（光学专业论文）涂层涂敷质量的红外热波无损检测.pdf

中文摘要 中文摘要 涂层是指容易流动的液体物质，能湿润被粘物表面，在胶粘过程中易发生固化，加涂 ( 镀) 在材料或者物体表面的薄层物质。涂层是提高和改善材料性能最经济、最有效的方法 之一，它可以提高和改善原有材料的性能，也可以赋予基材新的功能。它被广泛应用于机 械工程、航空航天、信息技术、微电子技术、光信息科学和计算机科学等领域，涂层涂敷 质量的好坏直接影响到它的实际应用，目前对于涂层的检测有很多手段，红外热波无损检 测技术是一种新型的无损检测技术，该技术不仅可以检测涂层的缺陷而且对缺陷的大小定 量测量，同时还可以计算出涂层的厚度，本课题从涂层缺陷和涂层厚度两方面给出了定型 定量的计算以及分析。 本文从理论模型中推导出由对数降温曲线寻找分离时间的方法计算涂层厚度，对于涂 层试件中含有缺陷，缺陷大小的测量是利用热图中像素尺寸的测量来确定，文中分别选用 不同涂层试件进行涂层厚度测量和缺陷分析，实际涂层测量的影响因素较多，红外热波无 损检测技术不仅可以解决检测涂层缺陷而且可以计算涂层厚度，该技术将大大提高检测涂 层的能力，在现有的检测能力的基础上，如果能将该技术应用于多层涂层的检测中，将大 大提高红外热波无损检测技术的水平。 关键字：红外热波，无损检测，涂层，厚度 首塑师蔓) 垦兰堡主兰堡垒茎望星鎏墼垦量堕堑2 1 垫鎏丝塑蛄e3 ，- _ - _ _ _ - _ _ - _ 一一一一一一 a b s t r a c t s l a y e ri sm a d eu po ff l u i dm a t t e r s ，w h i c hc a l lw e tt h es l l l f a c eo f t h es u b s t a n c ea d h i b i t e db y t h el a y e r , d u r i n gt h ea d h i b i t i o n ，l a y e rw i l lb es o l i d i f i e d ，t h e ni tw i l lc o v e rt h em a t e r i a l so rs u r f a c e o f 岫m a t t e r si nt h ef o r mo fl a y e r , w h i c hi so n eo ft h em o s tb e n e f i c i a la n de c o n o m i cm e t h o do f i m p r o v i n gt h ec h a r a c t e ro f t h em a t e r i a l ，i tc a nn o to n l yi m p r o v et h ec h a r a c t e rb u ta l s oe n d o wt h e m a t e r i a lw i t hn e wf u n c t i o n s ，s oi t i sw i d e l ya p p l i e di nt h em e c h a n i c a le n g i n e e r i n g ，i n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y , c o m p u t e rs c i e n c ea n ds oo n ，t h eq u a n t i t yo f t h el a y e rd i r e c t l yi n f l u e n c ei t sp r a c t i c a l a p p l i c a t i o n ，a tp r e s e n tt h e r ea r em a n yw a y st oi n s p e c ti t ，i n f r a r e dt h e r m a lw a v en o n d e s t r u c t i v e t e s t i n gi san e wt y p eo ft h en o n d e s t r u c t i v em e t h o d s ，w h i c hc a l li n s p e c tt h ed e f e c t so ft h el a y e r 锄dc a nm e a s u r et h es i z eo ft h ed e f e c t s ，m e a n w h i l e ，i tc a nb eu s e dt oc a l c u l a t et h ed e p t ho ft h e l a y e r , t h i st a s kp r o v i d et h eq u a n t i f i c a t i o n a lc a l c u l a t i o na n da n a l y s i so ft h el a y e rw i t hd e f e c ta n d d e p t h t h ep a p e rs e e k st h el o g a r i t h mt e m p e r a t u r ea n dt i m ec u r v e st oc a l c u l a t et h ed e p t ho f t h el a y e r f r o mt h et h e o r ym o d e l ，f o rs o m el a y e rs a m p l e s t h a th a v ed e f e c t s ，t h em e a s u r e m e n to ft h es i z eo f t h ed e f e c ti sb a s e do nt h ec e r t a i ns i z eo fp i x e li nt h et h e r m a li m a g e ，i nt h ep a p e rd i f f e r e n tl a y e r s a m p l e sa r ec h o s et om e a s u r et h ed e p t ho ft h el a y e ra n da n a l y s i st h ed e f e c t ，b e c a u s et h e m e a s u r e m e n to ft h el a y e rh a sm a n yi n f l u e n c ef a c t o r s ，m a n yc o u n t r i e se n d e a v o rt of i n ds o m e i d e a lm e t h o do ft h em e a s u r e m e n t , h i g hp r e c i s i o na n dh i g hs t a b i l i t yb e c a m et h eh o t s p o t so ft h e r e s e a r c hi nm a n yn a t i o n sa tt h ep r e s e n t , i n f r a r e dt h e r m a lw a v ei m a g i n gc a nn o to n l yi n s p e c tt h e d e f e c t so ft h el a y e rb u ta l s oc a nc a l c u l a t et h ed e p t ho ft h el a y e r , w h i c hc a ni m p r o v et h ea b i l i t yo f t h el a y e ri n s p e c t i o n ，o nt h eb a s i so fe x i s t i n gi n s p e c t i n ga b i l i t y ，i ft h i st e c h n o l o g yc a na p p l i e di n m u l t i 1 a y e rc o a t , t h e ni tw i l li m p r o v et h el e v e lo f t h ei n s p e c t i o nr e m a r k a b l y k e y w o r d s ：i n f r a r e dt h e r m a lw a v e ，n o n d e s t r u c t i v et e s t i n g ，c o a t ，d e p t h 首都师范大学硕士学位论文涂层涂敷质量的红外热波无损检测 图表目录 图2 1 脉冲激励红外热波检测装置( 引自t w i ) 一4 图2 2 闪光灯遮罩示意图。：5 图2 3 脉冲激励红外热波检测热图序列示意图6 图2 - 4 物质内部特性影响表面温度分布示意图4 图2 5 闪光灯脉激励红外热波检测系统工作原理4 图3 1 热波检测过程。1 5 图3 2 脉冲加热示意图1 6 图3 3 平面试件脉冲激励瞬时状态图。1 7 图3 _ 4 曲面试件脉冲激励瞬时状态图。1 8 图3 5 镜像法示意图1 9 图3 - 6 半无限大试件简化图2 0 图3 7t - - 4 0 0 m s 红外热波检测热图：2 l 图3 8 对数温度时间曲线不同厚度区域在不同时刻与区域的温度时间曲线分离。2 2 图3 - 9 涂层厚度的平方与特征时间关系图。2 3 图4 1e c h o t h e r m 脉冲红外热波无损检测系统2 5 图4 2t h e r m o s e o p e 脉冲红外热波无损检测便携系统2 6 图4 - 3不同频率下热图结果的比较2 9 图 相同频率不同能量下热图结果的比较2 9 图4 52 撑两涂层上的点对数降温曲线：3 1 图4 63 撑两涂层上的点对数降温曲线3 2 图4 74 拌三个涂层上的点对数降温曲线3 3 图4 85 撑三个涂层上的点对数降温曲线3 4 图4 9 试件可见光图3 6 图4 1 0c 6 c 8 热图序列3 8 图4 1 l 试件实物照片3 9 图4 1 2 原始热图t = 0 3 3 s 4 0 图4 1 3 原始热图t = 1 0 0 1 s 4 l 图4 1 4 原始热图t = 1 4 s 4 2 表1 - i 五种常规的检测方法与红外热波无损检测方法比较5 表4 1 红外热像仪采集频率与图像像素大小的关系2 4 首都师范大学硕士学位论文涂层涂敷质量的红外热波无损检测 表4 2 试件尺寸及涂层厚度。2 6 表4 3l 卜5 黻件的红外检测典型热图2 9 表4 _ 4l 捍3 撑( 相同涂层) 厚度测量数据结果( 单位：m m ) 3 2 表4 5 4 稃一撑( 相同涂层) 厚度测量数据结果( 单位：m m ) 3 3 表4 6 试件尺寸涂层台阶厚度。3 6 表牛7 测量厚度结果( 单位：m m ) 。3 9 表4 - 8 试件尺寸及涂层厚度4 l 表4 - 9 涂层分离时间与涂层厚度4 5 表4 - 1 0 铺、5 群、础试件的分离时间和厚度大小4 7 4 首都师范大学学位论文原创性声明 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。 学位论文作者签名： 期：年月日 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。 靴谳糍轹杞睡 眺年月日 首都师范大学硕士学位论文涂层涂敷质量的红外热波无损检测 1 1 红外热波无损检测技术概述 1绪论 红外热波无损检测技术是一门跨学科、跨应用领域的通用型实用技术，是一种创新性 的无损检测技术。它针对被检物的材质、结构和缺陷类型以及特定的检测条件，设计不同 特性的热源( 如：高能闪光灯、超声波、电磁、热风等) 并用计算机控制进行周期、脉冲 等函数形式的加热，同时采用红外热成像技术对时序热波信号进行捕捉和数据采集，采用 专用软件进行实时图像信号处理和分析并最终显示检测结果。它的研究和应用，对提高航 空、航天器，多种军、民用工业设备的安全可靠性；新材料研究，尤其是复合材料研究； 石油管道、发电设备的探伤和日常维护；承重机械设备、大型建筑金属结构件的裂纹、焊 接状况、锈蚀、疲劳检测等都具有重要意义。美国多家大公司( 如：g e 、g m 、波音、福特、 洛克西德、西屋等) 及政府机构( 如：n a s a 、“f a a 、空军、海军) 等已经广泛应用和推广该项 技术。 i h 3 】 1 2 红外热波无损检测技术的发展 作为最方便的探测温度场分布的方法，在过去的三十年间，热成像技术快速发展并得 到了广泛应用。特别是用于军事技术、医疗诊断、遥感遥测、无损检测等领域，已经产生 了巨大的经济和社会效益。从摄取到遥远星系的壮丽的红外图像到从人群中找出可能带有 致命病毒的发烧病人；从引发军事革命的红外夜视镜到远距离检测输电线路中行将失效的 元器件，无一不是借助了红外热成像技术遥感探测温场的能力。需要指出，上述应用都利 用了被探测物体自身的温场变化或被探测物与背景环境存在的红外辐射温度对比度( 或叫 做辐射温差) 。这类探测都是被动式的。被动热成像技术中红外热图中异常的温度显示了 内部潜存缺陷，关键是与周围环境有关的温差，通常用温差或热点表示。而且测量多是定 性的，主要是测出温度异常点。当被测物自身处于热平衡状态或与其存在环境没有辐射温 差时，仅靠热像仪就常常无法获得所需的温场信息。特别是在无损检测行业，绝大多数待 测试件的内部结构和缺陷在常态下不引起试件表面的温度变化。这就是很长时间以来局限 热成像技术用于无损检测行业的主要原因。那么，能否用某种加热办法来激发内部缺陷和 损伤，从而在试件表面造成反映这些缺陷存在的温差。【4 】 烘箱、电热毯、电吹风、闪光灯、电流、激光、微波、t h z 等等都是人们想到的可以 s 首都师范大学硕士学位论文涂层涂敷质量的红外热波无损检测 利用的热加载方式，但由于有些加载方式的随机性，使得实验结果重复性差，无法重现或 断定是检测对象本身存在的问题。在理论上，热传导方程引导人们利用理论可解形式的热 源，通常脉冲或周期形式的热源( 已知热激励能量) 激励下，材料内部一维的热波传导解 可求出。从而，引出了一种新的定量无损检测技术红外热波无损检测技术。1 4 它与被 动式红外热成像的不同之处，是它采用了主动式控制热激励的方法用各种加热技术激励被 测物。然后利用被检测物与变化温场( 控制加热) 之间的相互作用，通过观测试件表面的 温场变化和对数据进行专门的计算处理，从而获得被测物的检测结果，极大地扩展了热成 像技术的应用范围。 1 9 9 0 年以来，国际上积极开展红外热波无损检测技术的研究。美国无损检测协会组织 编写的无损检测手册红外与热检测分册里，有专门的大量的篇幅论述红外热像无损检测在 航空航天、电子、石化、建筑等许多领域的应用【i 】。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。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 合材料的粘脱检测，a 3 火箭无损检测。【5 】美国韦恩州立大学的工业制造研究所在该技术领 域的研究上一直得到美国政府机构和许多大公司科研基金的支持，处在该领域研究的最前 沿，取得了很多实际的研究成果。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竞标 中，此技术击败包括x 射线、超声波、暗电流检测等多项技术而唯一胜出。并逐渐被n a s a 、 美国空军和海军、波音、洛克西得，各大汽车公司及各大航空公司等许多知名大公司所采 用。自9 0 年代中期以来，这些政府机构和大公司纷纷设立了红外热波无损检测实验室， 用于研究解决各自独特的无损检测问题。【1 】【3 】 2 0 0 4 年，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，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，它是国内首家红外热波无损检测实 验室。该实验室现拥有两套t w i 红外热波无损检测系统，实验条件已经具备，并且开展了 大量实验，初步获得了有实际意义的结果。近几年在该方面的研究发展也较快，主要用于 航空航天复合材料、电子电路、工业生产在线监测及实验室研究等领域。 6 首都师范大学硕士学位论文涂层涂敷质量的红外热波无损检测 1 3 红外热波无损检测技术的技术特点和主要应用 红外热波无损检测技术是一种主动控制热激励的红外热成像技术，该技术在热激励研 究、图像处理手段等方面都有创新，其技术特点如下1 6 】【8 】： 适用面广，可用于金属和非金属材料。 速度快，单次测量一般只需几十秒钟。 观测面积大，根据被测对象和光学系统，单次测量可覆盖0 i 平方米。对大型检测对 象还可进行图像自动拼图处理。 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，并能作表面下的识别。 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，十分适合外场、现场应用和在线、在役检测。 基于以上特点，该技术可应用于： 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、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口绝热层附着检测。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 的整个过程中进行无损检测和评估。 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检测。 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。 表面下材料和结构特征识别。 运转设备的在线、在役监测。 1 4 五大常规无损检测技术与红外热波无损检测技术的比较 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该物 质发生变化的这一现象，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。 9 1 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 o ni n s p e c t i o n ，n 1 ) i ) ，到无损检测( n o n d e s t r u c t i o nt 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 o ne 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。 7 首都师范大学硕士学位论文涂层涂敷质量的红外热波无损检测 无损检测不但应能检测出已经存在的缺陷，而且应能对缺陷( 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。i l o j 当今国内技术上比较成熟的五种常规无损检测方法为：射线，超声，磁粉，渗透，涡 流。非常规技术包括声发射、红外热成像、磁记忆、导波、超声全息等。 射线检测是当x 射线照射在工件上时，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。 超声波检测是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。如果物体内部存在缺陷，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。 磁粉检测是当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，如果材料中存在裂纹，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。 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。 渗透检测是在零件表面施涂含有荧光染料或着色染料的渗透液，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。 涡流检测是从导体外侧产生的电磁场入射到导体中的缺陷上将发生散射，散射到导体 外侧的场隐含了缺陷位置、形状、大小及媒质性质等信息，通过分析测量到的散射场，采 用数学方法提取缺陷参数，就可达到识别缺陷的目的。 以上五种常规的检测方法各有特点和适用性，与红外热波无损检测方法的比较如表 卜l 所示【1 1 】。 首都师范大学硕士学位论文涂层涂敷质量的红外热波无损检测 表1 1 五种常规的检测方法与红外热波无损检测方法比较 技 常用无损检测方法本项目 术 类 x 射线超声波磁粉渗透涡流 红外热波检测技术 型 检 内部缺陷表面、内部缺表面、近表面表面开口表面和可以测量损伤深度、 测陷缺陷缺陷近表面材料厚度和各种涂 项 缺陷层、夹层的厚度以及 目进行表面下的材料和 结构特性识别 适 铸件、焊接件、锻件、焊接铁磁性材料各种非疏导电体可用于金属和非金属 用非金属制品和复件、胶接接头松材质材料材料 性合材料等和非金属材 料 不受材料、几何对缺陷敏感，采用磁粉探伤原理简明设备自快速。每个测量一般 形状限制，能保获得结果迅方法检验铁磁易懂，设备 动化程 只需几十秒钟；观测 持永久性记录速，缺陷定位 性材料的表面简单，操作 度高，不 面积大。一次测量可 优射线探伤对气方便缺陷比采用超简便，灵敏 必清理 覆盖面积近0 1 方 孔、夹渣、未焊声波探伤或射度高。显示试件表米：直观。测量结果 透等体积型缺陷线探伤灵敏度缺陷直观。 面，省 用图像显示，直观易 点最敏感。高，而且操作对大型工时，不需懂；准确。可以直接 简便，结果可件和不规耦合剂。测量到深度、面积等； 靠，显示直观。则零件以非接触。 及现场机适合外场、现场应用 件的检修和在线、在役检测。 检查优点 突出。 设备投资大；不对小、薄及复只限于铁磁性工艺程序对零件对外形复杂的结构件 易发现与射线垂杂零件难以材料，定量测复杂，试液几何形要确定缺陷的深度 直方向上的裂检测；需耦合定缺陷深度困易挥发，只状、突变时，需要更有效的数 局纹；不便给出缺剂耦合：粗晶难。对于有色能检测表引起的学计算模型；检测深 陷深度；对安装 材料散射严金属、奥氏体面开口缺边缘效度还不够深( 受限于 限 及安全方面要求 重；形状复杂钢、非金属与陷；不能检应敏感，加热设备的能量) ；对 严格，不适于现的结构难以 非导磁性材 测表面多 容易给 缺陷的分辨率还不如 性 场在线检测；检检测：速度料，不能采用孔性材料。 出虚假 超声c 扫描高。用于 测周期长：胶片慢，检测周期磁粉探伤的方的显示。某些金属，表面需进 消耗大，成本高。长。法检验缺陷。行抗反射处理。 9 首都师范大学硕士学位论文涂层涂敷质量的红外热波无损检测 1 5 本人需要完成的课题内容及意义 涂层被广泛应用于机械工程、航空航天、信息技术、微电子技术、光信息科学和计算 机科学等领域，涂层涂敷质量的好坏直接影响到它的实际应用，目前对于涂层的检测有很 多手段，红外热波无损检测技术是一种新型的无损检测技术，该技术不仅可以检测涂层的 缺陷而且对缺陷的大小定量，同时还可以计算出涂层的厚度，本课题从以下几方面开展： 1 建立涂层检测的理论模型 2 优化涂层检测的实验条件 3 检验涂层 4 涂层厚度的算法研究 涂层厚度的测量主要分为接触式和非接触式两种。由于涂层厚度测量的影响因素较 多，致使国内外尚未寻找到比较理想的测量方法。因此，高精度、高稳定性的涂层厚度测 量仪是当今各国研究的热点。红外热波无损检测技术不仅可以解决检测涂层缺陷而且可以 计算涂层厚度，该技术将大大提高检测涂层的能力，在现有的检测能力的基础上，如果能 将该技术应用于多层涂层的检测中，将大大提高红外热波无损检测技术的水平。 1 0 首都师镕# 葡学位* i 诛目竦皴赝量白勺红外热被五揎幢涮 2 红外热波无损检测系统 红外热成像技术是一种集光电成像技术、计算机技术、图像处理技术于一身的高科技 系统本章介绍了红外热波检测系统及系统工作原理。红外热波无损检测系统拓展了传统 热传导理论的研究空间，深化了人们对传热现象的认识。并引出了诸如脉冲加热、链相、 热超声等检测研究领域【1 州“l 。 2 1 脉冲激励红外热波检测系统 脉冲激威红外热波无损检涌系统( 如图2 - l 所示) 主要由红外热像仪、热激励系统和计 算机图象处理系统三部分组成。 2 1 1 热激励系统 氍 、 雷表2 - 1 辣冲擞励红井热波检测鞋置 两氤灯安装在可手持的撵涓装置内，作为脉冲熟海，如图2 - 2 所示，瞬问产生平面可 见光热源加热被测物表面，光脉冲的宽度为2 衄。闪光灯能量由两个相同规格的电容提供， 烈 一f m 一 *一2 # * 师 字目学z撩b 豫最庙t n 外波i m 分九个等级，可以提供的最大能量为4 8 0 0 焦耳，可根据需要选取不同等级的能量。闪光 灯外面的遮罩用来收集更多的光能防光扩散，使箱内形成匀光环境，这样不仅可以高效 地加热被检测物体，还可以保护人的眼睛防止强光直接照射。 鬯 对着遮罩口向内观察 热像投镜头 寝； 二一量 圈2 - 2 闪光灯遣罩示意图 2 1 2 热成像装置 红外热像仪是一种成像装置，它的成像原理基于目标与周围环境之间由于温度与发 射率的差异所产生的热对比度不同，而把红外辐射能量密度显示出来，成为“热像”。由 于人的视觉对红外光不敏感，所以热像仪必须具有把红外光变成可见光的功能，将红外图 像变成可见光圈像。在红外热像仪中，把红外图像变成可见光图像分两步进行，第一步是 利用对红外辐射敏感的红外探测器把红外辐射变成电信号，该信号的大小可以反映出红外 辐射的强弱：第二步是通过电视显像系统将反映目标红外辐射分布的电子视频信号在电视 荧光屏上显示出来，实现从电到光的转换，最后得到反缺目标热像的可见光圈像。在热像 仪中具体实现由红外光变电信号，又由电信号变成可见光的转换功能是由热像仪的各个部 件完成的。现在大多数使用的热像仪主要由光学系统扫描器、红外探测器、信号处理屯路 和显示记录装置等几个部分组成旧。 红外热成像技术是多种技术的综合，它的发展水平取决于相关技术的水平这些技术 包括：制造探测器的半导体及真空容器技术；冷却探测器的撮低温技术；对扫描驱动系统 及其装置的动摇进行修正的伺服技术：用于低噪音放大器的半导体技术：未来的自主墅传 茸蕾师范大学碰学位论文 诛层替敷质量的红外* i 自幢 感器盼信号处理技术：增加探测墨元致以提高热像仪的温度灵敏度和空间分辨率，从而提 高热像仪的探测和识别距离。 热成像技术本身有远比其用于红外热波检测更广泛的用途。而热波检测仅仅是利用了 它施对温度场快速成像的独特优势但红外热波检测技术的发展无疑会促进热成像技术的 发展，这一点可以由美国红外技术公司专为红外热波检测用途研制热像仅而得到证明。 本课题所采用红外热像仪其型号为f l i r s c 3 0 0 0 ，该热像仪采用制冷型量子阱红外光电 探测器技术，工作波段为8 _ 9 pm ，提供分辨率为3 2 0 x 2 4 0 像素的图像，温度灵敏度00 3 k ( 室温下) ，热像仪可根据需要选用不同的镜头，包括平角镜头，4 5 度广角镜头和显微镜 头。 2 1 _ 3 计算机图像处理系统 计算机配置为p r 0 24 ( 3 双c p u 处理器，使用w i n d o w s x p 系统及专用热波成像软件。 该软件可以完成热激励能量、触发控制、热像仪采集时间、采集频率等实验条件控制及对 数据的处理和图像的再现、分析等。蛰眵保存多种文件格式的文件，包括数据包文件、动 态a v i 热图序列和静态b m p 图片等同时实验室开发软件i n s p m 实现不同需求的检测。 图2 - 3 所示为脉冲激励红外热波检测热圈序列示意图，采集热圈序列前几帧是脉冲闲光的 温度分布记录，能从光照后的图像中减去或作为参考每次实验根据实验条件即采集时间 和频率得到n 帧热图序列热波成像软件允许用户进一步调整帧频和感兴趣区域，随着 红外热波无损检铡拄术的发展，软件的图像处理、分析功能得到不断的完善和更薪。 黼p _ 图2 - 3 脉冲澈励红外热波检测热图序列示意图 首都师范大学硕士学位论文涂层涂敷质量的红外热波无损检测 2 2 脉冲激励红外热波检测系统工作原理 由热波理论知，热波是( 传播中) 随时间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。脉冲激励热 波检测是目前发展较为成熟的一种技术，研究表明当试件被闪光灯脉冲热源加热后，不同 物体的内部温场在趋于热平衡的过程中变化方式不同，其表面温场的变化方式也不同，这 不仅与物体材料有关，也受到物体内部不均匀性的影响。 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 - 4 所示，虚线代表材料表面的温度分布， 热扩散系数口= x p c v ( 2 1 ) ，代表物质传热与存储热量的能力。通常对于给定材料，口视 为常数，材料口的值越大，对外界热环境的改变反应越快，材料内部的缺陷或损伤的口值 不同，热波传输差异得到的表面温场数据值不同。当热波在传输过程中遇到隔热性缺陷时， 即缺陷的热扩散系数小于本体材料的热扩散系数时，热量将会在缺陷上方材料表面发生积 聚，使该处温度高于周围区域。反之，当热波在传输过程中遇到导热性缺陷时，即缺陷的 热扩散系数大于本体材料的热扩散系数时，缺陷上方材料表面热量向下扩散更容易，使该 处温度低于周围区域。 均匀物质内部无缺陷 亨户亏鼍产弓 尹亏等户铲面温度分布 均匀物质内部无缺陷、+ ) 、“一“”。 非均匀物质隔热性缺陷 z 缺_ a 奉体材- 三= l _ l 上二；i i 土_ _ 图2 _ 4 物质内部特性影响表面温度 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【1 3 1 【1 引。 具体到脉冲红外热波无损检测系统，以检测预设有隔热型缺陷的试件为例，如图2 - 5 所示f 1 9 1 。 1 4 首都师范大学硕士学位论文涂层涂敷质量的红外热波无损检测 ( 1 ) 高能闪光灯脉冲瞬间产生平面热源加热被测物表面； ( 2 ) 热波在试件内传导，在隔热型缺陷处受阻： ( 3 ) 热量在缺陷上方试件表面发生积聚，与其它区域出现温差。最大温差出现的时 间以及最大温差值( 见第三章) ； ( 4 ) 利用红外热像仪记录材料表面的红外辐射； ( 5 ) 计算机将采集到的数据进行处理数据并显示图像。 首都师范大学硕士学位论文涂层涂敷质量的红外热波无损检测 3 涂层红外热波无损检测的理论模型 红外热波无损检测的基本原理是热波理论，热波理论进一步拓宽了传统热传导理论的 研究领域，譬如：脉冲加热、热波锁相、热超声等检测研究领域 2 0 - 1 2 4 1 。 具体地说，热波是( 传播中) 随时间周期性变化的温度场。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材料的传热特性和内 部缺陷。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。 在实际应用中用周期、脉冲、阶梯等函数形式的热源加热试件，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，热波的传播方式由试件的材料特性、几何边界形状和边界条件决定。大多情况 下试件内部的缺陷使得热非均匀传播。试件表面下热传导非均匀性在试件表面形成非均匀 温场。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。通过这些信息可以分析材料结构和材料内部的缺陷和材料的均匀性问题。 试件内部不同深度的信息在试件表面显现的时间不同，采集到的数据图像序列就会反映内 部不同深度的信息。 3 1 涂层的热波检测原理 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3 - 2 所示。 图3 - 1 脉冲加热示意图 脉冲热源g ( 尹，t ) 的一维形式可写成 g ( x ，) = q 6 ( t ) 6 ( x ) ( 3 1 ) 1 6 首都师范大学硕士学位论文涂层涂敷质量的红外热波无损检测 g 代表单位面积的总热量常数。热源瞬时作用在试件表面上，热量积累在试件表面。对 于曲面形状试件，平面脉冲源同样积累在试件表面，见图3 - 3 、3 - 4 所示。 计 算 机 计 算 机 闪光灯 嬲缈缪缵嬲嬲即 红外 魄越勉一 图3 3 2 平面试件脉冲激励瞬时状态 闪光灯 表面吸收 电磁辐射 表面吸收 电磁辐射 图3 3 曲面试件脉冲激励瞬时状态图 热传导方程的一维形式为 可a 2 t ( x , t ) 一吉掣j k m 顾d 苏2口a 方程( 3 2 ) 的解为 ( 3 2 ) 1 7 首都师范大学硕士学位论文涂层涂敷质量的红外热波无损检测 毗力2 寿p 一毛 其中c = 去 ( 3 3 ) ( 3 3 ) 式对时间求导，并令塑筹坐= o ，得到在任意工= 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 f 一= 丢 ( 3 4 ) 此时最大温度k = 丽ci l ( 3 5 ) 上面讨论仅局限于半无限大介质，给出了介质内部( z 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3 - 5 所示。 qqq q0qqq 图3 - 4 镜向法示意图 将每一热源的贡献简单相加，得至| i 位于x 处，时刻的温度 ， 一 ( * , - 2 r i d ) 。( x + 2 n d ) 。 m ) 赢+ 孕t 托t 】) ( 3 6 ) ( 3 6 ) 式满足热传导方程( 3 2 ) 和边界条件，则在介质前表面工= 0 处( 3 6 ) 式为 1 8 首每师大学顼位论文 滁层漳敦厦量的n ”热踱无揖检 m 0 2 了去【l ”善。】( 37 ) 上式可分为两项第一项表示试件表面温度随时问的增加而逐渐降低；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 都坡忽略。 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6 所示。忽略高 次反射项后，由( 37 ) 式得在介质前表面z = 0 处 矗= 了菰c 矾牡击尹a 气 t a ( 0 , t ) ( 3 8 ) ( 3 9 ) t o ( o , t ) 图争5 半无限大试件简化图 ( 38 ) 、( 39 ) 两式相减可得材料不同厚度娃对应的表面温差 ， a r 2 ( 仉。一瓦( o ，) 。：7 寺。 ( 3 - l o ) 式( 3l o ) 说明，不同材料表面_ 瑟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溢差最大处对应的温度 变化率为o ，将( 31 0 ) 式对慷导并得0 ，得到最大温差的时间 2 d 2 一2 了 ( 31 1 ) 对应的最大温差为 此= 丽ci i ( 3 1 2 ) 确定了最大温差出现的时何t l ，就可以通过( 3 1 2 ) 式得出缺陷的潦虞信息 塑! ! ! ! ! ! 丝生： ! ! 塑堕! ! ! ! ! 塑塑 在以上理论基础上，可以看出，只要满足涂层材料密度均匀就可进行涂层厚度测量， 关键就是得到特征偏离时间，它与材科的热属性有关。目前，研究得到通过从涂层厚度标 件的对藏降沮曲线比较得到。即同种材料的涂层通过不同厚度涂层标件，标定出偏离时间 与厚度平方关系中的比倒系数。实际检测过程中，采用脉冲加热，涂层与基底界面对热波 的反射影响表面“正常”的对致降温曲线的偏离特征时问( b r e a k i n gp o i n t ) 偏离特征 时间与涂层厚度的平方有根好的线性关系，即r * 材。因此对某种特定涂层，只要预制一 个已知涂层厚度的试件并测量其特征偏离时间，并与时间一厚度平方坐标系原点( o ，o ) 构成一直线，对未知厚度涂层就都可通过测相应的特征偏离时间后通过在相同直线上找出 对应的厚度即可。 倒：在i 7 衄厚的铝基底上喷有四块等面积不同厚度的涂层。圈3 - 7 是4 0 0 m s 时的 检测热图 图3 6t = 4 0 0 m s 红外热波检测热圈 不同厚度引起表面受脉冲激励后温度不同的变化，图3 - 8 给出了图3 7 标示的四个区 域的5 * 5 像素平均得到的归一化的对数温度时间图。由曲线圈3 - 6 可以看出不同厚度对应 不同的分离时间，图h 是四个区域分离时问与涂层厚度的平方的关系曲线- 由此可以看 出特征时间与厚度平方的线性关系印利用红外热波的检铡首都可以通过测量曲线分离点 可以进行相对与绝对的厚度测量。 首都师大学颈学* z 滁层竦薮质量的红井热谊无损拉测 圈3 7 对敦溢度时间曲线四十不同厚度区域在不同时刻与区域4 的温度时蚵曲线分离 r i m o ( s o e ) 图3 - 8涂层厚度的平方与特征时问关系图 检测过程中获得的红外热图像为定量分析缺珞大小及深度提供了丰富的信息。缺陷 的每幅红外热圈像反映了内部缺陷对应表面的温度场分布。下国是沿缺陷热图像直径方向 的温度分布曲线，横轴以像案代表位置，纵轴a t 代袭缺陷对应表面的相对温度( 即相对于 无缺陷部位对应表面温度的差值) 。 一=e)p_】口-鲁c)iu王卜芒i山 首都师范大学硕士学位论文涂层涂敷质量的红外热波无损检测 n l n 2n 图3 - 9 缺陷尺寸测量示意图 图中的a t m 为热分布曲线的极大值，实验中发现缺陷的边缘部位落在第n l 和n 2 像素 点，也就是说n ( n = n 2 n m ) 个像素才代表缺陷的真实大小，同时发现n 1 、n 2 点对 应的t 的值非常接近t m e 。 假设每个像素代表的实际大小为d ，缺陷的真实大小( 直径d ) 可按下式计算：d = n d = ( n 2 一n 1 ) x d 。 对于缺陷大小的检测是基于热图中像素尺寸的测量来确定的，实际实验中首先应该确 定一已知的标尺在热图中的对应长度，可以得到标尺的实际长度与热图中长度的比例。利 用红外热成像系统自带的软件测量热图中缺陷的长度，乘以相应得比例系数，即可得到缺 陷的真实大小。在实际检测中，试件通常告知确定大小，确定尺寸，根据该尺寸，可求出 其比例系数。 首都师范大学硕士学位论文涂层涂敷质量的红外热波无损检测 4 涂