脉冲涡流红外热像无损检测实验的设计

谢 静， 徐长航， 周乃望， 陈国明

(中国石油大学(华东)机电工程学院，山东 青岛266580)

0 引 言

作为一种非接触、非破坏及直观的检测技术，红外热成像技术具有非接触测试、检测效率高、操作简单、检测结果直观等优点，近年来在石油石化、航天航空、机械、电力等领域的产品质量保障和结构健康监测中得到广泛应用［1］。为了促进课程教学内容更好地适应现代无损检测技术的飞速发展，近年来“安全监测与监控”课程将如何在教学过程中融入最新研究进展作为教学内容和教学方式改革工作的重点内容之一。作为课程教学内容的组成部分，基于红外热成像原理的结构无损检测检测技术教学模块计划将近年来本领域的最新研究成果之一——脉冲涡流热激励下的红外热像检测技术(以下简称脉冲涡流红外热像检测技术)纳入教学体系。

为了更好地实现课程中关于红外热成像检测技术的教学改革要求，本文结合“理论与实践并重”这一课程教学改革目标，设计并实现了基于脉冲涡流红外热像检测技术的结构缺陷无损检测实验系统和实验教学内容，从实践教学角度为学生深刻理解这一技术的原理并真正掌握相应检测技术提供了必要的教学条件。

1 实验原理

1.1 红外热成像技术的无损检测原理

任何温度大于绝对零度的物体均会向外辐射载有物体特征信息的红外线，而且辐射强度随温度不同而不同。利用这一特性，通过光电红外探测器能够将物体热辐射的功率信号转换成电信号，并应用成像装置形成与物体表面温度空间分布相对应的热图像视频信号，亦即红外热图序列［1］。

应用红外热成像技术进行结构无损检测主要原理是，物体表面或者内部缺陷的存在必然会导致不同热传导特性，如果此时对物体实施主动或被动方式的热激励，就会在物体表面形成所谓的热区和冷区并呈现出随时间变化的规律。这种温度在时间和空间上的变化现象能够为红外热像仪所采集，从而形成红外热图像序列，借助肉眼观察或者图像处理技术，将含缺陷和不含缺陷的红外热图进行比对分析，最终可以达到无损检测的目的［2］。

1.2 脉冲涡流热激励与红外热成像检测

红外热成像技术的应用效果与热激励方式直接相关［3-4］。传统的人工热激励方式包括电吹风加热、闪光灯瞬时加热等方式，往往具有受环境影响大、加热速度较慢或不容易控制等缺点。脉冲涡流加热技术利用电磁感应原理可以使导体在短时间内实现温升现象，并能够通过调整激励电流频率、幅值等手段，实现热激励效果的可控性(见图1)。因此将脉冲涡流作为热激励方式，从而在金属材料内部快速形成温度梯度场，有助于拍摄出能够充分突出缺陷特征的高质量红外热图，为最终实现基于热信息的缺陷识别与缺陷信息重建奠定良好的数据基础。目前脉冲涡流红外热像检测技术已经在飞机、电气设备以及复合材料等领域得到国内外研究学者的广泛关注［5-10］。

由于红外热成像技术最终获得的是物体表面的温度场信息，因此该技术对于物体表面的缺陷具有良好的检测适用性。被测对象本身所包含的热信息需要通过热传导的方式传递至物体表面最终为热像仪采集形成红外热图，然后通过目视观察、图像处理以及热力学理论分析等手段能够对缺陷的位置、程度进行不同层次的分析［11］。本文实验主要面向含表面缺陷的导电材料进行设计。

图1 电磁感应热激励条件下物体缺陷的红外热成像检测原理

2 实验设计

2.1 实验方案总体设计

通过借鉴文献［12-15］中其他相关教学实验及无损检测实验的设计经验，根据红外热成像的原理及无损检测的特点，本文在进行结构无损检测实验设计时主要考虑:实验对象、缺陷类型和热激励方式。实验方案中对实验对象的设计主要从材料类型方面综合考虑，如实验用试件的材料主要包括铁磁性金属材料、非铁磁性金属材料和复合材料，而且在不同试件通过人工预制的方式，加工形成通孔、盲孔、裂纹、壁厚减薄以及复合材料的冲击损伤等多种工程中最为常见的缺陷类型，能够有效保证实验的效果。

由红外热成像原理可知，热激励方式对于红外热成像技术的检测效率和效果具有至关重要的影响，因此热激励方式的选择和相关参数设置也是本实验方案设计的重要内容。本实验重点设计基于脉冲涡流热激励方式下的红外热像检测实验。为了进一步突出脉冲涡流热激励方式的优点，实验中同样引入连续弥散性热激励方式(由可调功率电吹风实现)作为对比。

2.2 实验步骤设计

通过将上述实验对象和热激励方式的设计结果进行组合，最终形成6 种实验工况:弥散性热激励+金属试件、弥散性热激励+非金属试件、弥散性热激励+碳纤维试件;脉冲涡流热激励+金属试件、脉冲涡流热激励+非金属试件、脉冲涡流热激励+碳纤维试件。每组实验需要4 人合作完成，实验时间需要2 学时。

实验操作步骤如下:①选择一个试件并固定，记录试件及缺陷的几何与位置特征信息。②调节试件与摄像仪镜头之间的相对高度和距离，以待检测区域占热像仪成像区域3/4 面积为宜。③连接好电脑与红外热相仪，打开热像仪开关，调节好焦距，固定热像仪。④选择一种热激励方式(电吹风、脉冲涡流等)，并预设热激励参数。⑤以未进行热激励状态下的试件为对象，开始热视频拍摄约5 s，然后开启热激励仪器，拍摄试件在热激励条件下全部温升、温度保持以及降温全周期红外视频。⑥将采集到的视频保存下来，并命名编号，写入记录表中。⑦调整热激励参数，重复步骤⑤、⑥。⑧更换热激励方式，重新步骤④～⑦。⑨更换实验试件，重新步骤①～⑧。⑩实验完毕后，退出系统，关电源，并整理好仪器及附件。实验过程中需要注意，在实验前需要对试件进行热平衡以消除前一组实验过程对试件造成的热不均匀性，以免对实验效果产生不利影响。

3 实验装置

3.1 实验装置总体构成

基于本文的实验设计方案，构建了以含损伤结构为对象的脉冲涡流红外热像实验系统，如图2 所示。该实验装置主要由红外热像仪、计算机、试件、脉冲涡流热激励设备三部分组成。在进行热激励方式对比实验时，直接将脉冲涡流热激励设备更换为其他激励设备即可。

图2 实验系统

3.2 实验仪器

实验中使用广州飒特公司生产的HY6850 非制冷焦平面红外热像仪(见图2)，该仪器能够实现－10 ～800℃范围内的高精度红外视频拍摄，主要特点如下:获取数据的最大帧速为25 帧/s，温度分辨率为0.08℃，空间分辨率可达1.3 mrad，可以与计算机连接实现各种基本操作。本实验将热像仪与电脑连接，利用热像仪自带软件在计算机屏幕显示热像仪的视野，可以减少眼睛劳累，便于实现初步操作与数据存取。而热激励设备主要应用图中所示美国Ambrell 公司的EasyHeat 电磁感应加热系统，该系统能够实现对导电物体的非接触、可重复式快速加热。此外，为了方便进行实验结果对比，加热设备还包括电吹风等热激励设备。

3.3 实验用试件

实验中测试试件主要包括铁磁性金属材料、非铁磁性金属材料和碳纤维复合材料三类，图3 ～5 给出了部分试件的实物图片。其中铁磁性材料试件主要是碳钢材料的平板试件(见图3)，试件上预制了通孔、盲孔和裂纹三类缺陷;非铁磁性材料主要是铜质圆管(见图4)，试件上预制了不同直径的通孔和盲孔。碳纤维材料试件上的缺陷类型为冲击损伤(见图5)。

图3 铁磁性金属平板试件(含通孔、裂纹和盲孔缺陷)

图4 非铁磁性金属圆管试件(含通孔和盲孔缺陷)

图5 碳纤维复合材料试件

4 实验教学效果分析

4.1 实验结果及要求

每组学生完成全部实验后得到一定时间范围内的红外热图序列(红外视频)作为实验结果，该结果主要包括图像和温度两方面内容，均可以作为判断损伤是否存在和具体部位的依据。学生需要对全部实验结果进行如下分析工作:①针对任一实验试件，不同热激励方式下的红外热像最佳检测结果对比(分别从图像和温度角度进行);②针对任一实验试件，分析得到不同热激励方式的最佳检测参数设置(分别从图像和温度角度进行);③针对脉冲涡流红外热像检测技术，结合电磁感应机理，深入分析铁磁性材料、非铁磁性材料和碳纤维复合材料的检测参数差异;④从红外热图的质量角度入手，分析红外热成像检测技术检测质量的影响因素以及图像噪声的来源。

4.2 实验结果及分析

因篇幅所限，图6 仅给出脉冲涡流热激励条件下红外热像检测的部分实验结果。通过对实验过程及实验结果的分析可以发现:

(1)在脉冲涡流热激励条件下，试件上的多个不同类型的缺陷能够实现同时检测，而且检测结果在图像清晰度方面远优于传统弥散性热激励方式，因此能够实现不同热激励方式下红外热像检测效果对比的实验目的。

(2)应用脉冲涡流作为热激励方式时，加热时间只需毫秒级别即可获得良好的检测效果(如钢板只需20 ms 左右)，远小于其他传统热激励方式，因此可以通过实验证明脉冲涡流热激励方式下红外热像技术在检测效率方面的优势。

图6 部分实验结果

(3)激励电流流动方向和电流大小对于缺陷检测效果有较大影响，通过参数的优化组合能够有效提高检测效果和检测效率。特别是纤维增强复合材料的导电性在不同方向具有较大差异，更是对激励电流的方向和大小参数极为敏感。因此通过本实验，能够帮助学生理解脉冲涡流热激励方式通过电磁感应原理实现试件温度变化的机制，同时为学生探寻最优检测参数提供了实验条件。

(4)铁磁性材料和非铁磁材料的最优检测参数有很大差别，主要体现在热激励持续时间和激励电流的选择。由于复合材料导电性在不同方向上有很大差异，因此检测结果包含大量复合材料编织纹路的图像成分，因此复合材料的最优检测参数与其他两种材料相比有着更大不同。因此，实验为培养学生掌握针对不同类型材料进行红外热像无损检测的能力提供了良好的锻炼机会。

(5)学生还可以通过实验获得的红外热图，在温度信息、图像处理等方面开展进一步深入的分析，从而为进一步开展脉冲涡流红外热像技术的数值模拟、基于图像处理技术的缺陷自动识别和定位等方面，进行相关领域的科学研究工作。

5 结 语

本文以脉冲涡流热激励条件下红外热像技术为对象，设计并实现了面向结构表面缺陷的无损检测实验。实验设计过程中充分考虑缺陷类型、检测对象等多种因素的影响，并将脉冲涡流与其他热激励方式进行对比。教学实践结果表明，本实验系统不仅能够帮助学生深入理解脉冲涡流热激励下红外热像无损检测的机理，同时还可以培养学生在实验过程中通过自主探索掌握不同材料试件的最优检测参数设置方法，从而促进他们真正掌握脉冲涡流红外热成像这一先进的无损检测技术。因此，本实验方案的设计与相应实验装置的实现，从实践教学手段角度实现了国内外最新研究成果与“安全监测与监控”课程相关教学内容的有机融合，从而为我校安全科学与工程学科高素质研究生培养支撑平台建设提供了有益的参考。

［1］ 李晓刚，付冬梅. 红外热像检测与诊断技术［M］. 北京:中国电力出版社，2006.

［2］ 谢 静，杨晓燕，徐长航，等. 基于形态学方法的工件表面缺陷红外热像检测技术［J］. 中国石油大学学报(自然科学版)，2012，36(3):146-150.

［3］ 吕中产，田裕鹏，周克印. 红外无损检测中热激励研究［J］. 无损探伤，2005，29(6):44-45.

［4］ 薛书文，洪伟铭. 脉冲加热红外热成像无损检测技术回顾［J］.湛江师范学院学报，2004，25(6):22-25.

［5］ Krishnapillai M，Jones R，Marshall I H，et al. Thermography as a tool for damage assessment［J］. Composite Strucutres，2005，67:149-155.

［6］ John Wilson，Guiyun Tian，IlhamMukriz，et al. PEC thermography for imaging multiple cracks from rolling contact fatigue［J］. NDT＆E International，2011，44(6):505-512.

［7］ Junling Fan，Xinglin Guo，Chengwei Wu. A new application of the infrared thermography for fatigue evaluation and damage assessment［J］. International Jounal of Fatigue，2012，44:1-7.

［8］ Liu Junyan，Liu Liqiang，Wang Yang. Experimental study on active infrared thermography as a NDI tool for carbon–carbon composites［J］. Composites Part B:Engineering，2013，45(1):138-147.

［9］ 曹海洋，张玉成，朱启伟，等. 基于红外热成像技术的变压器热故障在线检测与诊断［J］.实验室研究与探索，2012，31(2):30-32.

［10］ Tsopelas N， Siakavellas N J. Experimental evaluation of electromagnetic-thermal non-destructive inspection by eddy current thermography in square aluminum plates［J］. NDT＆E International，2011，44(7):609-620.

［11］ 李俊山，杨 威，张雄美. 红外图像处理分析与融合［M］. 北京:科学出版社，2009.

［12］ 王 冲，刘 均. 复合材料力学性能分析实验的设计［J］. 实验技术与管理，2007，24(10):247-249.

［13］ 狄长安. 检测技术综合实验的教学探索［J］. 实验技术与管理，2005，22(12):107-108

［14］ 杨 磊，杨 明，付桑迪，等. 电阻噪声实验教学系统设计与实验［J］. 实验室研究与探索，2014，33(1):89-93.

［15］ 娄 久，李秀坤，王春雨.超声相控阵无损检测自动成像系统的设计与应用［J］.实验室研究与探索，2012，31(4):34-36.

［16］ 刘 灿，肖迪红. 激光技术应用于材料表面缺陷自动测量的研究［J］.实验室研究与探索，2003，22(6):64-65.