红外无损检测中热激励研究-

1、红外无损检测中热激励研究吕中产田裕鹏周克印(南京航空航天大学无损检测中心,江苏南京,210016摘要:以红外灯作为激励源,对单灯激励所形成的不同距离的温度场分布进行分析,得出规律,再分别对双灯,四灯,六灯所形成的温度场进行探讨,提出了改进热源、改善温度场分布的方法,得到了具有较好的空间均匀性的热激励源。并以该热源激励复合材料蜂窝结构,得到了较好的检测结果。关键词:红外热成像;无损检测;复合材料;损伤;缺陷中图分类号:T G 115.28文献标识码:A 文章编号:167124423(2005062442021前言红外无损检测是一种非接触式的无损检测手段,它是利用红外辐射原理对工件表面进行检测,扫

2、描记录被检测工件表面上由于构件内部的损伤、缺陷与材料不同的热性能所引起的温度变化,并通过温度场的分析,判断构件内部的缺陷与损伤的位置、大小和性质。在复合材料结构检测中具有广阔的应用前景。在主动红外无损检测中,热源所激励的温度场的特性,将会直接影响到检测缺陷的效果。目前常用的热激励方式有等离子喷注、直接火焰、热空气喷注、红外灯、激光器等。本文对利用红外灯照射如何在试样表面处形成均匀的温度场,进行了一些研究工作,并用该激励方法对复合材料积水进行检测,得到了理想的实验效果。2热激励研究2.1单灯激励规律通过实验发现,空间梯度小、时间梯度大的热源有助于结构内部缺陷与损伤的检测。红外灯能在一个较大的空间

3、内产生较高的温升且热源与被测物体的距离可在较大的范围内变化。但是,红外灯所产生的温度场的空间梯度较大,其不均匀性直接影响构件的检测。所以,本文首先对单个红外灯的热激励规律进行了分析、测试,结果如图1所示。由该结果可知,红外灯可在一个较大的区域内迅速产生温升,但温度场的均匀性较差。在红外灯的有效辐照距离内,其灯丝的形状、尺寸不能简化成一个点,同时红外灯产生的热量能迅速加热周围的空气,成为次级热源。热气团的密度小于周围空气,使该热源呈现上升趋势,从而使等温线近似为一个以垂直方向为长轴,水平方向为短轴的椭圆,这使得直接应用红外灯加热被测物所得的温度场的空间梯度增大,影响对被测物体的表面温度场的测试。

4、2.2热源的改进以红外灯作为热源,虽然有空间梯度大的缺点,但它也有响应快、作用距离大、单项检测区域大的优点。因此,如何利用红外灯的优点,减小甚至避免其不足成为本文研究的重点。单个红外灯在被测物体上产生的温度场具有以热源对应点为中心,向外围递减的特点。因此如以双灯并列同时加热,被测物体上一点的温升为两个红外灯在此产生的温升之和。被测物体对应于两个红外灯之间一点,如果距红外灯A 的热源中心对应点较远,则必然距红外灯B 点热源中心对应点较近,反之亦然。因此在整个有效辐射区域内, 各红外灯辐(d 为红外灯到被测物体的距离图1单个红外灯间隔温度场等温线分布第29卷第6期2005年12月无损探伤N D T

5、 V o l .29N o.6D ecem ber .2005射叠加,使温度场的空间梯度减小,同时还会提高温升。同样,如果采用四个红外灯或六个红外灯成上下左右对称布置,则不仅会有效地扩大辐射区域,提高温升的时间梯度,还能更好地减小空间梯度,有利于物体内部损伤和缺陷的红外检测效果。图2,图3,图4分别是双灯、四灯、六灯所形成的等温线图,由图可以看出,依据被测物体实际尺寸大小,只要合理调整各个对称灯之间的间距,完全可以在被测物体表面形成均匀温度场, 有效减小空间图2 双灯等温线图图3四灯等温线图图4六灯等温线图梯度,进而使红外热像仪能检测到真实的由于物体内部缺陷与损伤引起的物体表面温差。3实际应用

6、在红外灯加载下对蜂窝复合材料积水进行红外无损检测。在实验前,根据被检测试样的尺寸及与红外热像仪之间的距离,利用上述的红外热激励,相应调整6个红外灯的间距,以及试样与热像仪的间距,使红外灯产生的热激励在蜂窝复合材料表面形成均匀温度场。在对复合材料进行预热后,用热像仪对复合材料表面的温度变化进行全程监测。从图5的热图像可以看出,多灯对称布置产生了较均匀的温度场,因此被测物体获得了较均匀的加热,使材料内的积水十分清楚地显示出来,随着时间的变化,蜂窝复合材料的温度开始降低,同样由于水的热容量大,水温消退慢,所以积水处温度相对由 低变高,图像上表现为由暗变亮。图5经融合处理的积水热图像4小结本文以红外灯

7、作为激励源,首先对单灯激励所形成的不同距离的温度场分布进行分析,得出规律,然后,分别对双灯,四灯,六灯所形成的温度场进行探讨、实验。结果表明:只要合理调整好各灯对称分布的相互位置,形成满足试件大小要求、空间梯度小、时间梯度大的均匀温度场分布是完全能够实现的。并且上述的红外灯加载形成的均匀分布温度场,在对复合材料进行红外无损检测中能起到很好的实际效果。参考文献:1曾可令,吴卫生.复合材料的红外无损检测.激光与红外,1996,26(2:80842刘莹,张记龙.材料的红外无损检测技术及其进展.测试技术学报,2001,15(4:2752793周克印,田裕鹏,姚恩涛等.蜂窝结构缺陷类型识别的研究.数据采集与处理,2004,19(1:115