1、紅外熱成像技術 紅外熱成像技術是一種通過外加激勵獲得零件表面溫度場分布，并從熱像圖中提取零件損傷信息的無損檢測技術，它具有快速、實時、非接觸等優點，研究和應用前景廣闊。原理 溫度在絕對零度以上的任何物體，都會因自身分子運動輻射出紅外線。當被檢測的零件存在損傷或殘余應力等不均勻結構時，損傷部位輻射出的紅外線就會有所不同，導致零件表面溫度場不均勻。利用紅外熱像儀，記錄零件的熱像圖，根據熱像圖的特征，對零件表面溫度場進行分析，就可識別零件損傷的位置、大小、形狀等。熱像儀測溫的特點 熱像儀探測的是物體自身輻射， 而且常用波段是35m 或812m，波長遠長于可見光。這就決定了紅外熱像儀為實時表面溫度測量

2、提供了有效、快速的方法。與其他測溫方法相比，熱像儀具有明顯的優勢，但紅外熱像儀測溫并不是直接測量的，它是靠探測器接收到的輻射來測溫的， 然而紅外探測器接收的輻射并不完全是目標的輻射，還包含目標對周圍環境輻射的反射輻射以及目標與探測器之間的大氣輻射，這些輻射經過大氣衰減最后到達探測器，因此熱成像儀測溫將受到被測表面的輻射率、反射率(或吸收率)、環境溫度、大氣溫度、測量距離和大氣衰減等因素的影響，這直接影響了紅外熱像儀測溫的準確性，也影響了熱成像儀在一些領域中的應用。 紅外熱成像系統由激勵、控制、采集、處理單元和熱成像儀組成。一般情況下，由控制單元控制激勵源加熱被檢測零件，熱像儀采集零件表面的溫度

3、場分布，并將其傳輸到采集單元，再經采集單元傳輸到處理單元進行處理。通過處理，對零件是否存在損傷，以及損傷的性質等給出結論，根據結論對零件進行及時準確的修復，將損失減少到最小。紅外熱成像技術存在很多優點，例如無需接觸、可實時獲得直觀的檢測結果、測量速度較其他方法快、測溫范圍很廣等，具有廣闊的應用前景。紅外熱像技術分類根據熱像儀與加載源的位置關系, 將探測方式劃為透射式和反射式, 兩種方式的裝置。根據信息處理方式和顯示方式不同可以分為實時溫度顯示法、脈沖幅值顯示法和脈沖相位顯示法。 紅外熱像檢測方法按引起溫差的方式分為主動式(active)和被動式(passive)。主動紅外熱像檢測是指對被測目標

4、通過加熱注人熱盆, 使被測目標失去熱平衡, 不需要使其內部溫度達到均勻穩定狀態, 而在它的內部溫度尚不均勻、具有導熱過程中進行的紅外檢測。被動紅外熱像檢測是利用被測目標的溫度與周圍環境溫度不同的條件, 在被測目標與環境的熱交換過程中進行的紅外檢測。目前常使用主動式加熱方法。在主動式紅外檢測技術中，激勵方式具有決定性的關鍵作用，外部光學激勵、內部超聲振動及電磁感應激勵是三種主要的激勵方式。外部光學激勵由于獲取方便使用最廣泛；超聲振動激勵通過外部振動在缺陷處產生摩擦或彈性波轉換為熱量；電磁感應激勵適用于導電體檢測，是一種“內源”式激勵方法，三種激勵方式的比較見表 1.1。從激勵調制形式方面看，有階

5、躍調制、鎖相調制、脈沖調制等。脈沖紅外熱成像技術 其探測原理是：以脈沖加熱為熱源，在被測零件中形成熱流傳播過程，由于物體中存在損傷的區域必然與無損傷的區域熱傳導率不同，進而導致對應的表面溫度不同。 脈沖紅外熱成像技術集光、機、電于一體，可廣泛應用于航空航天、機械、石化等領域，具有非接觸、快速實時、無需耦合等優點，能直觀地得到檢測結果，可以一次探測較大的面積，是零件損傷檢測中的一種前沿的檢測技術。 脈沖熱像法索然簡單, 但存在以下不足: （1） 缺陷探測深度有限而且溫差小。 （2）對熱源的均勻性要求甚高。超聲紅外熱成像技術 超聲紅外熱成像技術是將超聲技術和紅外技術結合起來，得到的混合型超聲紅外熱

6、成像系統。其相比脈沖紅外熱成像技術，在熱成像方面相差不大，主要的差別來自激勵源。超聲紅外熱成像技術是將超聲波脈沖發射到樣品中，通過聲能在樣品中衰減而轉化成的熱能來進行檢測。零件的疲勞損傷等會使得其與鄰近區域的彈性性質不同，導致聲衰減及其產生的熱比正常區域的多，零件損傷的部位溫度升高，同時損傷區域比無損傷區域熱流量小，使得其熱擴散比相鄰區域少，兩個方面的綜合作用使零件損傷部位在熱像圖上表現出異常。通過觀察紅外熱像儀記錄下的溫差，再經過計算機分析、對比等處理方式，獲得零件損傷的種類、位置、形狀等信息，即可達到無損檢測的目的。超聲紅外熱成像技術相對于采用其他電光源對被測零件表面加熱的檢測方法而言，靈

7、敏度得到顯著提高。與傳統的超聲檢測方法相比，超聲紅外熱成像技術可以對樣品的亞表面區域進行靈敏的檢測，能夠有效地檢測出不同類型材料的表面和近表面裂紋、淺層分層或脫粘等缺陷。除此之外，紅外熱像儀的檢測面積比超聲換能器的面積大得多，能夠顯示較大范圍內物體瞬態的圖像，因此超聲紅外熱成像技術非常適合于工業無損檢測方面的應用，同時還適用于大型物體及復雜形狀結構的檢測。總而言之，超聲紅外熱成像技術具有較高的檢測靈敏度和較大的檢測范圍，可快速可靠地完成大面積檢測工作。其不足之處則在于需要較長的掃描時間。鎖相紅外熱成像技術 鎖相紅外熱成像的硬件系統主要由熱成像系統和鎖相設備構成，熱成像系統中的計算機自控程序獲得

8、調制信號，同時控制熱像儀和閃光燈。由鎖相設備控制激勵源發射出周期性信號，對零件進行加熱，熱像儀進行記錄，從而得到零件表面的溫度信息，再由計算機處理信息，從接收到的缺陷區域和非缺陷區域的信號中提取特定頻率的信號。因存在缺陷，故這兩個信號存在相位差和幅值差，由分析幅值差和相位差入手，可得到缺陷信息。總體上講，鎖相調制紅外熱成像技術彌補了脈沖紅外熱波成像技術的不足，既能檢測缺陷形狀，也能檢測缺陷深度，改善了紅外熱成像抗噪聲干擾能力，提高了檢測靈敏度。超聲鎖相紅外熱成像技術將超聲紅外熱成像技術和鎖相紅外熱成像技術結合起來，保留了兩種方法各自的優點，采用超聲波作為激勵源，同時應用鎖相技術處理超聲波。該技

9、術采用經方波調制幅值的超聲波作為激勵源，使得在缺陷處產生的熱流也呈周期性變化，熱流的傳導使表面溫度也呈周期性變化，通過分析溫度變化的相位圖和幅值圖，得到零件的損傷信息。該技術在對零件損傷進行檢測時，將調幅超聲波注入零件，由于機械損耗效應或摩擦作用在零件缺陷處的超聲波產生熱量，在零件表面形成變化的溫度場，同時紅外熱像儀記錄對零件表面的溫度場，提取表面溫度變化的幅值和相位信息，通過比較損傷區域和無損傷區域的溫度變化相位圖和幅值圖，對零件的損傷進行判斷。民航飛機中的應用由鋁蜂窩夾層結構制成的飛機機身、機翼存在的缺陷主要包括間隙型缺陷、緊貼型缺陷、弱膠接和芯子缺陷等。目前實際檢測中遇到最多的是飛機蜂窩

10、結構的脫粘缺陷、腐蝕損傷和焊接鉚接損傷。Kuo 等用紅外熱成像技術對脫粘缺陷進行檢測，比較和識別了損傷特性，對試件粘接質量做出快速有效的檢測。李慧娟等用法國CEDIP 公司生產JADE 型紅外熱成像系統及其配套軟件檢測了鋁蒙皮蜂窩夾層結構，認為飛機鋁蜂窩夾層結構可用脈沖或鎖相調制紅外熱成像技術對其進行檢測，不僅能檢測飛機鋁蜂窩結構的脫粘缺陷，也能檢測粘接不良的缺陷。飛機蒙皮損傷大致有沖擊損傷、疲勞損傷、腐蝕損傷、粘接損傷、焊接損傷和鉚接損傷等。主動紅外熱成像技術對飛機蒙皮及其蒙皮下比如加強筋損傷開裂的檢測可以取得有效的檢測結果，并且還能對損傷做定量分析，比如損傷深度、銹蝕程度以及能區別是積水還

11、是滲漏的液壓油等。飛機發動機渦輪葉片的故障檢測是發動機安全檢測的重要環節，主要包括熱障涂層損傷、冷卻通道堵塞和裂紋檢測三個方面。采用熱風作為激勵源對正常葉片和故障葉片對比測試，可確定熱障涂層損傷情況; 采用高能氙燈對葉片進行熱激勵，熱像儀高速記錄葉片表面的瞬態溫度變化，通過熱圖像重構葉片內部溫度場，可判斷葉片內部通道是否發生堵塞; 采用低頻高能鎖相超聲為熱激勵源，利用紅外熱像儀對比測試正常葉片和故障葉片的熱圖，可判斷故障葉片的裂紋形態與深度。飛機機身、機翼、起落架和內部零部件等結構的裂紋檢測是主動紅外熱成像技術的應用重點。從目前應用情況看，脈沖加熱、鎖相超聲加熱、微波加熱等主動紅外熱成像技術都

12、可應用于飛機部件裂紋檢測，主動紅外熱成像技術對飛機蒙皮的疲勞裂紋、鑄鋁引擎外殼的裂紋、鋼曲軸的裂紋、銅焊裂紋、蒙皮下加強筋裂紋等各種表面裂紋進行檢測的結果都很成功。只要超聲發射頭設計得當，超聲加熱紅外熱成像技術可對飛機起落架旋轉臂、螺栓孔等承力結構疲勞裂紋或應力裂紋檢測并能給出早期報警。另外對一些小而精密裂紋目標，比如飛機鈦合金中20 m 長的裂紋、飛機發動機槳葉上的裂紋和飛機機翼上5 cm 長的裂紋，美國韋恩州立大學制造研究所用超聲加熱紅外熱成像技術對它們都進行了成功測試并且得到較好的研究結果。在飛機維修中，腐蝕所造成的成本消耗最大，并大大降低了飛機的有效工作時間，特別是老齡飛機腐蝕危及飛機安全，對其檢測非常重要。脈沖紅外熱成像技術很適合于飛機大面積隱藏腐蝕檢測，1998 年，Thomas研究了脈沖加熱紅外熱成像技術應用于飛機蒙皮上緊固件周圍腐蝕檢測，所得腐蝕熱圖清晰明確