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1、南京诺威尔光电系统有限公司,报告人：江海军,激光扫描红外热波成像技术 在无损检测中的应用,江海军1 ，陈力1 ，张淑仪21.南京诺威尔光电系统有限公司； 2. 南京大学声学研究所,激光扫描红外热波成像技术 在无损检测中的应用,目录,激光扫描红外热波成像技术温度场分析,5,1,2,3,激光扫描红外热波无损检测技术应用,6,总结与展望,4,1,红外热波无损检测技术发展,激光扫描红外热波无损检测技术原理,1,图1-1：主动红外热波无损检测技术原理,图1-2：试件表面温度-时间变化曲线,激光扫描红外热波成像无损检测技术原理,1,3大关键技术,热激励技术 红外图像采集技术 红外图像处理技术,图1-3：激
2、光扫描红外热波成像技术示意图,技术特点,技术优势,激光扫描温度场分析,2,如图2-1所示，假设线状激光束扫描无限大样品中，以速度v向x方向扫描，热源长度方向为y，垂直热源移动平面方向为z， 热传导在为x、z两个方向，线型光斑设为函数；,其中，I-激光器功率，-密度，c-比热容，-热扩散系数，v-激光扫描速度，l-激光半宽度，L-激光半长度。,运用二维傅里叶变换，再利用卷积定律可得表面z=0温度场分布：,考虑光斑宽度，则温度场分布为：,上式对光源宽度进行积分，化简得到温度场分布为：,图2-1：激光扫描二维热传导模型,激光扫描无缺陷区域温度场曲线,图2-2：试件表面温度曲线-塑料 图2-3：试件表
3、面温度曲线-不锈钢 图2-4：试件表面温度曲线-铝,激光扫描无缺陷区域温度场曲线,(a)线性坐标 (a)线性坐标 (a)线性坐标,(b)双对数坐标 (b)双对数坐标 (b)双对数坐标,热波信号的快速衰减，无缺陷区域可看为半无限大空间； 缺陷区域可看成有限厚度区域，对于有限厚热传导分析，通常采用“镜像热源法” ； “镜像热源法”的核心在于把绝热边界看成一面镜子，介质内某处的温度分布看成真实热源与无限个镜像热源效果的迭加。,综合各个热源的作用，对于厚度为d的试件，在试件表面z=0，得到温度分布方程为：,式中：I-激光器功率，-密度，c-比热容，-热扩散系数，v-激光扫描速度，l-激光半宽度，L-激
4、光半长度。,激光扫描有缺陷区域温度场分析,图2-5：具有两个绝热边界时的镜像热源,图2-6：不同厚度不锈钢表面温度时间曲线,(a)线性坐标 (b)双对数坐标, 不同深度的缺陷，峰值温度相同； 不同深度的缺陷，与无缺陷区域的分离时刻不同，深度越深，分离时刻越晚， 通过提取分离时刻，可以精确测量缺陷深度。,图2-7：碳钢试件双对数温度时间曲线,(a)理论曲线 (b)实验曲线,检测应用,3,图3-1：激光扫描红外热波成像检测设备,技术指标,计算机处理系统,扫描检测单元,测试平台,延迟校正技术,现象：采用激光扫描，热激励不是同时刻激励，根据需要，可以采用延迟校正技术； 试件：碳钢，试件背面有3排平底孔
5、缺陷； 速度：激光扫描速度为3cm/s; 目的：使热信号与热激励的延迟一致；,线状激光束,线状激光束,(a)第132帧红外图像 (b) 第296帧红外图像 (c) 延迟校正红外图像 图3-3： 激光扫描碳钢试件表面红外图像,图3-2：碳钢试件背面光学图像,缺陷尺寸： 直径2mm，深度0.35mm缺陷； 直径4m，深度0.9mm缺陷； 直径6mm，深度1.4mm缺陷。,图3-4：有机涂层试件缺陷检测,图3-5：特种涂层试件缺陷检测,缺陷尺寸： 直径2-5mm，深度0.35-1.4mm,涂层试件缺陷检测,(a) 光学图像 (b)红外图像,(a) 光学图像 (b)红外图像,图3-6：薄膜试件光学图像
6、,图3-7：薄膜试件红外图像,300 250 200 150 100 50,单位：m,薄膜厚度检测,图3-8：太阳能硅片脱粘缺陷图像,(a) 光学图像 (b)红外图像,图3-9：太阳能硅片裂纹缺陷图像,(a) 光学图像 (b)红外图像,太阳能硅片缺陷检测,总结, 推导出采用线状激光束扫描试件表面温度场分布的2-D理论模型； 在一定的扫描速度范围内，试件无缺陷区域的表面温度变化基本符合一维热传导模型； 实验曲线验证了理论模型的正确性； 展示了激光扫描红外热波成像技术对各种缺陷的检测示例。,5, 特点：非接触、面积大、速度快、定量测量、图像显示、在役在线； 材料：金属、非金属、复合材料； 类型：可检测脱粘、裂纹、锈蚀、损伤等缺陷； 领域：航空航天、太阳能、风电、工业控制、交通运输、汽车制造等； 国内：研究者在理论研究方面做出了很多重要工作，自主研制的少，系统 主要依靠进口设备； 国际：欧美等国家得到了广泛的应用，并且有成熟的产品设备，主流采用大功率闪光灯实现高能量短脉冲热激励； 创新：采用激光异步扫描热波成像技术，解决了高能量短脉冲热激励和高帧频图像采集两大关键技术。,
