紅外熱成像技術(shù)在碳纖維加固構(gòu)件沖擊探傷中的應(yīng)用*

劉麗娜，鄭步生

(南京航空航天大學(xué) 金城學(xué)院，江蘇 南京 211156)

紅外熱成像技術(shù)在碳纖維加固構(gòu)件沖擊探傷中的應(yīng)用*

劉麗娜，鄭步生

(南京航空航天大學(xué) 金城學(xué)院，江蘇 南京 211156)

摘要：碳纖維加固的建筑結(jié)構(gòu)遭受車輛、船舶等沖擊破壞，對于其損壞程度是否會影響碳纖維布的粘貼效果和質(zhì)量，需要進(jìn)行量化分析。采用無損檢測技術(shù)對碳纖維加固構(gòu)件進(jìn)行檢測和分析是保證其質(zhì)量的必要手段，可使用不同程度的吸收能量作用于構(gòu)件表面形成不同缺陷類型的試驗件。介紹了利用紅外熱波無損檢測技術(shù)對碳纖維加固構(gòu)件沖擊損傷試件檢測的結(jié)果，并將不同熱激勵方式下的檢測結(jié)果進(jìn)行比較。結(jié)果表明，2種熱源激勵方法各具優(yōu)勢，進(jìn)一步驗證了紅外檢測方法的可行性，為土木結(jié)構(gòu)的纖維布加固、維護(hù)和修繕提供了相關(guān)的方法參考。

關(guān)鍵詞：碳纖維加固構(gòu)件；紅外熱成像；沖擊損傷；熱激勵源

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度大、模量高、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、抗蠕變和熱膨脹系數(shù)小等優(yōu)異性能，是一種理想的修復(fù)和加固材料，己被廣泛應(yīng)用到各類工程結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)加固領(lǐng)域之中[1]。沖擊是一定能量的載荷短時間內(nèi)作用于局部結(jié)構(gòu)的過程[2]，沖擊分為高能量沖擊和低能量沖擊，不同能量沖擊通常引發(fā)復(fù)合加固材料的損傷，甚至是穿透損傷，同時伴隨有一定范圍的分層[3]。近年來，碳纖維加固的建筑結(jié)構(gòu)遭受車輛、船舶等沖擊破壞的事件頻頻發(fā)生，這類損傷一般可目視檢查，但損傷深度是否會影響碳纖維布的粘貼效果和質(zhì)量，是否需要對碳纖維加固材料進(jìn)行維護(hù)和修繕，需要量化分析，因此，及時確定這些內(nèi)部損傷的存在和發(fā)展，對于保證復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的安全可靠性具有極為重要的意義。

本文對碳纖維加固混凝土構(gòu)件進(jìn)行人為沖擊產(chǎn)生的缺陷開展研究，利用紅外檢測方法，采用不同的熱源激勵方式和激勵時間，利用數(shù)字圖像處理技術(shù)對紅外圖像進(jìn)行分析，進(jìn)一步驗證紅外檢測方法的可行性，為土木結(jié)構(gòu)的纖維布加固、維護(hù)和修繕提供相關(guān)方法的參考。

1紅外熱波無損檢測技術(shù)原理

紅外熱波檢測技術(shù)是采用主動控制的光、熱等方式激勵被檢物缺陷的方法，把被檢物用作能量傳輸?shù)膶?dǎo)體和通道，熱像儀記錄的是物體在外界熱激勵情況下發(fā)出的紅外輻射[4]。不同材料表面及表面下的物理特性都將影響熱波的傳輸，并以某種方式在材料表面的溫度場變化上反應(yīng)出來，通過控制熱激勵方法和記錄材料表面的紅外輻射，將其轉(zhuǎn)化為可見的溫度圖像，即可獲取材料的非均勻性信息以及其表面下的結(jié)構(gòu)信息，從而達(dá)到檢測和探傷的目的。紅外熱波無損檢測技術(shù)由于其非接觸式的特性，不會破壞被測物體，目前已經(jīng)成為國內(nèi)外無損檢測技術(shù)的重要分支，特別是它具有對不同溫度場、廣視域的快速掃測和遙感檢測功能；因而，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各類工程檢測應(yīng)用中[5]。

2試驗

2.1試件描述

1)試件名稱為碳纖維加固混凝土沖擊損傷試件。

2)試驗采用強(qiáng)度等級為C30的混凝土，試件截面尺寸為100 mm×100 mm，試件高度為100 mm。試件采用覆蓋粘貼一層碳纖維布的約束形式，且在碳纖維布與混凝土試件之間含有約1 mm厚的環(huán)氧膠介質(zhì)，碳纖維布的厚度為0.167 mm。

3)模擬缺陷。錘頭是由高強(qiáng)鋼材40Cr鋼制作而成的，總質(zhì)量為7.655 kg，直徑為0.123 m，而高度的確定和對中由試件上方的激光測距儀完成。為了能將錘頭的重力勢能最大程度地作用于試件表面，試驗中采用剪斷牽拉鐵絲，使錘頭自由落體沖擊試件表面，通過調(diào)節(jié)其與試件之間的距離改變沖擊能量。試件1的沖擊能量為60 J，錘頭的沖擊高度為0.8 m(見圖1)；試件2的沖擊能量為180 J，錘頭的沖擊高度為2.4 m(見圖2)。沖擊加載裝置如圖3所示。

圖1　低能量沖擊試件1　　圖2　高能量沖擊試件2　(沖擊面)　(沖擊面)

圖3　沖擊加載裝置

2.2檢測試驗過程

本試驗采用的紅外熱成像檢測試驗系統(tǒng)如圖4所示。試驗系統(tǒng)主要包括ImageIR高端紅外成像系統(tǒng)、激勵源、時間控制器、試驗臺、計算機(jī)處理系統(tǒng)和待測試件等部分。熱像儀用于熱像圖的采集、處理和保存等，被測物體中如果存在缺陷，可在熱像圖上觀察到，該系統(tǒng)不僅可以捕捉到清晰的熱像圖，還可以對圖像進(jìn)行基本分析，以初步判定缺陷所在部位及區(qū)域大小。激勵源為試驗提供熱源。時間控制器用來精確控制激勵源的加熱時長。

圖4　紅外熱成像檢測試驗系統(tǒng)

在試驗中，對具有沖擊損傷的碳纖維加固混凝土試件進(jìn)行表面加熱。每次加熱的激勵強(qiáng)度由人工設(shè)置，并通過時間控制器自動控制開始和結(jié)束。熱激勵方式有2種：1)采用Photo Light—1000W型加熱燈進(jìn)行整體表面均勻加熱，然后翻轉(zhuǎn)試件，紅外視頻的采集從加熱結(jié)束時開始；2)采用Type 2000型可控?zé)犸L(fēng)機(jī)對損傷部位集中加熱至設(shè)置溫度，然后移開熱源，紅外視頻的采集從散熱時刻開始。

試驗時的注意事項如下：1)加熱時間和強(qiáng)度根據(jù)試驗?zāi)康摹⒃嚰牧虾腿毕萸闆r來確定；2)為了避免上一次加熱過程對下一次的影響，每次加熱過程后的冷卻時間應(yīng)足夠長；3)采集紅外視頻時，操作人員盡可能不要隨意走動，以免人體散發(fā)出的熱對試驗結(jié)果產(chǎn)生干擾，因而，將試驗環(huán)境設(shè)置在玻璃房內(nèi)[6]。

3試驗結(jié)果

3.1數(shù)據(jù)處理算法

通過分析試驗所得的動態(tài)熱圖序列，可以直觀地看到不同深度損傷或缺陷的顯現(xiàn)過程。目前，針對熱像圖數(shù)據(jù)的處理算法應(yīng)用較為廣泛的有脈沖紅外熱成像(Pulse Phase Thermography)與鎖相熱成像技術(shù)(Lock-In Thermography)[7]。應(yīng)用于紅外鎖相熱成像技術(shù)的數(shù)據(jù)處理算法主要包括傅里葉變換法、Lock-In算法、相關(guān)檢測算法及四點平均算法等，但Lock-In算法、相關(guān)檢測算法及4點平均算法均是基于穩(wěn)態(tài)正弦信號處理的，對于瞬態(tài)過程處理精度很低，甚至無法獲得材料或構(gòu)件的缺陷信息。對于紅外鎖相熱承像技術(shù)，其激勵源為按正弦規(guī)律變化的調(diào)制激勵源，采集頻率一般較低(<3 Hz)，材料或構(gòu)件表面形成的熱波信號為慢變化的信號且易受隨機(jī)噪聲的干擾，因此，根據(jù)本次試驗的結(jié)果，選擇脈沖紅外熱成像技術(shù)作為數(shù)據(jù)處理算法。

3.2均勻加熱試驗方法

對試件進(jìn)行燈照方式均勻加熱，加熱時間為10 s，隨后使用熱像儀進(jìn)行散熱過程的紅外視頻采集，并對動態(tài)熱圖序列進(jìn)行脈沖紅外熱成像技術(shù)的數(shù)據(jù)處理(見圖5和圖6)。

圖5　試件1紅外熱像圖

圖6　試件2紅外熱像圖

從圖5和圖6可以看出，損傷缺陷越明顯，紅外熱圖像越明顯。對于試件1，由于損傷缺陷較淺，未對碳纖維粘貼層造成損傷，均勻加熱后，缺陷部位的散熱速度與無缺陷部位的散熱速度基本一致，因此，紅外熱像圖并不明顯。對于試件2，由于損傷缺陷較深，在均勻加熱方式之下，已經(jīng)可以得到清楚的缺陷熱像圖，因此，通過上述熱像圖的顯示，也可區(qū)分出哪些損傷已經(jīng)傷及內(nèi)部，并需要進(jìn)一步維護(hù)。

3.3集中加熱試驗方法

對試件的缺陷部位采取可控?zé)犸L(fēng)機(jī)集中加熱的方法，加熱時間為15 s，設(shè)置溫度為80 ℃，出風(fēng)口與試件距離設(shè)置為20 cm，隨后使用熱像儀進(jìn)行散熱過程的紅外視頻采集，并對動態(tài)熱圖序列進(jìn)行脈沖紅外熱成像技術(shù)的數(shù)據(jù)處理(見圖7和圖8)。

圖7　試件1紅外熱像圖

圖8　試件2紅外熱像圖

從圖7和圖8可以看出，與平均加熱方式相同，損傷缺陷越明顯，紅外熱圖像越明顯；但針對試件1，使用集中加熱后，由于突顯了缺陷部位溫度，因此，能得到較為真實準(zhǔn)確的紅外熱像圖。

4結(jié)語

紅外熱波無損檢測通過熱波在沖擊損傷區(qū)域的傳播和作用過程，可發(fā)現(xiàn)疑似的缺陷類型。對于不同深度的缺陷，應(yīng)采用不同的熱激勵方式才能獲得良好的紅外熱像圖。通過試驗發(fā)現(xiàn)，明顯的大缺陷使用均勻加熱即可獲得良好的溫度梯度，而細(xì)微的小缺陷由于散熱較快應(yīng)使用集中加熱方可獲得較好的熱像圖；同時，進(jìn)一步確定了紅外熱波無損檢測適用于碳纖維加固混凝土缺陷的檢測。

參考文獻(xiàn)

[1] 邵長軍.FRP加固結(jié)構(gòu)剝離損傷的聲-光纖無損檢測試驗研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2013.

[2] 李曉霞,等.碳纖維層合板低速沖擊后的紅外熱波檢測分析[J].復(fù)合材料學(xué)報,2010,27(6):88-93.

[3] 段向勝,楊洪林,李建民. 紅外熱像檢測技術(shù)檢測碳纖維施工質(zhì)量[J].質(zhì)量檢測,2007,10(A):16-20.

[4] 蔡毅,王嶺雪.紅外成像技術(shù)中的9個問題[J].紅外技術(shù), 2013,35(11): 671-682.

[5] 楊燕萍,齊明,閏鑫,等.紅外熱成像及圖像處理技術(shù)在建筇物缺陷襝測方面的應(yīng)用[J].新型建筑材料，2011,38(12):83-86.

[6] 蔣淑芳,等.碳纖維層壓板沖擊損傷的紅外熱波檢測[J].紅外與激光工程,2006,35(3)：265-270.

[7] 孫希婕,胡威偉.基于均值漂移的紅外艦船圖像分割算法[J].新技術(shù)新工藝, 2014(5)：16-18.

* 江蘇省高校自然基金面上項目(15KJB590001)

責(zé)任編輯鄭練

Infrared Thermal Imaging Technology in the Application of the Impact

of Carbon Fiber Reinforced Plastics Components Inspection

LIU Lina, ZHENG Busheng

(Jincheng College, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 211156, China)

Abstract：When carbon fiber building structures have vehicles, ships and other impact damage, the extent of damage will affect the carbon fiber cloth paste effect and its quality, the nondestructive testing technology of carbon fiber reinforced plastics component testing and analysis is the essential means to ensure the quality, use different degrees of impact energy on the component surface to form different defect types of test piece. Introduces the use of infrared thermal wave nondestructive testing technology to the testing results of the impact of carbon fiber strengthened specimens and the test results of different thermal excitation modes are compared, the results show that two kinds of heat source excitation method each has its advantages, further verify the feasibility of the infrared detection method, for civil structure of the fiber cloth strengthening, maintenance, repairing methods provide relevant reference.

Key words:carbon fiber reinforcement components, infrared thermal imaging, impact damage, thermal excitation source

收稿日期：2015-08-04

作者簡介：劉麗娜(1981-)，女，講師，主要從事無損檢測及圖像分析等方面的研究。

中圖分類號：TU 528.58；TP 751.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A