便攜式紅外熱波無損檢測系統的研制與應用

王 冠，李 果，曾 智，李曉麗，張存林，金萬平

（1.北京維泰凱信新技術有限公司，北京 100085；2.首都師范大學 太赫茲光電子學教育部重點實驗室，北京 100048）

紅外熱波無損檢測技術是一門跨學科的實用檢測技術，具有檢測面積大、速度快、非接觸、結果直觀等優點［1］，已被廣泛應用于航空航天、機械、電力、醫療、文物保護等領域［2－5］。根據主動式熱激勵方法的不同，現有紅外熱波無損檢測技術也分為閃光燈脈沖激勵、熱超聲激勵、鎖相熱激勵等激勵方式，適用于各類金屬試件及厚度較小的非金屬試件的檢測。但對于一些傳熱系數較低的非金屬材料，或是一些厚度較大的材料，現有的檢測方法受到激勵能量不足，處理算法不適用等條件的限制。同時，現有的多數檢測系統都是直接從國外購買，價格昂貴，成本相對較高。基于上述現狀，筆者介紹了一套自主研制的國產化便攜式紅外熱波無損檢測系統，該系統采用了多種持續熱激勵方式，并搭配相應的處理算法，很好地解決了這些問題。

1 紅外熱波無損檢測原理

紅外熱波無損檢測法是通過對物體表面施加可控的溫度場擾動，引起物體溫度的變化，而產生熱波。由于物體自身材料特性或物理結構的不同，熱波在物體內部的傳輸會受到影響而發生散射或反射，并以某種形式反映在物體表面的溫場變化上。這種溫場變化將會導致物體表面紅外輻射的差異，利用紅外熱像儀將這種人眼無法看到的差異以圖像的方式處理并顯示出來，即可得到物體的材料均勻性及自身的物理特性信息，達到檢測和探傷的目的［6－7］。

對于一些熱傳導系數較小，或是厚度較大的材料，常用的閃光燈脈沖激勵方式瞬時能量高，但總能量較小，熱波在傳播過程中就已被物體自身或周圍環境所吸收，無法引起物體表面溫場的差異。持續激勵紅外熱波無損檢測法通過適當縮短瞬時功率，增大激勵脈寬而提高激勵總能量，使熱波足以完成整個熱傳遞過程，從而讓熱像儀能成功捕捉表面熱過程變化，并通過配套算法得出圖形化結果。

2 便攜式紅外熱波無損檢測系統

系統實際結構如圖1（a）所示，攜帶方便，很適用于外場檢測。其結構原理如圖1（b）所示，系統主要由三部分組成：熱激勵系統，采集系統，控制及數據處理系統。

圖1 便攜式紅外熱波無損檢測系統外觀與結構原理示意

2.1 熱激勵系統

熱激勵系統是主動式紅外檢測系統必不可少的一部分，其通過對處于熱平衡的物體施加各種不同類型的熱擾動，獲得試件內不同類型的缺陷信息。其主要分為熱激勵控制器與激勵源兩個部分。該系統集成了兩種不同的激勵源：大功率加熱燈及高能熱風機。其中，加熱燈的功率可在800～2 600 W 內調節，加熱面積可達1 m2，輻射光波集中在短波紅外波段，易被物體吸收，加熱效率較高；熱風機功率為2 000 W，輸出溫度范圍可在50 ℃～630℃內調節。兩種激勵方式既能滿足大范圍加熱的需要，也能滿足局部加熱的需要，今后還可根據實際需求的不同而增加更多的激勵方式。

同時，加熱時間及加熱總能量需要達到可控狀態，因此需要熱激勵控制器對激勵源進行控制，與控制處理系統進行同步連接。此處又可分為內、外觸發兩種模式。內觸發模式的原理為：在需要定量檢測，或對試件有一定了解的情況下，預先設定好加熱時間，通過控制器控制激勵源的加熱開關，然后進行采集處理；外觸發模式的原理為：試探性試驗時，通過手動控制激勵源的加熱時間，來觸發系統的采集處理過程。

2.2 采集系統

采集系統主要通過紅外熱像儀來實現。紅外熱像儀可捕捉相應紅外波段的輻射，并將這種數字化的輻射量轉化為可視化的圖像，即體現出物體自身的溫度值分布圖像。該系統的采集設備并不拘泥于某種特定型號，而是根據實際情況可選用不同空間分辨率、不同溫度分辨率的熱像儀。平時檢測多采用的制冷型熱像儀雖然精度較高，但有著制冷時間長，使用及攜帶不便等缺點。為滿足各種外場實際檢測的需求，系統使用了一款更加便攜，同時精度相對較高的非制冷熱像儀，其工作波段為7.5～14μm，提供分辨率為640×480 像素的圖像，采集頻率最高可達50 Hz，室溫下溫度靈敏度為0.03 ℃～0.05 ℃。同時，熱像儀可根據需要選用不同的鏡頭，包括平角鏡頭，45°廣角鏡頭和顯微鏡頭。

2.3 控制及數據處理系統

被測物體通過熱激勵系統加熱的過程，以及通過紅外熱像儀捕捉被測物體降溫的過程，都需要利用軟件來精確控制起止時間，同時在加載采集完畢后，還需要利用軟件對所得的結果進行存儲、顯示與處理。系統采用了自行開發的軟件“熱波探傷軟件V 1.0”，利用該軟件對整套系統進行控制及數據處理。控制處理系統的模塊與功能如表1所示。

軟件基于面向對象的VC＋＋語言編寫，通過USB接口與熱激勵控制器進行信息交換，發送或接受內外觸發消息，從而達到控制熱激勵大小、時間的效果。通過1394接口與熱像儀連通，利用熱像儀所提供的SDK 獲取其所測得輻射值的數字信號，進行采集并存儲。加載及采集過程完畢后，軟件將自動對采得的數據進行重建，曲線擬合后進行微分運算，并提取出其中更能顯示熱異常差異的項，以圖形化的界面進行顯示，所得結果更能體現材料內部由于物理結構或材料均勻性不同而產生的差異。

表1 軟件控制處理系統結構模塊

3 檢測結果

利用該系統對不同的試件進行了檢測。試件1為玻璃纖維復合材料，尺寸為250mm×100mm×3mm（長×寬×厚），背部挖有深度為0.5mm 的圓孔，孔徑從大到小依次為10，5，5，3，2mm；同時背部貼有厚度為2mm 的鋁板。利用800 W 大功率燈激勵，加熱時間5s，采集頻率30Hz，采集時間30s，經過采集處理后，從圖2可看出5個預埋缺陷清晰可見，最小的2mm 孔徑平底洞在圖上也能用肉眼分辨。所得結果及實際軟件截圖如圖2所示。

圖2 軟件實際截圖及試件1試驗結果

試件2 為風機葉片玻璃鋼試件，尺寸為255mm×220mm，厚度為中間厚兩邊薄的弧形，中間厚度約為19mm，兩側厚度約為13mm；背部挖有不同厚度及大小的平底孔，孔厚度從上往下依次為3，2，1mm，孔直徑從大到小依次為20，16，10，8，6，5mm。使用2 000 W 大功率燈進行熱激勵，加熱時間為6s，采集頻率為20Hz，采集時間為40s，經過采集并用軟件處理后，不同時間的熱圖如圖3所示。由圖可知，經過時間的變化，不同深度的平底孔依次在熱圖中顯示出來；孔徑為5mm 的小孔在熱圖中也能清晰辨認，同時在顯示第一排平底孔時，第三排平底孔熱圖還發生了熱量反轉，即平底孔灰度從高到低再到高這樣一個過程，說明激勵能量足夠以波的形式在試件內部傳播一個完整周期，以使整個熱波傳遞過程得以完成。

圖3 試件2在不同采集時間下的熱圖處理結果

4 結語

介紹了一套自主研制的國產便攜式紅外熱波無損檢測系統。該系統搭載了大功率燈、熱吹風等多種熱激勵方式，采用了內、外兩種觸發模式的控制系統，使用了具有自主知識產權的數據處理算法，并利用獨特的數據重建算法和去噪增信的處理辦法優化檢測結果。使用該系統對不同復合材料的試件進行檢測，試驗結果表明，該系統對于復合材料試件的缺陷檢測有較好的檢測結果，對于傳熱速率較慢，或厚度較大的復合材料試件的檢測相對于其他激勵檢測方法有獨特的優勢。

［1］王迅，金萬平，張存林，等.紅外熱波無損檢測技術及其進展［J］.無損檢測，2004，26（10）：497－501.

［2］MEOLAC，CARLOMAGNOGM.Recent advances in the use of infrared thermography［J］.Measurement Science and Technology，2004（15）：27－58.

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