一款新設(shè)備：閃光燈熱激勵紅外熱波成像無損檢測系統(tǒng)

熱波成像檢測技術(shù)與其他常規(guī)無損檢測技術(shù)相比，具有檢測速度快、單次檢測面積大、和試件不接觸、檢測結(jié)果以圖像形式直觀顯示等優(yōu)點，特別適合在役及原位檢測，目前已普遍應(yīng)用于航天航空、國防軍工等領(lǐng)域，并開始向軌道交通、新能源等領(lǐng)域普及。

紅外熱波無損檢測是一種主動式紅外檢測技術(shù)，其采用熱激勵源對試件表面進(jìn)行加熱，在熱流向試件內(nèi)部傳播的過程中實現(xiàn)對缺陷的檢測。按時域進(jìn)行分類，熱激勵主要有三種形式：短周期脈沖、長周期脈沖和交變調(diào)制。其中，短周期脈沖激勵具有分辨率高、反應(yīng)速度快的優(yōu)點，特別適合高導(dǎo)熱率的樣品，如金屬、碳纖維等，或者是薄層樣品，如蜂窩結(jié)構(gòu)件和各種涂層等，短周期脈沖激勵是國際上主流的熱激勵方法。

采用光熱效應(yīng)實現(xiàn)短周期熱激勵的方法主要有大能量閃光燈、脈沖激光器與掃描連續(xù)激光等，其中大能量閃光燈對便攜設(shè)備而言更具有實用性。但目前市場上僅有的便攜式閃光燈熱波無損檢測設(shè)備的體積大，并由多件設(shè)備組合，單人很難操作，加上設(shè)備依賴進(jìn)口，不僅價格昂貴，且受西方國家嚴(yán)格的出口管制。

現(xiàn)在，我們有自主研發(fā)的閃光燈熱激勵紅外無損檢測系統(tǒng)啦！該系統(tǒng)采用自主研發(fā)的高能量閃光燈熱激勵裝置，具有多種閃光能量與脈沖周期控制單元，可搭配各種制冷、非制冷熱像儀，采用獨特的數(shù)據(jù)處理算法，使缺陷清晰顯示。

根據(jù)應(yīng)用需求，系統(tǒng)可以設(shè)計為適合于生產(chǎn)線及實驗室的臺式設(shè)備，以及適合于現(xiàn)場原位檢測的便攜式設(shè)備。

閃光燈激勵紅外無損檢測設(shè)備外觀

便攜式閃光燈熱激勵紅外無損檢測系統(tǒng)外觀

系統(tǒng)組成

閃光燈熱激勵紅外熱波成像無損檢測設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

閃光燈熱激勵紅外熱波成像無損檢測設(shè)備主要由三部分組成：閃光燈熱激勵系統(tǒng)、紅外圖像采集處理系統(tǒng)、用于協(xié)調(diào)熱像儀采集與閃光燈觸發(fā)時間的同步觸發(fā)器等。

熱激勵源

系統(tǒng)采用自主研制的適合熱波成像技術(shù)的閃光燈系統(tǒng)，具有能量大、體積小、輕便及安全可靠等特點。閃光燈能量由軟件系統(tǒng)控制，閃光脈沖寬度連續(xù)可調(diào)，有3種控制模式：

• 自由模式：閃光脈沖寬度大，可最大限度釋放電容器所儲存的能量，適合一些需要高熱激勵能量的場合,如熱吸收差、導(dǎo)熱率低及較厚的樣品。
• 固定周期模式：閃光脈沖寬度從1ms起精確可控，適合檢測導(dǎo)熱率大的樣品，如金屬試件及蜂窩試件等薄壁制品。
• 固定能量模式：每次閃光的總能量固定，可自動補償閃光系統(tǒng)的能量衰變，適合需要精準(zhǔn)控制檢測過程的場景，如生產(chǎn)線上的質(zhì)量控制。
  
  

紅外圖像采集

熱像儀為熱波成像無損檢測設(shè)備的核心部件，通常分為制冷型和非制冷型。

• 制冷型熱像儀具有較高的圖像質(zhì)量，特別是標(biāo)志噪聲水平的熱靈敏度低，熱響應(yīng)速度快，可以運行在較高的幀頻下，有利于高速熱波成像；同時制冷型熱像儀是凝視型電子結(jié)構(gòu)，整幅圖像同時采集，有利于后期的圖像處理。但是制冷型熱像儀的體積大、質(zhì)量大，且價格昂貴，不利于熱波無損檢測技術(shù)的推廣。
• 非制冷型熱像儀的噪聲水平較高，通常為制冷型熱像儀的2倍。
  
  

由于市售的非制冷熱像儀都是為常規(guī)應(yīng)用所設(shè)計的，在熱波成像方面不能最大限度地發(fā)揮其潛能，為此研制了適合熱波無損檢測設(shè)備應(yīng)用的專用熱像儀，所有熱像儀芯片的功能都可以任意設(shè)置，并配合以特別適合熱波成像的圖像處理及降噪功能。另外，對專用鏡頭的設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化，大幅增加光通量。

熱像儀實測的熱靈敏度可優(yōu)于30mK。為了提高檢測信噪比，閃光燈最大閃光能量為12800J，相對于進(jìn)口設(shè)備的最大閃光能量9600J而言，最大閃光能量提高了33.3％，系統(tǒng)的性能得到進(jìn)一步提高。

圖像采集

研制了基于Windows操作系統(tǒng)的軟件Therm Pulse，具有熱波成像專用的系統(tǒng)控制與多種信號處理功能，界面清新、簡單易用、觸屏控制、操作方便。可以實現(xiàn)包括閃光能量、觸發(fā)同步、閃光周期控制、熱像儀采集時間、幀頻、背景采集等的控制，以及對紅外圖像的處理、分析等。

閃光燈熱激勵紅外無損檢測熱圖序列示意

在采集熱圖序列前需要獲得背景圖像，以利于后續(xù)圖像處理，閃光過程需要與采集過程保持同步關(guān)系，根據(jù)試件的不同決定采集幀數(shù)(采集幀頻×采集時間)。

臺式系統(tǒng)

臺式閃光燈激勵熱波成像系統(tǒng)具有高熱激勵能量、完整圖像處理功能的特點，可以選配多種熱像儀，包括非制冷、制冷、高分辨率熱像儀等。紅外熱像儀采集得到的紅外圖像輸入到計算機，通過Therm Pulse軟件系統(tǒng)進(jìn)行處理分析。閃光燈電源及控制系統(tǒng)集成在可移動機柜中，系統(tǒng)可采用大屏觸摸顯示器進(jìn)行操作，同時也配有鍵盤鼠標(biāo)，顯示屏的俯仰角度可任意調(diào)節(jié)。測試單元可以手持操作，但通常安裝在測試平臺或者助力臂上，以便根據(jù)測試對象進(jìn)行位置與角度的調(diào)整。

熱激勵能量：12800J(最大)

閃光脈沖寬度：1~30ms(可調(diào))

探測器類型：非制冷/制冷焦平面

探測分辨率：384×288(640×512)

最大幀頻：100或200Hz(全幅)

檢測面積：30cm×40cm

顯示器：22英寸觸摸屏

尺寸(長×寬×高)：39cm×30cm×59cm(檢測單元)，55cm×55cm×105cm(機柜)

質(zhì)量：8kg(測試單元)，25kg(機柜)

電源：110~220V AC

功耗：600W(最大)

可檢測材料：金屬、非金屬、復(fù)合材料

便攜式系統(tǒng)

由于熱波成像技術(shù)具有非接觸、快速成像等特點，特別適合于外場的在役原位檢測，因此設(shè)備的便攜性顯得十分重要。研制的便攜式閃光燈熱激勵紅外熱波無損檢測設(shè)備采用了高度集成的設(shè)計，便于單人操作。閃光燈電源由鋰電池供電，適合在沒有市電的地方使用，一次充電可使用超過百次，電池可更換，不僅安全，還免除了移動設(shè)備時到處拖著電纜的煩惱。測試單元集成了閃光燈、圖像采集處理及顯示等功能，可由單手握持，另外一只手用來操作，也可以安裝在三角架上。

熱激勵能量：6400J(最大)

閃光脈沖寬度：1~30ms(可調(diào))

探測器類型：非制冷焦平面

探測分辨率：384×288

最大幀頻：100Hz(全幅)

檢測面積：22cm×30cm

顯示器：10.4英寸觸摸屏

尺寸(長×寬×高)：31cm×23.6cm×31cm(檢測單元)，23cm×20cm×24cm(電源)

質(zhì)量：2.5kg(測試單元)，8.5kg(電源)

電源：110~220V AC/鋰電池

可檢測材料：金屬、非金屬、復(fù)合材料

檢測效果驗證

為了驗證設(shè)備的有效性，對一系列不同材料和結(jié)構(gòu)的試件分別采用臺式和便攜式系統(tǒng)進(jìn)行檢測。

復(fù)合材料

在一塊20mm厚平板的背面上有15個不同深度的平底孔，孔徑全為20mm，孔底到表面的厚度從1~5mm逐步增大，其中一個孔里注入了水，但沒有注滿。通過臺式設(shè)備的檢測可以清楚地顯示出這些平底孔，并可以分辨出注水的孔，如下圖所示，紅外熱像的圖像采集時間為30s，顯示圖像為第25s處的一階微分圖。

復(fù)合材料人工試件檢測結(jié)果

鋁合金

鋁板厚20mm，背面分別加工有3行平底孔，每排孔的直徑從上到下分別為10,15,20mm，每行孔的底部到上表面的距離從左到右分別為1，2，3，4mm，試件表面涂黑。采用了閃光燈熱激勵紅外無損檢測設(shè)備對此試件進(jìn)行檢測，從下圖可以看到所有孔都清晰可辨。實驗時圖像采集了10s，圖像顯示的為0.8s時刻的一階微分圖。

鋁合金人工試件檢測結(jié)果

不銹鋼

一個背面開放的不銹鋼釬焊蜂窩結(jié)構(gòu)試件，表面不銹鋼板厚1.2mm，蜂窩壁厚0.2mm，蜂窩邊長5mm。采用便攜式閃光燈熱激勵紅外設(shè)備對其進(jìn)行檢測，圖像顯示熱波成像技術(shù)可以較好地反映焊接情況。經(jīng)仔細(xì)觀察后發(fā)現(xiàn)，紅外圖像中蜂窩壁的顏色深淺變化是由釬焊材料的多少所引起的。

不銹鋼釬焊蜂窩結(jié)構(gòu)試件檢測結(jié)果

碳纖維復(fù)合材料蜂窩結(jié)構(gòu)

表面碳纖維板的厚度約1.5mm，蜂窩為聚酯紙質(zhì)結(jié)構(gòu)。采用便攜式設(shè)備檢測，從下圖可以看出試件內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，蜂窩形狀清晰，其中上部一道深色橫條為支撐結(jié)構(gòu)，而左下方的一個深色點為人為注水產(chǎn)生。

碳纖維復(fù)合材料蜂窩結(jié)構(gòu)試件檢測結(jié)果

效果不錯！

本文作者：江海軍，碩士，在南京諾威爾光電系統(tǒng)有限公司主要從事紅外無損檢測技術(shù)研究工作。

本文節(jié)選自《無損檢測》2017年9期