基于紅外熱像技術的木材內部缺陷檢測的研究

孟憲靜，孫天用，王立海，2

(1.東北林業大學工程技術學院，哈爾濱150040;2.黑龍江省森林持續經營與微生物工程重點實驗室東北林業大學，哈爾濱150040)

紅外熱像技術是20世紀發展起來的新興應用技術［1－7］，它被廣泛應用在醫學、遙感、地球資源探測和工業探傷等方面，被檢測的材料涉及金屬、合金、塑料、陶瓷以及復合材料等。紅外熱像儀、紅外攝像機、紅外通訊和紅外光譜儀等都是紅外熱像技術的應用實例。本文使用的紅外熱像儀是一個發展前景非常廣闊的新興高科技產品，也是紅外應用產品中市場份額最大的一塊，在軍民兩個領域都有廣泛的應用［8］。隨著非制冷紅外熱成像技術的生產成本大幅度降低，該產品的應用已延伸到了電力、消防、工業、醫療和安防等國民經濟各個部門，已在材料缺陷的檢測與評價、建筑節能評價、設備狀態熱診斷和減災防災等諸多方面獲得了應用，并顯示出越來越強大的生命力［2］。本文將運用紅外熱像儀對加工有孔洞的兩個毛赤揚方材作內部缺陷無損檢測，通過實驗探討紅外熱像技術用于木材內部缺陷無損檢測的可行性，并在可行的情況下確定準確檢測的條件。

1 實驗材料、儀器和方法

實驗材料是兩個毛赤楊方材，分別記為方材A和方材B，尺寸均為42cm×6cm×6cm，方材A在中部有一個孔洞，方材B在靠近一端有一個孔洞，孔洞直徑均為4cm。所用實驗儀器為FLIR B250系列紅外熱像儀和紅外燈。實驗步驟如下:

(1)分別使用單面法和雙面法兩種熱源模式對方材A進行檢測，通過比較圖像效果，確定較好的熱源模式。

(2)首先選定一個加熱燈距被測物的距離，然后用紅外燈對方材B加熱，并在不同的時間段用紅外熱像儀采集試樣紅外熱像圖并編號存儲，最后比較不同時間段的圖像中測得的缺陷尺寸的準確度，據此確定準確檢測所需的最佳加熱時間。

(3)運用以上兩步所確定的熱源模式、加熱距離和加熱時間對兩個方材分別進行11次檢測，并利用檢測結果驗證以前相關研究得出的準確反映缺陷尺寸的溫度范圍。

2 實驗結果和分析

(1)確定熱源模式。用紅外燈照射試樣加熱分為單面法和雙面法。單面法是指用紅外燈加熱和用紅外熱像儀探測在試樣的同一面進行。雙面法是指在試樣的一個表面進行加熱，而在其背面 (另一個表面)進行紅外熱像儀探測。分別用單面法和雙面法對方材A進行檢測 (紅外燈距試樣A 25cm)，所得結果如下:

由圖1和圖2中的圖像可以看出，用單面法(反射式)由于光的強度很大只能看到兩個熱源的照射點，并不能反映出孔洞缺陷的位置和大小;而用雙面法 (透射式)則可以反應出孔洞缺陷的位置和大小，缺陷部位明顯比其他部位亮，所以采用雙面法 (透射式)熱源模式更好一些。

圖1 單面法所得圖像 (加熱時間:30min)Fig.1 Image from single side method

圖2 雙面法所得圖像 (加熱時間:10min)Fig.2 Image from double sides method

(2)確定加熱燈距被測物的距離、時間。參考相關實驗結論，加熱燈距被測物的距離選定為25cm，下面確定加熱時間。

用紅外燈給試樣B加熱，加熱的同時用紅外熱像儀采集試樣紅外熱像圖并編號存儲。部分紅外熱像如圖3(a)所示。

圖3 加熱20min時的紅外熱像圖 (a)和紅外分析軟件Quikreport處理后的圖像 (b)Fig.3 Infrared thermal image heated for 20 minutes(a)and the image processed after infrared analysis software(b)

在紅外分析軟件處理后的彩色圖像，如圖3(b)所示，彩色區域是一個等溫區域，表示方材上溫度介于最高溫度和最高溫度以下0.5℃的區域。大量實驗表明，若缺陷在一側，則這個溫度范圍最能準確地反映出缺陷的實際尺寸［1，9］。在軟件處理后的彩色圖像里，中心線被彩色區域所截的部分長度就表示缺陷的尺寸。加熱不同時間所測得的缺陷孔直徑見表1。

表1 加熱不同時間所測得的缺陷孔直徑Tab.1 Defect diameter of different heating time

由表1可以看出，在給試樣加熱20min時，紅外熱像圖反映的缺陷孔直徑 (4.02cm)最接近試樣真實的缺陷孔直徑 (4cm)。

由以上可得準確檢測木材內部缺陷的條件:①采用雙面法進行檢測;②在熱源與方材試樣間的距離為25cm時，加熱20min左右圖像效果最佳。

(3)檢測方材內部缺陷，驗證準確反映缺陷尺寸的溫度范圍。方材試樣距紅外燈25cm，照射20min，采用雙面法進行紅外熱像圖的采集，分別對方材A和方材B進行11次檢測。

①試樣A的檢測結果。由大量實驗表明，當缺陷在中間時，中央標識線上最高溫度以下0.4℃范圍最能準確地反映出缺陷的真實值［1，10］，利用這個溫度范圍分析處理后 (分析處理方法與第 (2)步相同)的檢測結果見表2。?

表2 試樣A的檢測結果Tab.2 Testing results of sample A cm

②試樣B的檢測結果。由大量實驗表明，當缺陷靠近一邊時，中央標識線上最高溫度以下0.5℃范圍最能準確地反映出缺陷的真實值［1］，利用這個溫度范圍分析處理后 (分析處理方法與第(2)步相同)的檢測結果見表3。

表3 試樣B的檢測結果Tab.3 Testing results of sample B cm

由表2和表3可以看出，用紅外熱像儀檢測該方材缺陷的誤差范圍在±5mm之間，相對誤差(相對誤差=絕對誤差/真值)為12.5%，精度較為理想，從而驗證了若缺陷在中間，則試樣中央標識線上最高溫度以下0.4℃范圍可以準確反映出缺陷的大小;若在一側則最高溫度以下0.5℃范圍可以準確反映出缺陷的大小。

3 結論

本文應用紅外熱像技術對方材內部孔洞缺陷進行檢測，誤差范圍為 ±5mm，相對誤差12.5%(相對誤差=絕對誤差/真值)，說明使用紅外熱像技術對木材內部缺陷進行檢測是可行的。在研究過程中，得出了準確檢測該方材內部缺陷的條件:①采用雙面法進行檢測;②當熱源距試樣25cm左右時，加熱20min左右圖像效果最佳;③若缺陷在中間，則試樣中央標識線上最高溫度以下0.4℃范圍可以準確反映出缺陷的大小;若在一側則最高溫度以下0.5℃范圍可以準確反映出缺陷的大小。

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