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1、红外热成像技术 红外热成像技术是一种通过外加激励获得零件表面温度场分布，并从热像图中提取零件损伤信息的无损检测技术，它具有快速、实时、非接触等优点，研究和应用前景广阔。原理 温度在绝对零度以上的任何物体，都会因自身分子运动辐射出红外线。当被检测的零件存在损伤或残余应力等不均匀结构时，损伤部位辐射出的红外线就会有所不同，导致零件表面温度场不均匀。利用红外热像仪，记录零件的热像图，根据热像图的特征，对零件表面温度场进行分析，就可识别零件损伤的位置、大小、形状等。热像仪测温的特点 热像仪探测的是物体自身辐射， 而且常用波段是35m 或812m，波长远长于可见光。这就决定了红外热像仪为实时表面温度测量

2、提供了有效、快速的方法。与其他测温方法相比，热像仪具有明显的优势，但红外热像仪测温并不是直接测量的，它是靠探测器接收到的辐射来测温的， 然而红外探测器接收的辐射并不完全是目标的辐射，还包含目标对周围环境辐射的反射辐射以及目标与探测器之间的大气辐射，这些辐射经过大气衰减最后到达探测器，因此热成像仪测温将受到被测表面的辐射率、反射率(或吸收率)、环境温度、大气温度、测量距离和大气衰减等因素的影响，这直接影响了红外热像仪测温的准确性，也影响了热成像仪在一些领域中的应用。 红外热成像系统由激励、控制、采集、处理单元和热成像仪组成。一般情况下，由控制单元控制激励源加热被检测零件，热像仪采集零件表面的温度

3、场分布，并将其传输到采集单元，再经采集单元传输到处理单元进行处理。通过处理，对零件是否存在损伤，以及损伤的性质等给出结论，根据结论对零件进行及时准确的修复，将损失减少到最小。红外热成像技术存在很多优点，例如无需接触、可实时获得直观的检测结果、测量速度较其他方法快、测温范围很广等，具有广阔的应用前景。红外热像技术分类根据热像仪与加载源的位置关系, 将探测方式划为透射式和反射式, 两种方式的装置。根据信息处理方式和显示方式不同可以分为实时温度显示法、脉冲幅值显示法和脉冲相位显示法。 红外热像检测方法按引起温差的方式分为主动式(active)和被动式(passive)。主动红外热像检测是指对被测目标

4、通过加热注人热盆, 使被测目标失去热平衡, 不需要使其内部温度达到均匀稳定状态, 而在它的内部温度尚不均匀、具有导热过程中进行的红外检测。被动红外热像检测是利用被测目标的温度与周围环境温度不同的条件, 在被测目标与环境的热交换过程中进行的红外检测。目前常使用主动式加热方法。在主动式红外检测技术中，激励方式具有决定性的关键作用，外部光学激励、内部超声振动及电磁感应激励是三种主要的激励方式。外部光学激励由于获取方便使用最广泛；超声振动激励通过外部振动在缺陷处产生摩擦或弹性波转换为热量；电磁感应激励适用于导电体检测，是一种“内源”式激励方法，三种激励方式的比较见表 1.1。从激励调制形式方面看，有阶

5、跃调制、锁相调制、脉冲调制等。脉冲红外热成像技术 其探测原理是：以脉冲加热为热源，在被测零件中形成热流传播过程，由于物体中存在损伤的区域必然与无损伤的区域热传导率不同，进而导致对应的表面温度不同。 脉冲红外热成像技术集光、机、电于一体，可广泛应用于航空航天、机械、石化等领域，具有非接触、快速实时、无需耦合等优点，能直观地得到检测结果，可以一次探测较大的面积，是零件损伤检测中的一种前沿的检测技术。 脉冲热像法索然简单, 但存在以下不足: （1） 缺陷探测深度有限而且温差小。 （2）对热源的均匀性要求甚高。超声红外热成像技术 超声红外热成像技术是将超声技术和红外技术结合起来，得到的混合型超声红外热

6、成像系统。其相比脉冲红外热成像技术，在热成像方面相差不大，主要的差别来自激励源。超声红外热成像技术是将超声波脉冲发射到样品中，通过声能在样品中衰减而转化成的热能来进行检测。零件的疲劳损伤等会使得其与邻近区域的弹性性质不同，导致声衰减及其产生的热比正常区域的多，零件损伤的部位温度升高，同时损伤区域比无损伤区域热流量小，使得其热扩散比相邻区域少，两个方面的综合作用使零件损伤部位在热像图上表现出异常。通过观察红外热像仪记录下的温差，再经过计算机分析、对比等处理方式，获得零件损伤的种类、位置、形状等信息，即可达到无损检测的目的。超声红外热成像技术相对于采用其他电光源对被测零件表面加热的检测方法而言，灵

7、敏度得到显著提高。与传统的超声检测方法相比，超声红外热成像技术可以对样品的亚表面区域进行灵敏的检测，能够有效地检测出不同类型材料的表面和近表面裂纹、浅层分层或脱粘等缺陷。除此之外，红外热像仪的检测面积比超声换能器的面积大得多，能够显示较大范围内物体瞬态的图像，因此超声红外热成像技术非常适合于工业无损检测方面的应用，同时还适用于大型物体及复杂形状结构的检测。总而言之，超声红外热成像技术具有较高的检测灵敏度和较大的检测范围，可快速可靠地完成大面积检测工作。其不足之处则在于需要较长的扫描时间。锁相红外热成像技术 锁相红外热成像的硬件系统主要由热成像系统和锁相设备构成，热成像系统中的计算机自控程序获得

8、调制信号，同时控制热像仪和闪光灯。由锁相设备控制激励源发射出周期性信号，对零件进行加热，热像仪进行记录，从而得到零件表面的温度信息，再由计算机处理信息，从接收到的缺陷区域和非缺陷区域的信号中提取特定频率的信号。因存在缺陷，故这两个信号存在相位差和幅值差，由分析幅值差和相位差入手，可得到缺陷信息。总体上讲，锁相调制红外热成像技术弥补了脉冲红外热波成像技术的不足，既能检测缺陷形状，也能检测缺陷深度，改善了红外热成像抗噪声干扰能力，提高了检测灵敏度。超声锁相红外热成像技术将超声红外热成像技术和锁相红外热成像技术结合起来，保留了两种方法各自的优点，采用超声波作为激励源，同时应用锁相技术处理超声波。该技

9、术采用经方波调制幅值的超声波作为激励源，使得在缺陷处产生的热流也呈周期性变化，热流的传导使表面温度也呈周期性变化，通过分析温度变化的相位图和幅值图，得到零件的损伤信息。该技术在对零件损伤进行检测时，将调幅超声波注入零件，由于机械损耗效应或摩擦作用在零件缺陷处的超声波产生热量，在零件表面形成变化的温度场，同时红外热像仪记录对零件表面的温度场，提取表面温度变化的幅值和相位信息，通过比较损伤区域和无损伤区域的温度变化相位图和幅值图，对零件的损伤进行判断。民航飞机中的应用由铝蜂窝夹层结构制成的飞机机身、机翼存在的缺陷主要包括间隙型缺陷、紧贴型缺陷、弱胶接和芯子缺陷等。目前实际检测中遇到最多的是飞机蜂窝

10、结构的脱粘缺陷、腐蚀损伤和焊接铆接损伤。Kuo 等用红外热成像技术对脱粘缺陷进行检测，比较和识别了损伤特性，对试件粘接质量做出快速有效的检测。李慧娟等用法国CEDIP 公司生产JADE 型红外热成像系统及其配套软件检测了铝蒙皮蜂窝夹层结构，认为飞机铝蜂窝夹层结构可用脉冲或锁相调制红外热成像技术对其进行检测，不仅能检测飞机铝蜂窝结构的脱粘缺陷，也能检测粘接不良的缺陷。飞机蒙皮损伤大致有冲击损伤、疲劳损伤、腐蚀损伤、粘接损伤、焊接损伤和铆接损伤等。主动红外热成像技术对飞机蒙皮及其蒙皮下比如加强筋损伤开裂的检测可以取得有效的检测结果，并且还能对损伤做定量分析，比如损伤深度、锈蚀程度以及能区别是积水还

11、是渗漏的液压油等。飞机发动机涡轮叶片的故障检测是发动机安全检测的重要环节，主要包括热障涂层损伤、冷却通道堵塞和裂纹检测三个方面。采用热风作为激励源对正常叶片和故障叶片对比测试，可确定热障涂层损伤情况; 采用高能氙灯对叶片进行热激励，热像仪高速记录叶片表面的瞬态温度变化，通过热图像重构叶片内部温度场，可判断叶片内部通道是否发生堵塞; 采用低频高能锁相超声为热激励源，利用红外热像仪对比测试正常叶片和故障叶片的热图，可判断故障叶片的裂纹形态与深度。飞机机身、机翼、起落架和内部零部件等结构的裂纹检测是主动红外热成像技术的应用重点。从目前应用情况看，脉冲加热、锁相超声加热、微波加热等主动红外热成像技术都

12、可应用于飞机部件裂纹检测，主动红外热成像技术对飞机蒙皮的疲劳裂纹、铸铝引擎外壳的裂纹、钢曲轴的裂纹、铜焊裂纹、蒙皮下加强筋裂纹等各种表面裂纹进行检测的结果都很成功。只要超声发射头设计得当，超声加热红外热成像技术可对飞机起落架旋转臂、螺栓孔等承力结构疲劳裂纹或应力裂纹检测并能给出早期报警。另外对一些小而精密裂纹目标，比如飞机钛合金中20 m 长的裂纹、飞机发动机桨叶上的裂纹和飞机机翼上5 cm 长的裂纹，美国韦恩州立大学制造研究所用超声加热红外热成像技术对它们都进行了成功测试并且得到较好的研究结果。在飞机维修中，腐蚀所造成的成本消耗最大，并大大降低了飞机的有效工作时间，特别是老龄飞机腐蚀危及飞机安全，对其检测非常重要。脉冲红外热成像技术很适合于飞机大面积隐藏腐蚀检测，1998 年，Thomas研究了脉冲加热红外热成像技术应用于飞机蒙皮上紧固件周围腐蚀检测，所得腐蚀热图清晰明确