（光学专业论文）红外热波无损检测用于材料表面下缺陷类型识别.pdfVIP

首都师拭大学碗士学位论文 中文摘要 本项研究针对一些常用材料检测的需求，通过自行设计制作的试件采用脉冲加热红 外热波无损检测技术，研究了对均匀材料内部的不同异性介质界面进行区分和定量识别的 问题，以探索识别算法实现对被检测物内部缺陷类型进行快速定量的识别。 针对常见材料典型缺陷和损伤，选择了两种热特性差异较大的均匀材料设计和制各了 人工模拟试件，在试件内部设计并预埋了不同的异类物质以形成异性材料界面，用以模拟 实际试件中不同的缺陷类型；对人工模拟试件在不同的实验条件下进行多组实验，通过对 实验获取的材料表面温场变化热图序列和热传导理论的分析，得出与异性界面对应的表面 区域降温曲线会在特定时间以特定方式偏离正常区域( 即内部无异性材料界面的区域) 对 应的降温曲线。通过研究确定“偏离”的客观判据和考察“偏离”发生时刻及“偏离”的 方式( 如降温曲线的变化率) ，将不仅可确定缺陷在材料中的深度。还可实现对不同缺陷 类型的定量识别。 实验数据结果表明，本文提出的对材料表面下不同缺陷类型的识别算法可以分别在不 锈钢和塑料材料中区分出积水、积油、气隙和橡皮泥夹杂等四种内部人工模拟的缺陷或异 类材料界面，并获得对应的识别特征值。这种识别方法可以推广用于其他材料，用v c + + 程序语言编制的软件可实现该识别算法的应用。 关键字：无损检测，红外热波，异性界面，缺陷类型，定量识别 首都师范大学硕士学位论文 a b s t r a c t f o rt h ed e m a n d so fn o n d e s t r u c t i v ee v a l u a t i o nf n d e ) o fk i n d so fm a t e r i a l s ，s e v e r a ls a m p l e s w e r ed e s i g n e da n dp r o d u c e d ，a n dt h eq u a n t i t a t i v ei d e n t i f i c a t i o na n dm e a s u r e m e n to ft h ed e f e c t s i nm a t e r i a l sw e r es t u d i e db yu s i n gp u l s e dh e a t i n gt h e r m a lw a v ei m a g i n g a c c o r d i n gt ot y p i c a ls u b s u r f a c ed e f e c t si nm a t e r i a l s m e t a la n dn o n m e t a ls a m p l e sw i 也 i n t e n t i o n a l l yp l a n t e ds u b s u r f a c ed e f e c t sw e r es i m u l a t e d a n dd i f f e r e n te x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s w e r ed e s i g n e df o rt h ed e t e c t i o no ft h es a m p l e sb yu s i n gp u l s e dh e a t i n gi n f r a r e dt h e r m a lw a v e n d e b ya n a l y z i n gt h et h e r m a lw a v et h e o r ya n d t h ee x p e r i m e n t a lt h e r m a lc h i v ew h i c hb a s e do n t h et h e r m a lg r a p ho ft h es i m u l a t e ds a m p l e s ，w ep r o v e dt h a t ，t h ec o r r e s p o n d i n gc o o l i n gc u r v eo f t h ea r e aw h i e hh a sd i s s i m i l a ri n t e r f a c ew i l ld e f l e c tf r o mt h ec o o l i n gc u r v eo ft h en o n - d e f e c t i v e a r e at h r o u g ht h ea dh o cm o d eo nt h ea dh o ct i m e t h cs t u d yo fa s c e r t a i n i n gt h ed e f l e c t i n g o b j e c t i v ec r i t e r i o n ，t h ed e f l e c t i n gt i m ea n dt h ed e f l e c t i n gm o d ew i l lh e l pu sd e t e r m i n et h ed e p t h a n dq u a n t i t a t i v ei d e n t i f i c a t i o no fd e f e c t s n l ee x p e r i m e n t a lr e s u l to ft h es i m u l a t e ds a m p l e sp r o v e dt h a tt h es u b s u r f a c ed e f e c t s i d e n t i f i c a t i o na l g o r i t h mc a ne f f e c t i v e l yi d e n t i f yd i f f e r e n td e f e c t si ns t a i n l e s ss t e e la n dp l a s t i c m a t e r i a l ，s u c ha s ，w a t e r ，o i l ，a i ta n dp l a s t i c e n ci n c l u s i o n 。a n dd i f f e r e n ts l o p e sf o rt h ef o u rk i n d s o fd e f e c t si nt h es t a i n l e s ss t e e ls a m p l ea n db l a c kp l a s t i cs a m p l ea r eg i v e n n ea l g o r i t h mo f s u b s u r f a c ed e f e c t si d e n t i f i c a t i o ni nm a t e r i a l sc a l lb ee x t e n d e dt oo t h e r k i n d so fd e f e c t si n m a t e r i a l s a n dt h ec o r r e s p o n d i n gp r o g r a mi nv c + + w i l lb eap r a c t i c a la p p l i c a t i o ns o f l w a r ef o r t h eq u a n t i t a t i v ei d e n t i f i c a t i o no f d e f e c t s k e y w o r d s ：n o n d e s t r u c t i v ee v a l u a t i o n ，i n f r a r e dt h e r m a lw a v e ，d i s s i m i l a ri n t e r f a c e ，d e f e c tt y p e ， q u a n t i t a t i v ei d e n t i f i c a t i o n i i 首都师范大学硕士学位论文 图表目录 图1 1 射线检测示意图 图1 2 射线底片 图1 3 超声检测方法示意图 图1 4 磁粉显示结果图 图1 5 渗透检测程序示意图 图2 1 热波检测原理图 图2 2 红外热波无损检测系统原理图 图2 3 脉冲加热示意图 图2 - 4 镜像法示意图 图2 5 半无限大试件简化图 图2 - 6 热波成像方法用于飞机蜂窝结构材料液体渗入的探测 图2 7 热波成像方法用于飞机蜂窝结构材料表面下识别 图3 - 1 脉冲加热红外热波检测装置 图3 2 试件设计示意图 图3 3 黑塑料试件实物图 图3 _ 4 不锈钢试件实物图 图3 5 实验方案示意图 图3 - 6 热量在试件内部的传导过程 图3 7 a 、b 两区域对应的热量传导 图3 8 a 、b 两区域热量传导的对照曲线 图3 - 9 无缺陷试件t _ t 和l n ( t - t ) 线 图3 1 0 试件的l n ( t - t ) i t t 线 图3 - 1 l 四次多项式拟合曲线 图3 1 2 热像仪输出的数据图像 图3 1 3 数据图像中某一帧数据的分布图。 图3 - 1 4 不锈钢试件的温度随时间的变化曲线 图3 一1 5 不锈钢试件温度差值随时问的变化曲线 v 2 2 3 4 4 8 9 l l 1 2 1 3 1 6 1 7 1 9 2 1 2 1 2 l 2 2 2 2 2 3 2 3 2 6 2 6 2 7 2 9 2 9 3 0 3 1 首都师范大学硕士学位论文 首都师范大学学位论文原刨性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 靴敝储鹳：依弼 ，。 日期：0 6 年6 月旧 首都师范大学学位论文授权使用声明 本人完全了解首都师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保留学位论文 并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权将学位论文用于非赢利 目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有权将学位论文的内容编入有关数据 库进行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规 定。 姗躲杆鹕 胁喏月日 首都师范大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 无损检测技术概况 无损检测( n o n d e s t r u c t i v et e s t i n g ) 简称n d t ，就是不破坏、不损伤受检物体，对它的性 能、质量、有无内部缺陷进行检测的一种技术。无损检测技术是利用物质的某些物理性质 因存在缺陷或组织结构上的差异而使其发生变化的这现象，在不损伤被检物使用性能及 形态的前提下，通过测量这些变化来了解和评价被检测的材料、产品和设备构件的性质、 状态、质量或内部结构等的一种特殊的检测技术【i l 。 作为一种综合性应用技术，无损检测技术经历了几个阶段，从无损探伤( n o n d e s t r u c t i v e i n s p e c t i o n ，n d i ) ，到无损检测( n o n d e s t r u c t i v et e s t i n g ，n d t ) ，再到无损评价( n o n d e s t r u c t i v e e v a l u a t i o n ，n d e ) ，并且向自动无损评价( a n d e ) 和定量无损评价( q n d e ) 发展。在航 空领域，损伤容限理论已经逐步替代了安全寿命设计理论。无损检测不但能检测出已经存 在的缺陷，而且能对缺陷( 裂纹、锈蚀、脱粘等一类疲劳缺陷) 的发展进行监测，对其发 展规律进行预测，以保证损伤容限理论的正确实施【2 】。 无损检测的应用时机包括产品的设计阶段、制造过程、以及成品的检验和在线在役检 查，从产品的设计到在线使用都离不开无损检测。无损检测的应用对象是十分广泛的，包 括各类材料( 金属、非金属等) 、各种工件( 焊接件、锻件、铸件等) 以及各种工程( 道 路建设、水坝建设、桥梁建设、机场建设等) 等1 3 1 。 无损检测区别于以往破坏性检测实验的特点在于，它不仅起到了无损的作用，更为重 要的是它能够做到百分之百的检测，使制造业的高质量保证成为可能。无损检测方法很多， 在g b t 5 6 1 6 无损检测应用守则中作了如下的分类：辐射( 工业c t ) ，声学( m a t 电磁声检 测，超声，声发射) ，电磁( 涡流、漏磁) ，表面方法，泄漏方法，红外线方法等f 4 】o 据美国国家宇航局调研分析，认为无损检测可分为六大类约7 0 余种。在实际应用中 比较常见的有以下几种：首先是五种常规无损检测方法，包括超声检测u l t r a s o n i ct e s t i n g ( 缩写u t ) 、射线检测r a d i o g r a p h i ct e s t i n g ( 缩写r t ) 、磁粉检测m a g n e t i cp a r t i c l et e s t i n g ( 缩写m t ) 、渗透检验p e n e t r a r t tt e s t i n g ( 缩写p t ) 、涡流检测e d d yc u r r e n tt e s t i n g ( 缩 写e t ) ：此外，非常规无损检测技术有声发射a c o u s t i ce m i s s i o n ( 缩写a e ) 、泄漏检测l e a k t e s t i n g ( 缩写l t ) 、光全息照相o p t i c a lh o l o g r a p h y 、红外热成像i n f r a r e dt h e r m o g r a p h y 、 微波检测m i c r o w a v et e s t i n g 。 首都师范大学硕士学位论文 1 1 1 射线检测 利用射线( x 射线、y 射线、中子射线等) 穿过材料或工件时的强度衰减，检测其内 部结构是否连续性的技术称为射线检测。 射线照射在工件上，透射后的射线强度根据物质的种类、厚度和密度而变化，利用射 线的照相作用、荧光作用等特性，将这个变化记录在胶片上，经显影后形成底片的黑度变 化，根据底片黑度的变化可了解工件内部结构状态，达到检查出缺陷的目的。 穿过材料或工件的射线由于强度不同在x 射线胶片上的感光程度也不同，由此生成内 部连续的图象。如图l - l 是射线穿过工件时的强度衰减图1 2 是射线底片。 图卜1 射线检测示意图 图卜2 射线底片 射线检测通常根据内部结构显示方法不同可分为：射线照相法、荧光屏法( 发展为工 业电视) 、干板照相法、层析摄影( 工业c t ) 技术、数字显示技术等。 射线检测可以获得缺陷的直观图像，定性准确，对长度、宽度尺寸的定量也较准确： 检测结果有直接记录，可以长期保存；对体积型缺陷( 气孔、夹渣类) 检出率高。对面积 性缺陷( 裂纹、未熔合类) 如果照相角度不适当容易漏检；适宜检验厚度较薄的工件：适 宜检验对接焊缝，不适宜检验角焊缝以及板材、棒材和锻件等；对缺陷在工件中厚度方向 的位置、尺寸( 高度) 的确定较困难；检测成本高、速度慢；射线对人体有害。 射线的安全防护主要是采用时间防护、距离防护和屏蔽防护三大技术。时间防护即为 尽量缩短人体与射线接触的时间。如果到射线源的距离增大2 倍，射线的强度会降低3 4 ， 利用这一原理，可以采用机械手、远距射线源操作等方法进行距离防护。还可在人体与射 线源之间隔上一层屏蔽物，以阻挡射线，进行屏蔽防护3 1 。 1 1 2 超声波检测 超声波是一种超出人听觉范围的高频率机械振动波。超声波可以分为纵波、横波、表 2 首都师范大学硕士学位论文 面波等多种波型。超声波在被检测材料中传播时，材料的声学特性和内部组织的变化对超 声波的传播产生一定的影响，通过对超声波受影响程度和状况的探测了解材料性能和结构 变化的技术称为超声检测。 超声波在同一均匀介质中传播时速度不变，传播方向也不变，如果传播过程中遇到另 一种介质，就会发生反射、折射或绕射的现象。制造容器使用的钢材可视为均匀介质，如 果内部存在缺陷，则缺陷会使超声波产生反射现象，根据反射波幅的大小、方位，就能判 定和测出缺陷的存在。 超声检测方法通常有穿透法、脉冲反射法和串列法等，如图1 3 所示。 目l 一一蠢= 差差 目l j 盈区习 二 ，ll al 。 穿透法 弋1 弦了7 j 么 脉冲反射法串列法 图卜3 超声检测方法示意图 超声检测的应用主要有水浸( 喷水) 法检测钢管、锻件；单( 双) 探头检测焊缝：多 探头检测大型管道等。超声波检测对面积性缺陷的检出率较高，而对体积型缺陷检出率较 低；适宜检验厚度较大的工件；适用于检测各种试件，包括检测对接焊缝、角焊缝、板材、 管材、棒材、锻件以及复合材料等；检测成本低、速度快，检测仪器体积小、重量轻，现 场使用方便；检测结果无直接见证记录；对缺陷在工件厚度方向上定位较准确：材质、晶 粒度对检测有影响p j 。 1 1 _ 3 磁粉检测 利用漏磁和合适的检验介质发现试件表面和近表面的不连续性的无损检测方法为磁粉 检测。铁磁性材料被磁化后，其内部产生很强的磁感应强度，磁力线密度增大几百倍到几 千倍，如果材料中存在不连续，磁力线会发生畸变，部分磁力线有可能逸出材料表面，从 空间穿过，形成漏磁场。因空气的磁导率远低于零件的磁导率，使磁力线受阻，一部分磁 力线挤到缺陷的底部，一部分穿过裂纹，一部分排挤出工件的表面后再进入工件。这后两 部分磁力线形成磁性较强的漏磁场。如果这时在工件上撒上磁粉漏磁场就会吸附磁粉， 形成与缺陷形状相近的磁粉堆积( 称这种堆积为磁痕) ，从而显示缺陷。磁粉显示结果如图 3 首都师范大学硕士学位论文 1 - 4 所示瑚。当裂纹方向平行于磁力线的传播方向时，磁力线的传播不会受到影响，这时缺 陷也不可能检出。 图卜4 磁粉显示结果图 磁粉检测方法有轴向通电法、横向通电法、穿棒法、支杆法、感应电流法、线圈法等 几种。磁粉检测适宜铁磁材料探伤，不能用于非铁磁材料；可以检出表面和近表面缺陷， 不能用于检测内部缺陷；检测灵敏度高，可以发现极细小的裂纹以及其他缺陷；检测成本 低，速度快；工件的形状和尺寸有时因难以磁化而对探伤有影响【卦。 1 1 4 渗透检测 利用液体的毛细管作用，将渗透液渗入固体材料表面开口缺陷处，再通过显象剂将渗 入的渗透液吸出到表面显示缺陷的存在，这种无损检测方法称为渗透检测。零件表面被旋 涂含有荧光染料或着色染料的渗透液后，在毛细管作用下，经过一定的时间，渗透液可以 渗进表面开口的缺陷中；除去零件表面多余渗透液后，再在零件表面施涂显像剂，同样在 毛细管的作用下，显像剂将吸引缺陷中保留的渗透液，渗透液渗到显像剂中，在一定的光 源下，缺陷中的渗透液痕迹被显示，从而探出缺陷的形貌及分布状态。 渗透检测进行的程序一般分四步，渗透、清洗、显像和检查，如图1 5 所示。 i 渗透 渗透 覆 l 、 l 图卜5 渗透检测程序示意图 渗透检测除了疏松多孔性材料外任何种类的材料，如钢铁材料、有色金属、陶瓷材料 和塑料等材料的表面开口缺陷都可用渗透检测：形状复杂的部件也可用渗透检测，一次操 作可大致做到全面检测；同时存在几个方向的缺陷时，用一次操作就可完成检测：形状复 首都师范大学硕士学位论文 杂的缺陷也可容易地观察显示的痕迹；不需大型设备，携带式喷灌着色渗透检测不需水、 电，方便现场检测；试件表面粗糙度对检测结果影响大，探伤结果往往易受操作人员技术 水平影响；可以检出表面张口的缺陷，但对埋藏缺陷或闭口型的表面缺陷无法检出；检测 程序多，速度慢，检测灵敏度较磁粉低；材料较贵，成本高，有些材料易燃、有毒3 1 。 1 1 5 涡流检测 利用铁磁线圈在工件中感生的涡流，分析工件内部质量状况的无损检测方法称为涡流 检测。在工件中的涡流方向与给试件加交流电磁场的线圈( 称为初级线圈或激励线圈) 的 电流方向相反，而涡流产生的交流磁场又使得激励线圈中的电流增加，假如涡流变化，这 个增加的部分( 反作用电流) 也变化，测定这个变化，可得到工件表面的信息。 涡流检测时与工件不接触，所以检测速度很快，易于实现自动化检测；涡流检测不仅 可以探伤，而且可以揭示工件尺寸变化和材料特性，例如电导率和磁导率的变化，利用这 个特点可综合评价容器消除应力热处理的效果，检测材料的质量以及测量尺寸：受集肤效 应的限制，很难发现工件深处的缺陷：缺陷的类型、位置、形状不易估计，需辅以其他无 损检测的方法来进行缺陷的定位和定性：不能用于绝缘材料的检测1 3 】。 1 1 6 声发射探伤法 声发射技术是根据容器受力时材料内部发出的应力波判断容器内部结构损伤程度的一 种新的无损检测方法。它与x 射线、超声波等常规检测方法的主要区别在于声发射技术是 一种动态无损检测方法。 声发射技术能连续监视容器内部缺陷发展的全过程。 1 1 7 磁记忆检测 磁记忆检测原理：处于地磁环境下的铁制工件受工作载荷的作用，其内部会发生具有 磁致伸缩性质的磁畴组织定向的和不可逆转的重新取向，并在应力与变形集中区形成最大 的漏磁场的变化。这种磁状态的不可逆变化在工作载荷消除后继续保留，从而通过漏磁场 法向分量的测定，可以准确地推断工件的应力集中区。 1 2 红外热波无损检测技术 红外热波无损检测技术( 简称热波检测) 是近几年来发展比较快的一种无损检测技术。 首都师范大学碳士学位论文 作为- 1 7 跨学科、跨应用领域的通用型实用技术【6 】，热波检测是对一些传统方法如射线、 超声、c t 及声发射、激光全息等新技术的补充和替代，也可与各种现有的成功检测方法相 结合以提高检测诊断的可靠性。 与超声检测、射线检测、磁粉检测、渗透检测、涡流检测等常规无损检测技术相比， 红外热波无损检测技术具有如下特点： 适用面广，可用于会属和非余属材料。 速度快。每次测量只需几秒或几十秒钟。 观测面积大。对大型检测对象还可对检测结果进行自动拼图处理。 测量结果用图像显示、直观易懂。 定量，可以直接测量到缺陷深度、厚度。 单向非接触，加热和探测在被检试件同侧，且通常情况下不污染也不需接触试件。 设备可移动、探头轻便，适合外场、现场应用和在线、在役检钡l j 7 1 【9 】。 红外热波无损检测技术的应用是十分广泛的，可应用于： 检测航空航天器铝蒙皮加强筋开裂与锈蚀，机身蜂窝结构材料、碳纤维和玻璃纤 维增强多层复合材料缺陷的检测、表征、损伤判别与评估。 火箭液体燃料发动机和固体燃料发动机的喷i ：1 绝热层附着检测，涡轮发动机和喷 气发动机叶片的检测。 新材料( 特别是新型复合结构材料) 的研究，对其从原材料到工艺制造、在役使 用研究的整个过程中进行无损检测和评估、加载或破坏性试验过程中及其破坏后的评估。 多层结构和复合材料结构中脱粘、分层、开裂等损伤的检测与评估。 各种压力容器、承载装置表面及表面下疲劳裂纹的探测。 各种粘接、焊接质量检测，涂层检测，各种镀膜、夹层的探伤。 测量材料厚度和各种涂层、夹层的厚度。 运转设备的在线、在役监测。 1 3 本人需要完成的课题内容及意义 材料在制备和使用过程中可能会产生多种类型的损伤和缺陷，这些损伤和缺陷的存在 和扩大将影响材料使用的寿命和可靠性。因此，在材料的生产和使用过程中进行无损检测 是非常重要的。但经常是，仅仅发现材料中存在缺陷是不够的，对于材料表面下可能存在 首都师范大学硕士学位论文 多种缺陷的情况则需要对缺陷类型进行识别。 目前对红外热波成像技术的研究，主要是通过热像仪采集物体表面的温度场变化来判 断物体内部缺陷的有无，也有些研究是利用测得物体内部或者边界温度变化来获得缺陷 界面的位置、形状和深度等信息。与传统的导热问题的求解不同，这类问题的研究统属于 导热反问题( i n v e r s eh e a tc o n d u c t i o np r o b l e m ) 范畴，是指通过研究对象内部或边界上温 度场的空间和时间的变化来反算边界条件、初始条件、热特性参数、内热源强度或物体的 几何条件等未知项。国内现有复旦大学、西安交通大学、北京航空航天大学、海军工程大 学、南京大学等多所大学及研究机构对这类热传导反问题进行一些实验性研究，主要是偏 重于几何形状边界条件未知的热传导反问题f 1o 】【1 3 】。国外的一些研究单位多是注重于缺陷界 面的位置、形状和深度信息的提取等方面的研究1 1 4 1 1 1 6 1 。而根据实验测得物体表面温度变化 得到的数据，通过分析数据和热传导理论，来获得缺陷界面另侧物质的热特性参数以识 别表面下异物的研究还未见公开报道，同时，该研究也具有重大的现实意义，对材料表面 下的不同缺陷类型进行识别将加深对引起损伤和形成缺陷机理的认识，对于大量应用材料 构件的研制与维护，提高其质量，减少和避免重大事故具有现实意义。 首都师范大学硕士学位论文 第二章红外热波无损检测技术概况 本章从热波检测的原理、发展方面介绍了红外热波无损检测技术，介绍了红外热波无 损检测技术用于材料表面下缺陷类型识别的国内外动态。 2 i 红外热波无损检测原理 红外热波无损检测的基本原理是热波理论，热波理论拓展了传统热传导理论的研究空 涮，深化了人们对传热现象的认识。并直接引出了诸如脉冲加热、热波锁相、热超声等检 测研究领域啦”。具体地说，热波是( 传播中) 随时恻周期性变化的温度场。与任何波动 一样，热波在媒介中有特定的传输规律并在其传输过程中会与媒介材料发生相互作用。与 传统的热成像技术不同，热波检测要根据不同的检测对象采用主动式控制加热来激发被检 物的内部损伤和缺陷。 当试件被周期或脉冲热源加热后，在趋于热平衡的过程中，其表面温场的空间和时间 变化方式不仅与物体材料有关，也受物体内部结构和不均匀性的影响，热波的传搔方式由 材料特性、几何边界形状和边界条件决定。不同材料表面及表面下的物理特性将影响热波 的传输，大多情况下，局部的缺陷使得热非均匀传播，此处热波将会发生散射和反射等， 以某种方式在材料表面的温度场变化上反映出来，如图2 1 所示，虚线代表材料表面的温度 分布。材料表面的温度场变化导致材料表面红外辐射能力的差异，红外辐射载有材料的特 征信息，利用红外热成像技术记录材料表面的红外辐射并将人眼不可见的红外辐射转化成 可见的温度图像。通过控制热激励方法和记录材料表面的温场变化。将可以获取材料的均 匀性信息及其表面下的结构信息，于是达到检测和探伤目的【2 2 】。i 州。 均匀物质内部无缺陷 亍 户亏等尸工于x 子j 产5 厂表面温度分布 均匀物质内部无缺陷、+ + + + + + + + + ) 非均匀物质隔热性缺陷 0 l * * a $ “ 面温度分布 了 与产 皇重量当矸表面温度分布 图2 - 1 热波检测原理图 首都师范大学硕士学位论文 脉冲红外热波无损检测系统的原理如图2 2 所示，计算机控制的控制箱给闪光灯提供 能量，从而加热试件，同时红外热像仪记录试件表面的温度场变化，输出的视频图像通过 计算机处理，确定试件有无缺陷及其缺陷的位置、线度等表征信息。 图2 2 红外热波无损检测系统原理图 热波的基本理论是热传导微分方程。 对于均匀的、各向同性的固体( 材料的导热系数不随方向而变) ，傅立叶定律可以表 示成如下形式： g ( f ，f ) = - k v t ( 尹，) ( 2 1 ) ( 2 1 ) 式中，温度梯度是垂直于等温面的向量；热流密度向量g ( 产，r ) 表示在单位等温 面上，温度降低的方向上单位时间内的热流量，单位为w 册2 ；k 是材料的导热系数，单 位为矽，m k 。 在一个很小的体积v 内建立能量平衡方程，可以表示成 单位时间内通过v 的边界进入的热量 + 单位时间内v 内产生的能量 = 单位时间内v 内能量的积累)( 2 2 ) 单位时间内通过v 的边界进入的热量) = 一j q 。而幽= 一j v q 咖 ( 2 3 1 ) v 物体内发热源的强弱通常是以单位容积、单位时间内的发热量来描述的，用符号 g ( f ，) 表示，国际单位制中所用单位是w m 3 。 9 首都师范大学硕士学位论文 单位时间内v 内产生的能量 = 括( 产，t ) d v r 眦时间内v 内能量的隅= j ，掣咖 ( 2 3 2 ) ( 2 3 3 ) 将( 2 3 ) 虱带八( 2 2 j 瓦得 v 丌- v q 卅航h ，掣p 划 。， 上式是对一很小的体积元进行推导的，可以把积分号去掉得 一v g ( 尹，f ) + g ( 芦，f ) ：尸c ，o t _ ( _ f 一, t ) ( 2 5 ) o t 将式( 2 ，1 ) 的q ( e ，r ) 带入方程( 2 5 ) 可得到静止的均匀物体内含有热源的各向同性物 体的热传导微分方程 v 防聊) 】+ g ( 即) 哦掣 变形得v 陋聊) 】喁掣1 限f ) ( 2 6 ) r ( ，f ) 是位于f 处，时刻的温度，g ( f ，f ) 是给介质提供热的热源方程，k ( w m - k ) 是材 料的导热系数。热扩散系数口m 2 曲定义为 七 口= 一 p c ， ( 2 7 ) a 用来测量物质传导与存储热量的能力，它是随温度和位置变化的量，但为了简化， 可视为一个常数。对于给定的物质，口值越大，对外界热环境的改变反应越快，反之，盘 越小，在热环境中达到一个新的平衡所需要时间越长。 若假定导热系数k 为常数( 不随空间位置与温度而变化) 则方程简化为 v ：丁( 尹，) + _ 1g ( 尹，r ) ：上旦掣 ( 2 8 ) 席口o t 在两介质界面解方程( 2 8 ) ，要满足两边界条件，即边界温度连续条件和边界能量守 恒条件 正= 正 0 ( 2 9 1 ) 首都师范大学硕士学位论文 k l v t , 亓= k 2 v l ，开 ( 2 9 2 ) 式中下标1 、2 代表相接触的两种不同材料，日是界面的单位法线方向。方程( 2 9 1 ) 说明热波从介质1 传到介质2 时，在边界处没有温度突变。方程( 2 9 2 ) 说明在边界处介 质1 损失的热量等于介质2 获得的热量。 为了简化讨论，以下只讨论一维热流的情况，并进一步假定所有试件的表面无热损失， 这样，边界方程( 2 9 ) 可简化为 掣k 。 反 i ：! ( 2 1 0 ) 实际情况下，热非均匀变化而且通常很复杂，一维热传导理论不能解释所有的热现象， 但对于我们的大多数应用，如厚度测量，表面下分层、断裂等检测，一维模型近似可以解 决问题。 给定边界条件，为解方程还需确定热源方程g ( 芦，) 。通常g ( 芦，) 可取任何形式，对于我 们研究的热波，有四种不同的加热形式，它们是周期加热、脉冲加热、梯型加热和焦耳热。 实验所用系统为脉冲红外热成像系统，加热形式为脉冲加热。考虑一平面脉冲源，在 ，= 0 时刻加热于半无限大介质表面x = 0 处，如图2 3 所示。 图2 - 3 脉冲加热示意图 对于脉冲热源，热源方程g ( f ，f ) 的一维形式可写成 g ( x ，f ) = q s ( t ) a ( x ) q 代表单位面积的总热量常数 热传导方程( 2 8 ) 的一维形式为 ( 2 1 1 ) 目翱3 师祀兀早叫工半性诺j l 学一吉掣= 一顾d 方程( 2 1 2 ) 的解为 m ) 2 丽c e 一毛 ( z - s ) 其中去 ( 2 )式对时间求导，并令望j笋：o，得到在任意x=x013 处，与脉冲加热的材料 ( 2 ) 式对时间求导，并令玄一2u ，得到在任意 处，与脉冲加热的材料 表面平行的平面温度达到最大值的时刻为 t m a x = 瓦x o ( 2 1 4 ) 此时最大温度乙= 了杀寺 ( 2 1 5 ) 上面讨论仅局限于半无限大介质，给出了介质内部( 石 0 ) 的温度分布。对于应用而 言，我们的主要目的是探测，定量测量或描绘表面下的温度分布。对于远程或非接触技术， 只能察觉到被测物体表面的红外射线，那么对于厚度有限大介质在其表面( x = 0 ) 的方程 的解也是需要的。可以采用无穷热源分别作用于介质边界的方法即镜像法解决此问题，如 图2 4 所示。 qqqq0qqq _ c _ 图2 4 镜像法示意图 将每一热源的贡献简单相加，得位于x 处f 时刻的温度 1 2 首都师范大学硕士学位论文 丁(蹦)=；二p磊+p一1f+e一x+百2nd一】4 ，1 ， t ，一2 利) () 7 r a t= ( 2 1 6 ) ( 2 1 6 ) 式满足热传导方程( 2 1 2 ) 和边界条件( 1 0 ) ，则在介质前表面z = 0 处( 2 1 6 ) 式为 一 ( 2 n d ) 2 h q 归i 嘉n + 2 善e 可】 ( 2 1 7 ) 上式可分为两项，第一项表示试件表面温度随时间的增加而逐渐降低：第二项表示脉 冲传播的n 次反射，传播了2 n d 的距离回到介质前表面。 实际情况下，在给定介质中，热波衰减非常迅速，高次( n 1 ) 的反射项在大多应用中 都被忽略。 假设脉冲热源加热一半无限大介质，介质中一部分有限厚度为d ，如图2 - 5 所示。忽略 高次反射项后，由( 2 1 7 ) 式得在介质前表面x = 0 处 ( o ，f ) 。亭一 (218)4月o a r 一生 t ( o ，r ) 2 j 嘉【l + 2 p “1 ( 2 1 9 ) 4 删 图2 - 5 半无限大试件简化图 ( 2 1 8 ) 、 ( 2 1 9 ) 两式相减可得材料不同厚度处对应的表面温差 门 d a t 2 l ( o ，f ) _ 瓦( o ，归= 7 需i - p “ ( 2 2 0 ) 口， 式( 2 2 0 ) 说明，不同材料表面及表面下的物理特性将影响热波的传输，以某种方式在 材料表面的温度场变化上反映出来，材料不同厚度处存在温差，温差最大处对应的温度变 化率为0 ，将( 2 2 0 ) 式对求导并得0 ，得到最大温差的时问 首都师范大学硕士学位论文 2 d 2 ，m “2 对应的最大温差为 t m 。2 面c 吉 确定了最大温差出现的时间7 一。就可以通过( 2 ，2 1 ) 式得出缺陷的深度信息。 2 2 红外热波无损检测技术的发展 ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) 傅立叶1 8 2 4 年在他的“固体热传导理论”一书中第一次提到热波( t h e r m a l w a v e s ) 2 5 1 。1 8 6 3 年，a n g s t r o m 使用此概念在长金属棒末端周期加热和冷却，产生了热波并以测 量热波在金属棒内的衰减定义了热扩散系数 2 6 】。约2 0 年后，贝尔发现了著名的光声现象， 他发现经调制过的光照到物体吸收表面时可产生声音1 2 7 1 。在接下来的几乎整个世纪中，尽 管光声现象已经被应用到了无损检测和光谱研究方面，但是一直没有人能对这种现象有个 正确的解释。直到1 9 7 3 年，j g _ p a r k e r 从光声细胞窗口调制的光吸收中检测到了光声信号 的产生1 2 ”。r o s e n c w a i g 和g e r s h o 注意到p a r k e r 的结果并建立了一维模式去描述光声信号 的产生和热波在试件界面上的传播【2 9 1 。r o s e n e w a i g 的工作很快使人们对热波的传播及光 声现象有了更好的理解。1 9 7 8 年，w o n g 、t h o m a s 和h a w k i n s 首先将热波用于不透明的物 体1 3 叭，他们应用调制激光作为一个周期性热源，用声光显微镜扫描技术选取图像中的一点 记录光声信号作为函数，这个函数涉及到了产生该图像的试件的热性质。他们也用这种方 法检测到了陶瓷材料的裂缝【3 ”。此后，热波应用技术研究迅速发展起来，热成像技术也被 证实在许多材料的无损检测中是一个非常有效的检测手段。但是由于红外探测器技术的限 制和数据处理等原因，热成像技术真正成熟和广泛应用还是近十年的事情。 自2 0 世纪9 0 年代以来，由于红外焦平面阵列技术的发展，红外热波检测方法在北美 和西欧进展迅速。有关红外无损检测的国际会议，在欧洲每两年召开一次，在美国每年召 开一次。该技术在美国得到了充分的重视并且已经有了许多成熟的应用【3 2 】书7 1 。在2 0 0 4 年 1 0 月期的无损探伤中，王金峰所写论文红外热波无损检测技术在美国的应用比较 详细的列出了以上应用。美国无损检测协会负责组织编写2 0 0 1 年出版的无损检测手册红 外热像无损检测( t n d t ) 分册里，也有专门的大量篇幅论述红外热波无损检测技术在航 空航天领域的应用。在f a a l 9 9 8 ，1 9 9 9 和2 0 0 0 年飞机机身无损探伤技术竟标中，红外热 波无损检测技术击败包括x 射线、超声波、暗电流检测等多项技术而唯一胜出，被美国空 首都师范大学硕士学位论文 军、波音公司和很多航空公司采用。洛克西得，波音，西北航空公司等知名大公司，纷纷 设立了红外热波无损检测实验室，用于解决各自的无损检测问题。红外热波无损检测技术 在美国还在汽车、电力、石化管道、现代制造业等领域具有成功的应用案例1 3 8 l - ( 4 3 l 。美国还 把它用于航天飞机耐热保护层潮湿检测，a t l a s 空间发射舱复合材料的脱粘检测，a 3 火箭 的无损检测；美国、俄罗斯、法国、加拿大、澳大利亚等国已把红外热波检测技术广泛应 用于飞机复合材料构件内部缺陷及胶接质量检测、蒙皮铆接质量检测。俄罗斯还把它应用 于锅炉及管道的腐蚀程度检测、建筑物的气密性或保温隔热性检测、壁画与墙壁的脱粘检 测等“1 。 据了解，热波无损检测技术在国内起步比较晚，目前国内对此项技术的研究至今基本 上还是空白，有一些对国外技术的介绍、综述性文章和初步的实验【4 5 】_ 【5 7 1 。 近几年，随着热波技术的发展和推广，北京市部分相关企业、院校以及研究院在该领 域的技术水平有了较为显著的提高1 5 8 】一1 5 9 】。 2 0 0 3 年9 月热波技术的应用研究也列入了我国国家8 6 3 高科技发展计划，还同时获得 了2 11 工程重点学科建设经费等的支持。2 0 0 4 年5 月，首都师范大学、北京维泰凯信新技 术有限公司、北京航空材料研究院在国家8 6 3 项目“红外热波无损检测技术在复合材料研 究中的应用”的基金支持下，率先在首都师范大学物理系建立了一个红外热波无损检测联 合实验室，该实验室拥有我国唯一一套t w i 红外热波无损检测系统。实验室已经开展了基 础试验、应用试验、理论研究试验，获得了一些有实际意义的结果。在2 0 0 4 年第九期的 产业透视中。金万平、张存林所写的材料检测和表征的新技术一热波检测及其应 用中详细介绍了该实验室的进展。 应联合实验室的邀请，美国t w l 公司总裁斯蒂文博士先后于2 0 0 5 年1 0 月和2 0 0 6 年4 月两次访华，先后在北京、上海、宁波、天津、西安等地举办红外热波无损检测技术 专题研讨会，介绍了红外热波无损检测技术在美国航空、航天、电力、材料、石化等领域 成功的应用和最新研究进展。 2 0 0 5 年1 2 月2 2 日，由北京市科委组织的“红外热波无损检测创新装置、工艺及技术 应用”科技成果鉴定会在首都师范大学召开，对于联合实验室承担的国家8 6 3 计划课题 “红外热波无损检测技术在复合材料研究中的应用”( 2 0 0 3 a a 3 3 3 0 9 0 ) 和北京市海淀区科 技项目“多种新材料热波检测软件及应用系统”( k 2 0 0 4 3 1 ) 完成的科技成果进行了鉴定。 鉴定委员会专家经过充分讨论，通过了鉴定意见。专家们对项目成果的评价是：“红外热 波联合实验室是目前国内唯一拥有可以实际应用的红外热波无损检测系统、技术、标准试 首都师范大学硕士学位论文 样、企业标准的实验室，项目组自主研发了创新的热激励装置、抗反射装置和工艺及涂料、 图像处理算法和软件，取得了相关知识产权。该项目成果使红外检测技术上了一个新的台 阶。填补了国内空白；项目的研究内容和应用与发达国家的同类研究处同等水平。” 该项技术已经在我国航天、航空、新材料研究等领域获得了有重要应用意义的成果， 国家8 6 3 主题专家组验收报告的评价是“取得了对国家安全具有重要作用的研发成