù)在酒瓶無損檢測方面的可行性。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

本課題使用一款由FLIR(菲力爾)公司研制的紅外熱成像系統(tǒng)FLIR X8501sc,如圖1所示。該系統(tǒng)可以收集和分析物體發(fā)出紅外輻射能量,并將其轉(zhuǎn)換為可見光圖像形式表達(dá),從而檢測物體變形和損傷。紅外熱成像系統(tǒng)組成如表1所示,它具有增強(qiáng)的紅外圖像分辨率功能,能夠進(jìn)行在線控制和實(shí)時(shí)測量分析。此外,它還能自動(dòng)追蹤并顯示整體和選定測量區(qū)域最高/最低溫度位置,并具備自定義溫度曲線和自動(dòng)逐像素輻射率值修正模塊等分析能力。

表1 紅外熱成像系統(tǒng)組成

圖1 紅外熱成像系統(tǒng)FLIR X8501sc

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

本實(shí)驗(yàn)選用了由浙江古越龍山紹興股份有限公司提供的5個(gè)樣品,其中1#～4#樣品均含有細(xì)微裂縫,作為實(shí)驗(yàn)組;5#樣品完好無裂縫,作為對照組,詳見表2和圖2。

表2 樣品介紹

圖2 本次實(shí)驗(yàn)使用的樣品實(shí)物

本實(shí)驗(yàn)所用到的實(shí)驗(yàn)儀器有:①加熱儀器:熱風(fēng)槍;②檢測儀器:紅外熱成像系統(tǒng)(菲力爾公司)。

在實(shí)驗(yàn)開始前,需要將紅外熱成像系統(tǒng)的主機(jī)調(diào)整到合適的高度(放置在三腳架上,高度約為85 c m),并將樣品容器放置在距離地面65 c m 左右的桌面上,并用記號筆在桌上做好標(biāo)記,以確保每次測試時(shí)樣品都處于同一水平位置。在使用紅外熱成像系統(tǒng)檢測前,需要設(shè)定設(shè)備為自動(dòng)調(diào)整測溫范圍,并且手動(dòng)調(diào)整焦距。

1.3.2 樣品加熱處理

將電源插頭插入插座上,打開熱風(fēng)槍電源,并將風(fēng)量、溫度調(diào)節(jié)至1～2檔。加溫人員將風(fēng)槍垂直對準(zhǔn)樣品,使風(fēng)嘴距樣品約2～3 c m 左右,均勻移動(dòng)加熱樣品。待樣品溫度加熱至90℃后,關(guān)閉熱風(fēng)槍,并將樣品靜置于26℃房間內(nèi),使其冷卻至62℃。

1.3.3 熱紅外圖像采集

將樣品放置在桌子上的標(biāo)記處,并盡量使紅外熱成像主機(jī)與樣品保持水平一致。一邊轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)焦輪,一邊觀測顯示屏上實(shí)時(shí)變化的紅外熱圖像。當(dāng)樣品到達(dá)焦點(diǎn)時(shí),熱圖像變得清晰。記下當(dāng)前圖像位置的編號,并捕獲圖像。為了保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的完整性,本研究將對同一樣品進(jìn)行不間斷的測量,直到樣品冷卻到室溫為止。

1.3.4 圖像數(shù)據(jù)的導(dǎo)出

在檢查圖像過程中,如果對結(jié)果滿意,可以將圖形按所需不同圖片格式保存到存儲(chǔ)位置上。圖片上標(biāo)注設(shè)備的溫度跨度,并對圖像做出相應(yīng)的編輯,這可用于撰寫分析報(bào)告時(shí)分析使用。此外,還可按更改熱像視圖的方法,選用溫度計(jì)來輸出樣本的溫度數(shù)據(jù)。該文件可以直接在無安裝儀器操作分析軟件的Windows電腦上打開、播放、數(shù)據(jù)分析與處理等。

2 結(jié)果與討論

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在樣品冷卻至室溫的過程中,研究團(tuán)隊(duì)總共采集了數(shù)千張熱紅外圖像。在1#樣品的實(shí)驗(yàn)中,采集到的第1張熱紅外圖像的最高溫度在47.4℃以上,如圖3所示。

圖3 1#樣品的第1張熱紅外圖像

隨著樣品溫度下降,最高溫度也逐漸降低。在本次實(shí)驗(yàn)中,當(dāng)1#樣品接近室溫時(shí),也就是在第1 456張紅外圖像時(shí),得到熱紅外圖像的最高溫度為27.7℃左右。如圖4所示。

圖4 1#樣品的第1 456張熱紅外圖像

為了證明哪張熱紅外圖像更具有代表性,研究團(tuán)隊(duì)還拍攝了1#樣品的照片,如圖5所示。通過將兩張熱紅外圖像與實(shí)物圖進(jìn)行對比,很容易發(fā)現(xiàn),溫度更高時(shí)的熱紅外圖像有1個(gè)明顯的孔洞和1條不是非常明晰的裂縫,分別與實(shí)物相對應(yīng)。

圖5 1#樣品裂縫及孔洞拍攝

通過對比分析數(shù)千張熱紅外圖像,研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)隨著陶瓷溫度的升高,孔洞區(qū)域更加明顯,這意味著陶瓷溫度越高,紅外檢測的精準(zhǔn)度越高。這個(gè)發(fā)現(xiàn)對于選擇溫度較高的熱紅外圖像具有重要意義。此外,根據(jù)斯蒂芬-波爾茲曼定律,物體黑體輻射的功率與其絕對溫度的4次方成正比。因此,高溫物體具有更強(qiáng)的黑體輻射功率。這為選擇溫度較高的熱紅外圖像提供了理論依據(jù)。

在本實(shí)驗(yàn)中,研究團(tuán)隊(duì)在排除了每個(gè)樣品的第1張圖像與之后的幾張圖像幾乎沒有差異的情況下,選擇了每個(gè)樣品的第一張熱紅外圖像作為代表性圖像進(jìn)行進(jìn)一步的分析和討論。

2.2 討論

2#樣品的實(shí)物圖和熱紅外圖像如圖6 所示。在圖6(a)實(shí)物圖可以觀察到一條豎直的裂縫,同時(shí)上方的裂縫相對于下方的裂縫多而密。而圖6(b)熱紅外圖像顯示,在裂縫多而密的區(qū)域是溫度最高的白色區(qū)域。同時(shí)觀察到僅次于白色區(qū)域的橙紅色區(qū)域,其疏密正好形與實(shí)物相符合的一條線。

圖6 2#樣品裂縫拍攝(a)及2#樣品的第1張熱紅外圖像(b)

3#樣品的實(shí)物圖與熱紅外圖像分別如圖7所示。根據(jù)圖7(a)的實(shí)物圖,可以觀察到右下方有一小塊白色的弧形帶狀區(qū)域,其形成的原因是黃酒在通過裂縫滲透出來后發(fā)生變質(zhì),有白色霉菌產(chǎn)生。圖7(b)的熱紅外圖像顯示:在滲透黃酒的區(qū)域是溫度最高的紅色區(qū)域。同時(shí)觀察到在上方同樣處于凹陷的“國”字所在的區(qū)域,溫度明顯不如右下角滲透部位所在的區(qū)域。說明熱紅外檢測對裂縫的敏感性要大于酒瓶形狀上的一般差異所帶來的影響。

圖7 3#樣品裂縫拍攝(a)及3#樣品的第1張熱紅外圖像(b)

4#樣品的實(shí)物圖與熱紅外圖像分別如圖8所示。根據(jù)圖8(a)的實(shí)物圖,可以觀察到一條左下方到右上方的裂縫。圖8(b)的熱紅外圖像顯示:右上角的裂縫所在的區(qū)域溫度最高,左下的區(qū)域溫度相對較低,但仍高于沒有裂縫的區(qū)域。經(jīng)過仔細(xì)觀

圖8 4#樣品裂縫拍攝(a)及4#樣品的第1張熱紅外圖像(b)

5#樣品的實(shí)物圖與熱紅外圖像分別如圖9所示。5#樣品是本次實(shí)驗(yàn)中的對照組,是沒有裂縫的完好陶瓷酒瓶。通過5#樣品的熱紅外圖像,只能觀察到由于結(jié)構(gòu)帶來的溫度差異,非常均勻、規(guī)律,沒有裂縫存在時(shí)那樣的不規(guī)則區(qū)域產(chǎn)生,與上方有裂縫的1#、2#、3#、4#樣品形成對比。證明了熱紅外檢測陶瓷裂縫的可行性。

圖9 5#樣品裂縫拍攝(a)及5#樣品的第1張熱紅外圖像(b)

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)使用FLIR X8501sc紅外熱成像系統(tǒng)對陶瓷酒瓶進(jìn)行了溫度場的測量,并將其轉(zhuǎn)換為可見熱紅外圖像,進(jìn)行了實(shí)時(shí)的連續(xù)測量。通過對比樣品的熱紅外圖像和實(shí)際裂縫的位置和形狀,得出以下結(jié)論:

(1)隨著陶瓷酒瓶的溫度越高,紅外檢測越精確,溫度差異的分布也越明顯。這意味著在高溫下,熱紅外圖像能更準(zhǔn)確地顯示出裂縫的形狀和位置。

(2)熱紅外檢測會(huì)受到酒瓶本身形狀的影響,熱分布與酒瓶形狀有關(guān)。然而,這并不會(huì)影響到裂縫的檢測,因?yàn)榱芽p的存在會(huì)形成額外的熱分布區(qū)域,與完好的酒瓶區(qū)分開來。同時(shí),熱紅外檢測對裂縫的敏感性大于酒瓶形狀上的影響。在酒瓶的同一區(qū)域,具有裂縫的區(qū)域溫度比沒有裂縫的區(qū)域溫度更高。

(3)熱紅外檢測同樣能夠檢測裂縫的相對深度,在一條裂縫中,更深的位置熱傳導(dǎo)更慢,因此在熱紅外圖像中表現(xiàn)出來的溫度更高。