脉冲式红外热波无损检测的热激励均匀性

2011-07-23杨正伟宋远佳孟献策

无损检测 2011年1期

张炜,王焰,杨正伟,宋远佳,孟献策

(1.第二炮兵工程学院203室,西安 710025;2.第二炮兵驻211厂军事代表室,北京 100000)

热激励源优化设计是红外无损检测的关键技术之一。主动式热激励(加热)能使被检测材料由于内部缺陷在表面产生不同的温度场分布,再通过热像仪成像,从而可以比较直观地看清内部缺陷。同时经过后期的缺陷识别,可对缺陷进行定量研究。因此,热激励方法直接影响最终检测结果的可靠性。

常用的热激励方式有等离子喷注、直接火焰、高能脉冲加热、红外灯和热超声等,其中最常用的是高能脉冲闪光灯加热方法,它是利用脉冲氙灯或其他高能气体放电灯进行高能放电时所发出的强光辐射,瞬时放出热能,对被测物体进行瞬时激励[1]。

热激励均匀性是指施加于被测面的能量均匀或者通过热激励在被检测面激发出均匀分布的能量(热量),且尽可能使热量只沿着被测材料厚度方向传播[2]。均匀的热激励不仅可以降低背景干扰信号,有助于红外热图更准确反映表面温差的变化,而且还可以提高红外热图的清晰度,从而保证缺陷定量识别的计算精度。TracePro软件是一种集光学分析和照明设计为一体的软件,能够方便快捷地进行实体建模仿真分析,同时由于脉冲闪光灯加热方式是最常用的热激励方法,因此,笔者利用该软件对脉冲热激励源加热灯具的光学特性以及布局进行仿真与分析,为实际检测过程提供指导。

1 基本原理

1.1 光(辐)照度[3]

光照度指物体被照亮的程度,采用单位面积所接受的光通量来表示。

通常发光管所照射的目标距离比发光管本身大得多,在这种情况下可将发光管简化成一个有一定空间光强分布的点光源。点光源的特点是能以4π立体角向周围空间发出相同发光强度的光辐射。

如图1所示,面元dS接受点光源P的光照,设点光源P到面元的距离为r,并且点光源发出的元光束的光轴与面元的法线N之间的夹角为θ。

图1 点光源的照度模型

则面元dS对点光源P所张的立体角为：

在此立体角内,由点光源发出的光通量为：

而此光通量全部投射到面元dS上,则面元上的光照度为：

式中E为光照度;I为发光强度;φ为光通量。

由上式可知,点光源P在面元dS上所产生的光照度与光源的发光强度成正比,与距离的平方成反比,并且与面元相对于光束的倾角有关。

1.2 照度均匀性的表征

为了考虑光源射出光的均匀程度,可用照度最大值与最小值的比值来表示,比值越大说明均匀性越好：

在考虑光照均匀性的同时,必须保证总光通量和光效在许可的范围内。

2 仿真与分析

2.1 单灯的光照度仿真与分析

通常用照度计测量的是某一个区域的光照度,该区域大小和照度计的探头大小有关。当在TracePro中模拟一个平面上的照度分布时,通常将该平面划分成若干个面积相同的网格区域,入射到每个网格区域的光线数量不同,即光通量不同,也就是照度不同,再经过高斯和平滑处理,可得到照度分布图。

图2 光源模型

在加热灯的辐射发光过程中,在有效辐射区域内,不能将其视为点光源,如图2所示,实际发光体截面为φ20 mm,长5 mm的柱体,功率为50 W。

2.1.1 光(辐)照度与参考平面的关系

针对单灯模型,经过仿真,模拟出距离光源40 cm的30 cm×30 cm照射面上的光照度分布(图3)。

从图3中获得的具体数据如表1。

表1 单灯具体仿真结果数据

从图3和表1中可清晰地看出,单灯光源的空间梯度较大,辐(光)照度均匀性随着参考面积的减小而增大;同时由于物体发射光能的方式有热辐射和发光两种,但从本质上都是电磁辐射,所以该图也反映出了光源辐射到照射面的能量分布从中心区域到边缘依次递减。

因此,在红外热波检测应用中,可以通过叠加原理来增加加热光源的数量,从而扩大光照度均匀性高的区域,提高检测速度和精度。

2.1.2 辐照度与照射距离的关系

选取参考面积为10 cm×10 cm,计算距离分别为20,30,40和50 cm处的照度均匀程度,计算结果如表2所示。

表2 单灯仿真数据

从表2可看出,随着光源到照射面的距离增大,在相同的参考面积下,不仅辐照度分布的均匀程度变化很小,而且照度均匀程度都比较高;但辐照度却随着距离的增大而减小,且变化幅度较大,可见能量损失较多。因此,在实际加热过程中,尤其是高能脉冲闪光灯加热过程中,仍需要选取合适的加热距离。

2.2 多灯阵列的辐(光)照度仿真与分析

由单灯的辐照度分析可知,单灯具有空间梯度大的缺点,以及从能量、照射面积上都无法满足实际检测的需要,因此在实际检测中多是采用面阵列的形式,以提供足够的能量和较大且均匀性高的照射面,从而实现对被测物体的快速、高效、大面积的检测。以下进行仿真双灯、四灯面阵列的照度分析,仿真结果如图4所示。显然,多灯阵列效果优于单灯,不仅空间梯度得到了改善,而且参考面积内照度分布也均匀。

2.3 遮罩

由于在检测过程中,热激励的核心作用就是通过给被测物体表面进行均匀加热以获取精准的温差分布。为此,在加热光源不变的情况下,通过采用在加热灯周围装上遮罩的方法,不仅可以有聚光效果,收集更多的光能,防光扩散,而且使箱内形成匀光环境,尤其在高能脉冲加热方法中,还可以保护人的眼睛,防止强光直接照射[4]。

图4 照度等高线分布图

遮罩的尺寸根据热像仪的广角镜头和实际检测面积的需求而定。以 FLIR ThermaCAMTMSC3000红外热像仪为例,其采用320×240像元的焦平面探测器,热像仪镜头为40的广角镜头,在固定检测工作距离42 cm时的检测面积为24 cm×32 cm。遮罩的尺寸为30 cm×40 cm×45 cm。图5为加上遮罩后光源仿真模型与阵列模型。