卫星OSR粘接质量可视化检测技术研究

2022-11-24邵红亮殷少华闫来信董学金

航天制造技术 2022年5期

邵红亮殷少华闫来信董学金

卫星OSR粘接质量可视化检测技术研究

邵红亮殷少华闫来信董学金

（上海卫星装备研究所，上海 200240）

采用基于锁相的红外热成像检测方法对OSR粘接界面缺陷进行无损检测，分析了红外锁相成像检测方法的检测原理，制作了含自然缺陷的试样，并进行红外热像检测方法的检测能力和成像规律研究。结果表明，基于红外锁相的热成像检测方法能够实现对OSR粘接界面内空洞类缺陷的有效检出，可检出的最小缺陷面积为1.5mm当量，具有较高的检测灵敏度。

锁相红外；OSR；可视化；无损检测

1 引言

OSR作为一种优质的温控涂层元件，在宇航型号中有着大量的应用。通常，OSR通过一定厚度的胶黏剂粘贴在蜂窝板蒙皮上，经固化形成OSR-胶黏剂-蜂窝板典型的三层复合结构。由于粘接工艺复杂，在胶黏剂层易产生空洞类缺陷，会影响OSR的粘接强度及温控性能，严重时在真空试验或空间在役过程中真空放气会造成OSR片破碎，产生多余物危害。

由于OSR产品整体结构轻薄、易碎，要求在检测作业时能够实现非接触。射线、超声、磁粉、涡流和渗透作为五大常规无损检测方法[1]，在宇航产品中检测中有着广泛的应用，但在OSR的现场检测实施中具有一定的技术局限性，因此研究新的无损检测技术应用势在必行。本文开展基于红外检测技术的OSR粘接界面缺陷可视化检测技术研究，获得该检测对象的红外热像检测方法的检测能力和成像规律，解决OSR粘接界面非接触、可视化检测难题。

2 检测原理

通常红外热成像检测技术可以分为脉冲红外成像检测技术和锁相红外成像检测技术[2]，其中锁相技术由于采用周期性的热激励，较脉冲激励相比，具有跟高的信噪比和检测灵敏度，更适用于OSR产品的检测实施。图1为红外相机采集的原始热像图，红外锁相成像检测技术对热像图数据处理过程如下：假设热像仪的采用频率为，采样时间为，则在时间内可采集张图像；设定每一帧热像图的大小为×个像素尺寸，通过式（1）的矩阵变换，将采集到的张图像整理为×的数据矩阵，对矩阵的每一行作FFT变换得到相位角，经归一化处理得到每一列的原始图像的相位图；利用式（2），选取序列图中缺陷信息幅度最大的一帧图N，即可表征检测结果。

图1 原始红外热像图

式中每一行为同一像素点处不同时刻的温度变化；每一列为一帧图像的不同像素点处的温度值。

根据检测原理，锁相红外成像检测技术不仅可以得到检测产品的能量幅值图，还可以选择不同的检测工艺参数得到其相位图，因此具有更高的检测灵敏度和产品适应性。

3 试验设计

3.1 成像检测系统

锁相红外成像检测系统主要由红外热像仪、锁相控制系统、能量加载装置、图像处理单元组成。本试验所中激励源选用大功率红外辐射装置进行热激励，控制输入电压为100V。激励方式选用正弦波，激励频率设定为0.5Hz，0.3Hz，0.15Hz，0.1Hz，0.08Hz，0.06Hz，0.03Hz，0.015Hz，0.008Hz。

3.2 缺陷试样的设计

为获得OSR粘接界面内缺陷在锁相红外成像检测方法下的检测能力及成像规律，同时最大程度上模拟自然缺陷特征，试样制作中在预设区域不涂胶， OSR片经正常固化，内部形成不同特征的自然缺陷。本次制作的试块上共包含12片OSR片，编号从左上角到右下角依次为A11～A34，如图2，试块中包含无缺陷粘贴、密集型小气泡、大面积空洞及密集气泡/大面积空洞混合等常见缺陷类型。

图2 缺陷试样实物图

由于粘接剂具有一定的流动性，在固化过程中，预设的圆形缺陷变形。由于OSR粘接所用胶黏剂含有银粉，因此密度较高，使用射线照相检测方法得到的射线底片上的成像如图3所示，红色标记区域内的深黑色为缺陷区域，缺陷实际尺寸与胶片上图像显示比例近似为1:1。

图3 缺陷试样的X射线检测结果

4 检测参数选择与结果分析

4.1 锁相频率参数试验

通过含已知缺陷的对比试块试，对比不同锁相频率下的缺陷检测效果，确定合适的锁相频率。试验条件如3.2节所述。由于所有OSR片的厚度是均匀的，因此忽略缺陷埋深对缺陷显示及图像信噪比的影响。分别采用0.5Hz，0.3Hz，0.15Hz，0.1Hz，0.08Hz，0.06 Hz，0.03Hz，0.015Hz，0.008Hz等频率对试件进行激励，获得各频率下的成像效果如图4所示。

图4 不同频率下热成像相位图

根据图4的检测结果，采用0.015Hz的激励频率能实现最佳的检测成像效果，该频率下的图像上密集型小气泡、大面积空洞混合缺陷均得到清晰的显示。显示结果与图3缺陷试样在射线底片上的分布一致，最大缺陷尺寸测量显示为20mm，最小的缺陷测量显示为1.5mm。图中不同大小的缺陷尺寸统计分析对比结果如表1。

表1 不同锁相频率下缺陷测量尺寸对比

根据对比不同锁相频率下的红外热成像检测结果，针对OSR粘接产品，使用0.015Hz的锁相频率能得到较为清晰的成像效果，且对小于3mm的缺陷，测量误差小于0.2mm；对于大于5mm的缺陷，测量误差小于1mm。

4.1.1 热加载周期参数试验

为验证不同热加载周期对检测结果的影响程度，采用0.015Hz的锁相频率，分别设置2、5、8、12四种不同的加载周期进行试验，如图5为不同加载周期的成像效果图，对检测成像效果进行分析如表2。

表2 不同热加载周期下缺陷测量尺寸对比

根据成像结果对比发现，由于OSR产品较薄，且具有较高的热导效率，当热加载周期为5时，就可以达到较好的检测效果，检测图像的分辨率和细节缺陷的分辨率能力即可满足检测需求，验证热加载周期，检测效率进一步改善的效果不明显；随着加载周期的单次检测数据增大，检测时间逐渐增加，同时在产品表面积累的最高温度也随之升高。因此，在满足检测条件的情况下，建议选择较低的热加载周期。

4.1.2 相位差量化统计

试验同时统计固定加载频率的缺陷图像相位差。

图6 热成像的频率-相位差关系曲线

选择热加载周期为5时，统计不同锁相频率下空洞缺陷的中心点相位与无缺陷区域点的相位差值，得得到频率-相位差关系曲线，如图6所示。即对OSR粘接界面空洞类缺陷检测时，当激励频率在0.015Hz附近，此时缺陷位置与无缺陷区域有最大的相位差0.7rad，此时在检测图像中，缺陷成像与正常粘贴具有较高的对比度，便于人眼观察和精确测量。

5 结束语

综上分析，对OSR粘接界面的空洞类缺陷的红外热像检测及统计规律可以得到如下结论：

a. 采用红外锁相的热成像检测能够实现对OSR粘接界面内空洞类缺陷的有效检出，可检出的最小缺陷面积为1.5mm当量，具有较高的检测灵敏度。

b. OSR粘接界面内空洞类缺陷具有固定的缺陷埋藏深度，采用该系统检测的最佳能量激励频率为0.015Hz，此时缺陷位置与无缺陷区域有最大的相位差0.7rad，具有最佳的缺陷显示效果。

c. 对于薄壁的OSR产品粘贴缺陷，选用较低的热加载周期（=5）时，即可达到较好的分辨率和检测效率，增加热加载周期，检测效果提升不明显，且会降低产品检测效率，增加产品表面的温度，不利于产品安全。

d. 使用红外锁相的热成像检测具有较高的缺陷尺寸测量精度，与射线检测底片中测量结果误差小于1mm。

1 雷毅. 无损检测技术问答[M]. 中国石化出版社，2013：2～3

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Research on Visualization Detection Technology of Satellite OSR Bonding Defects

Shao Hongliang Yin Shaohua Yan Laixin Dong Xuejin

(Shanghai Institute of Spacecraft Equipment, Shanghai200240)

In this paper,a non-destructive detection method based on locked-in infrared thermal imaging is used to detect OSR bonding inerface defects. The technical principle of infrared thermal imaging detection method is analyzed,samples with natural defects are maded,and the detection ability of infrared thermal imaging edtecton methods are researched.The results show that,thermal miaging detection method based on infrared phase locked-in can effectively detect the holes in the OSR bonding interface in actual combat,the smallest defect size that can be detected is 1.5mm, and the method has hight detection sensitivity.

locked-in infrared；OSR；visualization；non-destructive detection