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1、红外热成像技术在复合材料无损检测中的红外热成像技术在复合材料无损检测中的应用应用红外热成像技术在复合材料无损检测中的应用宁宁詹绍正丁丁,居止(中国飞机强度研究所一室,陕西西安 710065)摘要介绍了红外热辐射,红外热成像无损检测技术的检测原理及其在复合材料无损检测的应用情况.有源,无源热辐射方法的概念,优缺点比较及应用实例,反射法透射法概念等.红外热像仪的发展概况以及红外热成像无损检测的特点.关键词红外热成像复合材料缺陷脉冲加热 Lockin1 引言近年来,随着复合材料的发展和在各领域应用越来越广泛,对复合材料的无损检测也提出了更高的要求,一种快捷,高效,方便的红外检测方法便应运而生了.由于
2、复合材料对热流具有高阻力特性,温度的改变相对较缓慢,因而,在具有一定的热输入的情况下进行试验时,热 平衡也要慢些.根据复合材料的这一特性,红外热成像技术在复合材料无损检测中能取得很好的效果.2 红外热成像原理红外线是介于可见光和无线电波之间的电磁波,其波长范围为 0.76 一 lO00tm,工程上常用的红外线约在波长 0.7612ttm 范围内.任何物体,当它的温度在绝对零度(OK 或一 273)以上时,就会发射红外光线.即使物体的温度较低,以红外线辐射形式发射出来的能量也是很可观的.利用物体的这种特性,用专 门的装置(目前广泛采用的红外热像仪)来感受物体发射的红外线辐射能,就能够灵敏,精确的
3、 检测出目标物体的表面温度,从而探查出它的内部缺陷.当工件受到外部的热激励或周期性的载荷时,如果工件内部有缺陷,由于缺陷部位阻挡或加速均匀热流,使工件局部表面的辐射能(温度)出现微量的变化.红外热成像技术(InfraredThermalImaging)或称红外热图技术(InfraredThermography),利用红外辐射原理,通过测取目标物体表面的红外辐射能,将被测物体表面温度的分布转换成形象直观的热图像(灰度 图或收稿日期:2003 年 l1 月 19 日?37?彩色图).只要能检测出这种温度变化,即可判断工件是否存在缺陷.物体辐射红外线的强度 W 与物体表面温度的关系可由斯蒂芬一玻尔兹
4、曼定律描述为:W=?.式中:广物体的辐射系数(绝对黑体的辐射系数为 1.灰体的1);斯蒂芬一玻尔兹曼常数,o=5.669910.wm.K 一;T.一绝对温度.3 红外热成像无损检测技术红外热成像无损检测是利用在工件表面描绘出等温线轮廓,它注重测定工件表面的温度梯度而不是具体的温度值,以检测工件的热传导,热扩散或热容量变化为基础.被测试件中 如存在内部分层,脱粘,气孔等缺陷,将会在等温线中以局部的热点或冷点显示出来.为应用这一技术,首先必须在被检工件上激发起热图;第二步,测定被检工件表面上各部分热图所形成的温度分布;第三步则是遵照可靠的和熟悉的物理原理解释这些结果.红外热成像技术有多种形式,按照
5、其有无外加热源可分为有源热辐射和无源热辐射这两种形式.3.1 有源热辐射有源热辐射是把工件简单地用作能量传输的导体或管道.采用外部热源对试件进行加热,其加热也有多种模式,可划分为脉冲加热方式 Prr(PulsedThermograph),调制加热方式 LT(LockinThermography).检测过程按热像仪与热源的相对位置可分为反射法和透射法.热像仪与热源位于被检测件同一侧的称为反射法,如图 1 所示.热像仪与热源分别位于试件两侧的称为透射法.如图 2所示.实际检测中采用何种方式是由结构使用要求,检测的缺陷类型,材料厚度等因素决定的.热源/0?38?器(热像图 1 反射法探测试什(热像仪
6、)图 2 透射法探测当热激励(热量)均匀的辐射到试件表面时,如工件内部存在分层缺陷(热阻)时,在无缺陷的区域热量均匀的向试件的另一面传递,而在分层缺陷区域,由于层与层之间的空气阻碍热 量向另一面传导,并在这个分层界面处产生热量的反射.采用图 l 的反射法检测时,试件热图中分层区域,存在异常热点;采用图 2 的透射法检测时,试件另一表面的热图中分层区域比周 围无缺陷区域的温度低,存在异常冷点.检测方法不同,缺陷判断依据也迥然不同.图 3 为碳纤维试件采用脉冲加热式反射法,碳纤维板浅表分层缺陷进行红外检测过程中某时刻的红外热像,图中可以清楚的显示该试件中的通孑 L 和通孑 L 边的分层缺陷.(a)
7、碳板试件红外图=!=二二=(b)碳扳试件图 3 碳板试件红外热成像 NDT3.1.1 脉冲加热模式 PT脉冲加热模式(PulsedThermography)在极短时间内将热脉冲辐射至试件表面,然后记录试件表面温度的动态变化过程.热脉冲可以是卤素灯,闪光灯,激光束,热空气或水流.脉冲持续时间取决于材料的厚度和导热特性,可能是几微秒,也可能是几秒.热脉冲加到试件表 面后,由于热量的传播是通过试件的扩散,辐射和对流损耗等导致试件表面的温度迅速发生变化.由于检测方法(反射法,透射法)的不同和缺陷埋深,缺陷性质的不同,温度差最大的时刻可能出现在试件温度的上升阶段也可能出现在试件温度的下降阶段.脉冲加热模
8、的特点是现场实施方便,检测速度快,典型的检测厚度下观测时间小于 1 分钟.由于透射进人物体的能量较小,热波在物体内部传播距离有限,故只对浅表的缺陷反映 灵敏,检测深度小.缺陷区域与正常区域温差较小,可检出缺陷的最小直径至少比该缺陷的埋 藏深度大 l 一 2 倍.3.1.2 调制加热模式 LT调制加热模式(LockinThermography)又称 Lockin 加热技术,是建立在热波的基础上,采用一定频率的正弦调制源对试件进行加热.试件中热量的传播深度可近似的用热量扩散时 间的长短表示.?39?(2)式中:J 广热传导率;c 调制热源频率;被测物体密度;广被测物体的比热.热源调制频率 co 的
9、高低,影响热扩散时间的长短.检测材料近表面的缺陷,采用较高的热源频率,反之,采用较低的频率的热源检测深处缺陷.工作中可根据材料的厚度决定所 采用热源频率.调制加热方式(LT)的优点是有较多的热量导入试件,可检测埋藏较深的缺陷.缺点是对热源的频率选择要求较高,若选用不正确的加热频率,有可能漏检缺陷.有些缺陷可以用不同的加热方法来探测,例如,碳纤维复合材料(CFRP)可以采用上述两种方法进行加热,可得到相近的检测结果.在实际应用中,已知埋藏深度的缺陷常采用调制 加热技术较好,不知埋藏深度的缺陷一般采用脉冲加热技术.3.2 无源热辐射无源热辐射不需外加热源,当一个结构处于循环加载状态,例如疲劳载荷或
10、周期性振动,在材料的表面就会产生一个微小的温度变化,有缺陷的区域由于有应力集中等因素影响,往 往会释放较多的热,会形成局部热异常点.选用较高灵敏度的热像仪可获得试件的热图像.无源热辐射法可用于疲劳试验过程中应力集中区域的检测和某些缺陷或有可能产生缺陷区 域的监控及用于检测近表面紧贴型的分层缺陷.4 红外探测器红外探测器是影响红外热成像技术在复合材料无损检测中检测结果的一个重要因素,它是红外检测的基础装置,是热成像技术的核心,探测器的技术水平决定了热成像的技术水平.红外探测器是用来感受被检测物体所产生的红外辐射.热像仪则是一种专门的红外检测设备.红外热成像仪由两部分组成:一部分是光机头部分,相当
11、于电视摄像机,其功能是摄取检测目标发出的红外辐射,并转变为电信号;另一部分是显示部分,相当于电视机,其功能是将 光机头部所摄取的红外线在显象管上显示可见的图像.在红外技术,材料技术和微电子技术等的推动下,红外热成像仪经历了从单元到多元,从多元到现在的焦平面的发展过程.测温灵敏度由 0.2到目前的 0.02,空间分辨率由1.5mrad 到 0.8mrad.目前的焦平面红外热成像仪(FocalPlaneAsmblyFPA)具有探测元数大,探测信号的读出与处理由与探测器芯片互连一起的集成电路完成的两大特征.这些大大的提高了探测速度和减小热像仪的体积和重量.目前美国 FLIR,法国 ALTAIRLI
12、和日本NEC 等公司已经批量生产焦平面热像仪,国内武汉高德电气也在研究生产同等热像仪.5 红外热成像 NDT 与其它 NDT 技术的比较红外热成像 NDT 与其他 NDT 技术比较,有以下特点:非接触,不与被检测试件直接接触,可在远距离对人无法接近的区域进行检测;?40?成片检测,检测速度快.适合大面积扫查;对被检测表面要求低.不需要耦合剂.不会对被检测试件表面造成伤害;易于实现自动化和”实时”成像,可用于重要部件的实时监控;显示方式直观,容易判读.能显示缺陷的大小,形状和埋深.红外热成像 NDT 也存在明显的缺点与不足,主要有:检测深度小,主要用于浅表缺陷;检测对象局限性大,不适用多数金属件
13、的检测;易受被检测表面辐射率,背景辐射和环境空气流动等的影响;设备价格昂贵;软件多为英文,对检测人员要求高.红外热成像 NDT 通常可以作为超声和射线等检测的补充手段;还可作为批量生产的初检,便于将缺陷较严重的制品在精检之前剔除.红外热成像技术还能用于受载结构表面应力的测量,可实时监控结构的高应力区.红外热成像作为一种无损检测新技术,近年来在国内 外受到了广泛的关注.存在的问题在大家的广泛关注和参与下,肯定能得到圆满的解决.参考文献l 余南廷,陈积懋.复合材料无损检测与评定.19972 郑兆平,曾汉生,丁翠娇等.红外热成像测温技术及应用.红外技术 2003 年第 l 期.20033 王厚亮,李
14、建保,孙格靓.碳纤维树脂板内部缺陷的红外检测.红外技术 2000 年第 3 期,20004 李国华,吴立新等.红外热成像技术及其应用现状的研究与发展.中国矿业大学,20025ALTAIRLINonContactImagingofStressinMaterialsandStructur,CEDIPInfraredSystems6XavierMaldague,applicaionofinfraredthemographyinnondestructiveevaluationAPPLICATIoNoFINFRAREDTHERMoGRAPHYINNoNDESTRUCTIVETESTINGoFCoMPOS
15、ITEMATERIALNingNingZhanShaozheng(AircraftStrengthResearchInstituteofChina,Xian710065)ABSTRACTThistextisintendedasabriefintroductionofinfraredradiation,principleofinfraredthemaographynondt ructiretting(NDT)andinfraredthemaographynondestructivetestingofcompositenmterials.Depbyments andconceptofactiveandpassiveschemes.Conceptofreflectionandtransn1issionmode.Developmentofinfrared cameraandtheadvantageanddidvantageofinfraredthermographynondestrutivetting.KeyWordsinfraredthemaography,conW.sitematerial,defect,pulsedthemography,lockin-4l?
