脈沖式紅外熱波無損檢測的熱激勵均勻性

張 煒,王 焰,楊正偉,宋遠佳,孟獻策

(1.第二炮兵工程學院203室,西安 710025;2.第二炮兵駐211廠軍事代表室,北京 100000)

熱激勵源優化設計是紅外無損檢測的關鍵技術之一。主動式熱激勵(加熱)能使被檢測材料由于內部缺陷在表面產生不同的溫度場分布,再通過熱像儀成像,從而可以比較直觀地看清內部缺陷。同時經過后期的缺陷識別,可對缺陷進行定量研究。因此,熱激勵方法直接影響最終檢測結果的可靠性。

常用的熱激勵方式有等離子噴注、直接火焰、高能脈沖加熱、紅外燈和熱超聲等,其中最常用的是高能脈沖閃光燈加熱方法,它是利用脈沖氙燈或其他高能氣體放電燈進行高能放電時所發出的強光輻射,瞬時放出熱能,對被測物體進行瞬時激勵[1]。

熱激勵均勻性是指施加于被測面的能量均勻或者通過熱激勵在被檢測面激發出均勻分布的能量(熱量),且盡可能使熱量只沿著被測材料厚度方向傳播[2]。均勻的熱激勵不僅可以降低背景干擾信號,有助于紅外熱圖更準確反映表面溫差的變化,而且還可以提高紅外熱圖的清晰度,從而保證缺陷定量識別的計算精度。TracePro軟件是一種集光學分析和照明設計為一體的軟件,能夠方便快捷地進行實體建模仿真分析,同時由于脈沖閃光燈加熱方式是最常用的熱激勵方法,因此,筆者利用該軟件對脈沖熱激勵源加熱燈具的光學特性以及布局進行仿真與分析,為實際檢測過程提供指導。

1 基本原理

1.1 光(輻)照度[3]

光照度指物體被照亮的程度,采用單位面積所接受的光通量來表示。

通常發光管所照射的目標距離比發光管本身大得多,在這種情況下可將發光管簡化成一個有一定空間光強分布的點光源。點光源的特點是能以4π立體角向周圍空間發出相同發光強度的光輻射。

如圖1所示,面元dS接受點光源P的光照,設點光源P到面元的距離為r,并且點光源發出的元光束的光軸與面元的法線N之間的夾角為θ。

圖1 點光源的照度模型

則面元dS對點光源P所張的立體角為：

在此立體角內,由點光源發出的光通量為：

而此光通量全部投射到面元dS上,則面元上的光照度為：

式中E為光照度;I為發光強度;φ為光通量。

由上式可知,點光源P在面元dS上所產生的光照度與光源的發光強度成正比,與距離的平方成反比,并且與面元相對于光束的傾角有關。

1.2 照度均勻性的表征

為了考慮光源射出光的均勻程度,可用照度最大值與最小值的比值來表示,比值越大說明均勻性越好：

在考慮光照均勻性的同時,必須保證總光通量和光效在許可的范圍內。

2 仿真與分析

2.1 單燈的光照度仿真與分析

通常用照度計測量的是某一個區域的光照度,該區域大小和照度計的探頭大小有關。當在TracePro中模擬一個平面上的照度分布時,通常將該平面劃分成若干個面積相同的網格區域,入射到每個網格區域的光線數量不同,即光通量不同,也就是照度不同,再經過高斯和平滑處理,可得到照度分布圖。

圖2 光源模型

在加熱燈的輻射發光過程中,在有效輻射區域內,不能將其視為點光源,如圖2所示,實際發光體截面為φ20 mm,長5 mm的柱體,功率為50 W。

2.1.1 光(輻)照度與參考平面的關系

針對單燈模型,經過仿真,模擬出距離光源40 cm的30 cm×30 cm照射面上的光照度分布(圖3)。

從圖3中獲得的具體數據如表1。

表1 單燈具體仿真結果數據

從圖3和表1中可清晰地看出,單燈光源的空間梯度較大,輻(光)照度均勻性隨著參考面積的減小而增大;同時由于物體發射光能的方式有熱輻射和發光兩種,但從本質上都是電磁輻射,所以該圖也反映出了光源輻射到照射面的能量分布從中心區域到邊緣依次遞減。

因此,在紅外熱波檢測應用中,可以通過疊加原理來增加加熱光源的數量,從而擴大光照度均勻性高的區域,提高檢測速度和精度。

2.1.2 輻照度與照射距離的關系

選取參考面積為10 cm×10 cm,計算距離分別為20,30,40和50 cm處的照度均勻程度,計算結果如表2所示。

表2 單燈仿真數據

從表2可看出,隨著光源到照射面的距離增大,在相同的參考面積下,不僅輻照度分布的均勻程度變化很小,而且照度均勻程度都比較高;但輻照度卻隨著距離的增大而減小,且變化幅度較大,可見能量損失較多。因此,在實際加熱過程中,尤其是高能脈沖閃光燈加熱過程中,仍需要選取合適的加熱距離。

2.2 多燈陣列的輻(光)照度仿真與分析

由單燈的輻照度分析可知,單燈具有空間梯度大的缺點,以及從能量、照射面積上都無法滿足實際檢測的需要,因此在實際檢測中多是采用面陣列的形式,以提供足夠的能量和較大且均勻性高的照射面,從而實現對被測物體的快速、高效、大面積的檢測。以下進行仿真雙燈、四燈面陣列的照度分析,仿真結果如圖4所示。顯然,多燈陣列效果優于單燈,不僅空間梯度得到了改善,而且參考面積內照度分布也均勻。

2.3 遮罩

由于在檢測過程中,熱激勵的核心作用就是通過給被測物體表面進行均勻加熱以獲取精準的溫差分布。為此,在加熱光源不變的情況下,通過采用在加熱燈周圍裝上遮罩的方法,不僅可以有聚光效果,收集更多的光能,防光擴散,而且使箱內形成勻光環境,尤其在高能脈沖加熱方法中,還可以保護人的眼睛,防止強光直接照射[4]。

圖4 照度等高線分布圖

遮罩的尺寸根據熱像儀的廣角鏡頭和實際檢測面積的需求而定。以 FLIR ThermaCAMTMSC3000紅外熱像儀為例,其采用320×240像元的焦平面探測器,熱像儀鏡頭為40的廣角鏡頭,在固定檢測工作距離42 cm時的檢測面積為24 cm×32 cm。遮罩的尺寸為30 cm×40 cm×45 cm。圖5為加上遮罩后光源仿真模型與陣列模型。

以照射距離為 42 cm,照射面積為 30 cm×40 cm進行仿真,結果如圖6所示。

將圖6與圖3進行對比,可直觀地看出,光源中心區域擴大,右邊的照度曲線分布中峰值域較寬,可見中心區域照度均勻性得到增強。在熱像儀的檢測面積24 cm×32 cm內,照度均勻度為94.13%;而且照射到照射面上的總光通量也增加了,光能利用率為67.2%。

3 結語

對單燈的照度分布等光學特性、多燈陣列分布的照度以及遮罩結構進行了數值仿真分析,取得了較好的效果,并得出以下結論：

(1)熱激勵光源輻照度的均勻程度主要受所選取參考面積大小的影響,照射距離影響很小,但隨著照射距離的增大,輻照度卻急劇減小。

(2)在紅外熱波檢測中,可以通過使用雙燈、四燈等多燈陣列光源和遮罩等方法來增強光源照度分布的均勻性,從而提高被測物體表面的均勻受熱程度,有利于紅外熱像儀準確捕捉到物體表面溫度差,從而提高檢測精度,同時還可增大一次性檢測面積,降低外界的干擾。

[1]呂中產,田裕鵬,周克印.紅外無損檢測中熱激勵研究[J].無損探傷,2005,29(6)：44-45.

[2]楊小林,呂伯平,先明樂.飛機復合材料紅外熱像檢測中的熱激勵方法[J].無損檢測,2008,30(6)：369-371.

[3]霍彥明,吳淑梅,譚俊廷,等.基于 Matlab的 LED陣列的研究與仿真[J].應用光學,2009,30(2)：191-194.

[4]劉波.紅外熱波無損檢測系統中閃光燈陣列脈沖熱激勵裝置的研制和應用[D].湖北：武漢理工大學,2007.