熱成像無損檢測技術比較研究

摘要：紅外熱成像無損檢測技術作為潛力巨大的無損檢測與評估技術正受到廣泛關注。通過對渦流熱成像、光學熱成像和超聲熱成像3種無損檢測技術的比較研究，探討它們的理論基礎、檢測系統、應用領域、數據獲取與處理、檢測效率與精準度等，并對渦流熱成像無損檢測技術在缺陷檢測與評估研究中的熱點和應用前景進行分析展望。

關鍵詞：紅外熱成像技術；光學熱成像技術；超聲熱成像技術；渦流熱成像技術

文獻標志碼：A

文章編號：1674-5124（2015）02-0005-06

引 言

紅外熱成像技術是通過紅外熱像儀獲取被檢零部件表面熱像圖，并對熱像圖進行定性與定量分析，從而確定缺陷類型、大小、深度等特征的無損檢測技術。該技術的發展可追溯到20世紀60年代初期，近年來隨著紅外熱像儀在檢測靈敏度和空間分辨率上的提升，以及計算機在控制、圖像顯示和數據處理等方面的進步，紅外熱成像技術發展迅速，在零部件缺陷診斷和監測上潛力巨大。

根據是否需要外部激勵源，紅外熱成像技術可分為被動式熱成像技術和主動式熱成像技術。被動式熱成像技術是熱像儀接收物本身的紅外輻射并將其轉換為電信號最終獲得熱像圖的熱成像技術；主動式熱成像技術是通過加載外部激勵的方式使被檢零件表面溫度發生變化，由熱像儀記錄時序熱圖像并從中提取缺陷特征的熱成像技術，外部激勵源常用的有閃光燈、超聲波、激光、電流、機械震動等。在被動熱成像技術應用中，被檢零件表面溫度變化來源于表面自然發熱狀況，缺陷區域與非缺陷區域溫差并不明顯；而主動式熱成像技術因其可控熱源和多種有效數據處理技術，應用更為廣泛。根據激勵方式的不同，主動式紅外熱成像無損檢測技術可大致分為4類：光學熱成像技術、機械波熱成像技術、感應熱成像技術和微波熱成像技術，如圖1所示。圖中LT，PT，ECT，PECT，ULT和UBT分別為鎖相熱成像、脈沖熱成像、渦流熱成像、脈沖渦流熱成像、超聲鎖相熱成像和脈沖鎖相熱成像。在實際檢測中，應選擇合適的方式對不同材料中的不同缺陷進行檢測。本文對光學熱成像技術（OT）、超聲熱成像技術（UT）和渦流熱成像技術（ECT）的理論基礎和相關應用進行了比較分析，并在此基礎上討論了渦流熱成像技術的深入動向和潛在研究方向。

1.理論基礎

I.I 激勵方式

在熱成像無損檢測技術中，不同的激勵方式決定了不同實驗系統設計和數據采集方式。

在光學熱成像技術中，被檢零件受到光學熱源（如閃光燈和鹵素燈）的激勵，零件表面被加熱，產生的熱波向零件內部傳遞，若試件中存在缺陷則熱波傳遞受阻，最終導致零件表面溫度分布不均，這種溫度變化由紅外熱像儀所記錄，得到時序熱像圖，提取并分析熱像圖中信息從而獲得缺陷的特征信息。實驗設置與實驗原理如圖2所示。根據激勵信號的不同，分為脈沖熱成像和鎖相熱成像兩種方法。

超聲熱成像技術是一項新的無損檢測技術。與光學熱成像技術不同，它利用特定的超聲波作用在不同材料或結構中產生機械振動，超聲波在缺陷處因熱彈效應和滯后效應導致聲能衰減而釋放熱量，機械能轉換為熱能并傳遞至零件表面，引起零件表面局部發熱并由紅外熱像儀所記錄，缺陷本身可視為熱源進行熱波傳遞。超聲熱成像的實驗設置及檢測原理如圖3所示，其中超聲換能器產生超聲波，并通過耦合劑傳播。在實驗過程中試件與換能器需緊密固定。

相比于前兩種熱成像技術，渦流熱成像技術基于電磁學中的渦流現象和焦耳熱特性，在被檢零件外對線圈施加高頻交變電流，由于電磁感應效應，感應線圈附近的被檢零件表面產生感生渦流；若試件表面存在缺陷，則將引起缺陷附近感生渦流場分布不均，因局部焦耳熱現象導致缺陷附近溫度分布不均，通過紅外熱像儀記錄這種溫度變化的時序圖像，并對圖像進行分析處理來獲得零件缺陷信息。渦流熱成像技術具有高空間分辨率、高靈敏度的特點，適用于零件表面和近表面缺陷的檢測，近來備受關注。

根據渦流熱成像技術原理，其檢測過程分為電磁感應階段、產生焦耳熱階段和熱傳導階段3個階段。在電磁感應階段，感生渦流在均勻試件表面的滲透深度為式中：μ——磁導率；

σ——電導率，電導率隨溫度變化而變化，σ=

是初始溫度為To時的電導

率，α是相對溫度系數；

f——激勵頻率。

根據Maxwell方程，被檢零件內渦流分布控制方程為式中：A——磁矢量勢；

J——外部電流密度。

根據Joule定律，感生渦流產生的發熱功率為式中：Q——渦流引起的焦耳熱量；

E——電場強度。

在不考慮熱輻射和熱對流的情況下，根據能量守恒定律，由焦耳熱引起的熱傳導方程為其中p、Cp、k分別為材料密度、比熱和熱傳導系數。

渦流熱成像無損檢測的實驗組成及缺陷附近渦流分布示意如圖4c8]所示。試件中缺陷附近某點處溫度變化如圖5[8]所示，在溫升階段，溫度變化受渦流加熱和熱擴散的共同影響；在冷卻階段，溫度變化主要是由試件中的熱擴散引起。通過對兩個階段的溫度變化進行綜合分析可以提取到有效缺陷信息。

1.2 可檢性比較分析

在實際檢測中，可檢性是選擇檢測方法時須考慮的因素。選擇合適的檢測方法可以提高檢測效率和準確度。

光學熱成像技術廣泛應用于金屬材料的表面缺陷和復合材料中的脫層、夾雜物等的檢測。鎖相光學熱成像中缺陷可檢性主要依賴于熱波滲透深度（與材料熱擴散系數和激勵頻率相關）；低頻激勵熱波在熱擴散系數較大的材料中傳播更深，應用此方法通常可檢測試件較淺位置的缺陷。在脈沖光學熱成像方法中，脈沖可分解為不同頻率的周期波，脈沖越短則頻率范圍越廣，而由此產生的熱擴散過程較鎖相熱成像方法更復雜；且實驗結果易受非均勻加熱、發射率變化、環境反射和試件表面形狀影響，因此需采用合適的數據處理方法提取有效信息。

超聲熱成像技術主要用于金屬、陶瓷材料中裂紋缺陷和復合材料中分層、脫粘的檢測；檢測結果受許多因素的影響，包括被檢測材料類型、檢測系統設計、檢測環境、振動模式、激勵源位置、耦合劑、激勵頻率、接觸壓力等。測試過程中每一步都需謹慎處理以獲得好的實驗結果。該方法適合于檢測試件中較深的微裂紋，目前主要用于缺陷的定性檢測而非定量分析。

在渦流熱成像技術中，被檢零件需具有一定的導電性。可檢測缺陷深度由渦流滲透深度和熱傳導深度共同決定，而這兩個深度又取決于材料的電導率、磁導率、熱擴散系數和測量時長。該方法主要適用于規則試件表面和亞表面缺陷的檢測。缺陷的可檢性由試件的材料屬性、幾何形態以及缺陷的位置、類型和實驗設計共同決定。

渦流熱成像方法比光學熱成像方法受被檢測零件表面狀況的影響小，功耗更低，且無需超聲熱成像實驗中所需的耦合劑。在渦流熱成像檢測中，感應線圈溫度變化很小，則對實驗結果的干擾很小；并且試件表面溫度變化也較小，不會對被檢材料造成損壞，渦流的直接作用可提高近表面缺陷的可檢性。

1.3 數據處理

熱成像無損檢測技術的關鍵在于對所獲得熱像圖序列進行適當的處理和分析，包括預處理和后處理，常用的數學處理方法有溫度對比、時間導數、信號變換和矩陣分解4種。

溫度對比是利用試件中缺陷區域和非缺陷區域的溫差來判別缺陷。對比方式包括絕對對比、遞進對比、歸一化對比、標準對比、差分絕對對比和改進差分絕對對比等。前4種方法都需要缺陷區域和參考區域的熱像圖序列，其處理結果易受到不同參考區域選取的影響。在差分絕對對比方法中，參考區域的溫度變化可通過計算得出，可有效減少非均勻加熱和試件表面形狀的影響。差分絕對對比方法局限于對較淺缺陷的描述，因為其理論基礎是一維傅里葉熱傳導方程，僅在熱傳導開始階段可近似看作是一維熱傳導，隨著時間的增加，熱波在試件中沿各個方向擴散，則該方法不再適用。改進的差分絕對對比方法，利用拉普拉斯逆變換提取熱傳導后期階段的有效信息。

時間導數方法通過求解溫升變化對時間的一階導數和二階導數進行缺陷的定量分析；通過提取關鍵點的溫升變化及比較其時間延遲可獲得缺陷特征信息。時間導數通常與溫度對比結合應用，通過比較檢測過程中溫差最大時間和溫差變化率最大時間來獲取缺陷信息。

在信號變換力法中，分析的不再僅僅是時域信息，而是通過頻域信息、時頻信息等其他角度優化并分析圖像，以獲取缺陷特征。信號變換主要用于圖像降噪處理、數據壓縮、圖像分割和融合。信號變換方法有很多，其中應用廣泛的有脈沖相位熱成像、小波變換和Hough變換。

矩陣分解方法是利用矩陣的性質保留主要數據，減少數據量；其中，主成分分析法應用較為廣泛。該方法采取降維的思想，將多指標轉化為少數幾個綜合指標。它將給定的相關變量通過線性變換為不相關變量，并按照方差依次遞減的順序排列，通常采用奇異值分解的方法壓縮并簡化溫升數據來獲得主成分。

以上數據處理方法均可用于熱像圖的處理，且這些方法的適當綜合可以提高數據質量，以便更好地獲得缺陷特征信息。

2.應用對比

2.1 光學熱成像方法的應用

光學熱成像的應用范圍很廣，被檢零件材料包括金屬、復合材料和陶瓷等，其中在復合材料結構中的應用最為廣泛。利用脈沖熱成像進行缺陷檢測需要綜合考慮材料熱擴散系數、環境因素和儀器靈敏度等影響因素，也需要適當的方法處理熱像圖。而鎖相熱成像方法中，由于采用單一頻率波激勵試件，常采用傅里葉變換或快速傅里葉變換提取振幅和相位信息，根據振幅或相位的延遲效應獲取缺陷特征信息。相比于振幅信息，相位信息因受光照局部變化和試件發射率影響更小，且可檢深度更大而應用更加廣泛。近年來，光學熱成像無損檢測技術的應用參見文獻。

2.2 超聲熱成像方法的應用

近年來超聲熱成像無損檢測技術發展迅速，并已成功應用于纖維增強塑料、金屬和其他許多工程材料的缺陷檢測。當前超聲熱成像方法的應用領域主要包括：1）結構缺陷的檢測；2）循環載荷下材料失效的分析；3）使材料機械應力可視化的熱塑性和磁滯效應分析。利用超聲熱成像方法可以檢測出其他技術無法檢測的高發射率材料中的缺陷和閉合裂紋，且檢測試驗無需考慮試件的位置擺放。

2.3 渦流熱成像方法的應用

渦流熱成像方法適合檢測零件表面與近表面缺陷，目前廣泛用于導電材料的缺陷檢測和材料特性評估，如金屬和某些復合材料。其主要特點是檢測速度快、效率高，非常適合在線在役檢測。文獻探究了脈沖渦流熱成像技術用于復雜曲面零件表面裂紋缺陷檢測的有效性，文獻對金屬構件熱像圖中裂紋附近溫度變化特征進行了研究。文獻探討了渦流熱成像實驗中激勵頻率對缺陷檢測的影響。文獻應用單通道盲頻分離算法從熱像圖序列中提取缺陷附近溫度信息，并應用主成分分析法和光流法檢測了3種不同缺陷。

3.渦流熱成像法研究動態

渦流熱成像無損檢測技術在近年發展迅速，研究人員在實驗系統設計與優化、材料與缺陷類型的可檢性研究、缺陷定性和定量分析等領域開展了大量研究。但是對于微觀和宏觀裂紋的檢測以及檢測機制尚需深入研究。渦流熱成像法在無損檢測與評估、結構健康監測領域具有廣闊的應用前景。

渦流熱成像法目前的研究熱點包括：1）缺陷檢測與評估方法的深入研究。包括成像系統改進、電磁激勵系統改進、熱像圖數據獲取與處理的算法優化等。2）應力和材料測試應用研究。包括材料在循環應力和撞擊影響下的疲勞損傷鑒定，這是重要部件的安全運行、維護和健康監測的保證。研究內容涉及缺陷檢測、識別、量化、視覺重建和缺陷演化監測，以實現零部件的健康評估、風險預測和剩余壽命評估。3）以實現更為可靠的缺陷表征和結構健康監測為目標，針對多物理場耦合的數據融合研究以及相關仿真軟件的開發。

4.結束語

紅外熱成像技術因其特有的技術優勢而在無損檢測與評估應用中得到迅速發展。通過對光學熱成像、超聲熱成像和渦流熱成像的理論基礎、數據處理以及應用的對比分析，可以得出以下結論：

1）依據潛在缺陷類型、材料類型和檢測環境等選擇合適的熱成像檢測方法。光學熱成像技術廣泛應用于復合材料中，超聲熱成像技術在金屬材料中應用最多，渦流熱成像技術適用于檢測具有一定導電性的材料（包括金屬材料和某些非金屬材料）。

2）在這3種檢測技術中，渦流熱成像技術對表面和亞表面的微裂紋的檢測最靈敏有效。雖然超聲熱成像技術對這一類型的裂紋檢測也很靈敏，但是存在高振幅超聲波振動損壞材料的風險。

3）超聲熱成像技術的檢測速度最快，其次是渦流熱成像技術，檢測最慢是光學熱成像技術。

4）因超聲波激勵可以使超聲振動擴散到整個被檢測試件，超聲熱成像技術可以實現全視場成像；光學熱成像技術的檢測區域較大，單個熱源的檢測面積根據最小缺陷尺寸而定，通常其檢測面積可達到200 mmx200 mm；渦流熱成像技術受線圈尺寸和產生渦流場的均勻性制約，可檢測面積最小。

5）在進行紅外熱成像檢測實驗時，被檢測零件表面紅外輻射都會受到表面發射率和吸收率的影響。應用光學熱成像技術時常在試件表面添加涂層；超聲熱成像和渦流熱成像由于其激勵方式獨立于試件表面光學特性，所受影響相對較小。

6）超聲熱成像需考慮傳感器位置、試件的固定和耦合介質的選取等眾多因素，其測試系統相對較為復雜；渦流熱成像存在缺陷敏感方向，若缺陷方向未知，則需要從相交90。的兩個方向分別進行檢測。