風(fēng)電葉片復(fù)合板紅外熱成像檢測

楊 慶 熊 勢

（廣西壯族自治區(qū)特種設(shè)備檢驗研究院，廣西 貴港 537000）

0 引言

碳纖維復(fù)合材料的比強度、比模量都非常高，在風(fēng)電葉片領(lǐng)域（對材料密度、剛度等特性以及質(zhì)量、疲勞等性征有非常高的要求）有很大的優(yōu)勢。風(fēng)電葉片的主體結(jié)構(gòu)的材料主要包括碳纖維復(fù)合材料和玻璃纖維復(fù)合材料。然而，碳纖維層壓板復(fù)合材料在使用過程中經(jīng)常會受到各種沖擊，物體的沖擊可能導(dǎo)致復(fù)合材料出現(xiàn)纖維變形和斷裂的情況，層壓板復(fù)合材料也可能會出現(xiàn)分層、開裂等情況[1]。在風(fēng)電葉片的整個生產(chǎn)、運輸和安裝過程中，無法避免受到各種意外碰撞的情況，這些碰撞可能會導(dǎo)致復(fù)合材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生缺陷，并在使用過程中發(fā)生擴展，最終使整個風(fēng)電葉片都損壞。因此，不管是風(fēng)電葉片生產(chǎn)過程中的質(zhì)量檢測，還是其使用周期中的在線檢測都變得非常重要。

目前，風(fēng)電葉片質(zhì)量的檢測方法主要有目視檢查或出廠時對部分產(chǎn)品進行超聲檢測[2]，這些方法的檢測效率較低，在風(fēng)電大面積普及的形勢下，亟需一種更快速、更高效的檢測方法。

1 紅外熱成像檢測技術(shù)

紅外熱成像檢測技術(shù)[3]是一種新型無損檢測方法，主要用于材料內(nèi)部成像、缺陷檢測和應(yīng)力檢查，是一種非接觸式在線檢測技術(shù)。對任何物體來說，不論其溫度高低，都會發(fā)射或吸收熱輻射，其大小除了與物體材料種類、形貌特征、化學(xué)結(jié)構(gòu)和物理學(xué)結(jié)構(gòu)（例如表面氧化度、粗糙度等）特征有統(tǒng)計學(xué)意義外，還與波長、溫度有統(tǒng)計學(xué)意義。紅外熱成像檢測就是利用物體的這種特性，通過紅外照相機來接收工件不同部位發(fā)射的紅外線，將其轉(zhuǎn)換為溫度并合成圖像。同時，利用工件不同部位熱傳導(dǎo)效率不同的特點，通過觀察圖像上工件溫度的變化來判斷內(nèi)部狀況，該方法具有檢測速度快、適用性廣等優(yōu)點。

根據(jù)是否有外加熱源將紅外熱成像檢測技術(shù)分為主動式和被動式。被動式紅外熱成像檢測技術(shù)是當(dāng)目標與環(huán)境存在溫差并進行熱交換時進行紅外檢測，過程中無熱激勵源。主動式紅外熱成像檢測技術(shù)是通過外加熱源加熱使目標各部分溫度變化不均勻，通過觀察目標的導(dǎo)熱過程進行紅外檢測。目前，實際工作中常使用主動式紅外熱成像檢測技術(shù)。

2 紅外熱成像檢測

2.1 試塊制備

由于碳纖維復(fù)合材料是應(yīng)用范圍比較廣、比較典型的層壓結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，因此該文選擇碳纖維復(fù)合材料作為試塊，模擬試驗風(fēng)電葉片內(nèi)部沖擊損傷的檢測。

該試驗的試塊采用Instron CEAST9300 落錘式?jīng)_擊試驗機制備，使用鋼制半球形沖頭，沖頭圓平面直徑為6.25 mm，質(zhì)量為4.0 kg，使用矩形碳纖維試塊，試塊尺寸為150.0mm×100.0mm×4.8mm，采用自由落體沖擊來模擬碳纖維復(fù)合材料受到的碰撞，經(jīng)計算，試塊受到的沖擊能量為40 J 自由落體式?jīng)_擊。最后得到的碳纖維復(fù)合材料試塊受沖擊部位出現(xiàn)了深度約為6 mm 的凹痕，并在凹痕兩邊發(fā)現(xiàn)了目視可見的纖維斷裂，如圖1 所示。

圖1 制作的碳纖維沖擊損傷試塊

2.2 紅外熱成像檢測過程

該試驗采用德國InfraTec 公司的儀器及軟件。整個檢測系統(tǒng)由紅外照相機、脈沖閃光燈以及圖像分析軟件組成。首先，根據(jù)碳纖維復(fù)合材料試塊的整體特性，試驗時使用脈沖閃光燈為碳纖維試塊加熱10 s，開始加熱的同時使用紅外照相機對試塊進行圖像采集，圖像采集頻率為10 次/s，總采集時長40 s，采集到的熱圖數(shù)量為400幅。其次，使用圖像分析軟件對采集到的熱圖進行分析，選出對比度最大（即溫差最大）的幾幅熱圖作為試塊的典型沖擊損傷熱圖。部分熱圖如圖2 所示，缺陷部位由清晰到逐漸模糊。

圖2 試塊紅外熱圖序列

為了獲取最佳缺陷圖像，需要對得到的所有碳纖維復(fù)合材料試塊紅外熱圖進行分析。在圖像分析過程中以受沖擊損傷區(qū)域為目標區(qū)，無損傷區(qū)域為參考區(qū)，分析目標區(qū)與參考區(qū)的試塊表面溫度變化情況。定義以下4 個參數(shù)：1）T1為試塊參考區(qū)的平均溫度。2）T2為試塊目標區(qū)的平均溫度。3） ΔT為試塊參考區(qū)與目標區(qū)的平均溫度的溫度差，ΔT=T1-T2。4）Tmax為溫差最大值。

為了獲取準確數(shù)據(jù)，選取1 幅損傷缺陷比較清晰的熱圖，在熱圖的目標區(qū)與參考區(qū)各選擇4 個同樣大小的區(qū)域作為溫度取值點，然后提取所有熱圖取值點的溫度數(shù)據(jù)，繪制試塊的T1、T2和ΔT的時間歷程曲線，如圖3 所示。

圖3 ΔT 的溫差-時間歷程曲線

由圖3 可知，碳纖維試塊的溫差ΔT在第一百一十幅熱圖達到最大，說明此時熱圖中目標區(qū)與參考區(qū)的對比度最大，相應(yīng)的試塊損傷區(qū)域最清晰。同時，考慮第一百一十幅熱圖之后的ΔT急劇下降，應(yīng)選擇第一百一十幅熱圖之前的相對平緩的部分熱圖來提取缺陷損傷數(shù)據(jù)，該試驗采用第一百零八幅熱圖作為最佳熱圖進行數(shù)據(jù)提取。

2.3 試塊損傷缺陷數(shù)據(jù)的提取

選擇第一百零八幅熱圖作為最佳熱圖進行圖像處理，該試驗的圖像處理軟件為ImageJ，具體的損傷數(shù)據(jù)提取過程如下。

2.3.1 圖像的調(diào)節(jié)處理

缺陷原始紅外熱圖采用第一百零八幅紅外熱圖，如圖4 所示。圖4（a）使用的RGB 顏色模式，在進行圖像分析的過程中需要分別對RGB 三種顏色分量進行處理，分析時的計算過程比灰度圖復(fù)雜并且RGB 顏色模式在亮度梯度上也沒有灰度圖顯著，因此需要先對彩色圖像進行灰度化處理。

圖4 第一百零八幅熱圖

2.3.2 損傷缺陷提取

紅外熱成像檢測完成后，需要從圖像上提取缺陷的長度、面積等特征。由于ImageJ 是以像素為單位進行計算的，因此需要先進行刻度校對，將像素單位變?yōu)殚L度單位。長度單位調(diào)節(jié)好后，可以利用ImageJ 直接測量試塊的缺陷面積、缺陷長度等特征數(shù)據(jù)。由于碳纖維復(fù)合材料試塊熱圖的邊緣效應(yīng)較嚴重，因此需要用選擇工具，以各像素的灰度級為基準自動描出缺陷的輪廓，如圖5 所示。

圖5 沖擊損傷缺陷的輪廓

由于損傷的邊緣較復(fù)雜，因此取損傷區(qū)域的最小外接矩形面積為損傷區(qū)域面積。最小外接矩形（MBR）是指以給定的二維形狀各頂點中的最大橫坐標、最小橫坐標、最大縱坐標以及最小縱坐標定下邊界的矩形。在ImageJ 中可直接得出選中區(qū)域的最小外接矩形，在測量結(jié)果界面顯示最小外接矩形的相關(guān)數(shù)據(jù)，定義缺陷最小外接矩形的長為缺陷的長徑，定義缺陷最小外接矩形的寬為缺陷的短徑。這樣，只需要測出最小外接矩形的長和寬，就能知道缺陷的長徑和短徑。

由圖5 可知，使用ImageJ 的最小外接矩形功能測得損傷區(qū)域的面積為1 045.44 mm2，長徑為56.36 mm，短徑為29.34 mm，該數(shù)值即為損傷區(qū)域的數(shù)據(jù)。

3 超聲C 掃描檢測對比

該文采用超聲C 掃描檢測進行對比試驗，并將檢測結(jié)果與紅外熱成像檢測結(jié)果進行對比。超聲C 掃描檢測技術(shù)主要利用超聲波來判斷物體中是否存在缺陷，同時利用電機等機械掃描方式來采集數(shù)據(jù)，以合成掃描圖像。

碳纖維復(fù)合材料試塊尺寸為長150.00 mm，寬100.00 mm，厚4.80 mm。根據(jù)碳纖維復(fù)合材料板的厚度，超聲C 掃描檢測設(shè)置如下：使用水浸聚焦探頭，探頭晶片尺寸為10.00 mm，頻率為5 MHz，水中焦距為30.00 mm；掃描方式采用X-Y雙軸矩形掃描，掃描速度為300 mm/min，掃描間距為5.00 mm。超聲C 掃描檢測共耗時約6 min。得到的超聲C 掃描缺陷圖如圖6 所示。

圖6 超聲C 掃描缺陷圖

采用相同的方法進行圖像處理，提取超聲C 掃描檢測的缺陷數(shù)據(jù)，得到的數(shù)據(jù)如下：面積為1 235.31 mm2，長度為58.56 mm，寬度為37.42 mm。將缺陷數(shù)據(jù)與前面紅外熱成像檢測數(shù)據(jù)進行對比，兩者長度相當(dāng)，超聲C 掃描檢測的寬度和面積比較大，但是2 種方法的缺陷總體輪廓相差不大。同時，超聲C 掃描檢測的圖像對比度和靈敏度都比較高。

紅外熱成像檢測用時僅需要40 s，檢測速度快，具有非常大的優(yōu)勢。同時，檢測時無須與被檢工件接觸，可以實現(xiàn)實時、快速檢測的目標。超聲C 掃描檢測時需要通過水介質(zhì)與被檢工件接觸，在現(xiàn)場實際檢測過程中實現(xiàn)難度較大，因此紅外熱成像檢測在檢測速度和實際現(xiàn)場的在線檢測上都具有很大的優(yōu)勢。

4 結(jié)語

由試驗結(jié)果可知，紅外熱成像檢測技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)碳纖維復(fù)合材料的無損檢測，完成沖擊損傷數(shù)據(jù)的提取工作，其在風(fēng)電葉片這類大型構(gòu)件的快速檢測方面具有明顯的優(yōu)勢：1） 紅外熱成像檢測技術(shù)采用非接觸式檢測，采用紅外照相機直接觀察風(fēng)電葉片的溫度變化，并且紅外熱圖可以直觀地顯示試塊的損傷狀況。2） 檢測速度非?？?，它檢測1 個工件只需要1 min，當(dāng)完成風(fēng)電葉片這種大面積的檢測工作時，可以明顯提高檢測效率。3） 通用性較強，對工件外形變化大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜以及表面不平整等狀況來說，比其他接觸式檢測技術(shù)更有效。4） 檢測數(shù)據(jù)可以在電腦中長期保存，有利于追根溯源，無論是對保證質(zhì)量，還是對跟蹤監(jiān)測風(fēng)電葉片的使用都非常有幫助。同時，檢測數(shù)據(jù)也可以作為風(fēng)電葉片的出廠數(shù)據(jù)長期保存。