超聲紅外熱像技術(shù)在無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展

賀赟

摘? 要：超聲紅外熱像技術(shù)是一種新型的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，是將超聲波檢測(cè)技術(shù)和紅外線檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，采用超聲波作為激勵(lì)源，紅外熱像儀進(jìn)行捕捉熱圖像，充分發(fā)揮了二者的長(zhǎng)處，彌補(bǔ)了單獨(dú)使用的不足。本文介紹了該技術(shù)的基本原理，以及優(yōu)于其他主動(dòng)式激勵(lì)紅外熱像技術(shù)的特點(diǎn)，系統(tǒng)地歸納了超聲紅外熱像技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀。最后展望了該技術(shù)在無(wú)損檢測(cè)中應(yīng)用的前景，并提出了一些建議和對(duì)策。

關(guān)鍵詞：超聲紅外熱像? 熱激勵(lì)? 混凝土? 無(wú)損檢測(cè)

中圖分類號(hào)：TH878 ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2020）07（c）-0086-03

Abstract： The ultrasonic infrared thermal imaging technology is a new nondestructive testing technology， which combines ultrasonic detection technology and infrared detection technology， USES ultrasonic as the excitation source， infrared thermal imager to capture thermal image， gives full play to the advantages of the two， and makes up for the disadvantages of using them alone. The paper introduces the basic principle of this technology， and features better than other active excitation infrared imaging technology， and systematically summarizes the research status of ultrasonic infrared thermography technology at home and abroad. Finally， the prospect of application of the technique in the nondestructive detection of the prospect， and puts forward some suggestions and countermeasures.

Key Words： Ultrasound infrared thermal imagin;Thermal excitation;Concrete;Nondestructive testing

隨著現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展，新的無(wú)損評(píng)價(jià)和無(wú)損檢測(cè)技術(shù)如雨后春筍般地涌現(xiàn)。無(wú)損檢測(cè)技術(shù)對(duì)于實(shí)際工作中的設(shè)備的安全檢測(cè)，確保安全運(yùn)行，發(fā)揮著舉足輕重的作用。

超聲紅外熱像技術(shù)作為一種新型的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，是將超聲波檢測(cè)技術(shù)和紅外線檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合，采用超聲波作為激勵(lì)源，利用紅外熱像儀捕捉熱圖像，充分發(fā)揮了二者的長(zhǎng)處，彌補(bǔ)了單獨(dú)使用的不足。

1? 超聲紅外熱像技術(shù)的原理

紅外熱像技術(shù)是將紅外輻射承載的物體特征信息轉(zhuǎn)化成人眼可見(jiàn)的溫度熱像圖。與傳統(tǒng)無(wú)損檢測(cè)方法相比，紅外熱成像技術(shù)具有單次檢測(cè)面積大、速度快、非接觸、安全可靠及適于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。紅外熱成像技術(shù)主要分兩種，一種是被動(dòng)式紅外熱像檢測(cè)法，是利用被測(cè)物體自身的溫度變化來(lái)檢測(cè)物體的缺陷;另一種是主動(dòng)式紅外熱像檢測(cè)法。在實(shí)際的工程應(yīng)用中，由于絕大多數(shù)被檢測(cè)試件在常態(tài)下不會(huì)引起試件表面溫度差，必須采用一種加熱的激勵(lì)方式來(lái)保證被測(cè)試件內(nèi)部缺陷或者表面微裂紋的溫度變化能夠反映在試件表面，這樣才能更好地檢測(cè)試件缺陷。

超聲紅外熱像檢測(cè)技術(shù)的依據(jù)是固體內(nèi)耗的基本原理，把試件中的每一個(gè)缺陷視為一個(gè)內(nèi)耗源，當(dāng)試件振動(dòng)的頻率與內(nèi)耗源的頻率相同時(shí)該內(nèi)耗源的內(nèi)耗會(huì)快速地增大[1]。超聲紅外熱像檢測(cè)技術(shù)采用的激勵(lì)源是超聲波，超聲波在構(gòu)件缺陷處衰減從而選擇性加熱，提高了檢測(cè)溫度分辨率;用紅外熱像技術(shù)處理熱像序列圖，減少了被檢測(cè)試件的結(jié)構(gòu)因素、環(huán)境因素對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，提高了檢測(cè)試件缺陷的靈敏能力;并且該檢測(cè)技術(shù)與其他無(wú)損檢測(cè)法相比具有檢測(cè)時(shí)間短、效率高、激勵(lì)能量偏低、檢測(cè)缺陷深度大等優(yōu)點(diǎn)。

2? 超聲紅外熱像技術(shù)的應(yīng)用

2.1 國(guó)外方面

20世紀(jì)90年代，英國(guó)巴斯大學(xué)的D.P.Almond指出通過(guò)降低超聲發(fā)射功率的措施可以有效地避免構(gòu)件在超聲紅外熱像法檢測(cè)過(guò)程中被損傷;在計(jì)算激勵(lì)生熱方面，把微裂紋看作一個(gè)非均勻熱源，通過(guò)間接測(cè)量激勵(lì)過(guò)程中裂紋導(dǎo)致的附加阻尼來(lái)預(yù)測(cè)生熱量，并通過(guò)試驗(yàn)證明了預(yù)測(cè)生熱量算法的準(zhǔn)確性。加拿大X.Maldague教授通過(guò)對(duì)航天用CFRP蒙皮蜂窩夾層結(jié)構(gòu)和玻璃鋼擋風(fēng)板上存在的缺陷進(jìn)行紅外無(wú)損檢測(cè)，探討了脈沖、鎖相和超聲熱像法三種主動(dòng)式紅外無(wú)損檢測(cè)法各自的適用性，并指出超聲紅外熱像法與光為激勵(lì)源的紅外無(wú)損檢測(cè)法相比的優(yōu)越性;通過(guò)大量的試驗(yàn)研究得出超聲紅外熱像法對(duì)涂覆材料開(kāi)口微裂紋類缺陷具有極強(qiáng)的檢測(cè)能力;他們系統(tǒng)地開(kāi)展了超聲紅外熱像檢測(cè)鋁蒙皮蜂窩火層結(jié)構(gòu)中不同深度不同類型缺陷的工作。美國(guó)愛(ài)荷華州立大學(xué)的S.D.Holland等人[2]通過(guò)濾波、空間一階、二階求導(dǎo)等步驟形成了一套圖像處理算法，消除了熱擴(kuò)散對(duì)信息識(shí)別的影響并將熱量進(jìn)行提取生成相應(yīng)的獨(dú)立區(qū)域。Gian等提出了一種新的“非線性超聲受激熱像法”（NUST），該方法克服了傳統(tǒng)線性超聲/熱像儀無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)的一些局限性，為各向同性材料的疲勞損傷提供了一種可靠、快速、經(jīng)濟(jì)有效的檢測(cè)方法，在損傷區(qū)域的熱產(chǎn)生可以通過(guò)激發(fā)提供非線性響應(yīng)的頻率來(lái)放大，從而以一種快速和可重現(xiàn)的方式提高材料損傷的成像和NUST的可靠性。Tzer Yuan等人[3]提出了一種新的對(duì)比度增強(qiáng)方法——自適應(yīng)三邊對(duì)比度增強(qiáng)（ATCE）方法，在夜光環(huán)境下拍攝的一組紅外熱成像實(shí)驗(yàn)中，對(duì)ATCE進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并與現(xiàn)有的幾種對(duì)比度增強(qiáng)方法進(jìn)行了比較，結(jié)果表明在熵增強(qiáng)的度量上，ATCE明顯優(yōu)于現(xiàn)有的其他方法。

2.2 國(guó)內(nèi)方面

超聲紅外熱像檢測(cè)技術(shù)的研究工作在國(guó)內(nèi)的起步比較晚，涉及到的研究領(lǐng)域也比較有限。董麗虹等[4]在承壓設(shè)備裂紋缺陷位置采用振動(dòng)紅外熱像技術(shù)以及ABAQUS有限元模擬軟件分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和模擬研究，驗(yàn)證了裂紋處能明顯看到生熱現(xiàn)象以及激勵(lì)頻率與裂紋的振動(dòng)生熱并不成正相關(guān)或負(fù)相關(guān)，當(dāng)試件裂紋區(qū)域振動(dòng)最劇烈時(shí)生熱最多，如共振頻率，且當(dāng)激勵(lì)時(shí)間超過(guò)2s時(shí)對(duì)檢測(cè)效果影響不大。南京工業(yè)大學(xué)徐歡等[5]采用ANSYS和ABAQUS軟件通過(guò)數(shù)值模擬、熱力學(xué)第一理論以及聲波傳播理論，對(duì)裂紋微觀界面的生熱機(jī)理進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)超聲激勵(lì)下裂紋生熱的速率極快，近表面的裂紋處生熱量大，溫升高，進(jìn)一步證明了超聲紅外檢測(cè)的高效性和可行性，為科研實(shí)驗(yàn)和工程檢測(cè)提供了相關(guān)的理論依據(jù)。福州大學(xué)唐長(zhǎng)明等[6]基于ANSYS有限元軟件模擬了焊縫裂紋在超聲激勵(lì)作用下的升溫現(xiàn)象，定性分析了超聲激勵(lì)幅值、頻率、方向和焊縫余高4個(gè)參數(shù)對(duì)裂紋升溫的影響，驗(yàn)證了超聲紅外檢測(cè)焊縫裂紋的可行性，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了有限元分析的準(zhǔn)確性。馮輔周等[7]以金屬平板疲勞裂紋為研究對(duì)象，搭建了超聲紅外鎖相熱像檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，分析了調(diào)制超聲激勵(lì)下裂紋生熱及熱信號(hào)頻譜的規(guī)律。敬甫盛等[8]采用超聲熱波成像技術(shù)對(duì)機(jī)車鉤舌部件進(jìn)行裂紋檢測(cè)，該技術(shù)對(duì)表面的形狀、銹跡、粉塵及污染等不敏感，在裂紋等缺陷檢測(cè)中有特殊的應(yīng)用優(yōu)勢(shì);米浩等[9]使用限制對(duì)比度自適應(yīng)直方圖均衡方法對(duì)超聲激勵(lì)后熱圖像進(jìn)行對(duì)比度增強(qiáng)，用巴特沃斯濾波器進(jìn)行降噪，根據(jù)圖像的局部方差特征判斷是否有缺陷，并通過(guò)形態(tài)學(xué)處理對(duì)缺陷中心進(jìn)行定位;吳昊等[10]認(rèn)為超聲紅外熱波檢測(cè)法能快速有效檢測(cè)螺栓緊固件損傷，結(jié)合圖像識(shí)別方法可以有效提取損傷信息。

3? 結(jié)語(yǔ)

國(guó)內(nèi)外學(xué)者們針對(duì)超聲紅外熱像檢測(cè)法的研究已經(jīng)做了大量的工作，取得了可觀的理論成果，在一些實(shí)際的工程中也得到了應(yīng)用。綜觀超聲紅外熱像無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的研究領(lǐng)域和研究成果來(lái)看，可以預(yù)測(cè)到該技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)將會(huì)在各個(gè)領(lǐng)域得到普及并越來(lái)越完善精確，具體體現(xiàn)為：

（1）研究方向：將針對(duì)該過(guò)程的理論以及溫升過(guò)程的量化過(guò)程開(kāi)展研究，所研究的領(lǐng)域?qū)⑾驈?fù)合材料領(lǐng)域擴(kuò)展。

（2）熱激勵(lì)方式：可能會(huì)將激勵(lì)源注入混凝土內(nèi)部來(lái)更好的研究升溫現(xiàn)象;對(duì)于不同的缺陷類型有針對(duì)性的選擇合適的超聲波頻率，提高熱圖像信噪比;

（3）熱圖像處理：可通過(guò)編制特制程序軟件對(duì)熱圖像進(jìn)行去噪、去背景、提取關(guān)鍵點(diǎn)等;

（4）超聲激勵(lì)系統(tǒng)：進(jìn)一步開(kāi)發(fā)新的激勵(lì)系統(tǒng)應(yīng)用到實(shí)際大型工程中，并研發(fā)廣視角的紅外熱像儀;

（5）檢測(cè)過(guò)程：向全自動(dòng)化檢測(cè)過(guò)程方向發(fā)展;

（6）三維建模：目前的熱像技術(shù)還停步在二維研究，而熱擴(kuò)散是在三維空間中，所以對(duì)紅外熱圖像三維建模，確定缺陷的空間特征信息將是個(gè)新的研究課題。

參考文獻(xiàn)

[1] 呂事桂，劉學(xué)業(yè).紅外熱像檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展和研究現(xiàn)狀[J].紅外技術(shù)，2018，40（3）：214-219.

[2] Artur Dyrwal，Michele Meo，F(xiàn)rancesco Ciampa. Nonlinear air-coupled thermosonics for fatigue micro-damage detection and localisation[J]. NDT and E International，2018（97）：59-67.

[3] Tzer Yuan， Lo，Kok Swee，Sim，Chih Ping， Tso. Infrared image enhancement using adaptive trilateral contrast enhancement[J].Pattern Recognition Letters，2015（54）：103-108.

[4] 董麗虹，向明，王海斗，等.基于振動(dòng)紅外熱像技術(shù)的承壓材料裂紋檢測(cè)[J].鍛壓技術(shù)，2019，44（6）：127-133.

[5] 徐歡，殷晨波，李向東，等.超聲紅外檢測(cè)中裂紋微觀界面生熱的數(shù)值模擬[J].南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2019，41（4）：493-500.

[6] 唐長(zhǎng)明，鐘舜聰，戴晨煜，等.奧氏體不銹鋼焊縫裂紋的超聲紅外熱像檢測(cè)[J].無(wú)損檢測(cè)，2019，41（5）：33-37，53.

[7] 閔慶旭，馮輔周，徐超，等.超聲紅外鎖相熱像技術(shù)用于金屬平板疲勞裂紋的檢測(cè)[J].紅外技術(shù)，2018，40（1）：91-94.

[8] 敬甫盛，李朋，江海軍，等.基于超聲熱波成像技術(shù)的機(jī)車鉤舌的裂紋檢測(cè)[J].紅外技術(shù)，2020，42（2）：158-162.

[9] 米浩，楊明，于磊，安大偉，等.基于超聲紅外熱成像的缺陷檢測(cè)與定位研究[J].振動(dòng)測(cè)試與診斷，2020，40（1）：101-106，205-206.

[10] 吳昊，劉志平，杜勇，等.超聲紅外熱波成像在 CFRP 板螺栓孔損傷檢測(cè)的研究[J].紅外技術(shù)，2019，41（8）：786-794.