（光学专业论文）红外热波无损检测系统中闪光灯阵列脉冲热激励装置的研制和应用.pdf

中文摘要酋都师范大学硕士学位论文 中文摘要 红外热波无损检测技术是二十世纪九十年代在美国发明并不断完善的一种新型实用 技术。在红外热波检测中，试件表面被脉冲闪光灯激励，同时使用红外热像仪实时监测试 件表面的温差，结合红外热像仪和计算机专用软件进行数据采集，分析所得热图序列来推 断材料内部缺陷的形状、类型、性质以及定量测量深度等相关信息，从而实现对材料检测 的1 7 1 的。 热激励技术是检测的关键之一。有效和巧妙地改进热激励方法成为解决问题的前提。 为了达到有效的检测目的，实验室自主研发出以氖灯为光源，阵列式分布的闪光灯同步热 激励源为核心的热激励装置。 关键技术的新颖之处在于它具有质量轻、成本低、结构简单、功耗低、便携式、针对 性强等特点，尤其是大大减小脉冲宽度，并可以把在热加载饱和中被湮没的信号分离出来。 无损检测过程中，针对在毫米数量级下大面积的涂层，漆层，薄膜等材料，根据自主研发 的热激励装置具有的阵列式设计的特点，精心设计以铝板为基底，以两种典型表面覆盖不 同厚度漆层试件为研究对象，根据热波理论，达到检测均匀性和单向定量测厚的目的。 实验结果证明利用热波检测技术使用本热激励装置对检测不同涂层厚度效果明显，在 微米级厚度范围内，可以把不同的厚度层次很好地区分。能够快速无损、不接触、大面积 地检测材料的厚度信息及其初步定量分析。整套装置成本低廉、操作简便，对现代工业、 军工业，汽车行业等领域中漆层，涂层检测问题的研究，具有一定的促进意义。 关键字：无损检测，红外热波，热激励装置，闪光灯阵列，漆层 英文摘要 首都帅范大学顾l ：学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s i n f r a r e dt h e r m a lw a v e si m a g i n g ( t w l ) h a se m e r g e da saw i d e l yu s e d m e t h o df o rn o n d e s t r u c t i v et e s t i n g ( n d t ) u s i n gt h et e c h n o l o g yw ec a ni n s p e c tt h es a m p l e w h i c hi se x c i t e db ye x t e r i o re n e r g yw i t hf l a s h i n gl a m p s ，t h es u b s e q u e n tc h a n g eo fs u r f a c e t e m p e r a t u r eo ft h es a m p l ei sm o n i t o r e db ya l li n f r a r e dc a l n d a ，t h e ns e q u e n c eo ft h e r m a lw a v e s i g n a la n dd a t aa c q u i s i t i o na r ep r o c e s s e du s i n gt h ec o m p u t e r , a tl a s t , r e a l - t i m ei m a g es i g n a l p r o c e s s i n ga n dt h ea n a l y s i s a r ec a r r i e do nb yt h es o f t w a r e n o to n l yc a l li tp e r f o r m n o n - c o n t a c t , w i d ea r e ad e t e c t i o no f s u b s u r f a c ed e f e c t s ，b u ta l s oi tc a nm 雠l t r et h i c k n e s so f p a i n t h e a te x c i t a t i o nt e c h n o l o g yi st h ek e yt oi n s p e c t i nt h i st h e s i s ，t h es e t u po fi n f r a r e dt h e r m a l w a v es y s t e ma n dt h en e wh e a te x c i t a t i o n - d e v i c ew i l lb ep r e s e n t e d , t h ek e yt e c h n o l o g yi st h eh e n t e x c i t a t i o n - d e v i c ew h i c hi sm a d eo f t h en e o nl a m p sa ss y n c h r o n i z a t i o nh e a t i n ge x c i t a t i o ns o u r c e a n di sd e v e l o p e di n d e p e n d e n t l yb yt h ea u t h o r i no r d e rt oi m p r o v et h eh e a t i n gd e v i c e , e f f e c t i v e a n dn e wh e a t i n ge x c i t e dm e t h o di sp r e r e q u i s i t e s o m eq u a l i t i e so ft h et e c h n o l o g yl i k es i m p l es t r u c t b r e , l o w e rp o w e r , p o r t a b l e , l o w e r e x p e n s e sa n dc o s t s a n ds oo n , m a k et h ed e v i c en o v e la n de f f e c t i v e e s p e c i a l l y , t h em u c h n a r r o w e dp u l s ew i d t hc a l ls e p a r a t et h ew e a ks i g n a lb e t t e rf r o mt h es u b m e r g e ds a t u r a t i o ns i g n a l w h e nh e a t i n g u s i n gt h ea d v a n t a g e so ft h ed e v i c et os t u d ya n da n a l y z et h e s ef o l i u m m a t e r i a l s ，s u c ha sp a i n tl a y e r , m e m b r a n em a t e r i a l s ，c h a r a c t e r i z e db yt h el a r g ea r e ac o a t i n gw i t h t h ed e p t hi no n em i l l i m e t e ro r d e r , e t c t w ot y p i c a ls a m p l e sa r et a k e na sr e s e a r c ho b j e c t , w h i c h a r ec o v e r e dw i t hd i f f e r e n tt h i c k n e s sp a i n tl a y e r so nt h es u r f a c eo fa l u m i n u m a n a l y z i n gt h e e x p e r i m e n t a lt h e r m a lc u r v e w h i c hw e r eb a s e do nt h et h e n n o g r a p h yo ft h es a m p l e sa c c o r d i n gt o t h et h e r m a lw a v et h e o r y , w ec a nd e t e c tt h eh o m o g e n e i t yo ft h i nl a y e ro b j e c ta n dm e a s u r et h e l a y e rt h i c k n e s sq u a n t i t a t i v e l y t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w st h a tt h en e wh e a te x c i t a t i o n - d e v i c e 咖m e a s u r et h es a m p l e w i t ht h i nt h i c k n e s si nb o t hm i c r o na n dm i l l i m e t e ro r d e rq u a n t i t a t i v e l y a tt h es a n a e t i m e ，m e a s u r e m e n tr e s u l tc a nb es h o w nb yt h e r m o g r a p h y i ti si m p o r t a n tf o rt h ee x c i t a t i o n - d e v i c e t ob ea p p l i e di nt h ei n d u s t r ya n dt h em i l i t a r yr e s e a r c hf i e l d k e yw o r d s ：n q 3 t , i n f r a r e dt h e r m a lw a v e , e x c i t a t i o n - d e v i c e ，f l a s h i n gl a m p sa r r a y , p a i n t n 首都师范丈学硕学位论文 首都师范大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个入和集体，均已在文中以明确方式标明。 学位论文作者签名： 主1 钆写 日期：。，年。月。8 日 首都师范大学位论文授权使用声明 本人完全了解首都师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保留学位论文 并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权将学位论文用于非赢利 目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有权将学位论文的内容编入有关数据 库进行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规 定。 、 学位论文作者签名： 、1 沙冬 日期：2 0 0 7 年5 月1 8 日 第一章绪论首都师拖人学硕士学位论文 1 1 无损检测技术概况 第一章绪论 无损检测就是在不破坏、不损伤受检物体情况下，对它的性能、结构特点、内 部有无缺陷进行检测的一种实用性技术。无损检测技术是利用物质的某些物理性质因存在 缺陷或组织结构上的差异而使其发生变化的这一现象，在不损伤被检物使用性能及形态的 前提下，通过测量这些变化来了解和评价被检测的材料、产品和设备构件的性质、状态、 质量或内部结构等的一种特殊的检测技术【1 1 。 无损检测技术作为一种实用性很强的技术，发展经过了三个阶段：( 1 ) 无损探伤 ( n o n d e s t r u c t i v ei n s p e c t i o n ，n d i ) 阶段，它主要指在检测初期在不破坏被检测物体的情况 下，利用各种检测方法获取材料或部件内部的缺陷和损伤，及其位置。( 2 ) 无损检测 ( n o n d e s t r u c t i v e t e s t i n g ，n d t ) 阶段，它是指对材料或部件进行某种检测以获得相关内部 结构、有无缺陷、缺陷的性质、形状、大小、位置及分布等信息而对被检测材料不造成任 何损伤；( 3 ) 无损评价( n o n d e s t r u c t i v ee v a l u a t i o n ，b i d e ) 阶段，它是依据相关标准，借 助于检验、测量、试验、计算和模拟等手段，对被评对象的固有属性、功能、状态、潜力 及趋势等作出完整、准确的综合评价【2 j 。 无损检测区别于以往破坏性检测实验的特点在于，它不仅仅起到了无损的作用，更为 重要的是它能够做到探伤和测厚，使制造业的高质量保证和精确测厚成为可能。无损检测 方法很多，在g b t 5 6 1 6 无损检测应用守则中作了如下的分类：辐射( 工业c t ) ，声学( m a t 电磁声检测，超声，声发射) ，电磁( 涡流、漏磁) ，表面方法，泄漏方法，红外线方法等 【3 1 。 据美国国家宇航局调研分析结果，无损检测可分六大类约7 0 多种。在国内实际应用 中比较常见和成熟的常规检测方法有五种，它包括超声检测u l t r a s o n i ct e s t i n g ( l r r ) 、射 线检测r a d i o g r a p h i ct e s t i n g ( r t ) 、磁粉检测m a g n e t i cp a r t i c l et e s t i n g ( m t ) 、渗透检验 p e n e t r a n tt e s t i n g ( p t ) 、涡流检测e d d yc u r r o n tt e s t i n g ( e t ) ；此外，还有非常规无损检测 技术有声发射a c o u s t i ce m i s s i o n ( a e ) 、泄漏检测l e a kt e s t i n g ( u t ) 、光全息照相o p t i c d h o l o g r a p h y 、红外热成像i n f r a r e dt h c r m o g r a p h y 、微波检测m i c r o w a v et e s t i n g 。由于各种 n d t 方法，都各有其适用范围和局限性，因此新的n d t 方法一直在不断地被开发和应 用，并且这些检测方法互为补充，共同发展。下面简要介绍五种常规无损检测方法和红外 第一章绪论首都师范大学硕e 学位论文 热波无损检测技术特点【5 1 。 1 2 五大常规检测技术 1 2 1 射线检测 利用射线( x 射线、y 射线、中子射线等) 穿过材料或工件时的强度衰减，检测其内 部结构是否连续性的技术称为射线检测。 射线检测是当x 射线照射在工件上，透射后的射线强度根据物质的种类、厚度和密度 而变化，利用射线的照相作用、荧光作用等特性，将这个变化记录在胶片上，经显影后形 成底片的黑度变化，根据底片黑度的变化可了解工件内部结构状态，达到检查出缺陷的目 的。 1 2 2 超声波检测 超声波是一种超出人听觉范围的高频率机械振动波。超声波可以分为纵波、横波、表 面波等多种波型。超声波在被检测材料中传播时，材料的声学特性和内部组织的变化对超 声波的传播产生一定的影响，通过对超声波受影响程度和状况的探测了解材料性能和结构 变化的技术称为超声检测。 超声波在同一均匀介质中传播时速度不变，传播方向也不变，如果传播过程中遇到另 一种介质，就会发生反射、折射或绕射的现象。制造容器使用的钢材可视为均匀介质，如 果内部存在缺陷，则缺陷会使超声波产生反射现象，根据反射波幅的大小、方位，就能判 定和测出缺陷的存在。 超声检测方法通常有穿透法、脉冲反射法和串列法等。 1 2 3 磁粉检测 利用漏磁和合适的检验介质发现试件表面和近表面的不连续性的无损检测方法为磁粉 检测。铁磁性材料被磁化后，其内部产生很强的磁感应强度，磁力线密度增大几百倍到几 千倍，如果材料中存在不连续，磁力线会发生畸变，部分磁力线有可能逸出材料表面，从 空间穿过，形成漏磁场。因空气的磁导率远低于零件的磁导率，使磁力线受阻，一部分磁 力线挤到缺陷的底部，一部分穿过裂纹，一部分排挤出工件的表面后再进入工件。这后两 部分磁力线形成磁性较强的漏磁场。如果这时在工件上撒上磁粉，漏磁场就会吸附磁粉， 2 第一章绪论首都师范人学硕上学位论文 形成与缺陷形状相近的磁粉堆积( 称这种堆积为磁痕) ，从而显示缺陷。磁粉检测方法有轴 向通电法、横向通电法、穿棒法、支杆法、感应电流法、线圈法等几种。 1 2 4 渗透检测 利用液体的毛细管作用，将渗透液渗入固体材料表面开口缺陷处，再通过显象剂将渗入 的渗透液吸出到表面显示缺陷的存在，这种无损检测方法称为渗透检测。零件表面被施涂 含有荧光染料或着色染料的渗透液后，在毛细管作用下，经过一定的时间，渗透液可以渗 进表面开口的缺陷中；除去零件表面多余渗透液后，再在零件表面旌涂显像剂，同样在毛 细管的作用下，显像剂将吸引缺陷中保留的渗透液，渗透液渗到显像荆中，在一定的光源 下，缺陷中的渗透液痕迹被显示，从而探出缺陷的形貌及分布状态。渗透检测进行的程序 般分四步，渗透、清洗、显像和检查。 1 2 5 涡流检测 十 利用铁磁线圈在工件中感生的涡流，分析工件内部质量状况的无损检测方法称为涡流 检测。涡流检测是从导体外侧产生的电磁场入射到导体中的缺陷上将发生散射，散射到导 体外侧的场隐含了缺陷位置、形状、大小及媒质性质等信息，通过分析测量到的散射场， 。 采用数学方法提取缺陷参数，就可达到识别缺陷的目的。 1 3 红外热波无损检测技术 红外热波无损检测技术( 简称热波检测) 是近几年来发展比较快的一种无损检测技术。 作为- - f 7 跨学科、跨应用领域的通用型实用技术【6 】，热波检测是对一些传统方法如射线、 超声、c t 及声发射、激光全息等新技术的补充和替代，也可与各种现有的成功检测方法相 结合以提高检测诊断的可靠性。 与超声检测、射线检测、磁粉检测、渗透检测、涡流检测等常规无损检测技术相比， 红外热波无损检测技术具有如下特点： 适用面广。可用于金属和非金属材料。 速度快，每次测量只需几秒或几十秒钟。 观测面积大，根据被测对象和光学系统，一次测量可覆盖至平方米量级，对大型 检测对象还可对结果进行自动拼图处理。 测量结果用图像显示、直观易懂。 第一章绪论首都帅范大学硕 学位论文 定量，可以直接测量到缺陷深度、厚度。 单向非接触，加热和探测在被检试件同侧，且通常情况下不污染也不需接触试件。 设备可移动、探头轻便，适合外场、现场应用和在线、在役检测f 4 i - 6 。 红外热波无损检测技术的应用是十分广泛的，可应用于： 检测航空航天器铝蒙皮加强筋开裂与锈蚀，机身蜂窝结构材料、碳纤维和玻璃纤 维增强多层复合材料缺陷的检测、表征、损伤判别与评估。 火箭液体燃料发动机和固体燃料发动机的喷口绝热层附着检测，涡轮发动机和喷 气发动机叶片的检测。 新材料( 特别是新型复合结构材料) 的研究，对其从原材料到工艺制造、在役使用 研究的整个过程中进行无损检测和评估，加载或破坏性试验过程中及其破坏后的评估。 多层结构和复合材料结构中，脱粘、分层、开裂等损伤的检测与评估。 各种压力容器、承载装置表面及表面下疲劳裂纹的探测。 各种粘接、焊接质量检测，涂层检测，各种镀膜、夹层的探伤。 测量材料厚度和各种涂层、夹层的厚度。 运转设备的在线、在役监测。 1 4 五种常规检测技术与红外热波无损检测技术比较 以上五种常规的检测方法各有特点和适用性，与红外热波无损检测方法的比较如表1 - 1 所示m 。 表卜l五种常规的检测方法与红外热波无损检测方法 4 第一章绪论首都师范大学硕上学位论文 技 常用无损检测方法热波检测方法 术 类 x 射线超声波磁粉渗透涡流红外热波检测技术 型 检 内部缺陷表面、内部缺表面、近表面缺表面开口表面和可以测量损伤深度、 测 陷陷缺陷近表面材料厚度和各种涂 项 缺陷层、夹层的厚度以及 目 进行表面下的材料和 结构特性识别 适 铸件、焊接件、锻件、焊接铁磁性材料各种非疏导电体可用于金属和1 e 金属 用非金属制品和复件、胶接接头松材质 材科材料 性 合材料等和非金属材 料 不受材料、几何对缺陷敏感，采用磁粉探伤原理简明设备自快速。每个测量一般 形状限制，能保获得结果迅方法检验铁磁易懂，设备动化程只需数秒钟；观测面 持永久性记录。速，缺陷定位性材料的表面简单，操作度高，不积大。一次测量可覆 优 射线探伤对气方便缺陷比采用超简便，灵敏必清理盖丽积近平方米量 孔、夹渣、未焊声波探伤或射度高。显示试件表级：直观。测量结果 透等体积型缺陷线探伤灵敏度缺陷直观。面，省用图像显示，直观易 点最敏感。 高，而且操作简对大型工时，不需懂；准确。可以直接 便，结果可靠，件和不规耦合剂。测量到深度、面积等； 显示直观。则零件以非接触。 及现场机适合外场、现场应用 件的检修和在线、在役检测。 检查优点 突出。 设备投资大；不对小、薄及复只限于铁磁性工艺程序 对零件 对外形复杂的结构件 易发现与射线垂 杂零件难以材料，定量测复杂，试液几何形要确定缺陷的深度 直方向上的裂检测；需耦合定缺陷深度困易挥发，只状、突变时，需要更有效的数 局纹；不便给出缺 剂耦合；粗晶 难。对于有色金能检测表引起的 学计算模型；检测深 陷深度；对安装材料教射严属、奥氏体钢、面开口缺边缘效度还不够深( 受限于 限 及安全方面要求重；形状复杂非金属与非导陷；不能检应敏感，加热设备的能量) ：对 严格，不适于现的结构难以磁性材料，不能测表面多容易给缺陷的分辨率还不如 性 场在线检测；检检测；速度采用磁粉探伤孔性材料。出虚假超声c 扫描高。用于 测周期长；胶片慢，检测周期的方法检验缺的显示。某些金属，表面需进 消耗大，成本高。 长。 陷。行抗反射处理。 5 第一章绪论 首都师范大学硕士学位论文 1 5 本人需要完成的课题内容及意义 本课题是基于红外热波无损检测技术基础上进行研究的。 红外热波无损检测技术应用研究主要包含三方面的技术：加热技术、热成像技术、热 图像处理技术。红外热波无损检测技术探伤的基本要求是要使试件的“好”和“坏”，正 常和不正常，有无缺陷的区别转换成其外界控制加热的响应差别，并最终在被检物表面形 成温差。针对不同类型的检测问题，设计出实用、有效和巧妙的加热方法，将是成功使用 红外热波检测技术的前提。因此，对被检测物的加热技术是热波检测的关键技术。 本课题针对红外热波无损检测系统中闪光灯阵列脉冲热激励装置的研制和应用研究， 目的是得到该新型热激励装置对薄层被检测物体的实验结果，分析检测效果得出其结论。 整个工作在实验室条件下，分三个阶段进行，主要内容有三个部分： 1 专利的申请 在做过大量的调研后，根据实验室设备中某些技术参数特点的不足，提出改进设备的 设想，为红外热波检测设备做一个有益的补充。于是向国家专利局申请专利，获取了国家 实用新型专利号。 2 闪光灯阵列脉冲热激励装置的研制 利用申请的专利独创性地设计装置，多次改进热激励源装置部分，尤其是控制电路 部分，独自承担设备所有部件的精密加工任务，最终研制出红外热波新型热激励源装置。 3 闪光灯阵列脉冲热激励装置的应用及实验结果分析 然后设计薄层带有个性化的试件，+ 根据不同的热激励方式在不同条件下做了大量的 实验，进行试验数据处理，作算法研究，进行数据分析，对数据进行拟合和数学方法的处 理，对大量试验结果进行细致的分析和验证，得到漆层、涂层、薄膜等薄层物体的均匀性 和厚度检测的合理结果。 在调研了国内外相关课题研究发现，美国韦恩州立大学王迅教授在2 0 0 1 年一篇硕士毕 业论文中提及过红外热波对涂层( c o a t i n g ) 的检测f 町，但它的论文中没有提及具体的方法， 也没有提及用普通闪光灯阵列式脉冲加热的方式作为激励源，并且最薄涂层厚度是本文中 设计的漆层厚度的1 0 0 倍左右。其他少数国家虽然对涂层等有涡流、超声等不同的传统检 测方式，但基本没有涉及用红外热波检测技术的方法。国内在红外热波技术的研究和应用 方面还处于起步阶段，关于漆层、涂层、薄膜的检测用红外热波技术方法基本没有。在与 军工单位合作的过程中，红外热波技术对薄层物体的检测一直是受到普遍关注的问题。在 6 第一章绪论首都帅范人学颐l ：学位论文 实际检测中，对于漆层、涂层、薄膜等薄层材料的均匀性检测和厚度测量是一个难度比较 大的课题，目前虽然存在很多检测方法，但不免存在不同程度的缺点。因此，在我们实验 室如果能通过改变红外热波无损检测技术中热激励方式进行探测，不但对漆层、涂层、薄 膜的定量分析和产品质量的评估有实际的参考，而且能解决许多军工单位漆层的测厚问 题，更是对传统涡流、超声等不同的检测方式的突破，具有比较广泛的实际意义! 第二章红外热波无损检测技术概况首都师范大学硕t 学位论文 第二章红外热波无损检测技术概况 本章介绍红外热波检测技术在国内外发展的状况，同时介绍了红外热波无损检测的关 键技术，国内外关于热激励装置创新的动态以及本实验室热激励装置研制的意义。 2 1 红外热波无损检测技术的发展 傅立叶1 8 2 4 年在他的“固体热传导理论”一书中第一次提到热波( t h e r m a lw a v e s ) 9 1 0 1 8 6 3 年，a n g s t r o m 使用此概念在长金属棒末端周期加热和冷却，产生了热波，并以测量 热波在金属棒内的衰减定义了热扩散系数【l 们。约2 0 年后，贝尔发现了著名的光声现象， 他发现经调制过的光照到吸收表面时可产生声音【1 1 1 。在接下来的几乎整个世纪中，尽管这 种现象已经被应用到了无损检测和光谱研究方面，但是一直没有人能对光产生热波这种效 应有个正确的解释。直到1 9 7 3 年，j gp a r k e r 从光声细胞窗口调制的光吸收中检测到了光 声信号的产生【1 2 】。r o s e n c w a i g 和g e r s h o 注意到p a r k e r 的结果并建立了一维模式去描述光 声信号的产生和热波在试件界面上的传播【l3 1 。r o s e n c w a i g 的工作很快使人们对热波的传 播及光声现象有了更好的理解。1 9 7 8 年，w o n g 、t h o m a s 和h a w k i n s 首先将热波用于不透 明的物体【，他们应用调制激光作为一个周期性热源，用声光显微镜扫描技术选取图像中 的一点记录光声信号作为函数，这个函数涉及到了产生该图像的试件的热性质。他们也用 这种方法检测到了陶瓷材料的裂缝【”】。此后，热波应用技术研究迅速发展起来，热成像技 术也被证实在许多材料的无损检测中是一个非常有效的检测手段。但是由于红外探测器技 术的限制和数据处理等原因，热成像技术真正成熟和广泛应用还是近十年的事情。 自2 0 世纪9 0 年代以来，由于红外焦平面阵列技术的发展，红外热波检测方法在北美 和西欧进展迅速。有关红外无损检测的国际会议，在欧洲每两年召开一次，在美国每年召 开一次。该技术在美国得到了充分的重视并且已经有了许多成熟的应用1 1 6 1 2 1 1 。在2 0 0 4 年 1 0 月期的无损探伤中，王金峰所写论文红外热波无损检测技术在美国的应用比较 详细的列出了以上应用。美国无损检测协会负责组织编写2 0 0 1 年出版的无损检测手册红 外热像无损检测( t n d t ) 分册里，也有专门的大量篇幅论述红外热波无损检测技术在航 空航天领域的应用。在f a a l 9 9 8 ，1 9 9 9 和2 0 0 0 年飞机机身无损探伤技术竞标中，红外热 波无损检测技术击败包括x 射线、超声波、暗电流检测等多项技术而唯一胜出，被美国空 军、波音公司和很多航空公司采用。洛克西得，波音，西北航空公司等知名大公司，纷纷 第二章红外热波无损检测技术概况首都师范大学硕i ：学位论文 设立了红外热波无损检测实验室，用于解决各自的无损检测问题。红外热波无损检测技术 在美国还在汽车、电力、石化管道、现代制造业等领域具有成功的应用案例【挖h 棚。美国还 把它用于航天飞机耐热保护层潮湿检测，a r i a s 空间发射舱复合材料的脱粘检测，a 3 火箭 的无损检测：美国、俄罗斯、法国、加拿大、澳大利亚等国已把红外热波检测技术广泛应 用于飞机复合材料构件内部缺陷及胶接质量检测、蒙皮铆接质量检测。俄罗斯还把它应用 于锅炉及管道的腐蚀程度检测、建筑物的气密性或保温隔热性检测、壁画与墙壁的脱粘检 测等2 8 1 。 根据调研，热波无损检测技术在国内起步比较晚，最近几年国内对此项技术的研究刚 刚起步，如首都师范大学、北京交通大学、同济大学、西北工业大学等高校相继有一些对 相关技术的介绍、综述性文章，和初步的实验和阶段性的成果【2 9 】书。近几年，随着热波 技术的发展和推广，北京市部分相关企业、各高等院校以及研究院在该领域的技术水平得 到了较为显著的提高 4 2 - 4 3 。 2 0 0 3 年9 月热波技术的应用研究列入了我国国家8 6 3 高科技发展计划，还同时获得了“ 2 1 l 工程重点学科建设经费等的支持。2 0 0 4 年5 月，首都师范大学、北京维泰凯信新技术 有限公司、北京航空材料研究院在国家8 6 3 项目“红外热波无损检测技术在复合材料研究中 的应用”的基金支持下，率先在首都师范大学物理系建立了一个红外热波无损检测联合实验 室，该实验室拥有我国唯一套t 叽红外热波无损检测系统。实验室已经开展了理论研究 试验、基础试验、应用试验，获得了一些有实际意义的结果。在2 0 0 4 年第九期的产业 透视中，金万平、张存林所写的材料检测和表征的新技术热波检测及其应用中 详细介绍了该实验室的进展。 应联合实验室的邀请，美国1 w i 公司总裁斯蒂文博士先后于2 0 0 5 年1 0 月和2 0 0 6 年4 月两次访华，先后在北京、上海、宁波、天津、西安等地举办红外热波无损检测技术 专题研讨会，介绍了红外热波无损检测技术在美国航空、航天、电力、材料、石化等领域 成功的应用和最新研究进展。 2 0 0 5 年3 月2 0 日，在西安飞机工业( 集团) 有限责任公司测试中心的安排下，对该 公司早期制造的我国国产运七运输机进行了外场检测试验，这是在我国首次将该项技术用 于外场真实飞机的检测试验，表明该技术从实验室走向外场实际应用已逐步成熟。在2 0 0 5 年，该项技术已经在我国航天、航空、新材料研究等领域获得了有重要应用意义的成果， 国家8 6 3 主题专家组验收报告的评价是“取得了对国家安全具有重要作用的研发成果”。 2 0 0 6 年9 月2 日和9 月2 1 日，红外热波实验室分别派实验人员参加在广州举办的“中 9 第二章红外热波无损检测技术概况首都师范大学硕 学位论文 国光学学会2 0 0 6 年学术大会”汇报关于热波检测的相关研究成果，及在上海举办的第3 l 届国际红外毫米波和第1 4 届t h z 电子学大会( i r m m w t h z 2 0 0 6 会议) ，并介绍实验室取得 的最新阶段性研究成果和进展。 2 2 红外热波无损检测的关键技术 热波检测技术是一门综合利用多种学科的实用技术。除本课题的理论基础为热传导基 本理论和红外热波成像技术的基本理论外，红外热波无损检测技术应用研究主要包含三方 面的技术：热激励技术、热成像技术、热图像处理技术。 1 热激励技术 使用红外热波检测技术的基本要求是要能使试件的”好与”坏，正常与不正常，有伤 和无伤的区别转换成其对外界控制加热的响应区别，并能最终在表面形成温差。因此对试 件的热激励技术是热波检测的关键技术。众多的行业都对无损检测技术提出各自的特殊要 求。从起重机的钢索到精密光学镀膜；从航天飞机到人的牙齿，无损检测的对象和案例可 说是无穷无尽。试件的材料，形状，尺度、表面条件、所处环境和可能存在的损伤特性都 将影响检测结果。 因此，能否针对不同类型的探伤问题，设计出实用、有效和巧妙的热激励办法，将是 成功使用红外热波检测技术的前提。红外热波无损检测技术的核心是针对各类试件选择不 同特性的热源对试件进行加热，即采取不同形式的热激励，用各种加热方式主动激励物体 表面。根据物体表面的红外辐射差异来探测物体内部缺陷和瑕疵。另外，尽管在红外热波 检测技术的发展过程中，脉冲激励、周期热激励等方法已成常规，但面对不同的探伤问题， 如何调整、控制加热激励频率和强度依然是重要课题。 2 热成像技术 红外热像仪是一种成像装置，它的成像原理基于目标与周围环境之间由于温度与发射 率的差异所产生的热对比度不同，而把红外辐射能量密度显示出来，成为“热像”。由于 人的视觉对红外光不敏感，所以热像仪必须具有把红外光变成可见光的功能，将红外图像 变成可见光图像。在红外热像仪中，把红外图像变成可见光图像分两步进行，第一步是利 用对红外辐射敏感的红外探测器把红外辐射变成电信号，该信号的大小可以反映出红外辐 射的强弱：第二步是通过电视显像系统将反映目标红外辐射分布的电子视频信号在电视荧 光屏上显示出来，实现从电到光的转换，最后得到反映目标热像的可见光图像。在热像仪 1 0 第二章 红外热波无损榆测技术概况首都师范大学硕上学位论文 中具体实现由红外光变电信号，又由电信号变成可见光的转换功能是由热像仪的各个部件 完成的。现在大多数使用的热像仪大都是主要由光学系统扫描器、红外探测器、信号处理 电路和显示记录装置等几个部分组成l 。 红外成像技术是多种技术的综合，它的发展水平取决于相关技术的水平，这些技术包 括：制造探测器的半导体及真空容器技术；冷却探测器的极低温技术；对扫描驱动系统及 其装置的动摇进行修正的伺服技术；用于低噪音放大器的半导体技术；未来的自主型传感 器的信号处理技术；增加探测器元数以提高热像仪的温度灵敏度和空间分辨率，从而提高 热像仪的探测和识别距离。 热成像技术本身有远比其用于红外热波检测更广泛的用途。而热波检测仅仅是利用了 它能对温度场快速成像的独特优势。但红外热波检测技术的发展无疑会促进热成像技术的 发展，这一点可以由美国红外技术公司专为红外热波检测用途研制热像仪而得到证明。 3 热图像处理技术 在红外热波无损检测技术中对所获热图的处理有很多独特的课题。如对热源的反演计 算和识别运算；对商帧频( 可达千赫兹) 图像流的快速处理；对快速变化的温场图像在时 序上进行像元拟合，以获取”无噪声”图像；自动拼图运算；从低频扫描图像计算出高频瞬 时图像等等。 2 3 红外热波技术热激励装置创新的国内外动态 英国国家无损检测中心的研究人员首先提出的脉冲电视热成像无损探伤技术是近二 十年来发展起来的，美国、德国、加拿大等国的有关部门也相继开展该技术的研究、开发 工作，在航空航天、机械制造、材料检测、核工业等部门获得了应用，并不断拓宽其应用 领域。据了解，在红外无损探伤技术的装置研制和应用方面，1 9 9 7 年，是由北京交通大 学应用物理系开展了该技术的探索研究的相关工作。研制了国内首台脉冲电视热成像无损 探伤装置并利用该装置对钢、铝、塑料等不同材料的试件进行探伤。这是国内首次见到在 红外无损检测技术方面研制部分装置的相关报导【4 5 】。 2 0 0 5 年1 2 月2 2 日，由北京市科委组织的“红外热波无损检测创新装置、工艺及技术 应用”科技成果鉴定会在首都师范大学召开，对于联合实验室承担的国家8 6 3 计划课题 “红外热波无损检测技术在复合材料研究中的应用”( 2 0 0 3 a a 3 3 3 0 9 0 ) 和北京市海淀区科 技项目“多种新材料热波检测软件及应用系统”( k 2 0 0 4 3 1 ) 完成的科技成果进行了鉴定。 第二章红外热波无损检测技术概况首都师范大学硕士学位论文 专家们对项目成果的评价是：“红外热波联合实验室是目前国内唯一拥有可以实际应用的 红外热波无损检测系统、技术、标准试样、企业标准的实验室，项目组自主研发了创新的 热激励装置、抗反射装置和工艺及涂料、图像处理算法和软件，取得了相关知识产权。该 项目成果使红外检测技术上了一个新的台阶，填补了国内空白；项目的研究内容和应用与 发达国家的同类研究处同等水平。”值得一提的是，首都师范大学红外热波实验室自主研 发创新的红外热波技术热激励装置在2 0 0 6 年已获得国家实用新型专利，该装置已被投入 使用做过大量地基础性试验，同时实验室取得了初步理想的实验结果。 目前，在薄层被检测物体的研究方面，有许多其他的检测方法。但在国内利用红外热 波无损检测技术还是处于探索阶段，国外也没有相关研究方面的报导。所以本热激励装置 的研制和应用对于推动红外热波无损检测技术的推广和深入研究有较为深远的意义。 2 4 红外热波技术热激励装置研制的意义 红外热波检测技术的功能和用途主要是无损探伤和检测。能应用的地方可以说是无穷 无尽。特别是用于航空、航天、军工领域中有关飞行器安全的检测，工业、制造业中对产 品质量的监测；对设备运转情况的监测；对产品研发过程中加载或破坏性试验后的评估， 新材料研究，探测表面及表面下的裂纹，各种粘接、焊接、涂层质量检测等等方面的应用。 此外，这项技术还可以用来做定量测量分析，如测量材料厚度和各种涂层、夹层的厚度以 及进行表面下的材料和结构特征识另h 。热波检测技术的应用领域和前景有许多方面：无损 探伤和检测，飞机检测，绝热层的检测，单向、不接触厚度的测量以及裂纹探测等方面。 本文介绍的装置主要是为了解决以下两个问题而研制。 其一，绝热层的检测：对绝热层的附着情况进行无损检测，发电和输电设备的绝热层 快速检测，航天和火箭发动机的喷口绝热层附着问题；各种镀膜、涂层、夹层的探伤问 题；粘接质量问题等。各种各样的热机、发动机为了提高效率和防止过热烧毁。通用办法 是在其燃烧腔内金属部件上涂陶瓷或合金材料的绝热层。而绝热层在金属上的附着性能常 常决定了热机的寿命。世界最大的发动机制造商卡明斯就曾在研制一种大型发动机时遇到 了该如何测量喷涂在活塞上的陶瓷绝热层的寿命问题。当工程师将涂有不同厚度的，采用 不同配方的陶瓷绝热层的活塞放到引擎中实际运转不同时间段而最终取出后，无法确定陶 瓷绝热层的附着情况。所有已知可用的检测办法都无法做到即不损伤又不接触样品。而采 用热波检测的方法后，每个试件只需几十秒钟，便可将绝热层的附着情况清晰的显示出来。 1 2 第二二章红外热波无损检测技术概况 首都师范大学硕士学位论文 与这些情况类似，航天器的液体燃料发动机和火箭固体燃料发动机的喷1 3 绝热层附着问 题；各种镀膜、涂层、夹层的检测问题；粘接质量问题等都可用同样方法进行探测。 其二，单向不接触厚度的测量。比如：测量喷漆的厚度以及漆层的不均匀性问题，精 度要求非常高( 如：测l m m 厚铝板的精度可达到微米级，小于1 ) 。此方法的先进性是 其“单向”和“不接触”特性。这项应用实际意义是研究飞机蒙皮锈蚀定量测量的附加成 果，目前对检测汽车产业，及其工业产品的喷漆是否存在不均匀研究有着广泛的应用价值。 而其成果本身就有潜力形成专利产品。这项技术称为不接触单向热波测厚仪。 在我们实际检测过程当中，针对厚度在微米至毫米数量级下，甚至大面积的涂层，漆 层，薄膜等被检测物体，利用t i 的设备和热激励装置基本不能得到好的检测结果。为此， 在红外热波检测过程中，加热装置的改进成为亟待解决的重点问题。 本课题研究的目标是针对特种涂层质量控制的需求，利用红外热波检测技术，寻求适 用于涂层涂敷质量( 涂层厚度测量、内部缺陷、界面缺陷) 控制的有效方法。研究内容包 括： ( 1 ) 红外热波在涂层中的传播特性，确定有效检测的涂层涂敷的均匀程度。 ( 2 ) 研究红外热波的涂层厚度测量技术，为实施非接触快速测量涂层厚度提供依据； 通过研究红外热波在涂层内部传播的时间特性，采用温度场变化量对比，测量涂层厚度。 ( 3 ) 研究红外热波在涂敷缺陷处的变化特征，确定可检测的缺陷类型和尺寸。 ( 4 ) 根据现有型号涂层，涂层厚度制作呈阶梯分布，用于校准厚度测量曲线。 无损检测设备可作为过程控制工具来使用，而不仅仅是单一的检测设备。因而越来越 多的用户把无损检测看成是降低成本的机会。 由于目前还没有快速、非接触、无污染的涂层质量监控手段，依靠超声、涡流等无损 检测方法或试样破坏方法都不能考核在役状态的产品涂层质量，需要建立有效的涂层质量 监控手段。涂层材料和基体形状多种多样，离面形缺陷缝隙微小，在役状态时涂层表面不 能有接触污染。根据对国外先进技术的追踪，以及先期部分试验结果表明，红外热波检测 技术可以用于涂层涂覆质量的监控。对于大量应用材料构件的研制与维护，提高其质量， 减少和避免重大事故具有现实意义。 第三章红外热波无损检测理论首都师范大学硕士学位论文 第三章红外热波无损检测理论 红外热波无损检测的基本原理是热波理论，热波理论进一步拓宽了传统热传导理论的 研究领域，譬如：脉冲加热、热波锁相、热超声等检测研究领域牾】 剐。具体地说，热波是 ( 传播中) 随时间周期性变化的温度场。与传统的热成像技术不同，热波检测要根据不同 的检测对象采用主动式控制加热来激发被检物材料的传热特性和内部缺陷。与任何波动一 样，热波在媒介中有特定的传输规律并在其传输过程中会与媒介材料发生相互作用。 在实际应用中用周期、脉冲、阶梯等函数形式的热源加热试件，在趋于热平衡的过程 中，其表面温场的空间和时间变化方式不仅与物体材料有关，也受物体内部结构和不均匀 性的影响，热波的传播方式由试件的材料特性、几何边界形状和边界条件决定。大多情况 下试件内部的缺陷使得热非均匀传播。试件表面下热传导非均匀性在试件表面形成非均匀 温场。利用红外热成像技术记录材料表面的红外辐射并将人眼不可见的红外辐射转化成可 见的温度图像。通过这些信息可以分析材料结构和材料内部的缺陷和材料的均匀性问题。 试件内部不同深度的信息在试件表面显现的时间不同，采集到的数据图像序列就会反映内 部不同深度的信息。 3 1 热波检测系统检测原理 红外热波检测过程分为五个阶段，以检测预设有绝热型缺陷的试件为例，如图3 - 1 所 示【刎。 ( 1 ) 可见光( 闪光灯阵列) 加热； ( 2 ) 热在试件内传导，在绝热型缺陷处受阻； ( 3 ) 缺陷上方试件表面与其它区域出现温差： ( 4 ) 红外热像仪记录试件表面温差； ( 5 )