楊 慶 熊 勢(shì)

（廣西壯族自治區(qū)特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，廣西 貴港 537000）

0 引言

碳纖維復(fù)合材料的比強(qiáng)度、比模量都非常高，在風(fēng)電葉片領(lǐng)域（對(duì)材料密度、剛度等特性以及質(zhì)量、疲勞等性征有非常高的要求）有很大的優(yōu)勢(shì)。風(fēng)電葉片的主體結(jié)構(gòu)的材料主要包括碳纖維復(fù)合材料和玻璃纖維復(fù)合材料。然而，碳纖維層壓板復(fù)合材料在使用過程中經(jīng)常會(huì)受到各種沖擊，物體的沖擊可能導(dǎo)致復(fù)合材料出現(xiàn)纖維變形和斷裂的情況，層壓板復(fù)合材料也可能會(huì)出現(xiàn)分層、開裂等情況[1]。在風(fēng)電葉片的整個(gè)生產(chǎn)、運(yùn)輸和安裝過程中，無法避免受到各種意外碰撞的情況，這些碰撞可能會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生缺陷，并在使用過程中發(fā)生擴(kuò)展，最終使整個(gè)風(fēng)電葉片都損壞。因此，不管是風(fēng)電葉片生產(chǎn)過程中的質(zhì)量檢測(cè)，還是其使用周期中的在線檢測(cè)都變得非常重要。

目前，風(fēng)電葉片質(zhì)量的檢測(cè)方法主要有目視檢查或出廠時(shí)對(duì)部分產(chǎn)品進(jìn)行超聲檢測(cè)[2]，這些方法的檢測(cè)效率較低，在風(fēng)電大面積普及的形勢(shì)下，亟需一種更快速、更高效的檢測(cè)方法。

1 紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)

紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)[3]是一種新型無損檢測(cè)方法，主要用于材料內(nèi)部成像、缺陷檢測(cè)和應(yīng)力檢查，是一種非接觸式在線檢測(cè)技術(shù)。對(duì)任何物體來說，不論其溫度高低，都會(huì)發(fā)射或吸收熱輻射，其大小除了與物體材料種類、形貌特征、化學(xué)結(jié)構(gòu)和物理學(xué)結(jié)構(gòu)（例如表面氧化度、粗糙度等）特征有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義外，還與波長(zhǎng)、溫度有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。紅外熱成像檢測(cè)就是利用物體的這種特性，通過紅外照相機(jī)來接收工件不同部位發(fā)射的紅外線，將其轉(zhuǎn)換為溫度并合成圖像。同時(shí)，利用工件不同部位熱傳導(dǎo)效率不同的特點(diǎn)，通過觀察圖像上工件溫度的變化來判斷內(nèi)部狀況，該方法具有檢測(cè)速度快、適用性廣等優(yōu)點(diǎn)。

根據(jù)是否有外加熱源將紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)分為主動(dòng)式和被動(dòng)式。被動(dòng)式紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)是當(dāng)目標(biāo)與環(huán)境存在溫差并進(jìn)行熱交換時(shí)進(jìn)行紅外檢測(cè)，過程中無熱激勵(lì)源。主動(dòng)式紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)是通過外加熱源加熱使目標(biāo)各部分溫度變化不均勻，通過觀察目標(biāo)的導(dǎo)熱過程進(jìn)行紅外檢測(cè)。目前，實(shí)際工作中常使用主動(dòng)式紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)。

2 紅外熱成像檢測(cè)

2.1 試塊制備

由于碳纖維復(fù)合材料是應(yīng)用范圍比較廣、比較典型的層壓結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，因此該文選擇碳纖維復(fù)合材料作為試塊，模擬試驗(yàn)風(fēng)電葉片內(nèi)部沖擊損傷的檢測(cè)。

該試驗(yàn)的試塊采用Instron CEAST9300 落錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)制備，使用鋼制半球形沖頭，沖頭圓平面直徑為6.25 mm，質(zhì)量為4.0 kg，使用矩形碳纖維試塊，試塊尺寸為150.0mm×100.0mm×4.8mm，采用自由落體沖擊來模擬碳纖維復(fù)合材料受到的碰撞，經(jīng)計(jì)算，試塊受到的沖擊能量為40 J 自由落體式?jīng)_擊。最后得到的碳纖維復(fù)合材料試塊受沖擊部位出現(xiàn)了深度約為6 mm 的凹痕，并在凹痕兩邊發(fā)現(xiàn)了目視可見的纖維斷裂，如圖1 所示。

圖1 制作的碳纖維沖擊損傷試塊

2.2 紅外熱成像檢測(cè)過程

該試驗(yàn)采用德國InfraTec 公司的儀器及軟件。整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)由紅外照相機(jī)、脈沖閃光燈以及圖像分析軟件組成。首先，根據(jù)碳纖維復(fù)合材料試塊的整體特性，試驗(yàn)時(shí)使用脈沖閃光燈為碳纖維試塊加熱10 s，開始加熱的同時(shí)使用紅外照相機(jī)對(duì)試塊進(jìn)行圖像采集，圖像采集頻率為10 次/s，總采集時(shí)長(zhǎng)40 s，采集到的熱圖數(shù)量為400幅。其次，使用圖像分析軟件對(duì)采集到的熱圖進(jìn)行分析，選出對(duì)比度最大（即溫差最大）的幾幅熱圖作為試塊的典型沖擊損傷熱圖。部分熱圖如圖2 所示，缺陷部位由清晰到逐漸模糊。

圖2 試塊紅外熱圖序列

為了獲取最佳缺陷圖像，需要對(duì)得到的所有碳纖維復(fù)合材料試塊紅外熱圖進(jìn)行分析。在圖像分析過程中以受沖擊損傷區(qū)域?yàn)槟繕?biāo)區(qū)，無損傷區(qū)域?yàn)閰⒖紖^(qū)，分析目標(biāo)區(qū)與參考區(qū)的試塊表面溫度變化情況。定義以下4 個(gè)參數(shù)：1）T1為試塊參考區(qū)的平均溫度。2）T2為試塊目標(biāo)區(qū)的平均溫度。3） ΔT為試塊參考區(qū)與目標(biāo)區(qū)的平均溫度的溫度差，ΔT=T1-T2。4）Tmax為溫差最大值。

為了獲取準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，選取1 幅損傷缺陷比較清晰的熱圖，在熱圖的目標(biāo)區(qū)與參考區(qū)各選擇4 個(gè)同樣大小的區(qū)域作為溫度取值點(diǎn)，然后提取所有熱圖取值點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)，繪制試塊的T1、T2和ΔT的時(shí)間歷程曲線，如圖3 所示。

圖3 ΔT 的溫差-時(shí)間歷程曲線

由圖3 可知，碳纖維試塊的溫差ΔT在第一百一十幅熱圖達(dá)到最大，說明此時(shí)熱圖中目標(biāo)區(qū)與參考區(qū)的對(duì)比度最大，相應(yīng)的試塊損傷區(qū)域最清晰。同時(shí)，考慮第一百一十幅熱圖之后的ΔT急劇下降，應(yīng)選擇第一百一十幅熱圖之前的相對(duì)平緩的部分熱圖來提取缺陷損傷數(shù)據(jù)，該試驗(yàn)采用第一百零八幅熱圖作為最佳熱圖進(jìn)行數(shù)據(jù)提取。

2.3 試塊損傷缺陷數(shù)據(jù)的提取

選擇第一百零八幅熱圖作為最佳熱圖進(jìn)行圖像處理，該試驗(yàn)的圖像處理軟件為ImageJ，具體的損傷數(shù)據(jù)提取過程如下。

2.3.1 圖像的調(diào)節(jié)處理

缺陷原始紅外熱圖采用第一百零八幅紅外熱圖，如圖4 所示。圖4（a）使用的RGB 顏色模式，在進(jìn)行圖像分析的過程中需要分別對(duì)RGB 三種顏色分量進(jìn)行處理，分析時(shí)的計(jì)算過程比灰度圖復(fù)雜并且RGB 顏色模式在亮度梯度上也沒有灰度圖顯著，因此需要先對(duì)彩色圖像進(jìn)行灰度化處理。

圖4 第一百零八幅熱圖

2.3.2 損傷缺陷提取

紅外熱成像檢測(cè)完成后，需要從圖像上提取缺陷的長(zhǎng)度、面積等特征。由于ImageJ 是以像素為單位進(jìn)行計(jì)算的，因此需要先進(jìn)行刻度校對(duì)，將像素單位變?yōu)殚L(zhǎng)度單位。長(zhǎng)度單位調(diào)節(jié)好后，可以利用ImageJ 直接測(cè)量試塊的缺陷面積、缺陷長(zhǎng)度等特征數(shù)據(jù)。由于碳纖維復(fù)合材料試塊熱圖的邊緣效應(yīng)較嚴(yán)重，因此需要用選擇工具，以各像素的灰度級(jí)為基準(zhǔn)自動(dòng)描出缺陷的輪廓，如圖5 所示。

圖5 沖擊損傷缺陷的輪廓

由于損傷的邊緣較復(fù)雜，因此取損傷區(qū)域的最小外接矩形面積為損傷區(qū)域面積。最小外接矩形（MBR）是指以給定的二維形狀各頂點(diǎn)中的最大橫坐標(biāo)、最小橫坐標(biāo)、最大縱坐標(biāo)以及最小縱坐標(biāo)定下邊界的矩形。在ImageJ 中可直接得出選中區(qū)域的最小外接矩形，在測(cè)量結(jié)果界面顯示最小外接矩形的相關(guān)數(shù)據(jù)，定義缺陷最小外接矩形的長(zhǎng)為缺陷的長(zhǎng)徑，定義缺陷最小外接矩形的寬為缺陷的短徑。這樣，只需要測(cè)出最小外接矩形的長(zhǎng)和寬，就能知道缺陷的長(zhǎng)徑和短徑。

由圖5 可知，使用ImageJ 的最小外接矩形功能測(cè)得損傷區(qū)域的面積為1 045.44 mm2，長(zhǎng)徑為56.36 mm，短徑為29.34 mm，該數(shù)值即為損傷區(qū)域的數(shù)據(jù)。

3 超聲C 掃描檢測(cè)對(duì)比

該文采用超聲C 掃描檢測(cè)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，并將檢測(cè)結(jié)果與紅外熱成像檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。超聲C 掃描檢測(cè)技術(shù)主要利用超聲波來判斷物體中是否存在缺陷，同時(shí)利用電機(jī)等機(jī)械掃描方式來采集數(shù)據(jù)，以合成掃描圖像。

碳纖維復(fù)合材料試塊尺寸為長(zhǎng)150.00 mm，寬100.00 mm，厚4.80 mm。根據(jù)碳纖維復(fù)合材料板的厚度，超聲C 掃描檢測(cè)設(shè)置如下：使用水浸聚焦探頭，探頭晶片尺寸為10.00 mm，頻率為5 MHz，水中焦距為30.00 mm；掃描方式采用X-Y雙軸矩形掃描，掃描速度為300 mm/min，掃描間距為5.00 mm。超聲C 掃描檢測(cè)共耗時(shí)約6 min。得到的超聲C 掃描缺陷圖如圖6 所示。

圖6 超聲C 掃描缺陷圖

采用相同的方法進(jìn)行圖像處理，提取超聲C 掃描檢測(cè)的缺陷數(shù)據(jù)，得到的數(shù)據(jù)如下：面積為1 235.31 mm2，長(zhǎng)度為58.56 mm，寬度為37.42 mm。將缺陷數(shù)據(jù)與前面紅外熱成像檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，兩者長(zhǎng)度相當(dāng)，超聲C 掃描檢測(cè)的寬度和面積比較大，但是2 種方法的缺陷總體輪廓相差不大。同時(shí)，超聲C 掃描檢測(cè)的圖像對(duì)比度和靈敏度都比較高。

紅外熱成像檢測(cè)用時(shí)僅需要40 s，檢測(cè)速度快，具有非常大的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，檢測(cè)時(shí)無須與被檢工件接觸，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、快速檢測(cè)的目標(biāo)。超聲C 掃描檢測(cè)時(shí)需要通過水介質(zhì)與被檢工件接觸，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際檢測(cè)過程中實(shí)現(xiàn)難度較大，因此紅外熱成像檢測(cè)在檢測(cè)速度和實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)的在線檢測(cè)上都具有很大的優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)語

由試驗(yàn)結(jié)果可知，紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)碳纖維復(fù)合材料的無損檢測(cè)，完成沖擊損傷數(shù)據(jù)的提取工作，其在風(fēng)電葉片這類大型構(gòu)件的快速檢測(cè)方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)：1） 紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)采用非接觸式檢測(cè)，采用紅外照相機(jī)直接觀察風(fēng)電葉片的溫度變化，并且紅外熱圖可以直觀地顯示試塊的損傷狀況。2） 檢測(cè)速度非常快，它檢測(cè)1 個(gè)工件只需要1 min，當(dāng)完成風(fēng)電葉片這種大面積的檢測(cè)工作時(shí)，可以明顯提高檢測(cè)效率。3） 通用性較強(qiáng)，對(duì)工件外形變化大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜以及表面不平整等狀況來說，比其他接觸式檢測(cè)技術(shù)更有效。4） 檢測(cè)數(shù)據(jù)可以在電腦中長(zhǎng)期保存，有利于追根溯源，無論是對(duì)保證質(zhì)量，還是對(duì)跟蹤監(jiān)測(cè)風(fēng)電葉片的使用都非常有幫助。同時(shí)，檢測(cè)數(shù)據(jù)也可以作為風(fēng)電葉片的出廠數(shù)據(jù)長(zhǎng)期保存。