被檢物位置對非接觸超聲紅外熱像技術(shù)的影響

金學(xué)元，王 冠

（1.攀枝花學(xué)院 公共實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，四川攀枝花617000；2.北京維泰凱信新技術(shù)有限公司，北京100037）

0 前言

超聲紅外熱像技術(shù)是一種新型的紅外熱波無損檢測技術(shù)，自上個(gè)世紀(jì)出現(xiàn)以來逐步被用于裂紋及復(fù)合材料脫粘的檢測，目前已開發(fā)出有效的缺陷自動識別算法［1］。超聲紅外熱像技術(shù)以超聲作為熱激勵(lì)源，檢測時(shí)需通過超聲槍頭與被檢測物接觸將特定頻率超聲耦合到被檢測物中，由于超聲槍頭與被檢測物之間接觸且有壓力的作用，被檢測物會受到不同程度的損傷。另外，超聲槍頭與被檢測物接觸處存在摩擦，接觸處要產(chǎn)生熱量，會降低檢測結(jié)果的信噪比。

非接觸超聲紅外熱像技術(shù)是在超聲紅外熱像技術(shù)基礎(chǔ)上改進(jìn)得到的，它以特制的大型超聲槍頭代替?zhèn)鹘y(tǒng)的超聲槍頭，通過空氣將超聲耦合到被檢測物中，由于特制超聲槍頭不與被檢測物接觸，不會損傷被檢測物，同時(shí)也可獲得較高的信噪比。目前非接觸超聲紅外熱像技術(shù)已被用于復(fù)合材料的檢測，且得到了良好的檢測結(jié)果［2］。

1 基本原理

非接觸超聲紅外熱像技術(shù)檢測設(shè)備如圖1所示，設(shè)備由超聲激勵(lì)系統(tǒng)，熱成像系統(tǒng)及熱圖像處理系統(tǒng)三個(gè)部分構(gòu)成。超聲激勵(lì)系統(tǒng)為BRANSON公司制造的型號2000aed的超聲儀和特制的非接觸超聲槍頭，超聲儀最大輸出功率為4000 W，檢測過程中可通過設(shè)置超聲控制器上振幅參數(shù)來調(diào)節(jié)超聲的輸出功率。熱成像系統(tǒng)為法國cedip的JADE III熱像儀，工作波段為3.7～4.8μm，采集頻率及采集時(shí)間可通過計(jì)算機(jī)設(shè)定，生成的熱圖像大小為320×240像素。熱圖像處理系統(tǒng)為Echo-Therm軟件，該軟件可對采集到的原始熱圖進(jìn)行減背景、調(diào)整對比度、生成溫度時(shí)間曲線等分析處理。

圖1 非接觸超聲紅外熱像技術(shù)檢測系統(tǒng)

圖2 特制非接觸超聲槍頭

非接觸超聲槍頭如圖2所示，其尺寸為230 mm×160 mm×110 mm，相比傳統(tǒng)的超聲槍頭，非接觸超聲槍頭體積大，具有更大的超聲發(fā)射空間角，可以在不接觸被檢測物條件下通過空氣將超聲耦合到被檢測物中。

當(dāng)超聲經(jīng)空氣耦合到被檢測物中后，攜帶能量的超聲波將在介質(zhì)中快速傳播，如果超聲遇到介質(zhì)內(nèi)的非均勻區(qū)域（缺陷等區(qū)域），其交界面處會產(chǎn)生摩擦，或非均勻區(qū)域與其他區(qū)域彈性性質(zhì)不同，超聲衰減比均勻區(qū)多，由于熱彈效應(yīng)和滯后效應(yīng)的存在，超聲能量轉(zhuǎn)化為熱量［3］，且缺陷處產(chǎn)生的熱量會以熱波形式傳到被檢測物表面，通過熱像儀采集被檢測物的熱圖像，利用軟件對熱圖進(jìn)行處理就可以檢測出缺陷［4］。缺陷處產(chǎn)生的熱量在介質(zhì)中傳導(dǎo)的熱傳導(dǎo)方程可表示為：

（1）式中 T（r，t）是 t時(shí)刻 r處的溫度，f（r，t）為熱源函數(shù)，k為熱傳導(dǎo)率，密度 ρ與比熱 c的乘積 ρc是介質(zhì)材料的體熱容。

如圖1所示，超聲激勵(lì)時(shí)，缺陷視為熱源，且缺陷單位面積上產(chǎn)生的熱量為常數(shù)q，設(shè)熱源到被檢測物表面的距離為d。在超聲激勵(lì)的時(shí)間內(nèi)，被檢測物界面（表面）絕熱的條件下，可求解得到被檢測物表面溫度與時(shí)間的關(guān)系［5］：

（2）式中，a＝k/ρc為擴(kuò)散系數(shù)，由該式得出，在超聲激勵(lì)的過程中，有缺陷的被檢測物表面溫度持續(xù)升高，且與缺陷越近的表面溫度越高。（2）式表明了非接觸超聲紅外熱像技術(shù)具有較高的信噪比，在非接觸超聲激勵(lì)條件下，熱像儀采集到的被檢測物熱圖像，可清楚、直觀顯示出被檢測物內(nèi)所存在的缺陷。

圖3 碳纖維增強(qiáng)多層復(fù)合材料板試件

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了探究被檢測物位置對非接觸超聲紅外熱像技術(shù)檢測結(jié)果的影響，本文選取了兩塊同種碳纖維增強(qiáng)多層復(fù)合材料板試件，其編號分別為2-02、2-10，如圖3所示。試件尺寸均為90 mm×55 mm×1.8 mm，層鋪方向?yàn)椋?/90］2s，共16層，試件中心處有低能沖擊損傷，沖擊能量按試件編號由小到大分別為2 J、6 J。

2.1 位置對檢測的影響

首先用夾具夾住編號2-02、2-10兩試件，分別將兩試件置于非接觸超聲槍頭左側(cè)面空間，試件與槍頭左側(cè)面平行且相距3 cm。調(diào)整超聲輸出功率為200 w，超聲對兩試件激勵(lì)時(shí)間均為10 s，超聲激勵(lì)結(jié)束時(shí)刻采集得到的減背景熱圖像如圖4所示。

圖4 試件置于槍頭左側(cè)面減背景熱圖

由圖4可看出，當(dāng)板狀試件置于左側(cè)面空間與左側(cè)面平行時(shí)，采集得到的熱圖像信噪比低，位于試件中心處的沖擊損傷無法被檢測出來。

再將夾具夾住的兩試件分別置于非接觸超聲槍頭下底面空間，并與槍頭下底面平行且相距3 cm。超聲輸出功率為200 w，超聲對兩試件激勵(lì)時(shí)間均為10 s，超聲激勵(lì)結(jié)束時(shí)刻采集得到的減背景熱圖如圖5所示。

由圖5看出，當(dāng)板狀試件置于下底面空間與下底面平行時(shí)，采集得到的熱圖像信噪比較高，兩試件中心的沖擊損傷被檢測出來。另外，由圖5還可以看出，沖擊能量越大的損傷，檢測出的缺陷越清楚。

比較圖4和圖5得出，當(dāng)薄板狀被檢物置于非接觸超聲槍頭下底面空間并與下底面平行的位置時(shí)，可獲得較好的檢測結(jié)果。

圖5 試件置于槍頭下底面減背景熱圖

2.2 槍頭表面振動測量

在超聲激勵(lì)系統(tǒng)輸出功率為200 w的條件下，利用單點(diǎn)振動儀首先測量了過非接觸超聲槍頭左側(cè)面中點(diǎn)沿寬度方向上各點(diǎn)的振動振幅，測量結(jié)果如圖6所示。

圖6 槍頭左側(cè)面寬度方向各點(diǎn)的振幅

圖6中的振幅曲線中斷處為槍頭左側(cè)面的孔區(qū)，通過振幅曲線看出，過非接觸超聲槍頭左側(cè)面中點(diǎn)的寬度方向上，前后端及孔附近點(diǎn)的振幅大，通過測量的數(shù)據(jù)求得寬度方向上最大振幅約為最小振幅的1.70倍，測量結(jié)果表明了超聲槍頭左側(cè)面的振動均勻度較差。

在超聲激勵(lì)系統(tǒng)輸出功率為200 w的條件下，利用單點(diǎn)振動儀依次測量了過非接觸超聲槍頭下底面中點(diǎn)長度和寬度方向上各點(diǎn)的振動振幅，測量結(jié)果如圖7、圖8所示。

由圖7、圖8看出，在超聲輸出功率為200 w的情況下，非接觸超聲槍頭下底面長度方向上和寬度方向上各點(diǎn)的振幅較小，且相差不大，通過計(jì)算長度方向最大振幅約為最小振幅的1.19倍，寬度方向上最大振幅約為最小振幅的1.22倍，測量結(jié)果表明了下底面的振動均勻度較好。

圖7 槍頭下底面長度方向各點(diǎn)的振幅

圖8 槍頭下底面寬度方向各點(diǎn)的振幅

2.3 討論

通過所測得的非接觸超聲槍頭左側(cè)面及下底面的振幅數(shù)據(jù)可看出，在超聲輸出功率一定的情況下，非接觸超聲槍頭左側(cè)面的振動振幅普遍大于下底面的振動振幅，當(dāng)薄板狀試件置于槍頭左側(cè)面空間時(shí)未檢測出沖擊損傷，而試件置于槍頭下底面空間卻檢測出了沖擊損傷，說明了在該技術(shù)下被檢測物內(nèi)的缺陷能否被檢測出，主要取決于非接觸超聲槍頭表面振動的均勻性，超聲槍頭表面振動的均勻性與缺陷的檢出率存在一定的聯(lián)系。

3 結(jié)論

非接觸超聲紅外熱像技術(shù)通過特制的大型非接觸超聲槍頭，在與被檢測物不接觸的情況下，將攜帶能的超聲通過空氣耦合到被檢測物中，不會對被檢測物造成損傷，在復(fù)合材料檢測中有著不俗的表現(xiàn)。本文通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，被檢測物在非接觸超聲槍頭周圍的空間位置會對該技術(shù)的檢測結(jié)果造成影響，對于薄板狀被檢測物來說，當(dāng)它置于非接觸超聲槍頭下底面時(shí)，檢測結(jié)果較好。本文通過測量非接觸超聲槍頭表面振動振幅，發(fā)現(xiàn)在相同條件下非接觸超聲槍頭下底面振動振幅比左側(cè)面振動振幅小，但振動均勻性卻比左側(cè)面好，通過對比得出非接觸超聲槍頭表面振動的均勻性與缺陷的檢出率存在一定的關(guān)系，表面振動的均勻性越好，缺陷的檢出率越高。