便携式红外热波无损检测系统的研制与应用

王 冠，李 果，曾 智，李晓丽，张存林，金万平

（1.北京维泰凯信新技术有限公司，北京 100085；2.首都师范大学 太赫兹光电子学教育部重点实验室，北京 100048）

红外热波无损检测技术是一门跨学科的实用检测技术，具有检测面积大、速度快、非接触、结果直观等优点［1］，已被广泛应用于航空航天、机械、电力、医疗、文物保护等领域［2－5］。根据主动式热激励方法的不同，现有红外热波无损检测技术也分为闪光灯脉冲激励、热超声激励、锁相热激励等激励方式，适用于各类金属试件及厚度较小的非金属试件的检测。但对于一些传热系数较低的非金属材料，或是一些厚度较大的材料，现有的检测方法受到激励能量不足，处理算法不适用等条件的限制。同时，现有的多数检测系统都是直接从国外购买，价格昂贵，成本相对较高。基于上述现状，笔者介绍了一套自主研制的国产化便携式红外热波无损检测系统，该系统采用了多种持续热激励方式，并搭配相应的处理算法，很好地解决了这些问题。

1 红外热波无损检测原理

红外热波无损检测法是通过对物体表面施加可控的温度场扰动，引起物体温度的变化，而产生热波。由于物体自身材料特性或物理结构的不同，热波在物体内部的传输会受到影响而发生散射或反射，并以某种形式反映在物体表面的温场变化上。这种温场变化将会导致物体表面红外辐射的差异，利用红外热像仪将这种人眼无法看到的差异以图像的方式处理并显示出来，即可得到物体的材料均匀性及自身的物理特性信息，达到检测和探伤的目的［6－7］。

对于一些热传导系数较小，或是厚度较大的材料，常用的闪光灯脉冲激励方式瞬时能量高，但总能量较小，热波在传播过程中就已被物体自身或周围环境所吸收，无法引起物体表面温场的差异。持续激励红外热波无损检测法通过适当缩短瞬时功率，增大激励脉宽而提高激励总能量，使热波足以完成整个热传递过程，从而让热像仪能成功捕捉表面热过程变化，并通过配套算法得出图形化结果。

2 便携式红外热波无损检测系统

系统实际结构如图1（a）所示，携带方便，很适用于外场检测。其结构原理如图1（b）所示，系统主要由三部分组成：热激励系统，采集系统，控制及数据处理系统。

图1 便携式红外热波无损检测系统外观与结构原理示意

2.1 热激励系统

热激励系统是主动式红外检测系统必不可少的一部分，其通过对处于热平衡的物体施加各种不同类型的热扰动，获得试件内不同类型的缺陷信息。其主要分为热激励控制器与激励源两个部分。该系统集成了两种不同的激励源：大功率加热灯及高能热风机。其中，加热灯的功率可在800～2 600 W 内调节，加热面积可达1 m2，辐射光波集中在短波红外波段，易被物体吸收，加热效率较高；热风机功率为2 000 W，输出温度范围可在50 ℃～630℃内调节。两种激励方式既能满足大范围加热的需要，也能满足局部加热的需要，今后还可根据实际需求的不同而增加更多的激励方式。

同时，加热时间及加热总能量需要达到可控状态，因此需要热激励控制器对激励源进行控制，与控制处理系统进行同步连接。此处又可分为内、外触发两种模式。内触发模式的原理为：在需要定量检测，或对试件有一定了解的情况下，预先设定好加热时间，通过控制器控制激励源的加热开关，然后进行采集处理；外触发模式的原理为：试探性试验时，通过手动控制激励源的加热时间，来触发系统的采集处理过程。

2.2 采集系统

采集系统主要通过红外热像仪来实现。红外热像仪可捕捉相应红外波段的辐射，并将这种数字化的辐射量转化为可视化的图像，即体现出物体自身的温度值分布图像。该系统的采集设备并不拘泥于某种特定型号，而是根据实际情况可选用不同空间分辨率、不同温度分辨率的热像仪。平时检测多采用的制冷型热像仪虽然精度较高，但有着制冷时间长，使用及携带不便等缺点。为满足各种外场实际检测的需求，系统使用了一款更加便携，同时精度相对较高的非制冷热像仪，其工作波段为7.5～14μm，提供分辨率为640×480 像素的图像，采集频率最高可达50 Hz，室温下温度灵敏度为0.03 ℃～0.05 ℃。同时，热像仪可根据需要选用不同的镜头，包括平角镜头，45°广角镜头和显微镜头。

2.3 控制及数据处理系统

被测物体通过热激励系统加热的过程，以及通过红外热像仪捕捉被测物体降温的过程，都需要利用软件来精确控制起止时间，同时在加载采集完毕后，还需要利用软件对所得的结果进行存储、显示与处理。系统采用了自行开发的软件“热波探伤软件V 1.0”，利用该软件对整套系统进行控制及数据处理。控制处理系统的模块与功能如表1所示。

软件基于面向对象的VC＋＋语言编写，通过USB接口与热激励控制器进行信息交换，发送或接受内外触发消息，从而达到控制热激励大小、时间的效果。通过1394接口与热像仪连通，利用热像仪所提供的SDK 获取其所测得辐射值的数字信号，进行采集并存储。加载及采集过程完毕后，软件将自动对采得的数据进行重建，曲线拟合后进行微分运算，并提取出其中更能显示热异常差异的项，以图形化的界面进行显示，所得结果更能体现材料内部由于物理结构或材料均匀性不同而产生的差异。

表1 软件控制处理系统结构模块

3 检测结果

利用该系统对不同的试件进行了检测。试件1为玻璃纤维复合材料，尺寸为250mm×100mm×3mm（长×宽×厚），背部挖有深度为0.5mm 的圆孔，孔径从大到小依次为10，5，5，3，2mm；同时背部贴有厚度为2mm 的铝板。利用800 W 大功率灯激励，加热时间5s，采集频率30Hz，采集时间30s，经过采集处理后，从图2可看出5个预埋缺陷清晰可见，最小的2mm 孔径平底洞在图上也能用肉眼分辨。所得结果及实际软件截图如图2所示。

图2 软件实际截图及试件1试验结果

试件2 为风机叶片玻璃钢试件，尺寸为255mm×220mm，厚度为中间厚两边薄的弧形，中间厚度约为19mm，两侧厚度约为13mm；背部挖有不同厚度及大小的平底孔，孔厚度从上往下依次为3，2，1mm，孔直径从大到小依次为20，16，10，8，6，5mm。使用2 000 W 大功率灯进行热激励，加热时间为6s，采集频率为20Hz，采集时间为40s，经过采集并用软件处理后，不同时间的热图如图3所示。由图可知，经过时间的变化，不同深度的平底孔依次在热图中显示出来；孔径为5mm 的小孔在热图中也能清晰辨认，同时在显示第一排平底孔时，第三排平底孔热图还发生了热量反转，即平底孔灰度从高到低再到高这样一个过程，说明激励能量足够以波的形式在试件内部传播一个完整周期，以使整个热波传递过程得以完成。

图3 试件2在不同采集时间下的热图处理结果

4 结语

介绍了一套自主研制的国产便携式红外热波无损检测系统。该系统搭载了大功率灯、热吹风等多种热激励方式，采用了内、外两种触发模式的控制系统，使用了具有自主知识产权的数据处理算法，并利用独特的数据重建算法和去噪增信的处理办法优化检测结果。使用该系统对不同复合材料的试件进行检测，试验结果表明，该系统对于复合材料试件的缺陷检测有较好的检测结果，对于传热速率较慢，或厚度较大的复合材料试件的检测相对于其他激励检测方法有独特的优势。

［1］王迅，金万平，张存林，等.红外热波无损检测技术及其进展［J］.无损检测，2004，26（10）：497－501.

［2］MEOLAC，CARLOMAGNOGM.Recent advances in the use of infrared thermography［J］.Measurement Science and Technology，2004（15）：27－58.

［3］TEZA G，GALGARO A，FRANCESCA M.Contactless recognition of concrete surface damage from laser scanning and curvature computation［J］.NDT＆E International，2009（42）：240－249.

［4］MABROUKI F，GENEST M，SHI G，et al.Numerical modeling for thermographic inspect ion of fiber metal laminates［J］.NDT＆E International，2009（42）：581－588.

［5］ZHUNER G，MAYR G，HENDORFER G.Comparative defect evaluation of aircraft components by active thermography［J］.Proc.of SPIE－IS＆T，2009（7251）：72510J－1－9.

［6］STEVEN S，JAMES L，DAVID W，et al.Depth and spatial resolution enhancement using thermalgraphic signal reconstruction［C］∥Proceedings of the 6th Far－East conference on NDT（FENDT′02）.Tokyo：The Japanese Society for Non－Destructive Inspection，2002：279－284.

［7］STEVEN M S，JAMES R L，YULIN H，et al.Blind characterization of materials using single－sided thermography［C］∥Proc.of SPIE，5405.Orlando，FL：［s.n］，2004：442－446.