（光学工程专业论文）物体内部孔洞的红外无损检测.pdf

摘要 摘要 常规的检测方法劳动强度大、速度慢、并且可能造成破损，红外热成像检测技术是 无损检测中的一种新技术，具有非接触、快速、准确、直观等独特优势。它是依据物体 的红外辐射表面温度一材料特性三者间的内在关系，借助红外热像仪把来自目标的红 外辐射转变为可见的热图像通过热图像特征分析，进而达到推断物体内部是否存在缺陷 的目的。 红外热成像检测用于各种物体内部缺陷的检测具有广阔的应用前景，但在我国研究 水平尚处于起步阶段，其检测理论还很不成熟，因此，研究红外无损检测具有很重要的 现实意义。本文以检测混凝土试件内部的孔洞为例，通过红外图像分析与处理、有限元 数值模拟相结合的方法，探讨红外无损检测中表面温度差与混凝土内部孔洞缺陷的关 系，为工程利用提供必要的理论依据。具体的工作有以下几个方面： 1 简述了混凝土无损检测的方法，并详细介绍了红外成像检测技术。 2 结合热成像的原理对红外热图像的特征进行了分析，对红外热像进行了必要的 处理：多幅平均、中值滤波( 图像平滑) 和边缘检测( 对比增强技术) ，使经过处理的 原始图像符合定性检测缺陷的要求。 3 简述了有限元理论及热传导问题的有限元研究方法；基于热传导原理，结合红 外热像检测的特点阐述了红外检测的数学分析方法，给出了数值模拟方案，并把大型有 限元分析软件一a n s y s 成功应用于红外检测混凝土试件的定量研究中，提出了从模 拟结果中求解缺陷离检测面距离的方法以及误差分析。 关键字：红外检测，图像处理，表面温度，有限元，数值模拟 a b s t r a c t t h ec o n v e n t i o n a lt e s t i n gm e t h o d sh a v eb i gl a b o ri n t e n s i t y , t h es p e e ds l o wa n dm a y b e c r e a t e d a m a g e s t h ei n f r a r e dt h e r m a li m a g i n gt e s t i n gt e c h n i q u e i so n ek i n do fn e w t e c h n o l o g yt h a td o e sn o th a v ed a m a g e si nt h ee x a m i n a t i o n i th a ss o m eu n i q u es u p e r i o r i t y s u c ha sn o n c o n t a c t ，f a s t ，a c c u r a t e ，d i r e c t - v i e w i n ga n ds oo n i tt r a n s f o r mi n t ot h eo b v i o u s l y t h e r m a li m a g et h a tc o m e sf r o mt h ei n f r a r e dr a d i a t i o nw i t ht h e a i do ft h ei n f r a r e dt h e r m a l i m a g i n gs y s t e mt h r o u g ht h et h e r m a li m a g ec h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i sr e s t i n go nt h r e ei n t r i n s i c r e l a t i o n so ft h eo b i e c tt h ei n f r a r e dr a d i a t i o n s u r f a c et e m p e r a t u r e - m a t e r i a l sb e h a v i o r - t h e n ，w e c a ni n f e rt h ea i mt h a tw h e t h e rt h e r ei sd e f e c ti ni t i n f r a r e dt h e r m a li m a g i n gt e s t i n gc a l lb ew i d e l yu s e dt ot e s to b j e c t si n n e rd e f e c t ，b u ti n c h i n at h es t u d yi sa tap r e l i m i n a r ys t a g ea n dt h et e s t i n gt h e o r yo ft h i sf i e l di sf a rf r o m c o m p l e t e s o ，i ti so fg r e a ts i g n i f i c a n c et os t u d yi n f r a r e dn o n d e s t r u c t i v et e s t i n g i nt h i sp a p e r , w et a k et e s t i n gt h ei n n e rh o l ei nc o n c r e t ea sa ne x a m p l e ，d i s c u s st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n s u r f a c et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ea n dc o n c r e t ei n n e rh o l eb ym e a n so fi m a g ep r o c e s s ，t h ef i n i t e e l e m e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，i tp r o v i d e st h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rp r o j e c ta p p l i c a t i o n d e t a i l sa r el i s t e db e l o w ： 1 s u m m a r i z et h em e t h o d so ft e s t i n gc o n c r e t ew i t hn o n ed e s t r u c t i o na n di n t r o d u c et h e i n f r a r e dt h e r m a li m a g i n gt e c h n i q u ei nd e t a i l 2 a n a l y z et h ec h a r a c t e r so fi n f r a r e dt h e r m a li m a g e sa n dd e a lw i t ht h e mc o m b i n i n gt o t h et h e r m a li m a g i n gt h e o r y t h ei n f r a r e dt h e r m a li m a g e sm e e tt h ep r a c t i c a ld e m a n d so f t e s t i n ga f t e rt h en e c e s s a r yp r o c e s s e ss u c ha sa v e r a g e ，s m o o t h i n g ，e d g ee x t r a c t i o n 3 d e p i c tt h ef i n i t e e l e m e n tt h e o r ya n dc o n d u c t i v ep r o b l e m sf i n i t ee l e m e n tm e t h o d s i m p l y ；b a s e do nt h eh e a te x c h a n g et h e o r y , c o m b i n e dw i t ht h ep r o p e r t i e so fi n f r a r e dt e s t i n g t h en u m e r i c a la n a l y s i so fi n f r a r e dt e s t i n ga r ee x p a t i a t e da n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o np r o j e c ta t e p r e s e n t e d t h es o f t w a r eo ff i n i t e e l e m e n tm e t h o d a n s y sh a sb e e na p p l i e di nt h e q u a n t i t a t i v es t u d yo fi n f r a r e dt e s t i n gs u c c e s s f u l l y u s i n gt h i sm e t h o d ，t h ed i s t a n c eb e t w e e n s u r f a c ea n dd e f e c tc a nb ec a l c u l a t e d k e yw o r d s ：i n f r a r e dt e s t i n g ，i m a g ep r o c e s s ，s u r f a c et e m p e r a t u r e ，f i n i t ee l e m e n t ， n u n l e r i c a ls i m u l a t i o n l i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨盗堡苎盘至 或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：兹知梅签字日期：。7 年f 月j - 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 墨盗墨墨盘堂有关保留、使用学位论文 的规定。特授权墨盗堡兰盘至 可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编， 以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子 文件。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：覆如袖导师签名： 熬煮 签字日期： 0 年1 月歹日 签字日期： 口7 年，月厂日 第一章绪论 1 1 无损检测技术概况 第一章绪论 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。 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 为重要的是它能够作到较高成功率的检验，使制造业的高质量保证成为可能。无损检 测能够对产品设计、材料工艺、加工过程以及成品检验起到很重要的作用。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 r ) ，声学( m a l 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“1 。当今中国国内 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。 1 1 1 射线检测 1 射线检测原理 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。 2 射线检测的特点 可以获得缺陷直观图像，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，不适 宜检验较厚的工件；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，需要加强安全防护。 1 1 2 超声波检测 1 超声波检测原理 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。待检试件可视为均匀介质，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。 2 超声波检测特点 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；适用于检测多种试件，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 第一章绪论 质、晶粒度对检测有影响。 1 1 3 磁粉检测 1 磁粉检测原理 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。 2 磁粉检测特点 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；检测灵敏度很高，可以发现极细小的裂纹以及其他缺陷；检测成本 很低，速度快；工件的形状和尺寸有时难以磁化而对探伤有影响；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。 1 1 4 渗透检测 1 渗透检测原理 零件表面被施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 定的时问，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 件表面旌涂显像剂，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。 2 渗透检测特点 除了疏松多孔性材料外任何种类的材料，如钢铁、有色金属、陶瓷和塑料等材料 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，并一次操作就可 大致做到全面检测，并且可以容易地观察显示的痕迹；同时存在几个方向的缺陷时， 用一次操作就可完成检测：不需大型设备，携带式喷灌着色渗透检测不需水、电，十 分方便现场检测；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。 1 1 5 涡流检测 1 涡流检测原理 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。 2 第一章绪论 2 涡流检测的特点 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 用这个特点可以综合评价工件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 1 6 声发射检测 声发射技术是根据材料受力时材料内部发出的应力波判断材料内部结构损伤程度 的一种新的无损检测方法。它与射线、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。它能连续监视材料内部缺陷发展的全过程。 1 1 7 磁记忆检测 磁记忆检测的原理：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。通 过对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 混凝土无损检测的国内外现状 早在二十世纪三十年代初，人们就已开始探索和研究混凝土无损检测方法，并获 得迅速的发展。1 9 3 0 年首先出现了表面压痕法。1 9 3 5 年格里姆f g g r i m e 0 、艾德 0 m m c 肥共振法用于测量混凝土的弹性模量。1 9 4 8 年施米持( e s c h m j d ) 研制成 功回弹仪。1 9 4 9 年加拿大的莱斯利( l e s l i e ) 和奇斯曼( c h e e s m a n ) 、英国的琼斯( r j o n e s ) 等运用超声脉冲进行混凝土检测获得成功。接着，琼斯又使用放射性同位素进行混凝 土密实度和强度检测，这些研究为混凝土无损检测技术奠定了基础。随后，许多国家 也相继开展了这方而的研究。如前苏联、罗马尼亚、日本等国家在二十世纪五十年代 都曾取得许多成果。二十世纪六十年代，罗马尼亚的弗格瓦洛0 f a c a o a r u ) 提出用声 速、回弹法综合估算混凝土强度的方法，为混凝土无损检测技术开发了多因素综合分 析的新途径。二十世纪六十年代声发射技术被引入混凝土检测体系，吕施饵r u s c h ) 、 格林f a t g r e e n ) 等人先后研究了混凝土的声发射特性，为声发射技术在混凝土结构 中的应用打下了基础。此外，无损检测的另一个分支钻芯法、拔出法、射击法等 半破损法也得到了发展，从而形成了一个较为完整的混凝土无损检测方法体系。 随着混凝土无损检测方法日臻成熟，许多国家开始了这类检测方法的标准工作， 如美国的a s l m 、英国的b s l 均已颁布或正准备颁布有关标淮，其中以a s l m 所颁布 的有关标准最多，这些标准有硬化混凝土射入阻力标准试验方法( c s 0 3 - - s 2 ) 、结 构混凝土抽样与检验标淮方法( c 8 2 3 一- 8 3 1 、混凝土超声脉冲速度标准试验方法 ( c 5 9 7 - - 8 3 ) 、硬化混凝土回弹标准试验方法( c s 0 5 - - 8 5 ) 、就地灌注圆柱试样抗压 强标准试验方法( c 8 7 3 _ _ 8 5 ) 、硬化混凝士拔出强度标准试验方法( c 9 0 0 - - 8 7 ) 、成 熟度估算混凝土强度的方法( c 1 0 7 4 - 墙7 ) 等。此外，国际标准化组织( i s o ) 也先后提 3 第一章绪论 出了回弹法、超声法、钻芯法、拔出法等相应国际标准草案。这些工作对结构混凝土 无损检测技术的工程应用起了良好的促进作用。 二十世纪八十年代以来，这方面的研究工作方兴末艾，尤其值得注意的是，随着 科学技术的发展，无损检测技术也突破了原有的范畴涌现出一批新的测试方法，包 括微波吸收、雷达扫描、红外热谱、脉冲回波等新技术。而且，测试内容由强度推定、 内部缺陷探测等扩展到更广泛的范畴，其功能由事后质量检测，发展成事前的在线检 测和质量反馈控制。 我国在这一领域的研究工作始于二十世纪五十年代中期，开始引进瑞士、英国、 波兰等国的回弹仪和超声仪，并结合工程应用开展了许多研究工作。二十世纪六十年 代初即开始批量生产回弹仪，并研制成功了多种型号的超声检测仪；在检测方法方面 也取得了许多进展。二十世纪七十年代以后，我国曾多次组织力量合作攻关，大大推 进了结构混凝土无损检测技术的研究和应用。现已使回弹法、超声回弹综合法、钻芯 法、拔出法、超声缺陷检测法等主要无损检测技术规范化并制定了相应的规程。总的 来说，我国在这一领域中的研究工作起步较早、基础广泛、成果丰硕，应用普及率高， 在常用的结构混凝土无损检测技术方面的研究和应用水平已处于国际领先地位，但在 新的无损检测技术的开拓方面却比较落后，有待进一步努力“。 1 3 课题的提出及研究内容 红外热成像无损检测是从二十世纪六十年代开始迅速发展起来，并广泛应用于航 空航天、机械、医疗、石化等领域的一种新型无损检测技术m ”1 。自二十世纪八十年代 后期以来，随着计算机数字信号处理技术的发展，红外无损检测己经成功用于金属、 合金、塑料、陶瓷以及复合材料的无损检测中。如洛克希德公司质量工程高级发展实 验室利用a g e m a 红外热成像系统公司的2 7 0 热像仪，有效地探测飞机外壳等层状复 合材料中的缺陷；德国南特大学热动力学实验室用红外热成像技术测定铜板的缺陷； 法国贡比湿工业大学采用振动热成像技术的原理成功地探测和研究合成材料样品中由 碰撞冲击所产生的缺陷和损伤；英国国家非破坏实验中心用红外热成像技术检查核反 应堆、飞机和石油钻井等关键设备及部件的潜在的裂缝，实验证明可大大地减少各种 工程结构的检测时间。如采用超声波技术检查需1 1 分钟时间，采用热成像检测仅仅需 几秒钟，而且不用接触部件，并认为这方法检测厚度不超过1 0 1 5 c m 是适宜的，可 用于任何制品加工过程的检查。国内近年来在这方面的研究工作也发展非常迅速，如 清华大学热能工程利用a g a 7 8 0 热像仪检测f 一4 大功率管管壳的焊接缺陷，表明此 方法具有无损伤、速度快、测量准确等特点。中科院金属研究所用a g a 7 8 0 热像仪鉴 别金属的疲劳损伤以及在测试断裂研究中进行应用，可以定量地测定疲劳裂纹的萌生 和扩展长度。南京金陵石化公司设备研究检测所利用热像仪对石化生产过程的设备内 部物料界面和管线焊缝缺陷进行检测研究，认为红外热成像技术完全可以用于生产过 程检测，状态监测及技术诊断。 混凝士作为最主要的建筑材料之一，已被广泛应用于各个领域“”。混凝土通常是 在工地进行配料、搅拌、成型、养护，每一个环节稍有不慎都会影响其质量。同时， 混凝土在使用过程中受自然因素的影响，也会产生裂缝、孔洞等缺陷，导致重大的安 4 第一章绪论 全事故。近年来，造成了恶劣社会影响和巨大经济损失的大量豆腐渣工程，主要便是 因为混凝土中存在太多隐患。因此，混凝土缺陷无损检测，无论是对于施工过程混凝 土质量的监控，还是对于建筑物使用过程中的安全性鉴定都具有极其重要的意义，是 当今建筑工程技术中的重要课题，也给检测方面提出了新的要求。因此，对其结构进 行健康检测就具有越来越明显的实际意义，从而成为一个重要的研究课题。 红外热像检测技术在建筑材料方面的研究，具有广阔的应用前景，但在我国研究 水平尚处于起步阶段，很多还在摸索阶段，其检测理论还不够成熟，因此，在混凝土 孔洞检测的研究上，使用红外热像检测具有很重要的现实意义。本课题采用混凝土试 件进行实验，对物体内部孔洞的红外无损检测作探索性研究。 本文探讨了物体( 混凝土试件) 内部孔洞的检测方法红外无损检测，对红外 图像进行必要的分析和处理；并基于热传导理论，运用大型有限元软件，对该方法进 行数值模拟，为工程利用提供必要的理论依据，并对定量检测进行了初步研究。 本文的主要内容如下： 1 简述了混凝土无损检测的方法，并详细介绍了红外成像检测技术。 2 结合热成像的原理对红外热图像的特征进行了分析，对红外热像进行了必要的 处理：多幅平均、中值滤波( 图像平滑) 和边缘检测( 对比增强技术) ，使经过处理 的原始图像符合定性检测缺陷的要求。 3 简述了有限元理论及热传导问题的有限元研究方法，基于热传导原理，结合红 外热像检测的特点阐述了红外检测的数学分析方法，给出了数值模拟方案，并把大型 有限元分析软件一a n s y s 成功应用于红外检测混凝土试件的定量研究中，提出了 从模拟结果中求解缺陷离检测面距离的方法以及误差分析。 5 第二章红外热成像技术 第二章红外热成像技术 2 1 红外成像仪 2 1 1 红外成像仪的工作原理 红外成像仪一般是由图2 - 1 所示各部分组成。 传 忡h 量祟 光学透镜 却 图2 - 1 红外成像仪组成 f i g r 2 - 1s t r u c t u r eo fi n f r a r e dt h e r m o g r a p h 将红外线转换成电信号的元件称为传感器，红外成像仪使用的是应答性好的半导 体传感器( 表2 - 1 ) 。这种传感器目前必须在极低温度条件下工作，所以必须用液态氮、 氦气、氢气等冷却传感器。另外也有进行电子冷却的( 冷却温度为一1 9 0 k ) 。以建筑材料 为对象，从操纵角度看，并不限制使用氢气和氮气，但或许使用电子冷却方式更有利 些。 表2 - 1 半导体传感器元件 t a b l e 2 - 1s e m i c o n d u c t i n g $ e i l s o re l e m e n t 传感器元件工作温度( k )红外线应答范围波长( 舢) 铟、锑( p v )7 7 0 6 5 6 铟、锑( p c )7 7 0 7 5 9 汞、镉、碲( p v )7 7 6 1 5 汞、镉、碲( p c ) 2 0 03 1 5 红外成像仪可在有限时间内观测温度分布的情况，而且能用人造偏光板将图像记 录下来。但在探测剥离或孔洞时，还要装入图像处理装置系统，才能得到更准确的结 果。 红外成像仪是利用红外扫描原理测量物体表面温度分布的。它摄取来自被测物体 各部分射向仪器的红外辐射量，利用红外探测器按顺序测量物体各部分发射出的红外 6 第二章红外热成像技术 辐射，然后综合起来得到整个物体发射红外辐射量的分布情况图，这种图称为热像图。 由于热像本身包含了被测物体各部分的温度信息，因此也被称为温度图。红外热像仪 工作原理如图2 2 所示。 垂直扫描镜 水平扫描镜 i一ij 探测单元控制单元 图2 - 2 红外成像仪工作原理框图 f i g 2 - 2 w o r k i n g p r i n c i p l e o f i n f r a r e d i m a g i n g i n s t r u m e n t 图2 - 2 表示被测物体的某一点辐射的红外线能量入射到垂直和水平的光学扫描镜 上，通过目镜聚集到红外线探测器上，把红外线信号转换成温度信号，经放大器和信 号处理器，输出反映物体表面温度场热像的电子视频信号，在终端显示器上直接显示 出来。 2 1 2 红外成像仪空间分辨率及视域范围 红外成像仪空间分辨率是表明在空间分辨最小物体线度的量值，在这里用瞬时线 场来表示空间分辨率，是热像仪静态时红外探测器元件光学系统在物体上所对应线度 大小对应热像仪的空问张角大小。空间张角越小，越能分辨细小的物体。如果要观察 远距离的目标，必须在热像仪上添加望远镜来缩小瞬时现场( 空间张射) 来实现远距 离高精度检测的要求。 视域场范围是表示在视域范围内摄取如图像大小。一般用x 、y 方向视场大小表 示，热像仪所包含的像元素等于视场范围除以瞬时视场，像元素越高，热图像越清晰， 图像质量越高。 2 2 红外热成像系统的类型及其性能 目前市场上的红外热成像系统大致可以下几类： 1 短波设备 短波设备的探测波段3 5 3 m ，范围较窄，离可见光较近，又称为“s w 设备”； 7 第二章红外热成像技术 2 长波设备 长波设备的探测波8 1 3 “m ，范围较宽，离微波较近，又称为“l w 设备”。通常， s w 设备用锑化铟0 n s b ) 作探测元，l w 设备用碲镉汞( h g c d t e ) 作探测元。 对于常温下的建筑材料而言，l w 设备拍摄的图像比s w 设备拍的图像要好，尤 其在天冷的时候。 在红外热成像系统内部，为了探测物体辐射的能量，通常要将探测元冷却到非常 低的温度。常用的冷却剂为：液氮( 沸点：9 5 8 ) ，氢气( 一1 8 5 9 ) ，氦气( - 2 6 8 9 ) ， 热电制冷等等。液氮很便宜，而且能生成高质量的图像，但其弱点是不能长时间储存( 因 为不能密封) 。目前，主要使用循环冷却系统( 用氦气) 或者热电制冷系统( 不需要冷却 剂) 。由于不需要每次拍摄时都充填制冷剂，因此它们便于携带，非常适合用来作建筑 物现场诊断。而且，它们的操作性也己经提高外形更小巧，可用电池操作等等。 至今为止，在建筑材料诊断中，液氮制冷系统和循环制冷系统比热电制冷系统用得更 多，这是因为前者能够提供更佳的图像。 由于目前市场上的红外热成像系统都是通用设备，并不是专门为用于建筑诊断而 设计的，因此需要选择一个最适合建筑材料诊断的型号。即使在现在，大多数情况下， 红外热成像系统主要用来检测工厂中的设备及诊断疾病。而在建筑材料诊断中，材料 的温差很小，要保证测试精度，必须要采用温度分辨率高的红外仪器“”考虑到保 证建筑材料诊断的精度和工作效率，主要从以下几方面来考察红外仪器： 1 最小温度分辨率 通常有剥离、孔洞等缺陷的部位和正常部位的温差约1 。因此，仪器的最小温 度分辨率必须达到0 1 3 2 。 2 瞬时视域 一幅热图是由许多象素组成的，而每个象素点实际上是目标上一个小方块( 亦即瞬 时视域) 温度的平均值。换句话说，瞬时视域越小，所拍的图像越精细、越好。此指标 反映图像中的每个象素代表目标上多大的方块。如果要判断每块砖是否有缺陷，瞬时 视域至少要为o s c m 。如果拍摄距离为5 0 m ，瞬时视域须sl m r a d ，若拍摄距离为2 5 m ， 瞬时视域须2 m r a d 。如果拍摄距离大于以上的要求，可以使用放大功能来收窄视角。 3 视场 如果一幅图像拍摄的视场很窄，就需要花费大量的时间和精力来拍摄、编辑和二 次处理上。 4 存储系统 所有的最新型号仪器都采用数字式存储系统。对于采用1 2 位全量程存储系统的型 号来说，由于不需要在现场严格地调节温度( 因为可以先存起来，在办公室电脑上再 调1 ，就大大提高了工作效率。 5 冷却系统 常用液氮、循环制冷和热电制冷系统。 2 3 红外成像检测技术的特点 红外成像检测技术的广泛应用是与它的许多优点分不开的： 8 第二章红外热成像技术 1 非接触测量，不会破坏温度场； 2 精度高，在一定条件下能分辨0 0 1 的温度差； 3 空间分辨率高，可检测小目标； 4 反应快，可在几毫微秒内测出目标温度： 5 检测时操作简便、安全可靠，易于实现自动化和“实时”观察； 6 在很多情况下检测是被动式的； 7 检测距离可近可远； 8 测量范围广； 9 显示记录方式多种多样、形象直观、判读比较容易； 1 0 能显示缺陷大小、形状和缺陷深度： n 受工件表面粗糙度的影响小； 1 2 检测仪器除热像仪价格较贵外，一般比较简单、价廉。 在对非金属材料、多层胶接结构以及复合材料进行检测时，更能显示出它的特点， 采用主动式检查，可实现非接触、大面积、快速有效的扫描检查，以很高的分辨率查 出工件内部的脱粘、分层、孔洞、夹杂物等缺陷，形象地显示出缺陷的大小和形状并 可获得永久性记录。 红外检测的不足之处是： 1 当检测时受发射率不均匀和背景辐射的影响时，对一些发射率很低的金属表面 在检查前要进行表面处理。例如喷涂发射率高的均匀物质，如防锈底漆铬酸锌、搪瓷、 珐琅质等。这样可使工件表面的发射率归一化，消除因工件表面发射率不同而带来的 干扰，便于加热工件，有利于缺陷的判读： 2 检测灵敏度随缺陷所处深度的增加而迅速下降； 3 不能非常精确地测定缺陷的形状、大小和位置； 4 由于热传导会使缺陷边缘的热图显示扩大和模糊，清晰度变差； 5 ，对厚、大、笨重的工件用主动式方法检测时，加热热源有时难以解决。若用恒 温法加热，则延长了检查时间，以及温度记录曲线的解释困难并且必须有专业操作人 员。 2 4 红外成像检测技术的检测方式 热能作用于待测试件表面之后，表面吸收热能并向试件内传导。当试件内部存在 缺陷时，由于缺陷部位与试件材料的热传导特性不同而引起试件表面温度场的异常分 布“”，此时用热像仪记录试件表面温度场的分布，即可达到检测缺陷的目的。 红外检测按其检测方式分为两大类：主动式和被动式。主动式检测。“是在人工加 热工件的同时或在加热经过一段时间延迟后测量工件表面的温度分布。被动式检测则 是利用工件自身的温度分布来检测工件内部的缺陷。主动式检测又分为单面法和双面 法。单面法是指加热和探测在工件的同一面进行，用辐射计或热像仪扫描并记录加热 后的产品表面温度分布，如图2 3 所示，当工件必须单面检查时，最好从导热性较差 的一面进行。双面法是指在工件的一个表面进行加热，而在其背面( 另面) 记录温度 分布，如图2 4 所示。 9 第二章红外热成像技术 均匀注入的光照或热流，对无缺陷的物体，经反射或物体的热传导后，正面和背 面的表层温度场分布基本上是均匀的；如果物体内部存在缺陷，将使缺陷处对应的表 面温度分布产生变化，对于隔热性缺陷，采用难面检测方式时，缺陷处因热量堆积将 呈现“热点”，相反，采用背面检测方式时将呈现低温点：而对于导热性的缺陷，采用 正面检测方式时，缺陷处因热量传导较快将呈现低温点，相反，采用背面检测方式时 将呈现“热点”。因此，采用红外热像检测技术可较形象地检测出材料的内部缺陷。图 2 3 所示的正面检测方式( 单面法) 常用于检查壁板、夹层结构的胶结质量、复合材料粘 结质量和面砖粘贴质量等；图2 - 4 所示的背面检测方式( 双面法) 可用于房屋门窗、冷库、 管道保温隔热性质的检查等。 ( 无缺陷) ( 隔热性缺陷) ( 导热性缺陷) 反射波入射波 ( a ) 均质体 反射波入射波 ( b ) 非均质体 反射波入射波 表面温度分布 表面温度分布 表面温度分布 ( c ) 非均质体 图2 - 3 表示向物体注入热量，从物体表面辐射状况来测量温度分布的方式( 单面法) f i g 2 - 3m e a s u r i n gt h ed i s t r i b u t i o no fs u r f a c et e m p e r a t u r e ( s i n g l e - s u r f a c e ) 1 0 第二章红外热成像技术 ( 无缺陷) ( 隔热性缺陷) ( 导热性缺陷) 热流方向 ( a ) 均质体 热流方向 表面温度分布 ( b ) 非均质体 热流方向 岚山f 山山山山小+ 山山山山 表面温度分布 表面温度分布 ( c ) 非均质体 图2 叫表示热流通过物体内部的传导，从物体背面测量温度分布的方式( 双面法) f i g 2 - 4m e a s u r i n gt h ed i s t r i b u t i o no fs u r f a c et e m p e r a t u r e ( d o u b l e - s u r f a c e ) 2 5 红外热成像技术的理论依据 红外辐射的性质是红外成像的理论依据和检测技术的重要物理基础。 1 1 第二章红外热成像技术 2 5 1 红外辐射的基本定律 红外辐射除了符合可见光的一些性能外，他还遵循着它固有的特殊规律，这些规 律揭示了红外辐射的本质特性，奠定了红外应用的基础。 1 普雷夫定则 在单位时间内，如果两个物体吸收的能量不同，则它们发射的能量也应不同。这 个能量交换的条件称为普雷夫定则。 2 基尔霍夫定律 在整个热辐射问题里，基尔霍夫定律是一个最基本的定律。基尔霍夫定律所涉及 到的两个量，一个是物体的发射本领，一个是物体的吸收本领。 由于红外辐射是一个波谱区域很宽的辐射，因而物体的发射本领与波长有关。试 验证明，物体的发射本领也与物体的温度有很大关系，因此物体的发射本领是波长和 温度的函数。 物体的吸收本领是这样定义的：物体吸收的辐射功率与到达物体的总辐射功率之 比，称作该物体的吸收本领，也叫“吸收系数”或“吸收比”。当然，物体的吸收本领也 是波长和温度的函数。对于在任何温度下，在任何波长上吸收本领恒为1 的物体，基 尔霍夫把他称作绝对黑体，简称为“黑体”。 基尔霍夫定律可用语言表述如下：物体的发射本领m ，和吸收本领口，的比值与 物体的性质无关，该比值对所有物体来说是波长和温度的普适函数。这个普适函数是 绝对黑体的发射本领。 3 斯忒藩一波尔兹曼定律 黑体的总辐射本领m 。与其热力学温度的四次方成正比，即 f 0 一cj i 毛( a ，t ) d z a t 4 ( 2 - 1 ) 式( 2 1 ) 中m b ，为温度为r 黑体的总辐射本领( w c m 2 ) ：仃为斯忒藩一玻尔兹曼常 数，其值近似为5 6 7 3 x 1 0 4 2 w ( c m 2 k 4 ) ；f 为黑体的热力学温度( k ) ；a 为波长( m ) 。 4 维恩位移定律 在黑体发射本领的表达式中，辐射的频率与温度应以比值的方式出现。即 k r b ，其中b 是与温度无关的常数。 5 普朗克定律 心( a ，t ) - q 2 4p “一1 r ( 2 2 ) lj 式( 2 - 2 ) 中成c 】为第一辐射常数3 7 4 x 1 0 。6 ( w m 2 l ；c 2 为第二辐射常数 1 4 4 x 1 0 。2 ( m k ) ；t 为黑体热力学温度( k ) 。 2 5 2 红外辐射对实体的作用 当红外辐射到达物体表面时，一般要产生三种现象：透射、吸收、反射，即入射 辐射的一部分可以被吸收，一部分可以被反射，一部分可以被透射，假设入射功率为只， 透射功率为，吸收功率为只，反射功率为只，则 第一二章红外热成像技术 只；只+ 只+ 只 ( 2 3 ) 从上述可知，透射功率与入射功率之比是透射率r ，吸收功率与入射功率之比是 吸收率a ，反射功率与入射功率之比是反射率p 。则有f + 口+ p 一1 。 对于高抛光材料，可以认为其反射率为1 ，而吸收能力为0 ，透射能力也为o 。透 明体的透射率为1 ，口+ p 一0 。不透明体的透射率为0 ，口+ p 一1 。 理论上可证明一个物体的吸收系数和它的辐射率是相等的，即口一。 当透射率和反射率均为零时，它的吸收率为1 ，吸收能力最大。吸收能力最好的 也就是辐射能力最好的物体，这就是“黑体”。黑体吸收率为1 ，辐射率也为1 ，即辐射 率t 1 。 但我们周围的物体一般都可用“灰体”来模拟，即辐射率1 ，反射系数p 一0 。 一个物体的辐射率e 决定了它辐射能量的大小，而的大小又取决于材料和表面状况。 即使温度相同的物体，由于不同，所辐射的能量大小是不相同的，若要温度值测得 准确，辐射率必须接近1 或加以修正。修正辐射率意味着通过计算使被测的辐射率接 近1 ，由基尔霍夫定律可知，减小反射率和透射率比例，可形成黑体，例如对任何被 测物体打一个恒温封闭的小洞，或涂上黑漆使辐射率e 一1 。 此外，测量仪器所接收到的红外线，大部分来自目标物体自身辐射出的红外线， 还包括周围物体辐射来的红外线，只有把物体表面辐射率和周围物体的辐射影响同时 考虑，才能获得准确的温度测量结果。 2 5 3 影响红外辐射的主要因素 1 大气的衰减作用 红外辐射通过大气所导致的衰减，主要是因为大气分子的吸收、散射，以及云雾、 雨、雪等其他微粒的散射作用所造成的。根据理论分析，双原子分子转动能级正处于 红外线波段，因而这些分子对红外线产生很强的吸收，大气中水汽、c 0 2 、c o 和0 2 都属于双原子分子，它们是大气对红外线吸收的主要成分，且形成吸水带。因而，在 使用红外热像仪时，要尽量避免目标与热像仪之间水汽、烟尘等的影响，即尽量使这 种气氛对选用的红外线波段没有吸收或吸收很小，则测量就更准确。 2 背景辐射的影响 在对被检测的目标进行红外检测时，除了目标本身的红外辐射，还存在目标对太 阳和环境辐射的反射，以及设备其他部位及周围设备的辐射。 ( 1 ) 天空背景辐射 试验测量结果表明，在接近地平线的低仰角情况下，大气辐射几乎等于处于环境 温度下的黑体辐射。同时，应该注意大气成分对天空背景辐射的重要影响。当大气含 有较多的水蒸汽时，如在雨前、潮湿季节和潮湿地区等，会在水蒸气发射带的光谱范 围内有比较高的天空背景辐射。 ( 2 ) 地面背景辐射 当在高空进行红外检测时，就有了地面背景辐射。地面背景辐射的组成和分布当 然由地面背景的发射表面材料、形状、温度、面积及表面性质决定。 第一二章红外热成像技术 3 物体的辐射率 实际物体红外热辐射的关键是物体的辐射率。物体辐射率的大小与其材料的性质、 温度和表面状态直接有关。 ( 1 ) 材料性质的影响 物体的性质包括有化学成分、化学性质、物理性能和物理结构。绝大多数非金属， 特别是金属的氧化物，它们的红外辐射率都很高；而绝大多数的纯金属正与非金属相 反，它们的红外辐射率都很低。 ( 2 ) 温度的影响 对于温度的影响往往采用实验测定，一般实验表明，绝大多数非金属材料的辐射 率随温度升高而减小；而绝大多数金属材料的辐射率近似地随热力学温度成比例增大， 其比例系数和金属的电阻率有关。 ( 3 ) 表面状态的影响 物体表面粗糙不平时，它的反射率必定大大降低，从而它的辐射率必定大为提高， 尤其是金属材料，其表面粗糙度将对辐射率产生较大的影响。但对于非金属材料而言， 辐射率受表面粗糙度的影响较少，甚至没什么关系。应该强调指出，在物体表面覆盖 的各种薄层，不论是人为的漆膜、涂料或润滑油，还是金属表面的氧化膜、尘埃等污 染层，它们都会显著地影响物体的红外辐射率。由于这种层、膜状态千变万化，不可 能对这种影响进行定量描述，可行的办法仍然是实测为佳。 ( 4 ) 表面颜色的影响 颜色对可见光的发射与吸收有显