热像法的原理与应用

1、 疲劳与无损检测疲劳与无损检测红外热像反映的是物体表面的温度分布，而温度是自然红外热像反映的是物体表面的温度分布，而温度是自然界中物体状态最普适的参数之一。界中物体状态最普适的参数之一。作为一种物体状态的检测手段，红外热像法具有无损、作为一种物体状态的检测手段，红外热像法具有无损、实时及非接触的优点，在科学研究中获得了广泛的应用实时及非接触的优点，在科学研究中获得了广泛的应用。疲劳热像法作为热像法最有希望的研究方向之一，在用疲劳热像法作为热像法最有希望的研究方向之一，在用于快速获取金属疲劳性能于快速获取金属疲劳性能( (疲劳极限和疲劳极限和S-N)S-N)方面，更是引方面，更是引起了学术界及工

2、业界的强烈兴趣起了学术界及工业界的强烈兴趣疲劳是一个能量耗散的过程。这里所说的能量包括了储能疲劳是一个能量耗散的过程。这里所说的能量包括了储能与热耗散，其中储能是材料内部缺陷与损伤状态的体现，与热耗散，其中储能是材料内部缺陷与损伤状态的体现，可通过材料微观结构的变化来描述，但其大小则需要借助可通过材料微观结构的变化来描述，但其大小则需要借助材料的热耗散间接获得。材料的热耗散间接获得。疲劳热像法即借助于红外热像测试系统，通过记录试件在疲劳热像法即借助于红外热像测试系统，通过记录试件在动态载荷作用下的热像数据，并结合疲劳能量方法进行分动态载荷作用下的热像数据，并结合疲劳能量方法进行分析，进而对材料

3、或结构本身的疲劳特性进行快速的评估。析，进而对材料或结构本身的疲劳特性进行快速的评估。简言之，疲劳热像法即将热像法应用于疲劳研究中。简言之，疲劳热像法即将热像法应用于疲劳研究中。 金属材料在交变载荷的作用下，由于热弹性金属材料在交变载荷的作用下，由于热弹性&热塑性效应的作用，热塑性效应的作用，将会产生温度的波动与上升。温度的变化反映材料表面的应力分将会产生温度的波动与上升。温度的变化反映材料表面的应力分布状态，进而对材料的疲劳损伤状态具有描述能力。布状态，进而对材料的疲劳损伤状态具有描述能力。滞弹性应变能等塑性应变能弹性应变能声发射其他能耗机械能耗机械能耗能量耗散过程能量耗散过程疲劳损

4、伤的疲劳损伤的快速获取疲劳参数快速获取疲劳参数 断裂力学应用断裂力学应用 损伤评估与健康监测损伤评估与健康监测 红外热像法技术一种实时、全场及非接触的无损检测手段，最红外热像法技术一种实时、全场及非接触的无损检测手段，最初被用在军事领域。随着人们对材料力学行为与温度变化之间初被用在军事领域。随着人们对材料力学行为与温度变化之间关系认识的不断深入，热像法开始被应用于疲劳断裂研究中。关系认识的不断深入，热像法开始被应用于疲劳断裂研究中。疲劳试验疲劳理论建立与发展的重要基础，在工业生产中具有疲劳试验疲劳理论建立与发展的重要基础，在工业生产中具有不可代替的重要性。然而传统疲劳试验方法存在着试验周期长、

5、不可代替的重要性。然而传统疲劳试验方法存在着试验周期长、成本高、数据离散等先天不足。成本高、数据离散等先天不足。通过新兴的疲劳热像法，有望只通过几根试件，花几天时间便通过新兴的疲劳热像法，有望只通过几根试件，花几天时间便可获取金属材料或构件的疲劳参数。该技术的研究，可用于实可获取金属材料或构件的疲劳参数。该技术的研究，可用于实现疲劳试验的快速化，提高试验效率，缩短研发周期，从而引现疲劳试验的快速化，提高试验效率，缩短研发周期，从而引起了学者与工程师们的极大兴趣。起了学者与工程师们的极大兴趣。1830 固体材料的热弹性效应 Kelvin1963 固体材料的热塑性效应 Dillon&Kra

6、tochvil1968 红外辐射测量仪器的应用范围研究 Belgen1978 热辐射应力图像分析技术（SPATE） Mountain&Weber1986 快速测定疲劳极限的热像法 Risitano1990 基于固有耗散的疲劳极限快测法 Luong1994 利用锁相热像法提取热弹性耗散效应 Brmond1994 至今至今 锁相热像法的深入研究 Chrysochoos, et al 2000 至今至今 热像法在金属疲劳中的研究 Liaw, Crupi, et alTTCp 热弹性效应：弹性拉伸载荷将引起材料温度的降低，而热弹性效应：弹性拉伸载荷将引起材料温度的降低，而弹性压缩载荷将引起材料

7、温度的升高。由于热弹性效应弹性压缩载荷将引起材料温度的升高。由于热弹性效应引起的温度变化十分微小，故在很长的时期内并没能引引起的温度变化十分微小，故在很长的时期内并没能引起人们的注意。起人们的注意。TTCp mKCpKm热弹性系数热弹性系数这里，这里，是线膨胀系数，是线膨胀系数，是是材料密度，材料密度，Cp是是等等压压比热。比热。mK热塑性效应指出：塑性应变能是材料在疲劳破坏中机械热塑性效应指出：塑性应变能是材料在疲劳破坏中机械能耗的主体，绝大部分将以热耗散的形式释放出去，进能耗的主体，绝大部分将以热耗散的形式释放出去，进而引起材料表明温度的升高，并维持着温度场的平衡。而引起材料表明温度的升高

8、，并维持着温度场的平衡。pcw2vctmcC TKTrww20世纪世纪60年代，疲劳能量方法主要集中在热塑性效应的研究。年代，疲劳能量方法主要集中在热塑性效应的研究。许多学者都尝试在循环滞回能与材料低周疲劳之间建立关系。许多学者都尝试在循环滞回能与材料低周疲劳之间建立关系。许多基于应变能耗的疲劳损伤模型被提出许多基于应变能耗的疲劳损伤模型被提出,这些模型的共同特点这些模型的共同特点是：以某种形式的应变能表征疲劳损伤，当这种形式的应变能是：以某种形式的应变能表征疲劳损伤，当这种形式的应变能积累到某个极限值时，材料将发生破坏。积累到某个极限值时，材料将发生破坏。而一些研究发现，疲劳过程中所消耗的应

9、变能与加载状态有关而一些研究发现，疲劳过程中所消耗的应变能与加载状态有关,并不能直接与疲劳损伤之间建立某种关系。并不能直接与疲劳损伤之间建立某种关系。 于是人们开始关注于疲劳过程中的能量耗散现象，尝于是人们开始关注于疲劳过程中的能量耗散现象，尝试从非平衡热力学的角度重新认识疲劳问题试从非平衡热力学的角度重新认识疲劳问题 。意大利学者意大利学者Risitano等人最早提出了快速测定金属材料疲劳极等人最早提出了快速测定金属材料疲劳极限的热像法，该方法将疲劳极限定义为周期载荷下引起材料限的热像法，该方法将疲劳极限定义为周期载荷下引起材料表面平均温度升高的最小应力值。表面平均温度升高的最小应力值。u在

10、各级应力水平下加载在各级应力水平下加载u记录平衡阶段的温升值记录平衡阶段的温升值u将数据插入到应力将数据插入到应力温升图温升图u观察到图中明显的拐点现象观察到图中明显的拐点现象u通过一线拟合法确定疲劳极限通过一线拟合法确定疲劳极限试验步骤试验步骤疲劳极限疲劳极限法国学者法国学者Luong对疲劳耗散过程的热源展开了分析：对疲劳耗散过程的热源展开了分析：上式中，热源被分为外外热源热源、热传导热传导、热弹性源热弹性源及固有耗散源固有耗散源。外热源表示由于一些内部或外界因素所引起的热噪声。热传导将改变试件表面的温度场，使其趋于均匀分布。热弹性源是由材料的弹性效应所引起的可逆的热力学现象。固有耗散源是由

11、材料的非弹性效应所引起的不可逆的热力学现象，它所产生的能量绝大部分会以热耗散的形式释放出去。Luong认为材料的能量耗散与疲劳损伤之间存在着密认为材料的能量耗散与疲劳损伤之间存在着密切联系，可将固有耗散率作为最准确的疲劳指标。切联系，可将固有耗散率作为最准确的疲劳指标。420(:):eIvC TrKTD E TS ELuong法对Risitano法的改进：利用能量方程进行了较深入的理论分析。利用能量方程进行了较深入的理论分析。仅考虑耗散效应，排除了可逆的热弹性效应。仅考虑耗散效应，排除了可逆的热弹性效应。采用二线拟合法确定疲劳极限。采用二线拟合法确定疲劳极限。00.050.10.150.20.

12、250.30.3501020304050607080荷重(kN) 载荷（KN）疲劳极限疲劳极限温升（）锁相热成像技术锁相热成像技术 (Lock-in Thermography Technology)作为作为一种新兴的红外热像技术，可用于一种新兴的红外热像技术，可用于测量及评估测量及评估材料材料或构件或构件在在周期载荷下的周期载荷下的热弹性效应热弹性效应。锁相技术可通过傅立叶运算有效提高信噪比锁相技术可通过傅立叶运算有效提高信噪比锁相热像法测量的是与载荷变化相关的温度变化锁相热像法测量的是与载荷变化相关的温度变化测量结果是热弹性温度变化的峰峰值测量结果是热弹性温度变化的峰峰值锁相技术提供不同的信

13、号处理方法：锁相技术提供不同的信号处理方法：锁相傅立叶转换锁相傅立叶转换 关联运算关联运算锁相锁相 周期信号分析周期信号分析随机信号分析随机信号分析运动补偿运动补偿 根据热弹性效应，应力与温升之间存在着根据热弹性效应，应力与温升之间存在着180180度的相位差。度的相位差。通过锁相技术，可对加载信号进行时钟信号模拟，使力激通过锁相技术，可对加载信号进行时钟信号模拟，使力激励与温度响应做到同步显示。励与温度响应做到同步显示。热信号热信号信号处理信号处理锁相锁相加载信号加载信号试试件件热弹性模式（热弹性模式（Thermo-Elastic Mode） 可进行热弹性效应分析可进行热弹性效应分析 用于应

14、力测量（用于应力测量（SPATE法）法）TTCp耗散模式（耗散模式（Dissipation Mode） 提取热弹性源中的耗散效应提取热弹性源中的耗散效应 可用于疲劳分析，计算固有耗散可用于疲劳分析，计算固有耗散此外，还有普通模式，用于直接测量物体表面温度变化。E模式模式D模式模式在高于材料疲劳极限的应力水平下，应力温升会呈现出非线性。将热弹性温升的漂移值定义为材料的固有耗散，记为 。固有耗散指标可用于对材料的疲劳损伤程度进行表征，并可通固有耗散指标可用于对材料的疲劳损伤程度进行表征，并可通过过Luong法直接获取其疲劳极限法直接获取其疲劳极限。)()(theoryEtestEDTTTDT工作原

15、理图工作原理图试验现场图试验现场图阵列式中波红外相机（320240个探测元件）波长响应：3-5 m热灵敏性：25等效噪声下等效噪声下 25mk，通常可达，通常可达10mk测温范围：-20-1500最高帧幅率：500 Hz积分时间：10s空间分辨率：深度不同材料的探测深度：不同材料的探测深度： 玻璃-环氧树脂 16 mm碳-环氧树脂 8 mm钢 5 mm铝 4 mm用于航空航天器的复合材料用于航空航天器的复合材料多层结构和复合材料结构多层结构和复合材料结构压力容器与承载装置压力容器与承载装置W. Bai和和B. S. Won在在2000年提出了对流条件年提出了对流条件下有限厚度单层热像模型和多层

16、热像模型。下有限厚度单层热像模型和多层热像模型。 多层热像模型多层热像模型 周期载荷周期载荷分析物体结构，建立合适的模型，确定物体的分析物体结构，建立合适的模型，确定物体的热物性参数；热物性参数；划分单元，选择瞬态热分析；划分单元，选择瞬态热分析；选择理想的加载频率，编写加载函数，提取数选择理想的加载频率，编写加载函数，提取数据的间隔时间要合理；据的间隔时间要合理；求解，分析温度云图和某一点的温度求解，分析温度云图和某一点的温度时间历时间历程曲线图；程曲线图；提取数据，分析结果。提取数据，分析结果。背面有筋板碳纤维复合背面有筋板碳纤维复合材料平板。其规格为：长材料平板。其规格为：长350mm，

17、宽，宽250mm，平，平板厚度为板厚度为3mm，筋板处，筋板处的厚度为的厚度为2mm，其中两，其中两个筋板下半部有不同程度个筋板下半部有不同程度的开裂的开裂 。如图所示，按照如图所示，按照 W. Bai模型，预测当频率为模型，预测当频率为0.12Hz时，时，最大相位差绝对值为最大相位差绝对值为最大相位差绝对值为最大相位差绝对值为16.83，此，此时图像对比度应该最晰。时图像对比度应该最晰。 由锁相红外热像系由锁相红外热像系统分析得到的相位图统分析得到的相位图可清楚看到板材背后的条状加筋板可清楚看到板材背后的条状加筋板选用高频检测时，不能看到筋板的具体位置；而选用选用高频检测时，不能看到筋板的具

18、体位置；而选用低频则可以分辨出筋板的不同。原因是高频热波在传低频则可以分辨出筋板的不同。原因是高频热波在传播过程中衰减较快，穿透能力弱。播过程中衰减较快，穿透能力弱。由图中可看出，曲线显示的四个波谷即为对由图中可看出，曲线显示的四个波谷即为对应的四条筋板所成的相位图像。应的四条筋板所成的相位图像。频率是锁相加热红外无损检测中一个最为关键的参数。最频率是锁相加热红外无损检测中一个最为关键的参数。最佳的频率能使设备准确清晰的检测到缺陷；相应地，正确佳的频率能使设备准确清晰的检测到缺陷；相应地，正确的频率设置也能使有限元数值模拟对物体呈现更为清晰的的频率设置也能使有限元数值模拟对物体呈现更为清晰的图

19、像。从这个角度来说，二者是一致的。但是，由于实际图像。从这个角度来说，二者是一致的。但是，由于实际检测和数值模拟的本身差异性的存在，二者在最佳检测频检测和数值模拟的本身差异性的存在，二者在最佳检测频率取值上又不可能完全一致，所以我们只能用数值模拟的率取值上又不可能完全一致，所以我们只能用数值模拟的频率去预测或者修正实际检测时所使用的频率，进而提高频率去预测或者修正实际检测时所使用的频率，进而提高我们的检测效率和检测效果。我们的检测效率和检测效果。预埋缺陷的碳纤维复合预埋缺陷的碳纤维复合材料平板。板规格为：长材料平板。板规格为：长340mm，宽，宽270mm，厚，厚1m，用八层碳纤维铺设，用八层

20、碳纤维铺设而成，每层碳纤维的厚度而成，每层碳纤维的厚度为为0.125mm，在平板的中，在平板的中心处预埋了一层圆片形一心处预埋了一层圆片形一层 特 氟 纶 ， 其 厚 度 为层 特 氟 纶 ， 其 厚 度 为0.1mm。可以看出，有缺陷处与其他处相比，相位差明显。如可以看出，有缺陷处与其他处相比，相位差明显。如果物体内部或背面有孔，则空处对应的相位比其他部果物体内部或背面有孔，则空处对应的相位比其他部分要滞后，这是因为此处相当于变薄。分要滞后，这是因为此处相当于变薄。 由锁相红外热像系由锁相红外热像系统分析得到的相位图统分析得到的相位图可以看到预埋缺陷的形状，但形状却呈可以看到预埋缺陷的形状，

21、但形状却呈椭圆形，边界并不易准确识别椭圆形，边界并不易准确识别。由图中可看出，预埋缺陷处的相位值要明显由图中可看出，预埋缺陷处的相位值要明显高于周边区域。高于周边区域。由图中可看出，预埋缺陷处的相位值要明显由图中可看出，预埋缺陷处的相位值要明显高于周边区域。高于周边区域。其他应用钛合金焊接蜂窝夹层结构焊接质量检测碳纤维层合板钻孔加工后损伤检测无论是实际检测的成像形状，还是有限元数值模拟时产无论是实际检测的成像形状，还是有限元数值模拟时产生的图像形状，他们都是缺陷形状的近似反应，按照传生的图像形状，他们都是缺陷形状的近似反应，按照传热学的基本原理，热图像都有温度梯度的变化，二者不热学的基本原理，

22、热图像都有温度梯度的变化，二者不同的是，实际检测时，当缺陷性质不足以影响到在表面同的是，实际检测时，当缺陷性质不足以影响到在表面的图像时，图像会出现边缘模糊现象，有时候可能会根的图像时，图像会出现边缘模糊现象，有时候可能会根本与其他地方一致，缺陷不能被分辨出来，数值模拟也本与其他地方一致，缺陷不能被分辨出来，数值模拟也存在这个现象，但是这与有限元软件本身的计算的精度存在这个现象，但是这与有限元软件本身的计算的精度有关，即有限元数值模拟更容易的分辨处边界的不同。有关，即有限元数值模拟更容易的分辨处边界的不同。实际检测更取决于材料本身和缺陷性质，而有限元数值实际检测更取决于材料本身和缺陷性质，而有

23、限元数值模拟更取决于计算精度。模拟更取决于计算精度。郭杏林, 王晓钢. 疲劳热像法研究综述J. 力学进展, 2009, 39(2):217-227. 郭杏林, 王晓钢. 基于锁相热像法的金属疲劳特性评估方法研究J. 机械强度, 2009, 31(2):1-7. XIAOGANG WANG, VINCENZO CRUPI, XINGLIN GUO, YANGUANG ZHAO. Lock-in thermographic methodology for fatigue assessment and nonlinear stress measurementC. 4th International

24、Conference on Experimental Mechanics. Nanjing, Nov. 8-11, 2008.YANGUANG ZHAO, XINGLIN GUO, MINGFA REN, XIAOGANG WANG. Lock-in thermography method for the NDT of composite materialsC. 4th International Conference on Experimental Mechanics . Nanjing, Nov. 8-11, 2008.王晓钢，郭杏林. 基于红外热像的疲劳评估方法的实验研究C. 中国力学学术大会 2009郭杏林，赵延广, 张传豹. 疲劳试验过程中的实时锁相红外热成像无损检测技术C.中国力学学术大会 20097. XIAOGANG WANG, VINCENZO CRUPI, XINLING GUO, YANGUANG ZHAO. Qu