脉冲热源激励金属板材缺陷的红外热波检测

刘元林， 唐庆菊， 陈焕林， 刘晓旭， 刘文海

(1.黑龙江科技学院 机械工程学院，哈尔滨 150027;2.黑龙江科技学院 工程训练与基础实验中心，哈尔滨 150027)

脉冲热源激励金属板材缺陷的红外热波检测

刘元林1， 唐庆菊1， 陈焕林1， 刘晓旭2， 刘文海1

(1.黑龙江科技学院 机械工程学院，哈尔滨 150027;2.黑龙江科技学院 工程训练与基础实验中心，哈尔滨 150027)

以含有盲孔缺陷的金属板材试件为研究对象，在闪光灯脉冲热源激励下对试件内部热流的传递过程进行了有限元仿真。在检测参数和分析参数给定条件下，利用脉冲红外热波检测系统测得试件表面最大对比度原始热图，应用FFT变换方法分析了原始热图序列的幅值图和相位图。结果表明，试件表面的最大温差越大，缺陷越容易检测，幅值图的信噪比较大而相位图的探测深度较深。该方法提高了脉冲红外热波检测技术的探测能力。

脉冲红外热波检测;对比度;幅值;相位

红外热像无损检测技术具有非接触、检测速度快和单次检测面积大等特点，近年来在材料缺陷和结构检测中的应用越来越广泛［1－4］。脉冲式红外热波无损检测是以传热学理论为基础，脉冲热源激励内部含有缺陷的试件，根据缺陷处与完好材料处对应试件表面的温度差异，实现对缺陷的检测。但脉冲热源激励试件表面时，由于热流在试件表面的分布不均，且受试件表面反射率及周围环境噪声影响较大，导致根据试件表面的原始热图难以准确判断缺陷［5－6］。

笔者采用有限元仿真与实验相结合的研究方法，在高能脉冲闪光灯热源激励下，对内部含有盲孔缺陷的金属板材试件进行了红外热波检测。采用傅里叶变换方法，对红外热像仪得到的热图序列进行处理，得到其幅值图和相位图，增强了脉冲红外热波检测技术的探测能力。

1 检测原理

脉冲闪光灯激励红外热像检测技术的基本原理如图1所示。

图1 红外热波检测的原理Fig.1 Principle of infrared thermal wave detection

采用高能脉冲闪光灯激励源对试件表面进行热激励、外激励，热流在试件内部发生热传导，在传导过程中，由于试件内部热特性存在不连续性，将导致试件表面温度分布发生变化。通过同步触发器实现脉冲闪光激励与红外热像仪采集试件表面温度热图同步，同时热像仪将所采集到的热图反馈给计算机，热像仪采集频率下接收的每个像素点(i，j)对应n个离散温度时域信号T(n)。采用红外热像处理系统对热图序列进行分析处理，实现对试件内部缺陷的判断与识别。

式中:n——离散时间变量，表示红外热图帧数，对应采集时间t=n/f;

f——采样频率;

Ti，j(n)——第 n 帧热图上第 i行、第 j列像素点的温度值。

2 缺陷试件的仿真分析

以含有平底盲孔缺陷的Q235钢板为检测对象，采用闪光灯脉冲红外热像检测法进行了仿真分析。其中，平底盲孔的直径范围为4～10 mm，距离表面的深度为0.6～1.4 mm。试件的几何模型和有限元网格模型分别如图2和图3所示。

图2 几何模型Fig.2 Geometric model

图3 有限元网格模型Fig.3 Finite element mesh model

为了研究问题的简便，将试件看作各向同性材料，则其热传导方程可以表示为

式中:q0——外激励加载热流密度，W/m2;

hconv——对流换热系数;

σ——Stefan－Boltzmann常数，σ =5.669 7×10－8W/(K4·m2);

式中:T——与时间有关的温度，K;

ρ——材料密度，kg/m3;

cp——材料比热容，J/(kg·°C);

k——材料热导率，W/(kg·°C)。

初始条件:

式中:Tamb——周围环境的温度。

上表面边界条件:

c=σ·e;

e——热扩散率。

下表面边界条件:

其他表面边界条件:

Q235钢板和平底盲孔缺陷(空气)的热特性参数及脉冲法热波检测的仿真分析参数，如表1所示。图4给出了当脉冲宽度为0.02 s、分析时间为1 s时的试件表面温度分布。由图4可以看出，含有缺陷处与完好材料处对应试件表面的温度分布存在着明显的差异，并且，缺陷的面积越大，埋深越浅，温度差异越明显。因此，理论上可以根据试件表面热图判断缺陷的大小、深度以及分布情况。图5给出了在不同脉冲宽度热源激励作用下，试件表面最大温差与分析时间之间的关系:热源脉冲宽度越大，试件表面的最大温差ΔT越大，缺陷越容易检测;在不同脉冲宽度热源激励作用之后，表面温差均随着分析时间呈下降趋势，表明随着热传导的进行，试件逐渐趋于热平衡状态。因此，当采用试件表面原始热图检测缺陷时，需要增大热源的脉冲宽度，并选择合适的分析时间。

表1 材料热特性参数和仿真分析参数Table 1 Thermal parameters and simulation parameters

图4 试件表面温度分布Fig.4 Temperature distribution of specimen surface

图5 试件表面最大温差与分析时间的关系Fig.5 Relationship between maximum temperature difference of specimen surface and analysis time

3 检测实验与热图序列处理

以上述含有平底盲孔缺陷的Q235钢板为检测对象，采用闪光灯脉冲激励法进行检测实验。其中，闪光灯热源加载热流密度为10 kW/m2，脉冲宽度为0.02 s，采样频率和采样时间分别为75 Hz和2 s。图6为试件表面温度最大对比度原始热像图，由图可见仅可以检测出4个缺陷。分析其原因主要有三个方面:加载到试件表面的热流分布不均匀;试件表面的发射率较低，反射率较高;周围环境噪声的影响较大。

图6 最大对比度原始热图Fig.6 Primitive thermograph with maximum contrast

为了进一步增强脉冲红外热波检测的检测能力和效果，将红外热像仪采集得到的红外热图序列进行傅里叶变换。对时域信号T(t)，可以采用FFT的方法得到频域上的信号

则不同频率下的幅值和相位分别为

图7为对原始热图序列进行傅里叶变换之后得到的最大对比度幅值图和相位图。由图7可以看出，幅值图可以检测出6～8个缺陷，而相位图可以检测出9～11个缺陷。这说明与原始热图相比，幅值图和相位图提高了红外检测技术的探测水平。幅值图的图像信噪比更大，而相位图的探测深度更深。

图7 原始热图序列的幅值图和相位图Fig.7 Amplitude and phase images of primitive thermograph

4 结束语

对热流在内部含有盲孔缺陷的Q235钢板试件中的传递过程进行了有限元仿真分析，仿真结果表明:含有缺陷处与完好材料处对应试件表面的温度分布存在着明显的差异，缺陷的面积越大，埋深越浅，温度差异越明显;热源脉冲宽度越大，试件表面的最大温差越大，缺陷越容易检测;在不同脉冲宽度热源激励作用下，表面温差均随着分析时间呈下降趋势，随着热传导的进行，试件逐渐趋于热平衡状态。采用脉冲红外热波检测法对缺陷试件进行了检测实验，结果表明:与原始热图相比，幅值图和相位图更能提高红外检测技术的探测水平。幅值图和相位图相比，前者的图像信噪比更大，而后者的探测深度更深。以上研究结果进一步揭示了脉冲红外热波检测机理，为实现缺陷的定量探测与识别奠定了一定的理论基础。

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Infrared thermal wave detection of metal plates with defects under pulse heat excitation

LIU Yuanlin1， TANG Qingju1， CHEN Huanlin1， LIU Xiaoxu2， LIU Wenhai1
(1.College of Mechanical Engineering，Heilongjiang Institute of Science ＆ Technology，Harbin 150027，China;2.Center for Engineering Training＆ Basic Experimentation，Heilongjiang Institute of Science＆ Technology，Harbin 150027，China)

This paper presents the finite element analysis of the heat transfer process in metal specimens with blind hole defects under flash pulse excitation and concludes that the greater maximum temperature difference of the surface on the specimen result in an easier defect detection.The use of pulsed infrared thermal wave detection produces the primitive thermography with maximum contrast under given test and analysis parameters and the analysis of amplitude and phase images of the primitive thermograph sequences using FFT shows a greater signal noise ratio for amplitude diagram and a greater probing depth for phase diagram.This method gives a greater detection capability of the pulsed infrared thermal wave detection technique.

pulsed infrared thermal wave detection;contrast;amplitude;phase

TN219

A

1671－0118(2012)05－0489－04

2012－04－06

黑龙江省教育厅科学技术研究项目(12521483)

刘元林(1970－)，男，山东省平阴人，教授，硕士，研究方向:机械设计及理论，E-mail:lyl2383849@126.com。

(编辑 李德根)