沈功田,王尊祥

(中國特種設(shè)備檢測(cè)研究院，北京 100029)

目前，超聲、射線、渦流、磁粉、滲透等常規(guī)的無損檢測(cè)方法已在相關(guān)行業(yè)得到了成熟的應(yīng)用，但上述方法多用于已形成的宏觀缺陷的檢測(cè)，紅外檢測(cè)(Infrared testing, IRT)技術(shù)作為一種新的檢測(cè)方法，通過提取被檢測(cè)物體的紅外特征參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備故障的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及應(yīng)力集中和疲勞壽命的快速檢測(cè)。通過檢測(cè)此類“危險(xiǎn)源”，可以確定構(gòu)件、設(shè)備的服役情況，從而為重要部件的后期壽命和安全評(píng)價(jià)提供參考和依據(jù)。與常規(guī)的無損檢測(cè)方法比較，紅外無損檢測(cè)還有以下優(yōu)勢(shì)：① 無需接觸測(cè)量；② 測(cè)量范圍大(可達(dá)0.1 m2)；③ 測(cè)量距離遠(yuǎn)(20 cm～20 m)； ④成像直觀、快速。IRT技術(shù)目前在航空航天、電力、建筑等工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。

筆者介紹了紅外檢測(cè)技術(shù)的原理，綜述了國內(nèi)外關(guān)于紅外檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展情況和研究進(jìn)展，指出了重點(diǎn)研究領(lǐng)域和目前仍然存在的問題，最后介紹了基于紅外成像檢測(cè)技術(shù)的相關(guān)儀器設(shè)備和檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，展望了該技術(shù)的未來發(fā)展趨勢(shì)和應(yīng)用前景。

1 IRT檢測(cè)原理

紅外檢測(cè)技術(shù)主要基于紅外輻射(紅外線)的理論，即任何高于絕對(duì)零度的物質(zhì)都會(huì)連續(xù)地向周圍輻射紅外線，紅外線是一種帶能量的電磁波，其波長為0.75～1 000 μm，頻率為3×1011～4×1014Hz[1]。紅外輻射與物體本身的溫度滿足一定的函數(shù)關(guān)系，被測(cè)物體表面溫度越高，輻射能量也越多。黑體紅外輻射的基本規(guī)律反應(yīng)了紅外輻射強(qiáng)度和波長隨溫度變化的定量關(guān)系，其滿足的基本規(guī)律主要有：普朗克輻射定律、維恩位移定律、斯特凡-玻爾茲曼定律等。

紅外線在大氣中穿透比較好的波段，被稱為“大氣窗口”，短波波長為3～5 μm，長波波長為7～14 μm。紅外熱像儀利用紅外探測(cè)器和光學(xué)成像系統(tǒng)接收被測(cè)物體的紅外輻射能量，并反映到紅外探測(cè)器的光敏元件上，從而獲得紅外熱像圖，這樣紅外熱像儀就將不可見的紅外能量轉(zhuǎn)化為可見的熱像圖，熱像圖與物體表面的熱分布場(chǎng)是相對(duì)應(yīng)的。通過對(duì)熱像圖溫度、幅值、相位等信息的提取和分析等，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)物體的檢測(cè)、監(jiān)測(cè)和評(píng)估。

IRT檢測(cè)裝置根據(jù)是否需要外加激勵(lì)源可分為主動(dòng)式和被動(dòng)式兩種，檢測(cè)裝置分別如圖1和圖2所示。主動(dòng)式檢測(cè)裝置由激勵(lì)部分(信號(hào)發(fā)生器和激勵(lì)源)、紅外熱像儀和PC(計(jì)算機(jī))終端3部分組成，而被動(dòng)式檢測(cè)裝置無需激勵(lì)部分，紅外熱像儀主要由光學(xué)系統(tǒng)、紅外探測(cè)器、信號(hào)處理器和顯示器等4部分組成。PC終端可控制激勵(lì)信號(hào)以及對(duì)紅外熱像圖進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。

圖1 IRT主動(dòng)檢測(cè)裝置示意

圖2 IRT被動(dòng)檢測(cè)裝置示意

2 國外研究現(xiàn)狀

國外許多學(xué)者對(duì)紅外檢測(cè)技術(shù)的研究和應(yīng)用做了大量工作，比如法國國立高等工程技術(shù)學(xué)校的BALAGEAS團(tuán)隊(duì)[2]、意大利費(fèi)德里克二世大學(xué)的MEOLA團(tuán)隊(duì)[3]以及日本名古屋大學(xué)的TSUJI團(tuán)隊(duì)、美國的RAMI HAJ-ALI團(tuán)隊(duì)、墨西拿大學(xué)的CRUPI等。目前,國際上對(duì)于紅外成像檢測(cè)技術(shù)的研究及應(yīng)用主要集中在缺陷檢測(cè)、應(yīng)力檢測(cè)和疲勞分析等方面。

2.1 缺陷檢測(cè)

目前,對(duì)于構(gòu)件缺陷的紅外成像檢測(cè)主要采用主動(dòng)法，即通過對(duì)構(gòu)件施加可控的激勵(lì)來獲得熱像圖，構(gòu)件缺陷處與非缺陷處的熱阻和溫度分布是不同的，缺陷會(huì)阻礙“熱流”的均勻傳播擴(kuò)散，在構(gòu)件表面形成“高溫區(qū)”和“低溫區(qū)”。紅外熱成像檢測(cè)不受材料性質(zhì)的限制，目前主要集中應(yīng)用于復(fù)合材料領(lǐng)域的檢測(cè)，對(duì)裂紋、脫黏、沖擊損傷等缺陷的檢出率較高。CHATTERJEE等[4]在對(duì)紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行對(duì)比研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，熱像圖的噪聲主要來源于結(jié)構(gòu)的不均勻性，當(dāng)缺陷位置較淺時(shí)，脈沖紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)的圖像信噪比最高，但隨著缺陷深度的增加，3種方法的差異會(huì)逐漸減小。MUNOZ等[5]對(duì)航空碳纖維復(fù)合材料的損傷演變機(jī)理進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)0°拉伸有3種損傷：基體破壞、纖維斷裂和脫黏，而90°拉伸不存在基體破壞的模式。BALAGEASL等[6]對(duì)先進(jìn)復(fù)合材料的內(nèi)部裂紋、外部夾雜物、脫膠、分層等缺陷成功進(jìn)行了紅外無損檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)相比其他檢測(cè)方法，該方法檢測(cè)效率更高，安全性更高，非常適于在線監(jiān)控。波蘭的PSUJ[7]對(duì)熱像圖序列進(jìn)行歸一化和DFT(離散傅里葉變換)處理，通過幅值和相位圖分析研究了裂紋的生長過程。TSUJI等[8]在碳纖維復(fù)合材料的鎖相試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)低壓下厚度方向的熱擴(kuò)散系數(shù)要小于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的熱擴(kuò)散系數(shù)，平面方向上熱擴(kuò)散系數(shù)取決于激勵(lì)的加熱頻率。EKANAYAKE等[9]采用CT(X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描)技術(shù)驗(yàn)證了基于紅外成像技術(shù)的碳纖維缺陷幾何尺寸測(cè)量的準(zhǔn)確性，整體相對(duì)誤差小于10%。

金屬材料的熱傳導(dǎo)率相比復(fù)合材料的大很多，相對(duì)研究要少一些。KOCHANOWSKI等[10]發(fā)現(xiàn)采用脈沖紅外熱像法測(cè)得的奧氏體不銹鋼316L的熱擴(kuò)散系數(shù)與文獻(xiàn)中給出值的誤差僅為0.5%，利用熱傳導(dǎo)方程來解相關(guān)的簡單邊界條件也更加方便。SEKHARBABU等[11]對(duì)D2工具鋼的摩擦焊過程進(jìn)行紅外監(jiān)測(cè)，測(cè)得其紅外輪廓，并發(fā)現(xiàn)其焊接溫度場(chǎng)的峰值溫度可達(dá)1 200 ℃，由于馬氏體相變和初生碳化物的細(xì)化，提高了顯微硬度和耐磨性，有利于研究焊接過程中的組織變化。

2.2 應(yīng)力檢測(cè)

紅外應(yīng)力檢測(cè)是基于熱彈性效應(yīng)原理進(jìn)行的。紅外熱彈性效應(yīng)于1853年首次由LORD KELVIN提出，后經(jīng)過BLOT的進(jìn)一步研究，建立了表面溫度變化與應(yīng)力變化之間的定量關(guān)系表達(dá)式，如式(1)所示。

ΔTe=-KTΔσe

(1)

式中：ΔTe為在溫度T時(shí)的熱彈性溫度變化；K,T分別為與膨脹系數(shù)、密度和熱容量有關(guān)的常數(shù)；Δσe為彈性應(yīng)力增加值。

由式(1)可以看出，熱彈性溫度變化與彈性應(yīng)力增加值呈線性關(guān)系，任何固體材料在受到拉伸時(shí)，其自身溫度會(huì)降低，形成“冷發(fā)射”;在受到壓縮時(shí)，自身溫度會(huì)升高，形成“熱發(fā)射”。根據(jù)目前的研究可知，溫升1 mK，對(duì)應(yīng)鋼材的應(yīng)力變化約為1 MPa，對(duì)應(yīng)鋁構(gòu)件的應(yīng)力變化約為0.4 MPa[12]。

2008年，HAJ-ALI等[13]采用虛擬裂紋閉合技術(shù)(VCCT)和有限元(FE)兩種熱彈性應(yīng)力分析方法對(duì)復(fù)合材料表面的應(yīng)力場(chǎng)分布進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)I型應(yīng)力強(qiáng)度因子與應(yīng)力場(chǎng)有較高的吻合度，II型應(yīng)力強(qiáng)度因子與裂紋尖端的位置和尖端附近的非彈性以及損傷區(qū)域的大小有關(guān)。同年，EMERY等[14]提出了一種新的分層材料熱彈性定量分析矯正方法，并成功應(yīng)用于復(fù)合材料的檢測(cè)中。2011年，KUTIN等[15]采用紅外熱像技術(shù)對(duì)環(huán)氧玻璃復(fù)合材料進(jìn)行應(yīng)力檢測(cè)，試驗(yàn)得到了傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)的驗(yàn)證，表明該方法可作為一種高效的復(fù)合材料早期診斷方法。BRéMOND等[16]在壓強(qiáng)30 MPa，加載頻率3 Hz的參數(shù)設(shè)置下準(zhǔn)確測(cè)量了裂紋長度。

2.3 疲勞分析

機(jī)械零部件在交變載荷的長期作用下，會(huì)萌生細(xì)小裂紋并形成主導(dǎo)裂紋隨后穩(wěn)定擴(kuò)展，最終引起構(gòu)件的失穩(wěn)或完全斷裂[17]。據(jù)報(bào)道，目前80%的斷裂事故屬于疲勞斷裂，金屬材料在疲勞試驗(yàn)過程中的不同階段會(huì)伴隨有不同的固有耗散能釋放，材料的表面溫度在疲勞進(jìn)程中會(huì)出現(xiàn)3個(gè)階段：開始時(shí)表面溫度迅速升高，中間緩慢增加和最后裂紋擴(kuò)展時(shí)快速升高，且只有當(dāng)循環(huán)應(yīng)力大于疲勞極限時(shí)溫度才會(huì)顯著升高[18]。傳統(tǒng)的疲勞試驗(yàn)周期長、成本高，紅外熱像儀的出現(xiàn)為疲勞檢測(cè)提供了一種新的快速高效檢測(cè)方法，采用紅外熱像儀來表征溫度的變化，可深入分析其斷裂原理。MICHAL等[19]已通過試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性。目前，疲勞特性的研究已經(jīng)在鋼材、鑄鐵、鎂合金、鋁合金等金屬的疲勞試驗(yàn)中取得了良好的效果。

LUONG[20]曾在1998年采用紅外熱像法研究了疲勞演變過程和預(yù)估汽車零部件連桿的疲勞極限。2010年，CRUPI等[21]在焊接接頭的低周疲勞試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)材料表面也會(huì)出現(xiàn)類似高周疲勞的三個(gè)溫升階段，且溫升與磁滯回線緊密關(guān)聯(lián)，都屬于在塑性變形中釋放能量的一種表現(xiàn)形式。同年，CRUPI又對(duì)原有的熱像法(EM)進(jìn)行了改進(jìn)，與能量分析相結(jié)合，提出了一種新的定量分析方法來預(yù)測(cè)剩余疲勞壽命和進(jìn)行非線性應(yīng)力的測(cè)量，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證得到測(cè)量誤差分別為13%和4%[22]。MOUMNI等[23]研究了加載頻率對(duì)形狀記憶合金的低周疲勞壽命影響，得到以下結(jié)論：① 隨著加載頻率的增加，溫度的振幅會(huì)隨著時(shí)間先增大后趨于穩(wěn)定；② 不管是應(yīng)力控制還是應(yīng)變控制,溫度振幅整體都會(huì)隨著加載頻率的增加而減少；③ 加載頻率很低時(shí)疲勞壽命對(duì)溫度基本無影響。

2.4 其他領(lǐng)域

由于紅外熱成像檢測(cè)具有檢測(cè)面積大、速度快、適于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用在電力、建材、地質(zhì)、醫(yī)療、大氣研究等領(lǐng)域[24]。HUDA等[25]運(yùn)用基于紅外熱成像法的智能系統(tǒng)進(jìn)行電力設(shè)備故障的預(yù)防性檢測(cè)，試驗(yàn)采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和統(tǒng)計(jì)特征方法進(jìn)行設(shè)備內(nèi)部缺陷的檢測(cè)，結(jié)果表明統(tǒng)計(jì)特征方法具有更好的性能，準(zhǔn)確率為82.40%。KORDATOS等[26]利用紅外熱成像技術(shù)來評(píng)價(jià)壁畫和歷史紀(jì)念碑的損壞情況。LUONG[27]運(yùn)用紅外熱成像技術(shù)來進(jìn)行土地動(dòng)力學(xué)研究，為研究土地變形的機(jī)理提供了依據(jù)。MEOLA等[28]對(duì)熱塑性基體復(fù)合材料進(jìn)行在線紅外監(jiān)測(cè)中發(fā)現(xiàn)溫升與材料密切相關(guān)，從而可作為評(píng)判新材料性能的指標(biāo)，相位圖則可以為沖擊動(dòng)力學(xué)提供參考信息。SAHU等[29]進(jìn)行了癌癥的紅外光譜研究工作。MEOLA等[30]發(fā)現(xiàn)相位值與材料的某些特性(密度，孔隙率，硬度等)相關(guān)聯(lián)。鎖相熱成像技術(shù)能夠區(qū)分成分非常相似的材料，可以用來表征金屬、塑料、復(fù)合材料等多種材料，評(píng)估材料老化或暴露于不利環(huán)境下而出現(xiàn)的特性變化情況。

3 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國的IRT技術(shù)起步于20世紀(jì)50年代，改革開放以來得到了迅速發(fā)展。目前國內(nèi)對(duì)IRT研究較多的有華中科技大學(xué)、電子科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、南京理工大學(xué)、首都師范大學(xué)、中國特種設(shè)備檢測(cè)研究院等科研院所。這些研究主要集中在缺陷檢測(cè)、應(yīng)力和疲勞分析、模擬仿真和圖像處理等方面，并涉及到了機(jī)械設(shè)備故障診斷的應(yīng)用領(lǐng)域。

3.1 缺陷檢測(cè)

國內(nèi)對(duì)于缺陷檢測(cè)的研究主要集中在常規(guī)、鎖相和脈沖相位等不同熱成像技術(shù)的理論和試驗(yàn)研究中，如缺陷深度測(cè)量、相位信息分析等。張金玉等[31]在涂層的鎖相無損檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)當(dāng)涂層厚度一定時(shí)，相位差隨著缺陷尺寸的增大會(huì)先增大后減小，并通過溫度的一階差分實(shí)現(xiàn)了對(duì)缺陷的定量識(shí)別。沈功田等[32]針對(duì)金屬高溫壓力管道設(shè)計(jì)了一系列試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)熱率越低的材料，檢測(cè)靈敏度越高，缺陷顯現(xiàn)時(shí)間越長，缺陷面積越大，材料厚度越薄，檢測(cè)缺陷的靈敏度也越高;檢測(cè)靈敏度還與加熱和冷卻方式有關(guān)，試驗(yàn)中內(nèi)部加熱法的檢測(cè)靈敏度高于外部冷卻法的?；粞愕萚33]對(duì)電路板分層缺陷進(jìn)行檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)，鎖相成像技術(shù)的缺陷檢出率要高于脈沖成像技術(shù)的。孫豐瑞等[34]系統(tǒng)地研究了正弦規(guī)律加熱沉孔型缺陷時(shí)的表面溫度變化的情況，發(fā)現(xiàn)構(gòu)件材料對(duì)檢測(cè)表面溫差變化影響較大，采用反射法和透射法檢測(cè)，構(gòu)件表面的溫度場(chǎng)變化趨勢(shì)是一致的。李艷紅[35]通過傅里葉變換提取紅外熱波信號(hào)的位相頻率信息來檢測(cè)缺陷深度，得出計(jì)算深度是實(shí)際深度的1.98倍的結(jié)論。

在復(fù)合材料的檢測(cè)方面，武翠琴等[36]對(duì)玻璃纖維復(fù)合材料殼體/絕熱層構(gòu)件中深度為5 mm以內(nèi)、直徑10 mm以上的脫黏缺陷取得了較好的檢測(cè)效果。周正干等[37]進(jìn)行了鈦合金蜂窩結(jié)構(gòu)蒙皮的紅外熱成像研究工作，發(fā)現(xiàn)厚度為0.6～2.0 mm構(gòu)件的最佳鎖相檢測(cè)激勵(lì)調(diào)制頻率為0.04 Hz～0.1 Hz。蔣淑芳等[38]采用紅外熱成像技術(shù)成功檢測(cè)出鋁蜂窩復(fù)合材料的夾層膠接情況和蜂窩結(jié)構(gòu)。

3.2 應(yīng)力和疲勞分析

我國的應(yīng)力、疲勞分析研究多與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，沈功田[39-40]通過檢測(cè)蓄能器疲勞區(qū)熱斑跡的變化來研究裂紋的走向和大小變化，此外對(duì)液化石油氣儲(chǔ)罐的應(yīng)力集中部位的檢測(cè)也取得了良好的效果。曾偉等[41]提出了一種基于溫升對(duì)循環(huán)周次的積分M，來確定材料的S-N(應(yīng)力-疲勞)曲線的新方法。呂寶西[42]在對(duì)U71Mn鋼軌疲勞裂紋擴(kuò)展的紅外檢測(cè)試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)低速擴(kuò)展裂紋尖端的溫度高于周圍的現(xiàn)象并不明顯，金屬表面的裂紋紅外檢測(cè)效果并不理想。王文先等[43]采用紅外熱成像技術(shù)研究了AZ31B鎂合金的裂紋尖端溫升值與裂紋擴(kuò)展速度之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)快速擴(kuò)展階段的溫升明顯大于穩(wěn)定擴(kuò)展階段的。李萌等[44]對(duì)2A12鋁合金的鉚接結(jié)構(gòu)進(jìn)行了紅外鎖相疲勞極限的快速測(cè)定，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果采用階梯法驗(yàn)證,得到誤差為4.82%，此方法尤其適用于處于多軸應(yīng)力狀態(tài)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件。張傳豹[45]對(duì)Q235材料的十字接頭焊趾處應(yīng)力集中系數(shù)進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)結(jié)果高于理論計(jì)算和仿真模擬計(jì)算的結(jié)果，但仍是可信的。李旭東等[46]采用鎖相紅外熱成像技術(shù)選取合適的加載頻率，成功地對(duì)機(jī)翼表面的應(yīng)力分布狀態(tài)進(jìn)行了測(cè)量。

3.3 模擬仿真

國內(nèi)還有很多學(xué)者利用ANSYS,MATLAB等仿真軟件對(duì)紅外檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了研究。顧桂梅等[47]對(duì)鋼軌裂紋缺陷進(jìn)行模擬研究，并采用溫度-時(shí)間二階對(duì)數(shù)微分峰值法進(jìn)行裂紋深度計(jì)算，發(fā)現(xiàn)對(duì)鋼軌亞表面6 mm以內(nèi)的疲勞裂紋有較高的準(zhǔn)確性。郭杏林等[48]對(duì)焊接接頭采用差分熱像法獲得了不同應(yīng)力范圍的穩(wěn)定溫升值，通過建立的能量損傷模型得到的剩余疲勞壽命與實(shí)際值誤差為6.5%，實(shí)現(xiàn)了快速預(yù)測(cè)。劉俊巖等[49-50]發(fā)現(xiàn):隨著缺陷與加載中心距離的增加，幅值差會(huì)降低但相位差基本保持不變，初始靜壓升高，幅值差升高，相位差基本不變;調(diào)制頻率提高，幅值差降低，相位差升高。此外,他們還通過建立的熱-電等效模型確定了相位與缺陷深度之間的關(guān)系。郭興旺等[51]通過建立振動(dòng)熱像檢測(cè)的數(shù)學(xué)模型研究裂紋區(qū)表面溫升與激勵(lì)時(shí)間、頻率、幅值等參數(shù)的關(guān)系。張金玉等[52]建立了涂層的三維瞬態(tài)導(dǎo)熱模型，得到了鎖相法理論可檢的最大涂層厚度是熱擴(kuò)散長度的1.5～2倍,且檢測(cè)厚涂層時(shí)檢測(cè)頻率應(yīng)適當(dāng)減小的結(jié)論，并給出了涂層厚度與相位的計(jì)算關(guān)系式。

3.4 圖像處理

在圖像處理方面，秦翰林等[53]針對(duì)弱小目標(biāo)的復(fù)雜背景提出了剪切波與高斯尺度混合模型的新算法，檢測(cè)結(jié)果優(yōu)于二維最小均方誤差濾波算法的結(jié)果。周正干等[54]對(duì)紅外鎖相法得到的相位圖采用模糊C均值(CFM)算法進(jìn)行處理，對(duì)缺陷進(jìn)行定量檢測(cè)，誤差小于4%，具有很高的吻合度。李宇光等[55]提出了一種新的小波變換的紅外圖像增強(qiáng)技術(shù)，該技術(shù)更有利于故障點(diǎn)的信息提取，提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性?？甸L青等[56]針對(duì)目前算法的鬼影和參數(shù)時(shí)間漂移的問題，提出了一種新的基于中間均衡直方圖的圖像矯正算法。

3.5 故障診斷

我國紅外檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用最早開始于電力行業(yè)的故障診斷與監(jiān)測(cè)，但存在圖像噪聲大、精度不高的問題，上述圖像處理的研究工作大大提高了弱小目標(biāo)的檢測(cè)精度，為紅外檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用提供了更多的可能。李大鵬等[57]針對(duì)機(jī)電設(shè)備給出了一種紅外故障診斷可診性的評(píng)價(jià)體系，為故障診斷應(yīng)用提供了參考。于澤奇[58]設(shè)計(jì)了基于紅外熱成像的輪機(jī)故障檢測(cè)系統(tǒng)，可以用來監(jiān)控船舶設(shè)備運(yùn)行情況和查找故障。李明等[59]成功自行設(shè)計(jì)了高溫爐管剩余壽命的紅外在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。葉超等[60]將紅外熱像技術(shù)應(yīng)用于游樂設(shè)施的機(jī)械和電氣部件的檢測(cè)中，取得了初步結(jié)果。楊振中等[61]對(duì)汽車尾氣排放物的成分和濃度進(jìn)行了紅外光譜研究，并提出了實(shí)時(shí)性較好的診斷技術(shù)。

4 國內(nèi)外IRT儀器現(xiàn)狀

紅外熱像儀主要有制冷型紅外熱像儀和非制冷型紅外熱像儀兩種。制冷型紅外熱像儀由于價(jià)格昂貴、攜帶不方便等原因還未得到大規(guī)模應(yīng)用；非制冷型紅外熱像儀經(jīng)過近20年的快速發(fā)展，價(jià)格已大幅下降，性能也得到了快速提升，受到了多個(gè)行業(yè)的青睞。作為儀器核心的紅外探測(cè)器，光譜響應(yīng)從短波紅外擴(kuò)展到長波紅外，實(shí)現(xiàn)了對(duì)室溫目標(biāo)的探測(cè)，成像目標(biāo)也從單元發(fā)展到多元，從多元發(fā)展到焦平面，實(shí)現(xiàn)了單波段向多波段、點(diǎn)源探測(cè)到目標(biāo)熱成像的飛躍，為系統(tǒng)應(yīng)用提供了充分的選擇余地。紅外熱像儀包括便攜式、在線式和掃描式三大系列，并部分配有各種選件(如鏡頭、存儲(chǔ)卡等)。

4.1 國外設(shè)備

瑞典的AGEMA公司于1995年首先開發(fā)了鎖相熱成像檢測(cè)技術(shù)，后被FLIR公司并購，目前美國的TWI、德國的Edevis以及以色列的Opgal公司的主動(dòng)式紅外熱成像檢測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)品技術(shù)較成熟，應(yīng)用較廣。被動(dòng)式的紅外熱像儀廠家較多，知名的有美國的FLIR、RAYTEK、KELLER和日本的NEC、德國的Infratec等公司。其中美國FLIR公司主要的紅外檢測(cè)設(shè)備有P系列、E系列、S系列、A系列、2000/3000系列、FLIR B 系列、FLIR T 系列、SC 7000系列、BCAMTM系列等眾多產(chǎn)品。

FLIR公司的T640紅外熱像儀，分辨率高達(dá)640像素×480像素，視場(chǎng)角可達(dá)25°×19°，1～8倍的變焦，內(nèi)置800像素×480像素的取景器，在工業(yè)檢測(cè)領(lǐng)域尤其是電力行業(yè)的絕緣子脫落、連接松動(dòng)、接觸不良、過熱、過載等故障的監(jiān)測(cè)中，有著廣泛的應(yīng)用。RAYTEK公司的MT4紅外測(cè)溫儀，測(cè)溫范圍為-18 ℃～400 ℃；距離系數(shù)比達(dá)8…1，采用單點(diǎn)激光瞄準(zhǔn)，主要應(yīng)用于汽車檢測(cè)與維護(hù)、燃油壓力過低、排風(fēng)系統(tǒng)以及冷卻系統(tǒng)的檢測(cè)中。

4.2 國內(nèi)設(shè)備

我國紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)起步較晚，1975年西安熱工所和昆明物理所等單位合作研制了我國第一臺(tái)HRD21紅外熱像儀。華中光電研究所于2001年成功研制了首臺(tái)非制冷型紅外熱像儀。武漢高德紅外于2014年成功研制出紅外探測(cè)器芯片，打破了國外技術(shù)壟斷。

我國研究人員在增透膜和中長波紅外變焦系統(tǒng)的改進(jìn)、雜散輻射的抑制等方面做了大量的工作。中科院的楊為錦設(shè)計(jì)了高變倍比中波紅外連續(xù)變焦系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了11～200 mm的連續(xù)變焦，變倍比達(dá)18+，滿足100%冷光闌效率[62]。昆明物理所設(shè)計(jì)了折射/衍射的長焦距紅外系統(tǒng)，系統(tǒng)焦距可達(dá)300 mm[63]。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的汪子君等[64]在國外熱像儀的基礎(chǔ)上建立了紅外熱像無損檢測(cè)系統(tǒng)，并自行設(shè)計(jì)了硬件和軟件系統(tǒng)，經(jīng)測(cè)試性能達(dá)到了國外同類技術(shù)水平。

目前國內(nèi)從事紅外檢測(cè)技術(shù)產(chǎn)品研制、生產(chǎn)和經(jīng)營的單位約有400余家。國內(nèi)紅外檢測(cè)設(shè)備生產(chǎn)廠家有廣州颯特、濟(jì)寧科電、浙江大立、武漢高德以及推出主動(dòng)式紅外熱成像系統(tǒng)的北京維泰凱信和南京諾威爾等公司。廣州颯特生產(chǎn)的VS 640型高端旗艦機(jī)，主要應(yīng)用于電力、建筑、石油化工、制造業(yè)等工業(yè)領(lǐng)域，紅外測(cè)溫范圍為-20 ℃～600 ℃，最高可達(dá)2 000 ℃，分辨率可達(dá)640像素×480像素，精度可達(dá)±2 ℃。維泰凱信的InspectIR2.0系統(tǒng)，易于操作，速度快，每次測(cè)量一般只需幾秒到幾十秒鐘；高效、單次檢測(cè)面積大，大型試件的分區(qū)檢測(cè)結(jié)果可自動(dòng)拼圖處理，能定量測(cè)量缺陷的位置、大小和深度，可集成多種激勵(lì)方式。

5 國內(nèi)外檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

由于紅外技術(shù)興起較晚，研究也正處于發(fā)展階段，目前國內(nèi)外關(guān)于紅外檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)已陸續(xù)頒布，并在加速制定中。

國際上主要有ISO 10878:2013 《無損檢測(cè)-紅外熱成像技術(shù)-術(shù)語》、ISO 10880:2017 《無損檢測(cè)-紅外熱成像檢測(cè)-導(dǎo)則》和ISO 18251-1:2017《無損檢測(cè)-紅外熱成像檢測(cè) 第1部分：系統(tǒng)和設(shè)備的特性》；美國的材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)ASTM也頒布了幾項(xiàng)紅外熱成像標(biāo)準(zhǔn)，如：ASTM E1862-14 《用紅外成像輻射儀測(cè)量和均衡反射溫度的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》、ASTM E1897-14 《用紅外成像輻射儀測(cè)量和均衡衰減介質(zhì)的傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》、ASTM E1933-14 《用紅外成像輻射儀測(cè)量和均衡衰減介質(zhì)發(fā)射率的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》；ASTM E1934-99a(2014) 《機(jī)械和電氣紅外熱成像技術(shù)應(yīng)用導(dǎo)則》，此外還有一些美國軍用電氣紅外檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。

國內(nèi)相關(guān)人員也做了大量的研究和制定工作[65-66]。主要有GB/T 12604.9-2008 《無損檢測(cè) 術(shù)語 紅外檢測(cè)》、GB/T 31768.2-2015 《無損檢測(cè) 術(shù)語 第2部分：檢測(cè)規(guī)范》、GB/T 26643-2011 《無損檢測(cè) 閃光燈激勵(lì)紅外熱像法 導(dǎo)則》、GB/T 31768.2-2015 《無損檢測(cè) 閃光燈激勵(lì)紅外熱像法 第2部分：檢測(cè)規(guī)范》、GB/T 26643.3-2015 《無損檢測(cè) 閃光燈激勵(lì)紅外熱像法 第3部分：試塊》、GB/T 31768.4-2015 《無損檢測(cè) 閃光燈激勵(lì)紅外熱像法 第4部分：檢測(cè)系統(tǒng)》、GB/T 19870-2018 《工業(yè)檢測(cè)型紅外熱像儀》和DL/T664-2008 《帶電設(shè)備紅外診斷技術(shù)應(yīng)用導(dǎo)則》、GB/T 28706-2012 《無損檢測(cè) 機(jī)械及電氣設(shè)備紅外熱成像檢測(cè)方法》、GB/T 36668.3-2018 《游樂設(shè)施狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷 第3部分：紅外熱成像監(jiān)測(cè)方法》、HB 8428-2014 《航空復(fù)合材料閃光燈激勵(lì)紅外熱成像檢測(cè)方法》、MH/T 3022-2011 《航空器復(fù)合材料構(gòu)件紅外熱像檢測(cè)》，此外還有一些物質(zhì)紅外光譜法的標(biāo)準(zhǔn)如DB 23/T 1196-2007 《植物油反式脂肪酸的測(cè)定紅外光譜法》、DB 37/T 2651-2015 《車用汽油中甲縮醛含量的測(cè)定 紅外光譜法》等。

6 紅外檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用

6.1 卷揚(yáng)機(jī)紅外檢測(cè)應(yīng)用

卷揚(yáng)機(jī)作為常見機(jī)械系統(tǒng)部件，因操作簡單、繞繩量大、移置方便而廣泛應(yīng)用于建筑、水利工程、礦山等行業(yè)，作為主要受力部件的鋼絲繩，常見的報(bào)廢原因有直徑減小、表面腐蝕、結(jié)構(gòu)破壞、超載等，紅外檢測(cè)技術(shù)可以方便快捷地判斷鋼絲繩的使用情況。

機(jī)械系統(tǒng)鋼絲繩受力時(shí)，兩端鋼絲繩的受力明顯大于中間部分的，這與機(jī)械結(jié)構(gòu)和安裝都有密切聯(lián)系。鋼絲繩長期受力不平衡會(huì)出現(xiàn)損耗，鋼絲繩的溫度變化可以反映出卷揚(yáng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和安全狀態(tài)，可為鋼絲繩的串位和更換提供指導(dǎo)。卷揚(yáng)機(jī)的可見光圖與紅外熱像圖如圖3所示。

圖3 卷揚(yáng)機(jī)的可見光圖與紅外熱像圖

6.2 液壓系統(tǒng)紅外檢測(cè)應(yīng)用

液壓站是為機(jī)械運(yùn)行提供潤滑、動(dòng)力的一種機(jī)電裝置。液壓系統(tǒng)對(duì)溫度變化敏感，溫度每升高10 ℃,密封件壽命就會(huì)減半，所以應(yīng)密切關(guān)注液壓系統(tǒng)的油溫變化，采用紅外檢測(cè)技術(shù)可以快速檢測(cè)油溫的變化情況，排除安全隱患。

圖4，5可以客觀反映出液壓系統(tǒng)的工作原理，不同輸油管和回油管的溫度呈現(xiàn)相同的周期性變化趨勢(shì)，出油管的溫度變化幅度相對(duì)較小，經(jīng)散熱后的溫度要低于散熱前的油管溫度。這些發(fā)熱規(guī)律都為實(shí)際工作中液壓系統(tǒng)的維護(hù)保養(yǎng)提供了重要的參考，比如油液污染時(shí)，各輸油管的溫度會(huì)普遍高于正常溫度，某處油管濾芯堵塞或者出現(xiàn)連接問題會(huì)造成某一段油管的溫度異常，散熱扇散熱效率下降會(huì)導(dǎo)致回油管的溫度異常等。

圖4 液壓系統(tǒng)的可見光圖和紅外熱像圖

圖5 液壓系統(tǒng)的溫度變化曲線

6.3 電氣系統(tǒng)紅外檢測(cè)應(yīng)用

電氣系統(tǒng)的檢測(cè)大部分需要停電進(jìn)行，發(fā)熱點(diǎn)溫度難以量化，測(cè)量時(shí)也有一定的危險(xiǎn)性，紅外檢測(cè)技術(shù)具有非接觸、檢測(cè)面積大、不受白天黑夜影響等特點(diǎn)，可以解決上述問題。若發(fā)生電氣設(shè)備故障，故障點(diǎn)的溫度會(huì)大幅上升，并以故障點(diǎn)為中心向外圍輻射大量的熱能，在周圍形成一個(gè)“能量熱場(chǎng)”，通過檢測(cè)“能量熱場(chǎng)”就可以找到故障發(fā)生處。

圖6 電氣系統(tǒng)溫度紅外及溫升圖

圖6是采用紅外檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行電氣系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)應(yīng)用的案例，案例中采集了電氣柜中24組接線端子的溫度變化數(shù)據(jù)，采用參數(shù)對(duì)比法進(jìn)行故障分析和診斷。由圖6可以看出，11號(hào)測(cè)試點(diǎn)的溫度發(fā)熱明顯異常，溫度相比其余測(cè)試點(diǎn)要高出2℃～5℃，經(jīng)檢查，11號(hào)測(cè)試點(diǎn)的接線端子發(fā)生松動(dòng)，后經(jīng)維修，溫度恢復(fù)正常。

7 發(fā)展趨勢(shì)

紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)作為新興的和逐步成熟的無損檢測(cè)技術(shù)，具有非接觸、一次可測(cè)量面積大、快速高效等優(yōu)點(diǎn)，得到了很多學(xué)者的關(guān)注，目前在電力、航空航天、交通運(yùn)輸、石油化工、冶金、醫(yī)藥等設(shè)備的檢測(cè)監(jiān)測(cè)方面得到了成熟應(yīng)用并有著巨大的應(yīng)用前景。面向眾多的工程需求和目前紅外檢測(cè)技術(shù)存在的不足，筆者認(rèn)為未來紅外檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展應(yīng)集中在以下幾個(gè)方面。

(1) 材料內(nèi)部缺陷的二維或三維模型建立、缺陷尺寸定量化檢測(cè)的研究。

(2) 設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷方法的研究。

(3) 幅值相位等數(shù)據(jù)信息提取以及小波變換、模糊算法等數(shù)據(jù)處理的研究。

(4) 便攜化、簡單化、智能化檢測(cè)設(shè)備的開發(fā)和研究。

(5) 激勵(lì)方式的多樣化研究。

(6) 新檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的制定和標(biāo)準(zhǔn)體系的建立。

8 結(jié)語

近幾年國內(nèi)外關(guān)于IRT技術(shù)的研究越來越多，應(yīng)用也越來越廣泛。目前國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)揭示了許多熱像圖特征與對(duì)應(yīng)缺陷之間的關(guān)系，為材料尤其是復(fù)合材料和新材料的缺陷檢測(cè)提供了一種新的高效檢測(cè)方法。IRT技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)金屬材料的應(yīng)力分析、疲勞壽命的快速預(yù)測(cè)，同時(shí)也帶動(dòng)了模擬仿真、圖像處理、紅外系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)的進(jìn)步。

與歐美等發(fā)達(dá)工業(yè)國家相比，目前我國IRT技術(shù)領(lǐng)域的儀器開發(fā)和工程推廣應(yīng)用等方面略顯薄弱，在缺陷識(shí)別和自動(dòng)化檢測(cè)方面的差距較大，國內(nèi)還未形成完善的缺陷識(shí)別方法。今后應(yīng)該加大IRT技術(shù)的基礎(chǔ)研究和工程應(yīng)用、設(shè)備系統(tǒng)的自主開發(fā)，尤其是自動(dòng)化檢測(cè)缺陷的研究以及相關(guān)行業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)化制定工作，發(fā)掘紅外熱成像技術(shù)更大的工程應(yīng)用潛能。