高性能紅外攝像機(jī)拍攝從測(cè)量對(duì)象外部激發(fā)（光、超聲波、渦流、電流和熱彈性等）測(cè)量對(duì)象內(nèi)部的密度波動(dòng)、內(nèi)部剝離、缺陷和龜裂產(chǎn)生的溫度變化是一種無(wú)損檢測(cè)方法。

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通過(guò)組合一定周期激發(fā)的鎖相熱成像，可以實(shí)現(xiàn)更高的分辨率，探測(cè)從測(cè)量對(duì)象表面到深入內(nèi)部的缺陷；通過(guò)改變鎖相頻率，可以改變向測(cè)量對(duì)象表面?zhèn)鲗?dǎo)的測(cè)量對(duì)象熱傳導(dǎo)周期，獲得從測(cè)量對(duì)象表面到深度方向的相關(guān)信息。

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本文介紹使用鎖相熱成像的光激發(fā)和超聲波激發(fā)無(wú)損檢測(cè)的測(cè)量示例。

關(guān)鍵詞：熱成像、鎖相、光激發(fā)、超聲波激發(fā)

1、紅外熱成像

本研究需采用最新紅外攝像機(jī)技術(shù)——二維焦平面陣列的紅外檢測(cè)元件。

圖1 紅外攝像機(jī)

320X256像素或者640X512像素、觀測(cè)波長(zhǎng)范圍MWIR的紅外檢測(cè)元件（InSb）通過(guò)轉(zhuǎn)向電子冷卻器進(jìn)行冷卻，各個(gè)紅外圖像的測(cè)量溫度分辨率（NETD）在25℃時(shí)為0.02℃。每個(gè)像素的空間分辨率通過(guò)空間分辨率視角規(guī)定，如要檢測(cè)大型測(cè)量目標(biāo)和精細(xì)區(qū)域，則需要更高像素的640X512像素紅外攝像機(jī)。

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紅外應(yīng)力測(cè)量需要更高的溫度分辨率，如果計(jì)算約2000個(gè)圖像，溫度分辨率要不低于0.001℃。

圖2 鎖相方式

對(duì)于反復(fù)加權(quán)的測(cè)量對(duì)象試樣的溫度變化，根據(jù)所謂的鎖相方式（圖2）任意設(shè)置的一定間隔的幀率，連續(xù)采集和計(jì)算紅外圖像，從時(shí)刻變化的溫度變化量計(jì)算最大溫度差⊿Ｔ，并制成圖像。

2、光激發(fā)熱成像

圖3 光激發(fā)鎖相熱成像

通過(guò)圖3所示的結(jié)構(gòu)進(jìn)行光激發(fā)鎖相熱成像測(cè)量。光激發(fā)方法分為脈沖熱成像和鎖相熱成像兩種。

圖4 脈沖熱成像

脈沖熱成像方法顯示圖4所示的溫度變化和時(shí)間相位滯后，通過(guò)光瞬間激發(fā)測(cè)量對(duì)象，在測(cè)量對(duì)象溫度下降的過(guò)程中，將測(cè)量對(duì)象的正常位置和缺陷位置產(chǎn)生的溫度變化和時(shí)間相位滯后通過(guò)圖像顯示出來(lái)。脈沖熱成像針對(duì)捕捉測(cè)量對(duì)象表面附近的缺陷和熱傳導(dǎo)系數(shù)較高的材料瞬變現(xiàn)象的測(cè)量。

圖5 鎖相熱成像

如圖5所示，鎖相熱成像方法通過(guò)重復(fù)亮燈激發(fā)測(cè)量對(duì)象，測(cè)量對(duì)象正常位置和缺陷位置因光激發(fā)產(chǎn)生的溫度變化而出現(xiàn)溫度變化和時(shí)間相位滯后，該方法通過(guò)圖像將溫度變化量和相位滯后顯示出來(lái)。鎖相熱成像方法將按一定頻率重復(fù)出現(xiàn)的溫度變化和相位滯后通過(guò)圖像表現(xiàn)出。通過(guò)鎖相方式反復(fù)施加相同的溫度變化，減少噪音成分，可以檢測(cè)出每次溫度變化測(cè)量所包含的噪音成分中隱藏的小型缺陷信號(hào)。

3、光激發(fā)鎖相熱成像測(cè)量示例

圖6 復(fù)合材料汽車(chē)車(chē)身的缺陷

圖6顯示使用光激發(fā)鎖相熱成像進(jìn)行缺陷檢測(cè)的結(jié)果。光激發(fā)鎖相熱成像檢測(cè)出復(fù)合材料內(nèi)部缺陷和剝離位置。

圖7 頻率和缺陷深度的關(guān)系

圖7顯示缺陷位置不同的復(fù)合材料平板的測(cè)量示例。改變光激發(fā)的鎖相頻率，0.5Hz的高頻只引起測(cè)量對(duì)象表面附近出現(xiàn)溫度變化，從而只能檢測(cè)測(cè)量對(duì)象表面附近的缺陷。而0.06Hz的低頻可以使測(cè)量對(duì)象深處出現(xiàn)溫度變化，從而還可以檢測(cè)深處缺陷。因此，在光激發(fā)鎖相熱成像中，通過(guò)改變激發(fā)頻率，可以評(píng)估到從測(cè)量對(duì)象表面到缺陷以及從缺陷位置到測(cè)量位置表面的熱傳導(dǎo)溫度變化和相位滯后，從而可以推測(cè)缺陷深度狀況。

4、超聲波激發(fā)熱成像

圖8 超聲波激發(fā)熱成像

圖8為超聲波激發(fā)熱成像概要。通過(guò)超聲波換能器激發(fā)測(cè)量對(duì)象，使用高性能紅外攝像機(jī)檢測(cè)測(cè)量對(duì)象內(nèi)部的龜裂或裂紋通過(guò)內(nèi)部摩擦或滯后而發(fā)熱的狀態(tài)。在光激發(fā)熱成像中，捕捉從受熱的測(cè)量對(duì)象表面向缺陷的傳熱以及溫度變化從缺陷位置向測(cè)量對(duì)象表面?zhèn)鲗?dǎo)時(shí)的溫度變化。而對(duì)于超聲波激發(fā)熱成像，因?yàn)椴蹲綇娜毕菸恢玫綔y(cè)量對(duì)象表面的溫度變化，只需光激發(fā)熱成像的一半過(guò)程即可，因此超聲波激發(fā)熱成像可以檢測(cè)更深位置的缺陷。

5、超聲波激發(fā)熱成像的測(cè)量示例

圖9-鉚釘殘留的超聲波激發(fā)熱成像

圖9為使用超聲波激發(fā)的熱成像檢測(cè)鉚釘殘留位置。左圖為鉚釘熔化后成為一體的檢測(cè)圖像，其中檢測(cè)不到超聲波激發(fā)引起的發(fā)熱。右圖中的鉚釘處存在間隙，可以測(cè)量到超聲波激發(fā)產(chǎn)生的發(fā)熱。

圖10 超聲波熱成像顯示氣門(mén)座圈

圖10 為插入發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)座圈時(shí)的嚙合狀態(tài)檢測(cè)示例。超聲波激發(fā)使座圈中有間隙的內(nèi)部產(chǎn)生摩擦而引起發(fā)熱。本狀態(tài)使用紅外攝像機(jī)測(cè)量。

6、總結(jié)

通過(guò)對(duì)測(cè)量對(duì)象進(jìn)行光激發(fā)或者超聲波激發(fā)，可以檢測(cè)測(cè)量對(duì)象內(nèi)部的缺陷和剝離狀態(tài)。高性能紅外攝像機(jī)可以捕捉非常輕微的溫度變化，并且與鎖相熱成像組合可以改進(jìn)S/N。通過(guò)圖像處理將缺陷位置和正常位置進(jìn)行二進(jìn)制處理，還可以用作自動(dòng)識(shí)別的檢測(cè)裝置。