红外检测技术

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1、红外检测技术机电工程学院测控系 魏 莉 W1红外无损检测技术的特点决定了它的适用范围。 红外无损检测的优点为操作安全、灵敏度高、检测效率高 。 由于进行红外无损检测时不需要与被检对象直接接触，所以 操作十分安全。这个优点在带电设备、转动设备及高空设备的 无损检测中非常突出。现代红外探测器对红外辐射的探测灵敏 度很高，目前的红外无损检测设备可以检测出0.1的温度差， 因此能检测出设备或结构件等热状态的细微变化。由于红外探 测器的响应速度高达纳秒级，所以可迅速采集、处理和显示被 检对象的红外辐射，提高检测效率。一些新型的红外无损检测 仪器还可与计算机相连或自身带有微处理器，实现数字化图像 处理，

2、扩大了其功能和应用范围。另外，红外辐射不受可见光 的影响，可昼夜进行测量。大气对某些特定波长范围内的红外 线吸收甚少， 适用于遥感和遥测。 1 红外无损检测基础21 红外辐射及传输1） 红外辐射红外辐射是位于可见光中红光以外的光线，故又称红外线 ， 它是一种人眼看不见的光线。其波长范围大致在0.751000 m的频谱范围之内，相对应的频率大致在4101431011 Hz之间。任何物体，只要其温度高于绝对零度就有红外线向周围空间辐射。 1 红外无损检测基础32）红外辐射的传输和所有电磁波一样，红外辐射是以波的形式在空间直线传 播的。它在真空中的传播速度等于光在真空中的传播速度， 即 式中： 为红

3、外辐射的波长；f 为红外辐射的频率；C为光在真空中的传播速度。1 红外无损检测基础4红外辐射在大气中传播时，由于大气中的气体分子、水蒸气以及固体微粒、尘埃等物质的散射、吸收作用，使辐射在传输过程中逐渐衰减。通过红外辐射通过1海里长度大气的透过率曲线，可以看出它在通过大气层时由于大气有选择的吸收使其被分割成三个波段，即22.5 m、 35 m和814 m， 统称为“大气窗口”。 这三个大气窗口对红外技术应用特别重要， 因此一般红外仪器都工作在这三个窗口之内。 1 红外无损检测基础5红外辐射通过1海里长度大气的透过率曲线 1 红外无损检测基础62 红外探测器红外探测器是能将红外辐射能转换成电能的光

4、敏元件， 用来监测物体辐射的红外线。它是红外检测系统中最重要的器件之一。 这里简单介绍它的分类和性能参数。 1 红外无损检测基础71） 常用红外探测器的分类红外探测器分热电型和光电型两类。这两类探测器不仅在 性能上有差异，而且在工作原理上也不相同。 热电型红外探测器是利用热电元件、热敏电阻或热电偶等 元件的热效应进行工作的。它们一般灵敏度低、响应慢，但有 较宽的红外波长响应范围，且价廉，常用于温度的测量及自动 控制。 光电型红外探测器可直接把红外光能转换成电能，灵敏度 高、响应快，但其红外波长响应范围窄，有的还需在低温条件 下才能使用。光电型红外探测器广泛应用在遥测、遥感、成像 、 测温等方面

5、。 1 红外无损检测基础82） 红外探测器的性能参数不同的红外探测器不但工作原理不同，而且其探测的波长范围、灵敏度和其他主要性能都不同。下面的几个参数常用来衡量各种红外探测器的主要性能。 (1） 响应率。响应率表示红外探测器把红外辐射转换为电信号的能力。它等于输出信号电压与输入红外辐射能之比。 1 红外无损检测基础9(2) 响应波长范围（光谱响应）。它表示探测器的电压响应率与入射波波长之间的关系，一般用光谱响应曲线来表示。 对任何波长的红外辐射响应率都相等的红外探测器，称为无选择性探测器。如果红外探测器对不同波长的红外辐射响应率不相等，则称为选择性探测器。热电型探测器一般可认为是无选择性探测器

6、， 而光电型探测器为有选择性探测器。一般将响应率最大的值所对应的波长称为峰值波长，而把响应率下降到响应值的一半所对应的波长称为截止波长。响应波长范围也表示红外探测器使用的波长范围。 1 红外无损检测基础10(3) 噪声等效功率。红外探测器的输出电压较低，外界噪声对它的影响很大，因此要用噪声等效功率参数来衡量红外探测器的性能。噪声等效功率是输出信噪比为1时所对应的红外入射功率值， 也即红外探测到的最小辐射功率， 该值越小， 探测器越灵敏。 1 红外无损检测基础11（4） 探测率。 探测率为噪声等效功率的倒数。 （5） 响应时间。输出信号滞后于红外辐射的时间，称为探测器的响应时间。它反映红外探测器

7、的输出信号随红外辐射变化的速率。 1 红外无损检测基础123 红外无损检测方法将热量注入工件表面，其扩散进入工件内部的速度及分布情况由工件内部性质决定。 另外， 材料、 装备及工程结构件等在运行中的热状态是反映其运行状态的一个重要方面。 热状态的变化和异常，往往是确定被测对象的实际工作状态和判断其可靠性的重要依据。红外检测按其检测方式分为主动式和被动式两类。 前者是在人工加热工件的同时或加热后经过延迟扫描记录和观察工件表面的温度分布，适用于静态件检测； 后者是利用工件自身的温度不同于周围环境的温度，在两者的热交换过程中显示工件内部的缺陷，适用于运行中设备的 质量控制。 1 红外无损检测基础13

8、1 红外测温仪红外测温仪是用来测量设备、结构、工件等表面某一局部 区域的平均温度的。通过特殊的光学系统，可以将目标区域限 制在1 mm以内甚至更小，因此有时也将其称为红外点温仪。 它主要是通过测定目标在某一波段内所辐射的红外辐射能量的 总和， 来确定目标的表面温度。其响应时间可小于1 s， 测 温范围可达03000。 下图为红外测温仪的结构原理图。它由光学系统、调制器 、红外探测器、放大器、显示器等部分组成。红外测温仪的主 要技术参数有温度范围、工作波段、响应时间、目标尺寸、 距 离系数和辐射率范围等。 2 红外无损检测仪器14红外测温仪的结构原理图 2 红外无损检测仪器152 红外热像仪红外

9、检测的主要设备是红外热像仪。 红外辐射符合几何光学的一些定律，利用红外辐射进行物 体成像不需要外加光源。红外成像时需要特殊的光学系统 红外光学系统。红外测温仪所显示的是被测物体的某一局部的 平均温度；红外热像仪则显示的是一幅热图， 是物体红外辐 射能量密度的二维分布图。 要想将物体的热像显示在监视器上，首先需将热像分解成 像素，然后通过红外探测器将其变成电信号，再经过信号处理 ，在监视器上成像。图像的分解一般采用光学机械扫描方法。 目前高速的热像仪可以做到实时显示物体的红外热像。 2 红外无损检测仪器16热像仪除了具有红外测温仪的各种优点外， 还具有以下特点：（1) 快速有效， 结果直观。 热

10、像仪能显示物体的表面温度场， 并以图像的形式显示。 （2） 分辨力强。 现代热像仪可以分辨0.1甚至更小的温差。 （3） 显示方式灵活多样。温度场的图像可以采用伪彩色显示，也可以通过数字化处理，采用数字显示各点的温度值。 (4) 能与计算机进行数据交换， 便于存储和处理。 2 红外无损检测仪器171 红外无损检测在热加工中的应用 在热加工中应用红外无损检测技术的场合比较多。 1） 点焊焊点质量的无损检测采用外部热源给焊点加热，利用红外热像仪检测焊点的红 外热图及其变化情况来判断焊点的质量。无缺陷的焊点，其温 度分布是比较均匀的，而有缺陷的焊点则不然，并且移开热源 后其温度分布的变化过程与无缺陷

11、焊点将产生较大差异。上述 信息可以用来进行焊点质量的无损检测。图6-87是点焊质量的 红外无损检测示意图。 2 红外无损检测技术的应用18点焊质量红外检测示意图 2 红外无损检测技术的应用192） 铸模检测用红外热像仪测定压铸过程中压铸模外表面温度分布及其变化，并进行计算机图像处理，得到热像图中任意分割线上各像素元点的温度值，然后结合有限元或有限差分方法， 用计算机数值模拟压铸模内部的温度场，可给出直观的压铸过程温度场的动态图像。 2 红外无损检测技术的应用203） 压力容器衬套检测利用红外成像技术进行压力容器衬里脱落或缺陷检测的方法是，利用红外热像仪从容器表面温度场数据的传热理论分析和用计算

12、机程序的实例计算，推算出容器内衬里层的变化， 从而达到对容器内衬里缺陷的定量诊断。 2 红外无损检测技术的应用214） 焊接过程检测在焊接过程中很多场合都会应用到红外检测技术，例如采用红外点温仪在焊接过程中实时检测焊缝或热影响区某点或多点温度，进行焊接参数的实时修正。采用红外热像仪检测焊接过程中的熔池及其附近区域的红外图像，经过分析处理， 获得焊缝宽度、焊道的熔透情况等信息，实现焊接过程的质量与焊缝尺寸的实时控制。在自动焊管生产线上采用红外线阵CCD实时检测焊接区的一维温度分布，通过控制焊接电流的大小， 保证获得均匀的焊缝成形。 2 红外无损检测技术的应用225） 轴承质量检测被测轴瓦是由两层

13、金属压碾而成的，可能存在中间层或大的体积状、面状缺陷。由于内部有缺陷处与无缺陷部分传热速度不同，采用对工件反面加热，导致有缺陷处温度低于无缺陷处的表面温度，通过红外摄像可获得缺陷的图像和尺寸。用类似方法也可进行轴承滚子表面裂纹的检测。 2 红外无损检测技术的应用232 电气设备的红外无损检测电气设备和其他设备一样，无论在运行或停止状态，都具有一定的温度，即处于一定的热状态中。设备在运行中处于何种热状态，直接反映了设备工作是否正常，运行状态是否稳定良好。 使用红外热成像装置，进行设备的热状态异常检测，国内外都有很多应用实例。例如在电力系统的设备诊断中，应用热像仪检测发电机、变压器、开关、接头、压

14、接管等， 能有效地发现不正常的发热点，及时进行处理和检修， 防止可能发生的停电事故。此外，在电厂，也将该项技术 用于水冷壁管的检测， 判断是否存在堵塞现象。 2 红外无损检测技术的应用243红外泄漏检测在实际生产中，管束振动、腐蚀、疲劳、断裂等原因将导 致换热器壳内或管内介质发生泄漏，从而降低产品质量和生产 能力，影响生产的正常运行。换热器泄漏的发生及程度的判定 ， 对于保证换热器安全运转、节约能源、充分发挥其传热性 能及提高经济效益具有重要意义。除了可根据生产工艺参数进 行工况分析外，还可以采用红外测温技术监测换热器的运行情 况， 及时发现其泄漏的性质和部位。 如某化工总厂在生产过程中发现一

15、换热器出现高温报警， 遂采用热像仪进行温度测试，获得了换热器的温度分布状况。 检测中发现局部温度不正常，通过分析证实了换热器壳侧的氨 气已漏入了管侧的冷却水中，造成气液混合，降低了冷却效果 ， 使出口温度不断升高。 2 红外无损检测技术的应用254 红外无损检测的特殊应用 火车车轮轴承座如果出现缺陷(例如轴承中有裂纹或润滑不足等)，在列车运行中其相关部位的温度会迅速升高而过热， 如不能及时发现，可能导致车轮卡住或轴承损坏，有可能使列车出轨。 对于上述问题可采用红外辐射检测方法解决。在指定地点的钢轨两侧安装红外辐射探测器，使过往列车车轮轴承发射的红外辐射恰好入射至红外探测器的物镜上，监测轮轴超过

16、规定温度标准的过热情况。 2 红外无损检测技术的应用26探测疲劳裂纹示意图 (a) 对样品扫描示意图； (b) 表面温度分布曲线 2 红外无损检测技术的应用275. 红外无损检测技术的发展红外理论的实际应用是从军事方面开始的。应用红外物理 理论和红外技术成果对材料、装置和工程结构等进行无损检测 与诊断，首先是从电力部门开始的。20世纪60年代中期，瑞典 国家电力局和AGA公司合作，把红外前视系统加以改进，用于 运行中电力设备热状态的诊断，开发出了第一代工业用红外热 像仪。与此同时，各种各样的用于无损检测与诊断的红外测温 装置也相继出现。这些红外测温仪不仅可以进行温度测量， 更重要的是可以应用于设备与构件等的热状态诊断。目前红外 无损检测技术正在和计算机技术、图像处理技术相结合，以期 在设备、 结构等的无损检测中发挥更大的作用。 2 红