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

?

通過組合一定周期激發(fā)的鎖相熱成像，可以實現(xiàn)更高的分辨率，探測從測量對象表面到深入內(nèi)部的缺陷；通過改變鎖相頻率，可以改變向測量對象表面?zhèn)鲗У臏y量對象熱傳導周期，獲得從測量對象表面到深度方向的相關(guān)信息。

?

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

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技術(shù)——二維焦平面陣列的紅外檢測元件。

圖1 紅外攝像機

320X256像素或者640X512像素、觀測波長范圍MWIR的紅外檢測元件（InSb）通過轉(zhuǎn)向電子冷卻器進行冷卻，各個紅外圖像的測量溫度分辨率（NETD）在25℃時為0.02℃。每個像素的空間分辨率通過空間分辨率視角規(guī)定，如要檢測大型測量目標和精細區(qū)域，則需要更高像素的640X512像素紅外攝像機。

?

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

圖2 鎖相方式

對于反復加權(quán)的測量對象試樣的溫度變化，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)采集和計算紅外圖像，從時刻變化的溫度變化量計算最大溫度差⊿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

通過圖3所示的結(jié)構(gòu)進行光激發(fā)鎖相熱成像測量。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間相位滯后，通過光瞬間激發(fā)測量對象，在測量對象溫度下降的過程中，將測量對象的正常位置和缺陷位置產(chǎn)生的溫度變化和時間相位滯后通過圖像顯示出來。脈沖熱成像針對捕捉測量對象表面附近的缺陷和熱傳導系數(shù)較高的材料瞬變現(xiàn)象的測量。

圖5 鎖相熱成像

如圖5所示，鎖相熱成像方法通過重復亮燈激發(fā)測量對象，測量對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)溫度變化和時間相位滯后，該方法通過圖像將溫度變化量和相位滯后顯示出來。鎖相熱成像方法將按一定頻率重復出現(xiàn)的溫度變化和相位滯后通過圖像表現(xiàn)出。通過鎖相方式反復施加相同的溫度變化，減少噪音成分，可以檢測出每次溫度變化測量所包含的噪音成分中隱藏的小型缺陷信號。

3、光激發(fā)鎖相熱成像測量示例

圖6 復合材料汽車車身的缺陷

圖6顯示使用光激發(fā)鎖相熱成像進行缺陷檢測的結(jié)果。光激發(fā)鎖相熱成像檢測出復合材料內(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合材料平板的測量示例。改變光激發(fā)的鎖相頻率，0.5Hz的高頻只引起測量對象表面附近出現(xiàn)溫度變化，從而只能檢測測量對象表面附近的缺陷。而0.06Hz的低頻可以使測量對象深處出現(xiàn)溫度變化，從而還可以檢測深處缺陷。因此，在光激發(fā)鎖相熱成像中，通過改變激發(fā)頻率，可以評估到從測量對象表面到缺陷以及從缺陷位置到測量位置表面的熱傳導溫度變化和相位滯后，從而可以推測缺陷深度狀況。

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。通過超聲波換能器激發(fā)測量對象，使用高性能紅外攝像機檢測測量對象內(nèi)部的龜裂或裂紋通過內(nèi)部摩擦或滯后而發(fā)熱的狀態(tài)。在光激發(fā)熱成像中，捕捉從受熱的測量對象表面向缺陷的傳熱以及溫度變化從缺陷位置向測量對象表面?zhèn)鲗r的溫度變化。而對于超聲波激發(fā)熱成像，因為捕捉從缺陷位置到測量對象表面的溫度變化，只需光激發(fā)熱成像的一半過程即可，因此超聲波激發(fā)熱成像可以檢測更深位置的缺陷。

5、超聲波激發(fā)熱成像的測量示例

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)的熱成像檢測鉚釘殘留位置。左圖為鉚釘熔化后成為一體的檢測圖像，其中檢測不到超聲波激發(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座圈

圖10 為插入發(fā)動機氣門座圈時的嚙合狀態(tài)檢測示例。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)使用紅外攝像機測量。

6、總結(jié)

通過對測量對象進行光激發(fā)或者超聲波激發(fā)，可以檢測測量對象內(nèi)部的缺陷和剝離狀態(tài)。高性能紅外攝像機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S/N。通過圖像處理將缺陷位置和正常位置進行二進制處理，還可以用作自動識別的檢測裝置。