李媛媛++李保志++段立軍

[摘 要]紅外熱成像無損檢測技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對金屬、非金屬及復(fù)合材料中存在的裂紋等缺陷進(jìn)行檢測，具有非接觸、檢測面積大、速度快、在線檢測等優(yōu)點(diǎn)。通過介紹幾種對紅外檢測診斷產(chǎn)生不利影響的因素，并對檢測過程中如何減小這些不利影響進(jìn)行簡單說明，從理論上證明該項(xiàng)技術(shù)的可行性。

[關(guān)鍵詞]紅外無損檢測；表面溫度；紅外輻射；熱傳導(dǎo)

中圖分類號：TP274.52 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）03-0363-01

紅外熱成像無損檢測技術(shù)是近年來應(yīng)用逐漸廣泛的一種新興檢測技術(shù)。作為一種非接觸的無損檢測手段，廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)械、醫(yī)療、石化等領(lǐng)域.常規(guī)的無損檢測技術(shù)例如超聲波探傷、射線探傷、磁粉和滲透探傷等的研究已經(jīng)很成熟，但仍存在高空、地下架設(shè)等無法滿足檢測要求的情況，具有一定局限性。

紅外熱成像無損檢測技術(shù)的創(chuàng)新性在于使用紅外測溫的方式，不接觸被測物體，不破壞溫場，以熱圖像的形式直觀準(zhǔn)確的反映物體的二維溫度場分布，使材料表面下的物理特性通過其表面溫度變化反映出來。近幾年紅外無損檢測技術(shù)飛速發(fā)展，已經(jīng)成為傳統(tǒng)檢測方式如激光、超聲等技術(shù)的補(bǔ)充及替代。該技術(shù)也可以與其他檢測方式相結(jié)合以提高檢測的精確度及可靠性。與傳統(tǒng)的檢測方式相比，該技術(shù)的特點(diǎn)如下：

（1）適用范圍廣，可檢測金屬及非金屬材料；

（2）測量結(jié)果的可視性，可以通過圖像顯示測量結(jié)果：

（3）非接觸式測量，不會對物體造成污染：

（4）檢測面積廣，可對大型設(shè)備進(jìn)行整體觀測；

（5）檢測設(shè)備攜帶方便，適用于現(xiàn)場在線檢測；

（6）檢測速度快。

一、 紅外熱成像無損檢測原理

（一）基本原理

紅外熱成像無損檢測技術(shù)是根據(jù)紅外輻射的基本原理，通過紅外輻射的分析方法對物體內(nèi)部能量流動情況進(jìn)行測量，使用紅外熱成像儀顯示檢測結(jié)果，對缺陷進(jìn)行直觀上的判定。此方法以熱傳導(dǎo)理論和紅外熱成像理論為基礎(chǔ)。當(dāng)物體的溫度與環(huán)境溫度存在差異時，就會在物體內(nèi)部產(chǎn)生熱量的流動。如果向該物體注入熱量，其中一部分熱流必然向內(nèi)部擴(kuò)散，使物體表面的溫度分布發(fā)生變化。

1、對于無缺陷的物體，當(dāng)熱流均勻注入時，熱流能夠均勻的向內(nèi)部擴(kuò)散或從表面擴(kuò)散，因而表面的溫度場分布也是均勻的；

2、當(dāng)物體內(nèi)部存在隔熱性缺陷時，熱流會在缺陷處受阻，造成熱量堆積，導(dǎo)致表面出現(xiàn)溫度高的局部熱區(qū)；

3、當(dāng)物體內(nèi)部含有導(dǎo)熱性缺陷時，物體表面就會出現(xiàn)溫度較低的局部冷區(qū)。

由以上三種情況可看出，當(dāng)物體內(nèi)部存在缺陷時，就會在物體有缺陷區(qū)和無缺陷區(qū)形成溫差。且該溫差除了取決于物體材料的熱物理性質(zhì)外，還與缺陷的尺寸、距表面的距離及它的熱物理性質(zhì)有關(guān)。由于物體局部溫差的存在，必然導(dǎo)致紅外輻射強(qiáng)度的不同，利用紅外熱像儀即可檢測出溫度的變化狀況，進(jìn)而判斷缺陷的情況。

（二）檢測理論依據(jù)

1、紅外熱成像理論

高于絕對溫度零度的任何物體都會不停地向外界發(fā)射電磁波，紅外熱成像無損檢測技術(shù)是建立在電磁輻射和熱傳導(dǎo)理論基礎(chǔ)上的一門無損探傷技術(shù)。根據(jù)物體輻射的特點(diǎn)可以將物體分為絕對黑體和灰體兩類，被檢測物體輻射都屬于灰體輻射?；殷w輻射總輻射強(qiáng)度等于同一溫度黑體的總輻射強(qiáng)度乘以灰體的發(fā)射系數(shù)，即灰體輻射滿足斯蒂芬波爾茲曼定律。

（1）

式中—灰體發(fā)射系數(shù)

—斯蒂芬波爾茲曼常數(shù)

—物體輻射強(qiáng)度

—物體絕對溫度

紅外熱成像無損檢測技術(shù)正是利用這個公式，通過紅外熱像儀接收來自物體的輻射，從而測定物體表面的溫度場分布，然后根據(jù)溫度場的異常分布情況來識別物體內(nèi)是否存在缺陷。因此，物體具有不同的溫度和發(fā)射系數(shù)，紅外熱像儀接受來自物體的輻射，便可測定物體表面的溫度場分布。

2、熱傳導(dǎo)理論

熱量從物體內(nèi)溫度較高的部位傳遞到溫度較低的部位，或從溫度較高的物體傳遞到與之接觸的另一溫度較低的物體，此熱傳遞過程稱為熱傳導(dǎo)。物體內(nèi)部產(chǎn)生導(dǎo)熱的起因在于物體各部分之間具有溫度差，所以只要確定物體內(nèi)部溫度場，根據(jù)傅里葉定律就能確定物體內(nèi)的熱流。

（2）

—單位面積上在溫度降低方向上單位時間的熱流量

—被測物體導(dǎo)熱系數(shù)

—被測物體內(nèi)空間、時間溫度分布

上式揭示了熱流量與溫度之間的關(guān)系，對于穩(wěn)態(tài)場和非穩(wěn)態(tài)場都適用。通常用熱傳導(dǎo)微分方程來描述溫度場時空域的內(nèi)在聯(lián)系。

（3）

—加載熱源項(xiàng)

—被測物體密度

—被測物體比熱容

在給定溫度梯度的條件下，熱流的大小正比于物體的導(dǎo)熱系數(shù)。因此，在熱傳導(dǎo)分析中，物體的導(dǎo)熱系數(shù)是一個很重要的參數(shù)，它直接影響物體內(nèi)熱流的大小。各種工程材料的導(dǎo)熱系數(shù)相差懸殊，最大的是純金屬，最小的是氣體和蒸汽，非結(jié)晶絕緣體和無機(jī)液體的導(dǎo)熱系數(shù)介于兩者之間。

二、檢測方式

（一）主動式檢測

為了使被測物體失去熱平衡，在紅外熱成像無損檢測時為被測物體注入熱量。被測物體內(nèi)部溫度不必達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，內(nèi)部溫度不均勻時即可進(jìn)行紅外檢測的方法即為主動式紅外檢測。該種檢測方式是人為給試樣加載熱源的同時或延遲一段時間后測量表面的溫度場的分布。從而確定金屬、非金屬、復(fù)合材料內(nèi)部是否存在孔洞、裂縫等缺陷。

（二）被動式檢測

被動式紅外熱成像無損檢測利用周圍環(huán)境的溫度與物體溫度差，在物體與環(huán)境進(jìn)行熱交換時，通過對物體表面發(fā)出的紅外輻射進(jìn)行檢測缺陷的一種方式。這種檢測方法不需要加載熱源，一般應(yīng)用于定性化的檢測。被測物本身的溫度變化就能顯示內(nèi)部的缺陷。它經(jīng)常被應(yīng)用于在線檢測電子元器件和科研器件及運(yùn)行中設(shè)備的質(zhì)量控制。

三、總結(jié)

紅外熱成像檢測技術(shù)不同于常規(guī)的檢測手段（如射線、磁粉、超聲、渦流、滲透等），可以快速掃描，提高檢測效率。作為目前較為成熟的檢測技術(shù)，脈沖紅外熱成像技術(shù)脈沖能量大，單次檢測面積大，檢測速度快。鎖相紅外熱成像技術(shù)所得的位相圖不受物體的表面情況等影響。對于深層缺陷，疲勞損傷和微小缺陷可以達(dá)到較好的檢測深度，同時鎖相紅外熱成像的位相延遲和物體的缺陷深度和鎖相頻率有關(guān)，當(dāng)知道鎖相頻率和位相延遲就可以求出缺陷的深度。

在實(shí)際應(yīng)用中，兩種技術(shù)可以互補(bǔ)使用，對于具體的物體和具體的檢測要求可選擇不同方案。由于被測物體溫度場變化迅速，儀器精度和靈敏度受外界影響較大。而且對儀器的設(shè)置、環(huán)境和被測物體表面等要求嚴(yán)格，這些因素決定了使用紅外熱成像無損檢測方法后，可使用常規(guī)無損檢測手段進(jìn)行復(fù)檢，以提高檢測的正確性。

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