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1、第30卷第3期无损探伤Vol.30No.32006年6月NDTJune.2006锁相红外热成像技术在无损检测领域的应用X刘 波 李艳红 张小川 徐义广 张存林(首都师范大学,北京 100037)摘 要:介绍了国外锁相红外热成像技术在无损检测领域的发展和现状,阐述锁相热成像技术的基本原理及其技术特点,介绍了一些在航空、航天及太阳电池板领域的典型应用实验。此技术作为一种新兴的手段,与超声C扫描和脉冲式热成像技术进行了比较。尤其对较大面积复合材料及近表面下缺陷深度的成功检测,表明该技术可以作为一种有效定量的检测手段。关键词:锁相;无损检测
2、;复合材料中图分类号:TG115.28 文献标识码:A 文章编号:167124423(2006)03212204 自20世纪70年代初,红外热成像就应用于材料和机械结构的无损检测及评估,随后发展起来的主动式红外热波无损检测技术具有探测面积大、速度快、非接触、安全、适用于外场检测的特点,该技术越来越引起人们的注意。然而,红外热波无损检测技术在定量检测缺陷的深度方面有一定局限性。锁相红外热成像技术在周期性的热源加热条件下,具有图1 锁相热成像装置相位延迟、深度测量且相位图所含信息比振幅图多的特点,因此被逐步发展起来。从20世纪90年代
3、初开始,美国、德国、日本、法国和新加坡等国就把锁相技术和红外热成像技术结合起来,应用于航空器、飞机(碳纤维增强复合物(CFRP),玻璃纤维增强复合物(GFRP)等材料)、直升机机身,汽车、集成电路及太阳能电池板、瓷砖、人体血管成像等领域。图2 光热光栅扫描(左)锁相热成像(右)本文主要介绍了国外锁相红外热成像技术的基产生热波,同时用红外探测器探测。红外热波信号分本原理及其技术特点。析的基本硬件是锁相放大器,它靠一点温度情况准1 锁相红外热成像的原理确地提供相位和振幅信息,但光栅扫描时间很长,尤锁相装置如图1所示[1]:其对低频调制信
4、号和大面积试件的检测,因此并不硬件系统由一个热成像系统和锁相设备构成,适合大规模应用。热成像系统中计算机自控程序获得正弦调制(或其锁相红外热成像用扩充热源(例如:闪光灯)代替点光源,红外热像仪采用热波探测阵列。为了获取他调制)信号,同时控制热像仪和闪光灯。锁相红外[1]温度调制的振幅和相位,必须对每个像素处的温度热成像与光热光栅图像点对点对比,如图2所示。时间图像作傅立叶分析。常规方法利用激光束作为点光源,在试件局部X基金项目:国家863计划资助项目(2003AA333090)第3期 刘 波等:锁相红外热成像技术在无损
5、检测领域的应用 13图5 碳纤维层压板得到的相位图和振幅图图3 光强的调制(上)时间与像素点处四个热像图关系(中)X1处热波信号S的重建(下)图5是碳纤维层压板得到相位图和振幅图,同如果正弦热信号注入,从四组温度数据得到的时频率越低,显示深度越深。图5(a)是碳纤维层压温场也是一个重建的正弦信号。如图3所示,在光强板后表面嵌有斜槽示意图,图5(b)是其锁相热成像的一个调制周期内,记录下四个等距的数据图像。如图。图6中聚合体表面结构反映出只有振幅信号受果Si(x1)(i=1、⋯⋯4)是在像素X1处的四个探测到局部的
6、影响,而除少量光被吸收和噪声增加的区信号,那么振幅A和相位U可由下式确定:域外,相位信号不受到影响。S1(x1)-S3(x1)U(x1)=arctan(1)S2(x1)-S4(x1)22A(x1)=S1(x1)-S3(x1)+S2(x1)-S4(x1)(2)以上公式既适合单个像素点,也适用于整个图像。因此由某像素点的四组平均热图Si来计算振幅图A和相位图U。由表达式(2)的比例关系可知,相位不受非均匀光强、光吸收引起局部变化或热辐射系数的影响。图6 试件表面相位和振幅图对比实际上,人们感兴趣的是多种调制频率,并非仅2 锁相热成像技术
7、应用实例仅是四组图像对应一个热源调制周期的那种频率,[2]尤其对于低频,即图3中基频的1ön(n=1,2⋯),2.1 飞机检测脱粘90°相位调制可以用n个数据点代替1个,即正弦调利用锁相热成像可探测大件物体,例如,直升飞制信号可以利用n个点被平均到方程(1)(2)中Si机机身。的某一个点,如图4所示。图7 利用锁相热成像探测飞机机身从图7(a)探测直升机的热图中可以看到CFRP图4 热图序列和90°相位调制得到四个平均热图Si(X1)外表面受到非均匀光强的影响,相位图7(b)中表面如图5和图6中所示的两个实验结果,显示出下的特征更清
8、楚,在已知完整结构的机体后部损伤锁相热成像的特点。借助于频率可知道深度信息范(部分蜂窝结构积水、撞伤)呈斑点状。图8是探测支围,且从相位图中得到的信息要比振幅图中多。撑梁外壳脱粘的锁相热图,面板中的水平亮线中断1
