基于超聲紅外熱成像的缺陷檢測與定位究

王鵬

摘要：目前，我國的科技發(fā)展十分迅速，超聲紅外熱成像以超聲作為激勵源，能夠用于檢測多種工件，但是由于熱傳導(dǎo)效應(yīng)及空氣的散射，檢測結(jié)果中缺陷邊緣較為模糊，成像對比度不高，并且會有溫度分布不均引起的“散斑噪聲”。為解決以上問題，提出了一種對超聲紅外熱成像結(jié)果進(jìn)行缺陷檢測和定位的方法，使用限制對比度自適應(yīng)直方圖均衡（contrastlimitedadaptivehistogramequalization，簡稱CLAHE）方法對圖像進(jìn)行對比度增強，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，并通過形態(tài)學(xué)處理對缺陷中心進(jìn)行定位。實驗表明，根據(jù)局部方差可以對圖像進(jìn)行有效判斷，經(jīng)過形態(tài)學(xué)處理之后能夠準(zhǔn)確定位。該研究為通過超聲紅外熱成像實現(xiàn)缺陷檢測及定位提供了一種便捷有效的方法。

關(guān)鍵詞：紅外熱成像;圖像處理;缺陷檢測;巴特沃斯濾波器

引言

復(fù)合材料具有諸多優(yōu)點，在航空航天設(shè)備上廣泛使用。但在制造過程中，由于環(huán)境和人為因素，復(fù)合材料的最終制品中存在孔隙、分層等缺陷;在使用過程中，動、靜載荷等原因也會引起基體微裂紋、層間分離等損傷。這些界面貼合型的缺陷和損傷，將嚴(yán)重削弱復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的性能，降低結(jié)構(gòu)的使用可靠性和安全性。因此發(fā)展快速、高效的無損檢測技術(shù)已成為亟需解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。

1紅外熱成像無損檢測技術(shù)現(xiàn)狀闡釋

紅外熱成像無損檢測技術(shù)基于熱成像設(shè)備發(fā)展起來，并且于第二次世界大戰(zhàn)以后，第一代軍用紅外熱像設(shè)備成功研發(fā)。此后，在國際范圍內(nèi)，紅外熱成像無損檢測技術(shù)的研究不斷深入，特別是光脈沖與超聲激勵紅外熱成像方面獲得了理想的研究成就。也有大部分國家將此領(lǐng)域研究成果應(yīng)用在檢測飛機復(fù)合材料構(gòu)件內(nèi)部缺陷方面。而在我國，受到熱像儀發(fā)展制約，使得紅外熱波無損檢測技術(shù)研究時間不長，最初僅被應(yīng)用于傳統(tǒng)的被動式紅外熱成像檢測當(dāng)中，而且非制冷熱像儀與掃描儀仍占據(jù)市場主導(dǎo)地位，在溫度分辨率與采集頻率方面都很難與溫場的快速變化需求相適應(yīng)。隨后，各院校在熱波檢測理論與熱激勵方法等方面加大了研究力度，并在汽車制造與航空航天領(lǐng)域得到了應(yīng)用。

2超聲紅外熱成像的缺陷檢測與定位究

2.1光脈沖熱成像技術(shù)

它是利用高能脈沖閃光燈對被檢物表面進(jìn)行熱激勵，瞬間在試件表面形成一層平面熱源，并以熱波的形式在其中傳播。如果試件內(nèi)部有缺陷（脫粘、分層等），會使該處熱波的傳播形式發(fā)生改變，從而引起試件表面溫場的變化。同時用熱像儀捕捉這個變化的過程，找到缺陷的位置和形狀。此外，熱圖序列還包含了溫場變化的時間信息，通過相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理算法，可以實現(xiàn)缺陷屬性識別、缺陷深度定量測量等。該方法是最為經(jīng)典、成熟的方法，其優(yōu)點是非接觸、檢測速度快。但該方法也受試件表面紅外發(fā)射率、試件幾何形狀以及加熱均勻性的影響。

2.2缺陷識別

常用的缺陷識別方法有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和支持向量機等，根據(jù)大量的樣本，對圖像進(jìn)行特征采集和識別訓(xùn)練。鑒于本研究中的樣本較少，筆者采用色彩分量-局部方差作為識別缺陷的特征。經(jīng)過圖像增強之后，缺陷區(qū)域和正常區(qū)域區(qū)分較為明顯，缺陷區(qū)域的色彩分布不均勻，正常區(qū)域的色彩分布較為統(tǒng)一。因此，筆者根據(jù)此特征，選取局部方差作為區(qū)分圖像中有無缺陷的依據(jù)。具體方案如下：a.將紅綠藍(lán)色彩模式（red，green，blue，簡稱RGB）的圖像的G分量圖像分為3×3共計9部分，子圖像長度或?qū)挾炔皇钦麛?shù)的向下取整;b.對每個子圖像求灰度值的標(biāo)準(zhǔn)差，記為si，i=1～9;c.求si的極差D，若D>D0，則判斷此圖像中的被測件有缺陷;否則，判斷為正常被測件，其中D0為閾值。在同一實驗環(huán)境下采集的熱圖像閾值D0較為接近。

2.3太赫茲激勵紅外熱波技術(shù)

對于太赫茲波而言，所指代的就是頻率控制在0.1-10THz之間的電磁輻射。通過對THz波的應(yīng)用，將其當(dāng)做熱源實施紅外熱波檢測是全新探索方式，能夠借助返波振蕩器太赫茲源針對試件的表面中展開連續(xù)亦或是周期熱激勵，而熱像儀則能夠?qū)υ嚰砻娴臏貓龈淖冞M(jìn)行探測。現(xiàn)階段，太赫茲功率源受到一定的限制，所以此技術(shù)尚處在試驗階段，一般被應(yīng)用在小范圍熱激勵檢測當(dāng)中。而此技術(shù)的檢測能力，較之于閃光燈脈沖激勵技術(shù)仍存在一定的差距。然而，伴隨THz技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展，THz發(fā)生源明顯改進(jìn)，被當(dāng)做熱源紅外熱波技術(shù)將實現(xiàn)進(jìn)一步地發(fā)展。

2.4缺陷中心定位

對識別出有缺陷的圖像進(jìn)行缺陷中心定位。通過形態(tài)學(xué)處理的閉運算消除缺陷周圍雜點的影響，選取圖像中最大連通域的質(zhì)量中心作為缺陷中心。經(jīng)過形態(tài)學(xué)處理，二值圖像中會有多個大小不等的連通域，缺陷區(qū)域和溫度分布不均的區(qū)域都會形成連通域。缺陷區(qū)域周圍的像素點灰度值較大，會形成面積較大的連通域。因此，筆者選取面積最大的連通域P作為包含缺陷中心的連通域。

2.5鎖相紅外熱成像

鎖相紅外熱成像技術(shù)是主動對被檢物施加周期調(diào)制的熱激勵（光、超聲等），如被檢測物內(nèi)部存在缺陷，缺陷部位會產(chǎn)生周期性的熱響應(yīng)，進(jìn)而影響試件表面溫場分布。熱像儀采集表面溫場的變化，通過軟、硬件提取特定鎖相頻率下表面熱信號的幅值、相位信息。幅值表征了反射波和入射波的矢量和，相位則表征了反射波和入射波之間的相位差，由此來分析被檢測物中的缺陷信息。光鎖相紅外熱成像一次性檢測面積大，所得的相位圖不易受熱激勵不均勻性、環(huán)境反射、材料表面狀況等影響。超聲鎖相熱成像，可以用功率較小（相對于脈沖超聲激勵）的周期性超聲激勵得到較好的檢測結(jié)果，一定程度上避免了對試件造成二次損傷。但是不論是光鎖相還是超聲鎖相，檢測時都需要嘗試不同的鎖相調(diào)制頻率，頻率太高熱波穿透深度不夠，太低得到熱圖像的信噪比低，且單次實驗周期較長。

結(jié)語

（1）利用有限元方法對復(fù)合材料表面疲勞裂紋檢測進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明，裂紋面在超聲激勵下發(fā)生了接觸、碰撞等運動，且由于裂紋面不光滑，出現(xiàn)相對運動，從而產(chǎn)生摩擦生熱現(xiàn)象;裂紋中部生熱速率大于裂紋尖端處;微小裂紋（≤1mm）可以被檢測出，且裂紋越長，裂紋面越大，則表面溫度場的相對變化就越大，但微小裂紋表面溫度場變化的絕對值較小。（2）通過對玻璃纖維復(fù)合材料內(nèi)部分層損傷的檢測試驗，研究了試件表面溫度場的變化，分析了超聲波激勵源及“駐波”對檢測結(jié)果的影響，并對檢測結(jié)果進(jìn)行了定量識別，由于熱的橫向傳導(dǎo)，使得識別值略大于真實值;通過與脈沖熱激勵的對比發(fā)現(xiàn)，超聲熱激勵特別適合對復(fù)合材料中的裂紋、分層等界面貼合型損傷進(jìn)行檢測，其效果明顯，且不需要考慮加熱不均勻的問題。（3）通過對不同耦合材料的試驗得出，醫(yī)用膠帶能保證激勵過程中，超聲波有效地進(jìn)入試件，激發(fā)損傷處生熱，并消除“駐波”現(xiàn)象。

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