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红外热成像检测技术的应用和展望

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红外热成像检测技术的应用和展望

摘要：无损检测，是指在不会对材料或元件的有效性或可靠性造成损害的前提下，对其内部的异性结构(缺陷或损伤)进行探测、定位、识别及测量的一种实用性技术。红外热成像技术是在红外探测器、微电子和计算机技术的基础上发展起来的，属于综合性高新技术，该技术正朝着快速扫描、非致冷、焦平面阵列式接收、计算机图像处理的方向发展， 利用便携式笔记本电脑控制的系统正日趋完善。

关键词：无损检测；热成像技术；应用；发展趋势

红外热成像无损检测技术(又称红外热波无损检测技术)，是一门跨学科的技术，它的研究和应用，对提高航空航天器，多种军、民用工业设备的安全可靠性具有重要意义。
1.红外热成像检测技术的原理
红外热成像无损检测技术的基本原理是利用被检物的不连续性缺陷对热传导性能的影响，使得物体表面温度不一致，即物体表面的局部区域产生温度梯度，导致物体表面红外辐射能力发生差异。借助红外热像仪探测被检物的辐射分布，通过形成的热像图序列就可推断出内部缺陷情况。
从理论上分析可知，材料或构件因内部缺陷将导致局部力学性能的强度改变，由于材料内部结构的不连续性，这种缺陷将引起材料或构件的热传导不连续，致使材料或构件的温度梯度不同，因而显现出的红外热图像也有所不同。通过研究被检测材料的内部缺陷及结构力学性能，找出其热传导特性与红外热图像之间的关系和机理，根据显示图像的温度梯度就可以确定缺陷的位置和范围，由温度梯度随时间变化的速率可以确定缺陷的深度。
采用红外热成像技术进行检测的特点是不受材料的几何结构及材质的限制，可以实现非接触、大面积的检测。
2.红外热成像检测技术的分类
根据探测方式不同，红外热成像检测技术可划分为透射式和反射式，其中反射式更便于使用；根据引起温差的方式不同，可划分为主动式和被动式。
主动式红外热成像检测技术可以对物体表面进行快速、准确的检测，并具有直观、非接触、单次检测面积大等特点。根据主动式激励源不同，主要划分脉冲红外热成像检测技术、锁相红外热成像检测技术和超声红外热成像检测技术等。
2.1脉冲红外热成像检测技术
脉冲红外热成像技术是一种集光、机、电为一体的非接触式无损检测方法，也是目前研究最多和最成熟的方法之一。工作原理如图1所示:以高能脉冲闪光灯作为激励热源，热流在被测构件内部传导过程中，若构件内部存在缺陷或损伤，则使得物体内部热分布将存在不连续性结构，从而导致其缺陷或损伤处的表面温度与无缺陷或损伤处有明显不同。
图1冲红外热成像检测技术的工作原理
脉冲红外热成像检测方式虽然简单实用，但是也存在着一些缺点：适于检测平板类构件对于复杂结构构件检测存在困难；对热源的均匀性要求非常高；检测构件厚度有限，当检测厚度较高的构件时，难以显示缺陷结果。
2.2锁相红外热成像检测技术
锁相红外热成像检测技术的工作原理，如图2所示。由函数发生器控制激励热源发出按照正弦规律变化的光源强度，光源的热辐射对被测构件进行加热，采用红外热像仪采集构件表面的温度信息。锁相的目的在于从干扰信号中提取特定频率的有用信号，分析其存在的差异，从而实现对缺陷特征的判定与识别。
图2相红外热成像检测技术的工作原理
锁相红外热成像技术与常规的脉冲红外热成像技术相比，主要有以下优点：不受加热不均的影响；相位图与构件表面发射率无关；加热的温度较低，不会导致材料表面发生损伤；根据锁相频率和相位延迟，即可求出缺陷深度。此外，相位检测与幅值检测相比，在热像仪精度确定的情况下，能显著提高缺陷的探测能力和测量精度。
2.3超声红外热成像检测技术
超声红外热成像检测技术将超声激励技术与红外热成像技术相结合，其原理，如图3所示。利用低频超声脉冲波作用在构件表面上，利用其特定的振动激励源促使物体内部产生机械振动，使得缺陷部分因热弹和滞后效应导致声能在物体中衰减而转化成热能，通过红外热像仪对构件表面温度变化情况进行捕捉和采集。通过观察红外热像仪所记录下来的温差，借助于计算机对时序热图进行处理，即可实现对构件内部缺陷的判定与识别。
图3超声红外热成像检测系统的工作原理
超声红外热成像技术与脉冲红外热成像等其他表面加热的检测方式相比，其检测灵敏度更高。超声红外热成像技术可对物体更深的亚表面裂纹进行检测，还可用于对复合材料内部分层或脱粘进行检测。超声红外热成像的实验系统比较复杂，操作时需要小心谨慎，避免不必要的损伤和浪费。
3.红外热成像检测技术的应用
外热成像技术因能快速、实时、直观地检测零件的损伤，所以应用广泛,可应 用于航空设备检测、复合材料的检测、衬里损伤诊断、电力设备的故障诊断等。
3.1在电气领域的应用
测试对象主要包括变电所空压机互感器接头、分电箱导线接头、变压器零线接头、供电厂照明线接头、电车隧道电缆过载、空气开关接头和高压线电缆中间接头温度的测试等。通过对变电站和输电线路的定期测温，排除了大量的安全隐患，有效避免了不必要的损失，为工厂的安全运行提供了重要保障。
3.2在土木工程领域的应用
随着红外热成像检测技术的日新月异，其在土木工程领域中的应用也有了很大发展。尤其在建筑物外墙饰面施工质量检测技术日趋成熟。通过采集外墙表面的温度场变化，可为判断饰面工程质量提供一种途径。
3.3在航天航空领域中的应用
发动机涡轮叶片是飞机中能量转换的关键部件，在燃气冲击下高速旋转，不但承受变化巨大的各种应力，还受到高温氧化等作用，所以准确高效的检测涡轮叶片的缺陷，对于预防危害性故障，提高飞机运行安全有着重要意义问。文献川以热风作为激励源，对正常和故障叶片分别进行相同的持续激励，然后用红外热像仪记录叶片表面的温度变化情况。
4.红外热成像检测技术的展望
红外热成像技术的发展以红外探测器的发展为标志，可以从红外探测器的发展来推断其发展趋势：以“二代”焦平面阵列的实用化，批量生产，大量装备为重点， 解决各种不同功能要求的图像处理和智能化、自动化问题，提高非制冷焦平面阵列规模和水平，与应用密切配合，解决应用中出现的问题；发展应围绕“第三代”焦平面阵列，着重基本技术问题的研究解决， 包括外延材料生长大规模高密度器件工艺、非均匀性校正、可低温工作的信号处理电路、互联耦合技术、测试评价技术、图像处理和智能化等技术关键问题，以缩小整机体积，并增强功能；进一步应探索新型材料器件的研究开发，从能带工程出发，设计研究新型焦平面阵列材料和器件；竭力提高成品率，降低价格，扩展红外热成像技术的应用领域及应用价值。
纵观现代各种无损检测技术， 均要求对零件的损伤进行快速、 准确的检测与评估， 因此，红外热成像技术未来也要朝着快速、准确的方向发展， 其具体发展方向有以下几点：（1）从定性到定量的转变；(2)采取多样化的激励方式， 实现更加快速、 准确的检测；（3）尝试各种先进 的信息处理方式，得到更加精确的零件损伤信息；（4）为适应现场检测的要求，向便携式方向发展。
5．总结
红外热成像技术历经多年的发展， 已从当初的机械扫描机构发展到了今天的全固体、小型化、全电子、自扫描凝视摄像，红外热成像技术正走向辉煌，同时，我们应清醒的认识到，红外热成像技术， 已经走上了一条充满挑战的发展道路，要想发展，必须解决许多问题，以提高灵敏度，增加识别距离，降低成本。

参考文献

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