（工程力学专业论文）基于ANSYS的锁相红外无损检测数值模拟及分析.pdf

犬连理工大学硕士学位论文 接要 邋凡笨，锁穗熟戒像技术爵经越来越多地耀予近表葱缺殆无按检测。镇相燕或像使 用红外热像仪探测物体表面邋回热波，然后产生热像图，热像图能照泳物体局部热波相 位和振幅的改变。由于热波对材料接触面很敏感，所以锁相热成像适含检测近表面缺陷， 确定材料属性，测量覆盖层厚度。它是通用的无镄评估( n d e ) 技术。特剐地，锁相热 残像受逶仓惩来检测复合耪誊善缝掏l l 】。 为了燮好的迸行镁穗筑辨笼损检测，必须全糯了解镇捃热燕遥憨巾物体内帮结擒改 变对表颟温度相位韵影响，照准确地得到锁相红外无损检测中各参数设置。相对于脉冲 红外无损检测，锁相红外无攒梭测在定量方面的研究还有待进一步提高。在锁相红外无 损检测中，现行定量大多采用标定的方式，但是由予被检试件及其缺陷的多样性，单纯 通过实骏努式定量存在一定麟限健，对一些慧擎饿况，剽用一些预先猿入缺陷样品确定 毪溺参数楚霹篦靛。然瑟露大多数壤嚣来说，麴分屡窝空骧蔌貉实验燕缀建摸痿熬，聚 以通过实骏确定最佳检测参数也很困难。这就需鼹使用理论模型或数假模型确定最佳检 测参数，为制定准确可靠的梭测标准提供依据。 本文瀛于有限元方法，邀用大型多目标通用肖限元分析软件a n s y s 模拟锁相加热 红外无掇捡测过程，分析影响锬相加热红外无损梭测的一些因素，绘搬几种不同类型缺 貉熬有瓣露攘整方洼，莠遨惩m a t l a b 霹蜃续数豢灌孬楚瑾，褥爨掰爱熬数据售惠势 提出了稳疲豹数据处理方式，激磊用法国c e d i p 级乡 成像系统进行蜜验验证。数蓬模 拟结果和察验结果分析比较裁明，运用有限元对锁相红外无损检测进行模拟分析是可行 的。可以用这种方法对锁相效外无损检测的机璎避 行研究，以便预测结构更为复杂、缺 陷类型爨多的物体检测结果，优化检测过程中参数选择，达到最佳检测效果；同时本文 也绘窭? 饺震有限盂方法貘羧镶程热热红岁 无羧徐测懿足令注意事磺，埝当夔模羧缺陷 数学模燮鞠高效赣确静数撵螽簸理方法餐是镁籀筑辨无援检测数毽模叛豹重点。 关键词：镄栩；红外热成像；无损检测；有限冗分析 基于a n s y $ 的锁相红外无掼检溯数值模拟及分析 n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n da n a l y s i so f l o c k - i nt h e r m o g r a p h y b a s e do i la n s y sf o rk d 零 a b s t r a c t kr e c e n ty e a r s 。t h el o c k - i nt h e l m o g r a p h yt e e l m o l o g yh a sb e e ni n c r e a s i n g l yu s e di nn d t f o rs u r f a c ed e f e c t s l o e k - i nt h e m a o g r a p h y 毽s e st i m - r e a li m a g i n g 韬d e t e c to b j e c t si n f r a r e d h e a tw a v i oo f t h es u r f a c e , w h i c hc r e a t e st h e r m a i l l l 盘g o 册a 秘t h e r m a lm a ps h o w i n gl o c a lh e a t 册僻p h a s ea n da m p l i t u d ec h a n g e s n 瞎h e a tw l i v ec o n t a c t $ 1 1 r f a o ft h em a t e r i a li ss e n s i t i v e t ot h ec o n t a c ts l l r f h c eo ft h em a t e r i a l l o c k - i nt h e r m a li m a g i n gi su s e df o rd e t e c t i n gs u r f a c e d e f e c t st od e t e r m i n em a t e r i a lp r o p e r t i e s , c o a t i n gt h i c k n e s sm e a s u r e m e n t i ti sac , o l n l 3 1 0 n n o n - d e m a e t i v ee v a l u a t i o nd l d 聊t e c h n o l o g y i nl 糍 t i e u l a r , l o c k - i nt l a e r m o g t a p l a yi si n o r e s u i t a b l et od e t e c tc o m p o s i t em a t e r i a ls t i u c i i , i i 汜 t ob e t t e rc ：i i i t yo l l tl o c k - i ni n f r a r e dn d t , i tm u s tt o t a l l yu n d e r s t a n dt h el o c k - i nd 载x ；e s so f h e a t i n go b j e c t so nt h es u r f a c et oc h a n g et h ei a t e m a ls l a - u c t u r eo f t h ep h a s e ，t ob er n o l ep r e c i s e i n f r a r e dn d tp a r a m e t e r s 毗n g c o m p a r e dw i t hp u l s e di n f r a r e dn d t ，t h el o c k - i ni n f r a r e d q u a n t i t a t i v es t u d i e sh a v et ob ef i m h e ri m p r o v e d l o c k - i nn o n d e s t n , l c t i v et e s t i n g , c a l i b r a t i o n u s i n gm o s to ft h ee x i s t i n gq u a n t i t a t i v em a n n c l , b u tb e c a u s eo ft h es e i z e ds a m p l e sa n dt h e d i v e r s i t yo fd e f e c t s , t l m e 粼e e r t a i 立l i m i t a t i o n st oi d e t i f yo n l yb ye x p e r i m e n t , s o l t n l e p r e - i m p l a n t a t i o nd e f e c t su s i n gs a m p l et e s t i n gp a r a m e t e r si d e m i f i e di sp o s s i b l e b u tf o rt h e m a j o r i t yo fe a s e s s u c ha sd e l i m i t a t i o na n d t h eg a pd e f e e ta r ev e r yd i f f i c u l tt oi m i t a t e s oi ti s v e r yd i f f i c u l tt od e t c r l n i n ct h eo p t i m u mp a r a m e t e r st h r o u g he x p e r i m e n t 嘲sr e q u i r e st l a eu 辩 o f t l a e o r e t i e a lm o d e l so rn u m e r i c a lm o d e lt e s t i n gt od e t e r m i n e 也eo p t i m u mp a r a m e t e r sf o r t h e d e v e l o l m a e l a to fa c c u r a t ea n dr e l i a b l et e s t i n gs t a n d a r d sp r o v i d et h eb a s i s , a n dt l a e r e t o r e r e q u i r e s 靠t h e o r e t i c a lm o d e lo fe f f e e t i v es u t f a e l 捌飘掘纛辩r e c o n s t r u c t i o nt od e t e r m i n et h e c o r r e c tw a y sa n dm e 懿o f s i m u l a t i o n b a s e do n t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d , i tu s e sl a r g e - s c a l ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w l t 坨 a n s y st os i m u l a t el o c k - h e a t i n gi n f r a r e dn d t p r o c 燃s 。t h ei m p a c to fp h a s e l o c k i n gi n f r a r e d h e a t i n gn o n d e s m 刎v et e s t i n go fan u m b e ro ff a c t o r s ，a n ds e v e r a ld i f f e r e n tt y p e so fd e f e c t s 玳g i v e n 坶t h ef i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o nm e t h o d s i t1 1 辩sm a 瓢a bl op r o c e s st l a e f o l l o w - t 攀d a t a , o b t a i n e d 酶t h ei n f o r m a t i o na n dt h ec o r r e s p o n d i n gd a t ap 愀s s i n g f i n a l l y , f r a n c ec 驺di n f r a r e di m a g i n gs y s t e mf o re x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o nr e s u l t ss h o w st h a tt h e u 辩o fl o c k - i ni n f r a r e df i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o no fn o n d e s t r u c t i v et e s t i n gi sf e a s i b l e t h 砖 m e t h o d b eu s e dt ol o c k - i ni x l f r a r e dn i ) to nt l a em e e h a i s mt op r e d i c ts t n l e t u r el n o l t 世 一l l 茎塑竖塑望鲨娃 c o m p l e x , m o l et y p e so fd e f e c t ss p e c i m e nt e s t 犯s l l l 戗郇咄艇i z 黼o no fp r o c e s sp a r a m e t e r st o a c h i e v et h eb e s td e t e c t i o nr e s u l t s i nt h ee n d , t h i sp a p e rp mf o r w a r dt h eu s eo ff i n i t et h e 颦努l o j 啦m a t h e m a t i c a lm o d e ls i m u l a t i o nd e f e c t sa e c u r a i ea n de 燕c i e n td a t ap r o c e s s i n g m e t h o di ss t i l ll o c k - i ni n f r a r e dn d tn u m e r i c a ls i m u l a t i o nf o c u st os i m u l a t et h ep r o c e s so f l o c k - i nt h e r m o g r a p h yb yf i n i t ee l e m e n tm e t h o d k e yw o r d s ：l o c k - i n ；i n f r a r e dt h e r m o g r a p h y , n d t ；f e m i i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意 作者签名： 熬孟维 日期：丝珏! l 之 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及觜导教师完金了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文叛权获蘧怒定”，弱意大连理王大学保簪并鑫謇家煮美赘露或瓤枣每送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数掇库进行检索，也 可采月影印、缩印或翻撼等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：盈生垒 鞴签名：鱼垒丝 圃年l 月2 - 日 太连理麓火学硕士学位论文 引言 1 8 0 0 9 荚嚣懿天义学家赫落耳翻融穗e 1 ) 在磅究太阳七色毙豹燕效应酵，在簿葱毙谱 的红光外侧发现了一种人眼看不见的射线。这种射线被称为“红外线”，也称“红外辐 射”或“热辐射”。红外辐射是波长范围在0 7 5 u m 到1 0 0 0 u m 的电磁波，存在予臼然界 的任何一个角落。一切温度高于绝对零魔的，有生命和无嫩命的物体时时刻刻都在发出 缎辨辐射，根据波长不同通常分为近缎纷o _ 7 5 瑚广- 1 5 u m 、中红羚1 5 u m - - 1 0 t a n 、远红 终1 0 u r n - - 1 0 0 0 u r n 黧今浚爱国。 红乡 辐射是妇街俸的温度、材辩成份及表面条件决定的。物体发出的红外辎射载有 物体的特征信息，利用红外热成像技术w 将人眼不可见的级外辐射转化成可见的温度图 像。作为最方便的撵测温度场分布的方法，在过去的三十年问，红外热成像技术快速发 艘并得到了广泛应用。特别是用于军事技术、医疗诊断、遥麟遥测、无损捡测铸领域， 懑经产生了巨丈戆缝菠帮社会效蓥。元袋捡爨爨如s l r 蛀wt e s t i n g ) 筵豫n d t ，裁是 不破坏、不损伤受徐物体，对它静往能、质量、有无跨豁缺陷进行检测。无损梭涮技术 是利用物质的菜热物理性质因存在缺陷溅组织结构上的麓舜而使其发生变化的这一现 象，在不损伤被梭物使用性能及形态的前提下，通过测量遮擅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；鸯；、质量或内部结构镶躺一种特殊的检测技术。 无损捡测豹斑瘸瓣极包括产晶豹设诗酚段、铡造过程、以及残品豹捡验帮程线在役 梭鲞，获产品酶设诗到在线篌焉豢离苓弹笼凝检溅。无摸棱溯豹应蘑对象是卡分广泛戆， 包括各类材料( 众麟、非金属等) 、番种工件( 焊接件、锻件、铸件等) 以及务种工程 ( 道路建设、水坝建设、桥梁建设、机场建设等) 等。 红外无损检测怒一种非接触式的光损检测手段。它是利用红外辐射原理对z 件表而 避雩亍检测，扫接记豢被检铡工件表蘧由于橡终内部的损伤、缺陷与材料不同豹熬饿能所 零| 起豹温度交往，遴避滠痉场懿分爨来髑瑟穆辞蠢部豹簌聚麓接侮豹整耋、大套鞠瞧震， 在复合材料结构梭测中具有广阔的应用髓景。 基子a n s y s 媳镪鞠级耱茏擐检瓣敦辔饕敬爱分析 1 绪论 1 1 课题工程背景 无损检测( n o n d e s o u c t i v et e s t i n g ) 简称n d t ，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、产品和设备构件的憔成、状态、 质量或内部结构、有无缺陷等的一种特殊的检钡4 技术。 近年来，复合材料在各领域应用越来越广泛，目前与金属、高聚扬、羯瓷并列为4 太 糖搴； ，驮其发震速度和怒辏、应震藏瓣、怼觋我辩学技本及生产逶步的影响熬撼动，骇 及箕叁奏戆甏学硬究潦痉雾广发等渗秀嚣寒番，凌霞复合耱凝镶壤孛爨敬缮瓣袋魏，怒 过了人类历史上掰营使用过豹 主侮类凝豹耪辩，戮至于一个国家或建嚣豹笈套耪辩王照 水平，已成为衡量其科技与经济实力豹标志之一翻。然面由于在复合材料割彳串豹制造和 使用过程中会产生各种缺路与损坏，影响了复合材料的可靠性，制约了复合材料的应用。 因此需要一种快捷、高效、方便的光损梭测方法对其进行检测。由于复合材料对热流具 有高阻力特性，高的热辐射率，温度的改变相对较缓慢，在具有一定的热输入的情况下 进行试验时，热平衡也要慢些，根据麓含材料的这一特性，红外无损检测便成燧而生了， 并在后来的红外热成像技术在复合材料冤损检测中能取得很好的效果。 美国于6 0 年代开始应用红外技术方面的应用研究，主要用于金属、陶瓷、玻璃、 骧辩、橡胶帮发动辊喷管胶接质量靛捡骏。美国空闻动力系统g d s s 扶1 9 9 4 簿怒藏用 t n d t 砖a t l a s 空竭发袈舱复合毒孝糖浆糕麟遴纾捡溅，基兹红强无鬏捡藏憋经纛式瘦弱 子燕产检测。美国戆a 3 必甏警采麓旋矮猃嚣。美国无损硷灏学会还裁定ta s n t 拣准。 勉辨，缀罗额角u k - 1 0 i i 型莰邃热像仪姥森矗墼辩一金属塑辩胶获络翰巾1 0 m m 1 0 m m 的粘脱。美国、加拿大、焚潮、瑞典和丹麦等国已经将t n d t 技术成功的应用 予高压输电线路的航检，并引入了自幼跟踪系统。丹麦从1 9 8 0 年起就普遍遴用红外技 术对电力系统进行检测。现阶段，我豳红外无损检测技术已经得到了广泛的威用。主要 威用于钢铁工业、石油、化工、电力龇及医学上。并且在其它方面也发挥了积极的作 用，所以研究如何在工程中定量、精确、高效的进行红外无损检测，成为各豳研究的热 点，本课题正是在以上工程背景的熬础上开展起来的。 大连理工大学硕士学位论文 1 2 传统无损检测局限性 撵美溪嚣家字簸嚣谖谚分撰，获为无蒺检溅霹势必六大类约粥众秘。在实际瘟蔫 中沈较常见的有以下几种：篱先是五种常规无羧检铡方法，包捂怒声检铡u l u - a s o n i c t 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 e t e s t i n g ( 缩写m r ) 、渗透检验p e n e t r a t et 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 ( 缩写肼) ；此外，非常娥黑摄检测技术有声发射a c o u s t i ce m i s s i o n ( 缩写a e ) 、溅 瀑捡测l e a kt e s t i n g ( 缩写l t ) 、光全患照提镛瞧蘑h o l o g r a p h y 、筑乡 热癜像i n f r a r e d t h e r m o g r a p h y ，镦渡检蔫m i c r o w a v et e s t i n g 。 常规的无损检测技术例如超声波探伤、声发射射线探伤、磁粉和渗透探伤等的研 究已经很成熟，但对复合材料的检测仍有其然有局限性，而红外无损梭测技术正是顺应 了这种发展趋势；从功能上餐，红外无损检测技术非常适合检测和监测裂纹、锈蚀、脱 粘等一类疲舅损侥静发展往缺臻；麸性能上看，爨骞块遮、蕊测蘑欷犬、直褒、准确、 # 接皴等特点谯势，逵会予矜绣应用、在线在铰稳溺鞠。 通常成用于复合材料的光损检测技术包括：越声方法、声发射检测、射线检铡方法、 表面渗遴方法和红外成像法等。 声发射检测时必须把材料结构置于一定的载荷环境中，这对于某熄成品构件和装配 好的产晶来说是不现实的，掰鼹其检测结果多数怒获褥与强度有关既定性数据。表耍渗 透只戆发溪表嚣秀蜀臻貉，笼滚检测复台耪瓣戆分藤蔌貉。超声器x 麓线猃嚣是嚣秘重 要豹复会材料无损检测技术，怒声方法特别是超黟c 扫描能可靠地捡出复合材料中的分 层、疏松、孔隙等大部分危除性缺陷，但检测效率较低。x 射线检测能发现材料厚度或 密度1 一2 变化的缺陷，假对于复合材料较易出现的分层缺陷不敏感。基于温度场分 布原理的红外热像检测技术，因其具有非接触、埘太而积扫描、快逡镣特点，将成为复 合麓秘缝擒茏蔹检测戆毫效、快速方法翻。 1 3 缀外无损检测的或阕领域 红外觅损检测应用范围广泛，最初出于军事圈的研究和发展起来的，后来被广泛应 用于电力和铁道行业中对设备热状态的检查和故障诊断目的，现在逐渐扩展到航空航天 领域内慰复会材辩内部缺陷的检测戬及对涂层的怒嚣测量阶段。另外嫒夕 热像技术的其 宅塞矮穗分广泛，麴建筑蘩貔译嚣、森蕻薮火、农终兹弯耪、建震颈缀磅究、霾傣秀 学、遥感她质勘探、医学熟像诊断等等。箍着电予计算机和信息处联技术的飞速发展， 这一技术在近年来得到了前所来有的发展，应用领域大为扩展【3 】。 基于a n s y s 的锁相红外无损检测数值模拟及分析 a ) 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。 ( 2 ) 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。 ( 3 ) 新材料( 特别是新型复合结构材料) 研究。对其从原材料到工艺制造、在役使 用研究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。 ( 4 ) 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、承载装置表而及表面下疲劳裂纹的探测。 伯) 各种粘接、焊接质量检测；涂层检测；各种镀膜、夹层的探伤。 ( 7 ) 测量材料厚度和各种涂层、夹层的厚度。 ( 8 ) 表面下材料和结构特征识别与表征。 ( 9 ) 运转设备的在线、在役监测。 1 4 课题研究方法 数值模拟仿真是人类认识世界的新手段。自理论分析与科学实验之后，数值模拟已 成为人类认识世界最重要的手段。它主要用来解决以下两类问题：不可能进行实验的问 题，进行实验代价太大的问题。同时它又融和了理论分析和科学试验的特点，数值模拟 q s 真已经不再局限于科学计算，正广泛被用在科学研究，工程与生产领域。 同实验法相比，数值模拟法可以在即使不具备实验条件的基础上对课题开展深入的 研究，节约大量的实验成本。更重要的是数值模拟法可以模拟红外成像的过程，获取有 用信息，对于掌握加热规律以及研究内部机理都是十分有利的。随着计算机时代的到来， 人们越来越意识到数值模拟的重要性，并使之得到迅速的发展和广泛的应用【5 】。 本文借助大型有限元通用软件a n s y s 完成上述数值模拟过程。利用热像图和 a n s y s 云图的相似性，用a n s y s 模拟实际加热情景，边界条件作为热源，从中得出 物体内部温度场的分布，用动态方式观察其变化，并导出某一点的时间韫度历程数 据，用m a t l a b 对数据进行拟合、傅立叶变换，得出这一点温度的振幅和相位信息( 主 要是相位信息) ，然后判断是否有缺陷发生，进而从定量上进行分析。对数值模拟结果 进行实验验证，通过大量实验，得出有用的数据，并对两者进行分析，实验验证和理论 分析相结合。 由于红外热像仪的价格昂贵且寿命有限，使用费用很高，因此，最大限度地缩短检 测时热像仪的使用时间很有意义，具有实际应用价值，同样的采用有限元方法对红外热 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 像检测过程进行数值仿真研究，是优化检测条件、缩短检测时间、确定最佳探测参数的 有效途径【刀。 1 5 锁相红外无损检测的研究现状 目前，在红外无损检测的技术推广方面，受到了设备价格高、可选择性低等条件制 约，多数有需求的单位在短期内还无条件采用甚至尝试应用这一技术。此外，红外无损 检测技术涉及红外遥感、熟传导、光学、材料科学、机械设计、电路设计、计算机软件 设计等多方面综合知识，需要有无损检测尤其是现场工作的实际经验，需要了解实验设 计、实验实施的技巧和方法。而检测对象和允许的检测条件多数情况下是独特的和个性 化的，解决大量实际应用问题还无章可循，因此仅仅依靠设备常常无法得到满意的结果 【3 l 。 在国外，以加拿l a v a l 大学的x a v i e r p v m a l d a g u e 教授为代表的一大批研究人员， 如德国斯图加特大学的d i l l e n z a ，日本的阪上隆英、法国的p a t r i c k g o r r i a 、英国的 v d a t t o m a 等，对材料或构件中缺陷的红外热像无损检测进行了大量研究。美国韦思州 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。f a a 在1 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，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、洛克希德， 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2 0 世纪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 无损检测问题网。 在我国，北方交通大学、东南大学、华南理工大学、西安交通大学、天津大学、清 华大学、哈尔滨工业大学等单位的研究人员，对此进行了较为系统而深入的研究工作， 取得了一些很有价值的研究成果，为材料和构件的状态检测与评价奠定了理论和实验基 础1 4 。首都师范大学、北京维泰凯信新技术有限公司、北京航空材料院在首都师范大学 物理系建立了一个联合热波实验室，现在初步实验条件已经具备，井已经展开实验，获 得了一些有实际意义的成果。 国内一些研究由于起步比较晚，加之硬件设备不足，造成整体水平较发达国家偏低。 而对红外无损检测的研究主要集中在脉冲加热方式上，并以数值模拟和实验的相结合的 方式对其进行，且已经具有了一些成果，如复旦大学梅林等人做的脉冲加热红外热成像 无损检测的有限元模拟及分析和脉冲加热红外无损检测中的图像处理，电子科技大学薛 书文等人做的脉冲红外热成像无损检测的物理检测机理和脉冲红外热成像无损检测系 基于a n s y _ s 的锁相红外无损检潮数值模拟及分析 统分辨力研究，而对锁相红外无损检测的研究方面还处予起步阶段，仅有少煮的实验研 究，所以对理论和数值模拟方式展开一些工作追在眉睫。 1 6 本文主要王俸 本文主要通过数值模拟方法分析调制加热物体内部濑魔场变化机理，对锁相过程的 温度场和表面温魔相位的变化进行深入地研究，利用有限冗方法对红外检测i 建程进行仿 真模拟可以迅速确定出缺陷的信息特缎，为分析熟像图提供理论依据；并最大限度地缩 短检测露红终热豫仪魏镬溺对闼。 主要有鞋下咫方嚣： ( 1 ) 基于大测肖限元分析软件a n s y $ 对物体迸行热分析。通过分析得出调制加热 情况下物体内部温度场的变化规律，并和实验结果进行对照，探索是否能进行有限元数 值模拟。 动在可行豹鼹箍下，透过数值模羧找出材辩以及捡测警段对无损检测豹影嫡邃素， 遴嚣秀工程捡溺撬供依据。 0 ) 对镄褶级夕卜无损检测的祝理避行研究，以便预测结构更为复杂、缺隐类塑l 更多 的物体检测结果，优化检测过程中参数选择。 ( 4 ) 用锁相筑外无损检测系统进杼实验验证，并与数假模拟结果相对比，找出数值 模按存在的闷题，遴蔼修正完善数毽模拟方法。 ) 慧缕零魏羧豹工痒，莠嚣今鬃潆邃懿发爱提出囊纛夔建议。 一巷- 大连理工大学硕士学位论文 2 红外无损检测的基本原理及特点 2 1 基本定律和理论 2 1 1 斯蒂芬渡尔兹曼定律( s t e f a n b o l t z m a n nl a w ) 高予绝对温度零度的任何物体都会不停地向外界发出热辐射，1 8 7 9 年j 斯 蒂芬逶过实验求出黑体总辐射秀鞫温度之闯关系的建雄。1 8 8 4 年己玻尔兹曼又由 熬力学定德燕戳证实。定律袭鹤：爨俸懿慧疆籍力驴窝黑俸热力学激寝f 静4 次 方成正比。即灰体辐射满足新蒂芬渡尔兹曼定律： 矿= 曰叮r 4( 2 1 ) 式中：e 灰体发射系数 萨一新蒂芬玻尔兹受常数( 5 。6 6 4 粉 4 k 。) f 篼簿滋废 各种材料的发射系数是不褥的。一般来说，众瘸鹩发射系数较低，而非金属的发射 系数较商，发射系数的高低对脉冲红外热成像无损检测的分辨力影响比较大。但对锁相 红外成像凭损检测影响不犬。 2 。1 2 傅轰卧定肇 饕叟盼涮磅于1 8 2 2 筝绳密了著名熬萼热蒸本定终薅立跨宠簿，指出了导燕燕 流密度失激与温度梯度之间的关系。即： 巩x ，f ) ；一k v t ( x ，t ) ( 2 2 ) 式中g g ，r ) 表示单位等温糯上在温度降低方向上单位时间的热流豢，七为材料的导热 系数，v 联毒，t 为温度梯度。傅立时定律揭示了热溅蠢与温度梯度乏闯黥关系。 簿立盼定律夔逶强条痒：瀵惩予各悫嗣往物髂，雹菇稳态温度殇秘簿稳态温度瑗 对于各淘舜性物体，热流密发矢量的方向不仅与灏度梯度有关，还与热导率的方向性有 关，因此热流密度矢量与温度梯度不一定在同条赢线上 2 1 3 周期温度场 像鬟力场、速度场一样，物体孛存在温度鲍场，称为遗度场( t e m p e r a t u r e 蠡l e 国，它 是各个辩剡物俸孛各赢疆发掰缀或懿集合，又称为溢废分毒( t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n ) 。 一般地说，物体的温度场是墩标与时问的函数，湖： t = f ( x , y ，：，f ) ( 2 3 ) 基于a n s y s 的锁相红外无损检测数值模拟及分析 温度场可以分为两大类：一类是稳态工作条件下的温度场，此时物体中各点的温度 不随时间而变，称为稳态温度场或定常温度场( s t e a d yt e m p e r a t u r ef i e l d ) ；另一类是工作 条件变动时的温度场，温度分布随时问变化，这种温度场称为非稳态温度场，亦称非定 常温度场或瞬态温度场( u n s t e a d y o r l r a n s i e n t t e m p e r a t u r ef i e l d ) j 。 在周期性变化边界条件下，导热物体内部将形成周期变化的温度场( 非稳态温度 场) ，且具有温度波衰减；温度波时间延迟及传播等基本特征，这里以半无限大物体周 期性变化边界条件下的温度波为例说明周期性非稳态导热的基本特征。 ( 1 ) 数学模型及分析解 0 2 0 10 0 缸2a 疣 当x ：伽寸，0 ，：4 c o s ( - 争) 当x 一时，0 = 0 当f = o 时，壁面温度己知( 4 ) ，壁内温度分布待求。 温度黼帆e 一序一 序 汜t ， 边界处热流通量：= 以罢l = 筹s ( 等r + 三) c z ( 2 ) 换热特征分析 温度波的衰减：4 = 4 e v ，定义衰减度：v = 争= p 叫孑。 温度波衰减的影响因素 热扩散率口：热扩散系数大，波的衰减缓慢； 温度波周期t ：波动的周期越短，即频率越高，振幅衰减越快，探测的深度越小： 传播距离了：温度波影响越深入，波的衰减越缓慢。 温度波的相位延迟：体现为落后一定的相位角。 一引：滁：等压 汜e ， 温度波时间延迟的影响因素 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 热扩散率a ：热扩散系数大，波的时间延迟缓慢； 温度波周期r ：波动的周期越短，时间延迟越小； 传播距离工：温度波影响越深入，时间延迟越严重。 ( 3 ) 温度波向半无限大物体的传播特性 不同时刻，相同工处的温度波均是简谐波。如图2 1 所示。 图2 1 不同时刻相同位置处的温度波图 f i g 2 1 t h es a m el o c a t i o nt e m p e r a n m ：sw a v eg r a p ha td i f f e r e n tt i m e 相位延引：争压 幅值衰减：4 ：4 p 叫斧 j f 同一时刻半无限大物体中不同z 处的温度分布也是一个周期性变化的温度波， 但其振幅是衰减的。如图2 2 所示。 n 图2 2 同一时刻不同位置处温度波曲线圈 f i 舀2 2 t h es a m et i m et e m p e r m m e sw l i v cg r a p h 址d i f f e r e n tl o c a t i o n 基于a n s y s 的锁相红外无损检测数值模拟及分析 ( 4 ) 周期性变化的热流波 周期性变化边界条件下，半无限大物体表面的热流通量也必然是周期性地从表 面导入或导出，而且表面热流通量波比其温度波提前r d 4 相位，如图2 3 所示。 量 时 图2 3 表面热流通量波比其温度波提前4 相位 f i g 2 3 t h es u r f a c f l u xh e a tz 4p h a s eb e f o r ei t st c m n p c m u r ew s v e 2 1 4 红外成像基本原理 红外线是介于可见光和无线电波之间的电磁波，其波长范围为0 7 6 1 0 0 0 u m ，工程 上常用的红外线约在波长0 7 6 1 2 u r n 范围内。 任何物体，当它的温度在绝对零度( o k 或2 7 3 c ) 以上时，就会发射红外光线。b 口使 物体的温度较低，以红外线辐射形式发射出来的能量也是很可观的。利用物体的这种特 性，用专门的装置( 目前广泛采用的红外热像仪) 来感受物体发射的红外线辐射能，就能 够灵敏、精确的检测出目标物体的表面温度，从而探查出它的内部缺陷。当工件受到外 部的热激励或周期性的载荷时，如果工件内部有缺陷，由于缺陷部位阻挡或加速均匀热 流，使工件局部表面的辐射能( 温度) 出现微量的变化。红外热成像技术( h 丘翟r e dt h e r m a l i m a g i n g ) 或称红外热图技术( i n f r a r e d t h c r m o g r a p h y ) ，利用红外辐射原理，通过测取目标 物体表面的红外辐射能，将被测物体表面温度的分布转换成形象直观的热图像( 灰度图 或彩色图) ，只要能检测出这种温度变化，即可判断工件是否存在缺陷。 2 2 红外无损检测硬件和软件构成 红外热波无损检测技术的核心是针对被检物的材质、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 大连毽z 大学硕士学位论文 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倍号进行 臻捉积数据采集，激建专用蔌俘进行实辩图像信号处理和分耩势最终显示检测绻果j 怼予不弱教羧溯耪、检测丽凌窝条耱，蓑要奏铮霹毪琢 受诗采震夫功搴闵必斑、踅 声波、激光、t h z ( r r h z = - 1 0 0 0 0 h z ) 波、热风、电磁感应、电流、机械振动等方式的热激 励手段，相应的机械装置和控制装置殿编写控制和图像数据处理软件。 2 2 1 热源 茳势热熟熬热源一般高能球i 申，凑缝闵光灯，蠹素灯镣。雀主动红羚无损检测孛， 煞源魇激承豹滠囊场豹特性将会耋揍影糖到检测蘸陷夔效果。鑫蘸需擂豹蒸激凝方式有 等离子喷注、直接火焰、热空气喷注、筑外灯、激光器等网。 本文研究实验过程中使用卤素灯。充有溴碘等卤族元素绒卤化物的钨灯称为卤素灯 成卤钨灯。它是新一代白炽灯。为提高囱炽灯的发光效率，必须提高钨丝的温度，但相 墩会造成钨的蒸发，馒玻壳发黑。在自炽灯中充入卤族元豢蠛蠢纯物，利用蠹镑循环的 瓣瑾霹鞋涛豫自炽斑戆玻壳发黑褒象。滋予蠹素露孛钨戆蒸发受到奏效懿翔髑，魏之蠹 钨循环消除了玻壳发熊，卤素灯灯丝静激度就可大大提高( 瀚达3 0 0 0 ) ，便藤索灯的 发光效率远比普通囱炽灯高。 2 2 2 红外热像仪 红外热成像纹囊糖部分组残：一部分楚光瓤头部分，耱誊子电视摄像规，其功能是 摄取捡测嚣拣发爨豹筑舞疆翁，著转交隽耄信号；舅一罄分楚鬟示部分，稳当予惫凌橇， 箕功能是将光机头部所摄取的红外线谯驻像管上显示可见的图像。 在红外技术、材料技术和微电予技术等的推动下，红外热成像仪经历了从单元到多 元、从多元到现在的焦平面的发展过嘏。测温灵敏度由o 2 到目前的0 0 2 c ，空间 分辨率由1 s m r a d 猁0 1 m r a d 。目前的熬平面红外熟成像r ( f o c 越p l a n e a s s e m b l y f p a ) 茭骞搽溺元数大，搽潦信号赘读凄与蹙爨圭与搽嚣器茎冀曩涟一超夔集残毫黪宠蔽戆秀 犬特征。这些大大的提高了探铡速度鞠减小燕像仪的体积秘麓羹。目前美国f l i r 、法 嗣a l t a i r l i 和日本n e c 等公司已缀批量生产焦平面热像仪，国内武汉高德电气也在 研究生产同等热像仪1 9 1 。 2 2 3 信号处理系缝 经努无豢硷测戆嫠号系统圭要骞纛帮分缝藏：羲入绩号熬控裁系统，过纛控簇系统 釉结果数据处理系统。输入信号控制系统主要是加载激励信号方式的控制，如麓脉冲信 号还是正弦周期倍号等等。过程控制系统主要是设置检测过程中的一些参数，如脉冲检 基于a n s y s 酌锁籀红夕曛损检测数值模搬及分析 测时问的控制，锁相检测加载频率和掇取周期的控制等。结果数据处理系统般是对检 测所成图像迸彳亍分耩处理，如对温度蠛毯图和相位图进行处毽等，判断是否脊缺陷发生， 然蓐霉窭歪臻熬梭灏结果。 2 2 4 红外无掇檎测的软件构成 随着红外热检测成像系统等硬件的发展，数字信号处理在红外热检测中得剡大量应 用，如人工神经网络、傅立叶分析、小波分析、图像处璁婶分析等现代数字倍号处理手 段已经开始应用予遮一领域。嚣安交邋大学的梅转撼在缎强热检酒与评价巾缺陷定量 纯方嚣骰了深入囊缀致豹工终，将经终熬捡嚣窝瑷茂磐熊纯售惠筵霪方法裰缝合，挺窭 了红外视觉概念，从理论到实践探讨了智能化、自动他缎外视觉检测所要解决的问题。 东北大学的姜月秋与中国科学院金属研究所的黄毅开发了基于w i n d o w s 平台的红外图 像处理软件系统。该软件的基本思想鼹将两张不同压力祭件下获得的图片进行格式解 析，将各点颜色饿瓣废为相应的温度，利用各对应点温度的熬毽生成薪b m p 格鼗t e s c c 踅冀，然惹薄该溪凳透露分辑。羞聪秀窖器豹壁浑不鹭镯，翳密瑰瘟力集审送壤，帮 t e s c c ( 红外圈像安全检测系统) 红辨隔像区域的温度魄箕饱区域大，被显承为不同于 正常区域的颜色，然后设定材料各项参数，计算出该区域的t e s c c 系数，并掇据需要 给出鉴定结果，饿检测结果更直观地袋达出来。随着高逋、高像元、高灵敏魔红外热像 仪的出现及计算机数字信号处理技术的发展，涌现了许多新的红外检测技术，如脉冲电 褫熬或豫、l o c k - i n 弱步蒸残像技零、躲泞稳篷热或缳、煞簇撰法、燕渡成像法、双波 段红井热豫法、熬怒声混合激励热竣像法等f 嘲。 2 3 红外无损梭测分类 2 3 1 按有无源辐射划分 红乡 热或缳授零鸯多静形式，按照箕骞无静翔热源可分为骞源热疆齄帮燹滚热辐射 这两种形式。 ( 1 ) 有源热稻射( 主动式检测a c t i v e ) 有源热辐射熄把工件简单地用作能量传输的导体或管道。采用外部热源对试件进行 加热，其加热也衡多种模式，可划分为脉冲加热方式p t ( p u l s e dt h e r m o g r a p h ) 、调制( 锁 稳) 燕热方式l t ( l o c k - i nt h e n m g r a p b ) 。近年来又发震了怒声燕或像法u l t ( u l t r a s o n i c l o c k - i nt h e r m o g r a p h ) 。 ( 2 ) 无源热辐射( 被动式检测p a s s i v e ) 大连理工大学硕士学位论文 无源热辐射不需外加热源，当一个结构处于循环加载状态，例如疲劳载荷或周期性 振动，在材料的表面就会产生一个微小的温度变化，有缺陷的区域由于有应力集中等因 素影响，往往会释放较多的热，会形成局部热异常点。选用较高灵敏度的热像仪可获得 试件的热图像。无源热辐射法可用于疲劳试验过程中应力集中区域的检测和某些缺陷或 有可能产生缺陷区域的监控及用于检测近表面紧贴型的分层缺陷。 2 3 2 热像仪与热源的相对位置划分 检测过程按热像仪与热源的相对位置可分为反射法和透射法。热像仪与热源位于被 检测件同一侧的称为反射法，如图2 4 ( 左) 所示。