王 冠，李 果，曾 智，李曉麗，張存林，金萬平

（1.北京維泰凱信新技術(shù)有限公司，北京 100085；2.首都師范大學(xué) 太赫茲光電子學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100048）

紅外熱波無損檢測技術(shù)是一門跨學(xué)科的實(shí)用檢測技術(shù)，具有檢測面積大、速度快、非接觸、結(jié)果直觀等優(yōu)點(diǎn)［1］，已被廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)械、電力、醫(yī)療、文物保護(hù)等領(lǐng)域［2－5］。根據(jù)主動(dòng)式熱激勵(lì)方法的不同，現(xiàn)有紅外熱波無損檢測技術(shù)也分為閃光燈脈沖激勵(lì)、熱超聲激勵(lì)、鎖相熱激勵(lì)等激勵(lì)方式，適用于各類金屬試件及厚度較小的非金屬試件的檢測。但對(duì)于一些傳熱系數(shù)較低的非金屬材料，或是一些厚度較大的材料，現(xiàn)有的檢測方法受到激勵(lì)能量不足，處理算法不適用等條件的限制。同時(shí)，現(xiàn)有的多數(shù)檢測系統(tǒng)都是直接從國外購買，價(jià)格昂貴，成本相對(duì)較高。基于上述現(xiàn)狀，筆者介紹了一套自主研制的國產(chǎn)化便攜式紅外熱波無損檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了多種持續(xù)熱激勵(lì)方式，并搭配相應(yīng)的處理算法，很好地解決了這些問題。

1 紅外熱波無損檢測原理

紅外熱波無損檢測法是通過對(duì)物體表面施加可控的溫度場擾動(dòng)，引起物體溫度的變化，而產(chǎn)生熱波。由于物體自身材料特性或物理結(jié)構(gòu)的不同，熱波在物體內(nèi)部的傳輸會(huì)受到影響而發(fā)生散射或反射，并以某種形式反映在物體表面的溫場變化上。這種溫場變化將會(huì)導(dǎo)致物體表面紅外輻射的差異，利用紅外熱像儀將這種人眼無法看到的差異以圖像的方式處理并顯示出來，即可得到物體的材料均勻性及自身的物理特性信息，達(dá)到檢測和探傷的目的［6－7］。

對(duì)于一些熱傳導(dǎo)系數(shù)較小，或是厚度較大的材料，常用的閃光燈脈沖激勵(lì)方式瞬時(shí)能量高，但總能量較小，熱波在傳播過程中就已被物體自身或周圍環(huán)境所吸收，無法引起物體表面溫場的差異。持續(xù)激勵(lì)紅外熱波無損檢測法通過適當(dāng)縮短瞬時(shí)功率，增大激勵(lì)脈寬而提高激勵(lì)總能量，使熱波足以完成整個(gè)熱傳遞過程，從而讓熱像儀能成功捕捉表面熱過程變化，并通過配套算法得出圖形化結(jié)果。

2 便攜式紅外熱波無損檢測系統(tǒng)

系統(tǒng)實(shí)際結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，攜帶方便，很適用于外場檢測。其結(jié)構(gòu)原理如圖1（b）所示，系統(tǒng)主要由三部分組成：熱激勵(lì)系統(tǒng)，采集系統(tǒng)，控制及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

圖1 便攜式紅外熱波無損檢測系統(tǒng)外觀與結(jié)構(gòu)原理示意

2.1 熱激勵(lì)系統(tǒng)

熱激勵(lì)系統(tǒng)是主動(dòng)式紅外檢測系統(tǒng)必不可少的一部分，其通過對(duì)處于熱平衡的物體施加各種不同類型的熱擾動(dòng)，獲得試件內(nèi)不同類型的缺陷信息。其主要分為熱激勵(lì)控制器與激勵(lì)源兩個(gè)部分。該系統(tǒng)集成了兩種不同的激勵(lì)源：大功率加熱燈及高能熱風(fēng)機(jī)。其中，加熱燈的功率可在800～2 600 W 內(nèi)調(diào)節(jié)，加熱面積可達(dá)1 m2，輻射光波集中在短波紅外波段，易被物體吸收，加熱效率較高；熱風(fēng)機(jī)功率為2 000 W，輸出溫度范圍可在50 ℃～630℃內(nèi)調(diào)節(jié)。兩種激勵(lì)方式既能滿足大范圍加熱的需要，也能滿足局部加熱的需要，今后還可根據(jù)實(shí)際需求的不同而增加更多的激勵(lì)方式。

同時(shí)，加熱時(shí)間及加熱總能量需要達(dá)到可控狀態(tài)，因此需要熱激勵(lì)控制器對(duì)激勵(lì)源進(jìn)行控制，與控制處理系統(tǒng)進(jìn)行同步連接。此處又可分為內(nèi)、外觸發(fā)兩種模式。內(nèi)觸發(fā)模式的原理為：在需要定量檢測，或?qū)υ嚰幸欢私獾那闆r下，預(yù)先設(shè)定好加熱時(shí)間，通過控制器控制激勵(lì)源的加熱開關(guān)，然后進(jìn)行采集處理；外觸發(fā)模式的原理為：試探性試驗(yàn)時(shí)，通過手動(dòng)控制激勵(lì)源的加熱時(shí)間，來觸發(fā)系統(tǒng)的采集處理過程。

2.2 采集系統(tǒng)

采集系統(tǒng)主要通過紅外熱像儀來實(shí)現(xiàn)。紅外熱像儀可捕捉相應(yīng)紅外波段的輻射，并將這種數(shù)字化的輻射量轉(zhuǎn)化為可視化的圖像，即體現(xiàn)出物體自身的溫度值分布圖像。該系統(tǒng)的采集設(shè)備并不拘泥于某種特定型號(hào)，而是根據(jù)實(shí)際情況可選用不同空間分辨率、不同溫度分辨率的熱像儀。平時(shí)檢測多采用的制冷型熱像儀雖然精度較高，但有著制冷時(shí)間長，使用及攜帶不便等缺點(diǎn)。為滿足各種外場實(shí)際檢測的需求，系統(tǒng)使用了一款更加便攜，同時(shí)精度相對(duì)較高的非制冷熱像儀，其工作波段為7.5～14μm，提供分辨率為640×480 像素的圖像，采集頻率最高可達(dá)50 Hz，室溫下溫度靈敏度為0.03 ℃～0.05 ℃。同時(shí)，熱像儀可根據(jù)需要選用不同的鏡頭，包括平角鏡頭，45°廣角鏡頭和顯微鏡頭。

2.3 控制及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

被測物體通過熱激勵(lì)系統(tǒng)加熱的過程，以及通過紅外熱像儀捕捉被測物體降溫的過程，都需要利用軟件來精確控制起止時(shí)間，同時(shí)在加載采集完畢后，還需要利用軟件對(duì)所得的結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示與處理。系統(tǒng)采用了自行開發(fā)的軟件“熱波探傷軟件V 1.0”，利用該軟件對(duì)整套系統(tǒng)進(jìn)行控制及數(shù)據(jù)處理?？刂铺幚硐到y(tǒng)的模塊與功能如表1所示。

軟件基于面向?qū)ο蟮腣C＋＋語言編寫，通過USB接口與熱激勵(lì)控制器進(jìn)行信息交換，發(fā)送或接受內(nèi)外觸發(fā)消息，從而達(dá)到控制熱激勵(lì)大小、時(shí)間的效果。通過1394接口與熱像儀連通，利用熱像儀所提供的SDK 獲取其所測得輻射值的數(shù)字信號(hào)，進(jìn)行采集并存儲(chǔ)。加載及采集過程完畢后，軟件將自動(dòng)對(duì)采得的數(shù)據(jù)進(jìn)行重建，曲線擬合后進(jìn)行微分運(yùn)算，并提取出其中更能顯示熱異常差異的項(xiàng)，以圖形化的界面進(jìn)行顯示，所得結(jié)果更能體現(xiàn)材料內(nèi)部由于物理結(jié)構(gòu)或材料均勻性不同而產(chǎn)生的差異。

表1 軟件控制處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模塊

3 檢測結(jié)果

利用該系統(tǒng)對(duì)不同的試件進(jìn)行了檢測。試件1為玻璃纖維復(fù)合材料，尺寸為250mm×100mm×3mm（長×寬×厚），背部挖有深度為0.5mm 的圓孔，孔徑從大到小依次為10，5，5，3，2mm；同時(shí)背部貼有厚度為2mm 的鋁板。利用800 W 大功率燈激勵(lì)，加熱時(shí)間5s，采集頻率30Hz，采集時(shí)間30s，經(jīng)過采集處理后，從圖2可看出5個(gè)預(yù)埋缺陷清晰可見，最小的2mm 孔徑平底洞在圖上也能用肉眼分辨。所得結(jié)果及實(shí)際軟件截圖如圖2所示。

圖2 軟件實(shí)際截圖及試件1試驗(yàn)結(jié)果

試件2 為風(fēng)機(jī)葉片玻璃鋼試件，尺寸為255mm×220mm，厚度為中間厚兩邊薄的弧形，中間厚度約為19mm，兩側(cè)厚度約為13mm；背部挖有不同厚度及大小的平底孔，孔厚度從上往下依次為3，2，1mm，孔直徑從大到小依次為20，16，10，8，6，5mm。使用2 000 W 大功率燈進(jìn)行熱激勵(lì)，加熱時(shí)間為6s，采集頻率為20Hz，采集時(shí)間為40s，經(jīng)過采集并用軟件處理后，不同時(shí)間的熱圖如圖3所示。由圖可知，經(jīng)過時(shí)間的變化，不同深度的平底孔依次在熱圖中顯示出來；孔徑為5mm 的小孔在熱圖中也能清晰辨認(rèn)，同時(shí)在顯示第一排平底孔時(shí)，第三排平底孔熱圖還發(fā)生了熱量反轉(zhuǎn)，即平底孔灰度從高到低再到高這樣一個(gè)過程，說明激勵(lì)能量足夠以波的形式在試件內(nèi)部傳播一個(gè)完整周期，以使整個(gè)熱波傳遞過程得以完成。

圖3 試件2在不同采集時(shí)間下的熱圖處理結(jié)果

4 結(jié)語

介紹了一套自主研制的國產(chǎn)便攜式紅外熱波無損檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)搭載了大功率燈、熱吹風(fēng)等多種熱激勵(lì)方式，采用了內(nèi)、外兩種觸發(fā)模式的控制系統(tǒng)，使用了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的數(shù)據(jù)處理算法，并利用獨(dú)特的數(shù)據(jù)重建算法和去噪增信的處理辦法優(yōu)化檢測結(jié)果。使用該系統(tǒng)對(duì)不同復(fù)合材料的試件進(jìn)行檢測，試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)對(duì)于復(fù)合材料試件的缺陷檢測有較好的檢測結(jié)果，對(duì)于傳熱速率較慢，或厚度較大的復(fù)合材料試件的檢測相對(duì)于其他激勵(lì)檢測方法有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

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