紅外熱波成像技術在復合材料無損檢測中的應用

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(南京諾威爾光電系統(tǒng)有限公司，南京210046)

復合材料是多種不同性質(zhì)的材料通過物理或化學的方法，在宏觀上組成的具有新性能的材料。不同材料在性能上相互取長補短，產(chǎn)生協(xié)同效應，使得復合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料的。復合材料已廣泛應用于航空航天、軍工、船舶、體育用品、工業(yè)等領域[1-3]。由于復合材料的非均質(zhì)性和各項異性，受生產(chǎn)工藝、環(huán)境控制和一些隨機因素的影響，復合材料中會不可避免地存在一些缺陷，而復合材料在制造、裝配和服役的過程中，又可能因機械加工、外力沖擊、碰撞和刮擦等而出現(xiàn)損傷。復合材料產(chǎn)生的缺陷很大一部分都在材料內(nèi)部，屬于內(nèi)部缺陷。這些缺陷和損傷很難通過目視的方法發(fā)現(xiàn)，對結構的承載能力有很大的影響，成為威脅結構安全性的主要隱患。

為了能夠有效地發(fā)現(xiàn)缺陷并及時排除隱患，工程技術人員通常需要選用合適的無損檢測技術對特定類型的缺陷進行安全有效的檢測，以保證復合材料構件的安全服役，因而發(fā)展了多種無損檢測手段對這些缺陷進行檢測，目前影響比較大的有射線檢測技術、超聲檢測技術、渦流檢測技術、紅外熱波成像檢測技術等[4-7]。

紅外熱波成像技術是一種新型的無損檢測技術，近年來取得了快速發(fā)展[8-12]。1994年，美國韋恩州立大學工業(yè)制造研究所的FAVRO等[13]使用紅外熱波成像技術對碳纖維增強環(huán)氧薄板中的沖擊損傷進行了檢測。楊小林等[14]使用閃光燈激勵紅外熱波成像技術對飛機雷達罩復合材料、新型戰(zhàn)機垂尾結構玻璃纖維復合材料進行檢測，檢測出了試件的缺陷面積和深度；張劍等[15]采用閃光燈激勵紅外無損檢測技術對固體火箭發(fā)動機玻璃纖維復合材料進行檢測，該檢測方法能夠快速、直觀、準確地檢測出復合材料中的分層、脫黏、夾雜等缺陷；王揚等[16]采用紅外熱波成像檢測方法對CFRP(碳纖維增強復合材料)層板缺陷進行檢測，采用POD(檢測概率)曲線完成了對紅外鎖相熱波成像技術檢測能力的評價。以上幾例檢測結果表明，紅外熱波成像技術不僅具有檢測復合材料缺陷的能力，還能夠給出缺陷深度方面的信息。筆者主要介紹了脈沖紅外熱波成像技術和鎖相紅外熱波成像技術，并采用上述兩種技術對多種類型的復合材料進行了缺陷檢測。

1 紅外熱波成像技術原理

紅外熱波成像技術是隨著熱成像技術的發(fā)展而出現(xiàn)的一種新型無損檢測技術，其利用紅外熱像儀將物體不可見的紅外輻射信息轉(zhuǎn)換成可見熱圖像。該技術具有檢測速度快、非接觸、非破壞、檢測面積大、便于在線在役檢測、結果直觀易懂等優(yōu)點，可對金屬、非金屬、復合材料中存在的脫黏、裂紋、銹蝕、疲勞、損傷等缺陷進行檢測。

1.1 脈沖紅外熱波成像技術原理

脈沖紅外熱波成像技術采用脈沖激勵對試件表面進行熱激勵，形成的熱波向試件內(nèi)部傳播，試件內(nèi)部的缺陷，如脫黏、裂紋、銹蝕、疲勞、損傷等會影響熱波的傳播，從而引起試件表面溫度場的變化，這種溫度變化由紅外熱像儀記錄存儲，并通過對紅外熱圖序列的分析處理實現(xiàn)對缺陷的檢測和評估。因此，該技術結合了紅外成像、調(diào)制激勵、信號檢測、圖像處理等多方面的技術。

脈沖激勵紅外熱波成像檢測系統(tǒng)一般由3部分組成：閃光燈激勵系統(tǒng)、紅外成像系統(tǒng)、紅外圖像序列處理系統(tǒng)等。圖1為脈沖紅外熱波成像系統(tǒng)示意。

圖1 脈沖紅外熱波成像系統(tǒng)示意

1.2 鎖相紅外熱波成像技術原理

鎖相紅外熱波成像技術與脈沖紅外熱波成像技術最大的區(qū)別是鎖相技術中使用的是周期性熱源。鎖相紅外熱波成像技術采用周期性調(diào)制熱源激勵被測材料表面，通過紅外熱像儀記錄材料表面周期性變化的溫度場，對紅外圖像序列進行鎖相處理得到振幅與相位圖像，通過分析振幅與相位圖像可以得到材料內(nèi)部的缺陷信息，包括脫黏、損傷等缺陷信息；振幅圖像包括熱激勵源信號的不均勻性信息，相位圖像消除了熱激勵源不均勻性的影響,包含缺陷更多的信息。鎖相法所使用的熱激勵源包括鹵素燈/紅外燈、激光、超聲、電磁等。圖像處理方式主要包括傅里葉變換法、相關函數(shù)法、四點法等，最后得到熱波振幅和相位圖像。由于鎖相技術采用周期性熱激勵，所以可以通過增加采集周期來提高熱波圖像的信噪比，以達到較高的檢測靈敏度。圖2為鎖相紅外熱波成像系統(tǒng)示意。

圖2 鎖相紅外熱波成像系統(tǒng)示意

2 試驗系統(tǒng)

2.1 脈沖紅外熱波成像檢測系統(tǒng)

脈沖紅外熱波無損檢測所采用的系統(tǒng)外觀如圖3所示，其配置了10.4 in (1 in=2.54 cm)觸摸顯示屏，操作方便，系統(tǒng)采用鋰電池供電，便于攜帶，適合外場檢測。閃光燈最大能量為6 000 J，熱像儀分辨率為384像素×288像素，工作波長為8～14 μm，采集幀頻最高為100 Hz，室溫下溫度靈敏度小于0.04 ℃，配置短焦距紅外鏡頭，檢測視場范圍為(長×寬)300 mm×225 mm。軟件系統(tǒng)可以完成閃光燈激勵能量、同步觸發(fā)、熱像儀采集時間、采集幀頻、采集背景燈試驗條件控制及對紅外圖像的處理、分析等。

圖3 脈沖紅外熱波成像系統(tǒng)外觀

系統(tǒng)采用一體便攜式設計，集熱激勵、圖像采集、信號處理于一身，具有重量輕、便攜、易操作、非接觸、非破壞、檢測速度快、檢測面積大、便于在役檢測等優(yōu)點。

2.2 鎖相紅外熱波成像檢測系統(tǒng)

鎖相紅外熱波成像系統(tǒng)采用LED光源作為熱激勵源，總功率為600 W，采用非制冷熱像儀，室溫下溫度靈敏度小于0.04 ℃，采集幀頻在10～100 Hz之間可調(diào)，檢測視場范圍為300 mm×225 mm。

鎖相紅外熱波成像系統(tǒng)具有熱激勵能量小,檢測靈敏度高，對物體表面發(fā)射率均勻性要求低，特別適合于分層缺陷、微小缺陷等優(yōu)點。

圖4 鎖相紅外熱波成像系統(tǒng)外觀

3 檢測結果

3.1 玻璃纖維蜂窩夾層的檢測

圖5 玻璃纖維蜂窩夾層試件外觀

玻璃纖維蜂窩夾層試件如圖5所示，試件尺寸(長×寬×高)為390 mm×390 mm×11 mm，最上一層是厚度為0.7 mm的玻璃纖維，中間一層是厚度為9.8 mm的紙蜂窩，最下面一層是厚度為0.5 mm的玻璃纖維。在試件的制作過程中，在最上一層和紙蜂窩夾層中的斜對角處預埋了3個方形膠帶，同時涂膠存在不均勻性。采用脈沖紅外成像系統(tǒng)檢測試件，由于試件面積比單次檢測面積大，因而分成4次進行檢測，分別是左上、右上、左下、右下，檢測結果如圖6所示。通過圖像無縫拼接技術把4次檢測的圖像拼接成一張整圖(見圖7)，涂膠不均勻的地方和斜對角處有3個方形膠帶清晰可見。

圖6 玻璃纖維蜂窩夾層試件檢測結果(拼接前)

圖7 玻璃纖維蜂窩夾層試件檢測結果(拼接后)

3.2 碳纖維復合材料試件的檢測

復合材料在沖擊作用下會產(chǎn)生變形、斷裂、分層、開裂和破碎等缺陷。沖擊一般分為高能沖擊和低能沖擊，高能沖擊一般指采用高速沖擊(例如子彈)造成復合材料穿透損傷；低能沖擊一般指受到重物的撞擊，產(chǎn)生不可目視檢查的內(nèi)部大范圍損傷。碳纖維復合材料試件尺寸(長×寬×高)為60 mm×110 mm×2 mm，采用低能沖擊對3個碳纖維復合材料人工試件造成損傷，采用脈沖紅外無損檢測系統(tǒng)對沖擊損傷試件進行檢測，其可見光圖像與脈沖紅外檢測圖像如圖8所示，從圖8可以看出撞擊的位置和撞擊力的大小。

圖8 碳纖維復合材料沖擊損傷試件可見光和脈沖紅外檢測圖像

圖9 無人機機翼碳纖維蜂窩試件可見光圖像與脈沖紅外檢測圖像

3.3 無人機機翼碳纖維蜂窩的檢測

無人機機翼碳纖維蜂窩試件尺寸(長×寬×高)為200 mm×280 mm×15 mm，在圈中區(qū)域背面打有一直徑為8 mm的孔，在里面注入水并封住。采用脈沖紅外無損檢測系統(tǒng)對無人機機翼碳纖維蜂窩試件進行檢測，其可見光圖像與脈沖紅外檢測圖像如圖9所示，從圖9(b)可以看到背面注水處的缺陷位置，并可以看到試件的橫梁位置。

3.4 碳纖維蜂窩夾層網(wǎng)格面板脫黏檢測

網(wǎng)格面板碳纖維試件尺寸(長×寬×高)為140 mm×100 mm×20 mm，其中碳纖維條寬度為1.4 mm，網(wǎng)格寬度為2.5 mm，網(wǎng)格正交鋪設且相交區(qū)域通過膠黏在一起，采用美工刀在某些碳纖維條正交鋪設的地方挑開，但其物理結構還是交織在一起并依然緊貼；另一方面碳纖維條寬度小，網(wǎng)格寬度小，同時要求能檢測出單個網(wǎng)格脫黏情況，因而增加了檢測的實際難度。

采用鎖相紅外熱波無損檢測系統(tǒng)對網(wǎng)格面板碳纖維試件進行檢測，熱像儀采集頻率為50 Hz，通過多次試驗，不斷調(diào)整鎖相頻率，在鎖相頻率為0.8 Hz的情況下，可以檢測出碳纖維面板之間的脫黏缺陷。網(wǎng)格面板碳纖維檢測圖像如圖10所示，正交鋪設的碳纖維條脫黏后會阻礙熱量向內(nèi)部傳播，因此脫黏區(qū)域溫度會變高，圖中白色部分為脫黏區(qū)域。

圖10 網(wǎng)格面板碳纖維檢測圖像

3.5 太陽能電池的檢測

太陽能電池以硅半導體材料集成，通過吸收太陽光并轉(zhuǎn)換成電荷進行發(fā)電。在使用過程中，由于轉(zhuǎn)換效率不能很高，會有很多熱能產(chǎn)生，因此電池片與背板的粘接質(zhì)量直接影響太陽能電池的發(fā)電效率與壽命。圖11為太陽能電池板外觀，包括4片小硅太陽能電池，編號分別為3，4，5，6。由于硅太陽能電池板厚度大約為0.2 mm，采用鎖相紅外熱波成像系統(tǒng)對太陽能電池板進行檢測，熱像儀頻率設為50 Hz，鎖相頻率為1 Hz。

圖11 太陽能電池板外觀

圖12 太陽能電池檢測結果

圖12為太陽能電池板檢測結果，圖12(a)為振幅圖像，圖12(b)為相位圖像。從振幅圖像和相位圖像都可以看出太陽能電池板的黏接質(zhì)量信息，但振幅圖像會包含熱激勵的不均勻性信息，振幅圖像清晰度比相位圖像清晰度稍差。從相位圖中可以看出，編號為5的硅太陽能電池中間有一大片面積黏接質(zhì)量差的區(qū)域，編號為3，6，硅太陽能電池黏接質(zhì)量良好；編號為4的硅太陽能電池左邊出現(xiàn)類似圓環(huán)區(qū)域為黏接質(zhì)量差的區(qū)域。相位圖比振幅圖能提供更多的內(nèi)部缺陷信息。

4 結語

描述了紅外熱波成像檢測技術的原理，主要對脈沖紅外熱波成像技術和鎖相紅外熱波成像技術的原理、系統(tǒng)組成等方面進行了論述。通過脈沖紅外熱波成像技術與鎖相紅外熱波成像技術對玻璃纖維蜂窩夾層、鋁蜂窩夾層、碳纖維復合材料、無人機機翼碳纖維蜂窩、碳纖維蜂窩夾層網(wǎng)格面板、太陽能電池等共6種試件進行了檢測，取得了良好的檢測效果，展示了該技術對復合材料缺陷的檢測能力。