閃光燈熱激勵紅外熱波成像無損檢測設備及應用

江海軍，陳 力

(南京諾威爾光電系統有限公司，南京 210046)

閃光燈熱激勵紅外熱波成像無損檢測設備及應用

江海軍，陳 力

(南京諾威爾光電系統有限公司，南京 210046)

介紹了基于閃光燈熱激勵的紅外熱波無損檢測設備，該系統采用自主研制的非制冷型熱像儀，通過燈管對稱排列與反光燈罩設計使得閃光燈能量的均勻性得到提高，通過紅外圖像降噪處理和數據重建使得紅外圖像信噪比得到提高。研制的熱激勵電源包括多種脈沖寬度控制方式，系統的控制軟件可對熱波圖像進行采集及數字處理，增強了圖像質量；操作界面采用觸屏控制，使用方便。該臺式系統具有高能量和完整的圖像處理能力，設備便攜、結構緊湊，利于在役及原位檢測。

閃光燈熱激勵；脈沖熱激勵；熱波成像

熱波成像檢測技術與其他常規無損檢測技術相比具有獨特的優越性，具有檢測速度快、單次檢測面積大、和試件不接觸、檢測結果以圖像形式直觀顯示等優點，特別適合在役及原位檢測，目前已普遍應用于航天航空、國防軍工等領域[1-3]，并開始向軌道交通、新能源等領域普及[4-5]。

紅外熱波無損檢測是一種主動式紅外檢測技術，其采用熱激勵源對試件表面進行加熱，在熱流向試件內部傳播的過程中實現對缺陷的檢測。按時域進行分類，熱激勵主要有3種形式，包括短周期脈沖、長周期脈沖和交變調制。其中，短周期脈沖激勵具有分辨率高、反應速度快的優點，特別適合高導熱率的樣品，如金屬、碳纖維等，或者是薄層樣品，如蜂窩結構件和各種涂層等[6-7]，短周期脈沖激勵是國際上主流的熱激勵方法[8]。

采用光熱效應實現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激光等[9]，其中，大能量閃光燈對便攜設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備的體積大，并由多件設備組合，單人很難操作，加上設備依賴進口，不僅價格昂貴，且受西方國家嚴格的出口管制。

閃光燈激勵熱波成像無損檢測技術采用短脈沖熱激勵的方式對樣品表面進行加熱，產生的熱脈沖向樣品內部傳播，樣品內部的非均勻性，如脫粘、裂紋、銹蝕、損傷等都會擾動熱波的傳播，從而影響到樣品表面的溫度場分布。筆者將樣品表面溫度隨時間變化的過程用紅外熱像儀記錄下來，通過算法對該紅外熱圖序列進行分析處理，從而實現對樣品內部性狀的評估。因此，該儀器綜合了調制熱激勵、紅外成像、信號檢測、圖像處理等多方面的技術。

1 設備介紹

圖1為閃光燈熱激勵紅外熱波成像無損檢測設備的結構示意，其主要由3部分組成：閃光燈熱激勵系統、紅外圖像采集處理系統、用于協調熱像儀采集與閃光燈觸發時間的同步觸發器等。

圖1 閃光燈熱激勵紅外熱波成像無損檢測設備的結構示意

1.1熱激勵源

系統采用自主研制的適合熱波成像技術的閃光燈系統，該系統具有能量大、體積小、輕便及安全可靠等特點。閃光燈能量由軟件系統控制，閃光脈沖寬度連續可調，有3種控制模式，包括自由模式(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、導熱率低及較厚的樣品)、固定周期模式(閃光脈沖寬度從1 ms起精確可控，適合檢測導熱率大的樣品，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的能量衰變，適合需要精準控制檢測過程的場景，如生產線上的質量控制)。

1.2紅外圖像采集

熱像儀為熱波成像無損檢測設備的核心部件，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量，特別是標志噪聲水平的熱靈敏度低，熱響應速度快，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構，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、質量大，且價格昂貴，不利于熱波無損檢測技術的推廣，因此，在多數情況下都是采用非制冷型熱像儀。由于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，為了彌補這一缺陷，筆者在整體系統的設計上進行了多處優化。由于市售的非制冷熱像儀都是為常規應用所設計的，在熱波成像方面不能最大限度地發揮其潛能，為此研制了適合熱波無損檢測設備應用的專用熱像儀，所有熱像儀芯片的功能都可以任意設置，并配合以特別適合熱波成像的圖像處理及降噪功能。另外，對專用鏡頭的設計進行優化，大幅增加光通量。綜合以上幾點措施，熱像儀實測的熱靈敏度可優于30 mK。為了提高檢測信噪比，閃光燈最大閃光能量為12 800 J，相對于進口設備的最大閃光能量9 600 J而言，最大閃光能量提高了33.3%，系統的性能得到進一步提高。

1.3圖像處理及系統組成熱激勵源、熱波圖像采集、圖像顯示等都需要通過軟件進行控制與處理，研制的基于Windows操作系統的軟件ThermPulse具有熱波成像專用的系統控制與多種信號處理功能，其具有界面清新、簡單易用、觸屏控制、操作方便等優點。ThermPulse軟件主要功能模塊如表1所示，可以實現包括閃光能量、觸發同步、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。

表1 ThermPulse軟件主要功能模塊

圖2為閃光燈熱激勵紅外無損檢測熱圖序列，在采集熱圖序列前需要獲得背景圖像，以利于后續圖像處理，閃光過程需要與采集過程保持同步關系，根據試件的不同決定采集幀數(采集幀頻×采集時間)。

圖2 閃光燈熱激勵紅外無損檢測熱圖序列示意

1.4臺式閃光燈激勵熱波成像系統

研制的臺式閃光燈激勵熱波成像系統具有高熱激勵能量、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。系統的檢測視場范圍約為300 mm×400 mm，閃光燈單次觸發最大能量可達12 800 J。紅外熱像儀采集得到的紅外圖像輸入到計算機，通過ThermPulse軟件系統進行處理分析。閃光燈電源及控制系統集成在可移動機柜中，閃光燈激勵紅外無損檢測設備外觀如圖3所示，系統可采用大屏觸摸顯示器進行操作，同時也配有鍵盤鼠標，顯示屏的俯仰角度可任意調節。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，以便根據測試對象進行位置與角度的調整。臺式閃光燈熱激勵熱波成像系統的主要參數如表2所示(可檢測材料為金屬、非金屬、復合材料)。

表2 臺式閃光燈熱激勵熱波成像系統的主要參數

圖3 閃光燈激勵紅外無損檢測設備外觀

1.5便攜式系統

由于熱波成像技術具有非接觸、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備采用了高度集成的設計，便于單人操作。便攜式閃光燈熱激勵紅外無損檢測系統外觀如圖4所示，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。該系統的主要參數如表3所示(可檢測材料為金屬、非金屬、復合材料)。

圖4 便攜式閃光燈熱激勵紅外無損檢測系統外觀

參數規格熱激勵能量/J6400(最大)閃光脈沖寬度/ms130(可調)探測器類型非制冷焦平面探測器分辨率384×288最大幀頻/Hz100檢測面積/cm22×30顯示器10.4英寸觸摸屏尺寸(長×寬×高)/cm31×23.6×31(探測單元),23×20×24(電源)質量/kg2.5(探測單元),8.5(電源)電源/V110～220AC/鋰電池

2 檢測結果

為了驗證設備的有效性，對一系列不同材料和結構的試件分別采用臺式和便攜式系統進行檢測。復合材料人工試件檢測結果如圖5所示，在一塊20 mm厚平板的背面上有15個不同深度的平底孔，孔徑全為20 mm，孔底到表面的厚度從15 mm逐步增大，其中一個孔里注入了水，但沒有注滿。通過臺式設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。紅外熱像的圖像采集時間為30 s，顯示圖像為第25 s處的一階微分圖。

圖5 復合材料人工試件檢測結果

圖6 鋁合金人工試件檢測結果

圖6為鋁合金人工試件的檢測結果，鋁板厚20 mm，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10，15，20 mm，每行孔的底部到上表面的距離從左到右分別為1，2，3，4 mm，試件表面涂黑。采用了閃光燈熱激勵紅外無損檢測設備對此試件進行檢測，從圖中可以看到所有孔都清晰可辨。實驗時圖像采集了10 s，圖像顯示的為0.8 s時刻的一階微分圖。

圖7為一個背面開放的不銹鋼釬焊蜂窩結構試件，表面不銹鋼板厚1.2 mm，蜂窩壁厚0.2 mm，蜂窩邊長5 mm。采用便攜式閃光燈熱激勵紅外設備對其進行檢測，圖像顯示熱波成像技術可以較好地反映焊接情況。經仔細觀察后發現，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。

圖7 不銹鋼釬焊蜂窩結構試件檢測結果

圖8為碳纖維復合材料蜂窩結構試件的檢測結果，表面碳纖維板的厚度約1.5 mm，蜂窩為聚酯紙質結構。采用該便攜式設備檢測，可以看出試件內部的結構，蜂窩形狀清晰，其中上部一道深色橫條為支撐結構，而左下方的一個深色點為人為注水產生。

圖8 碳纖維復合材料蜂窩結構試件檢測結果

3 結語

介紹了自主研制的閃光燈熱激勵紅外無損檢測系統，該系統采用自主研發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，采用獨特的數據處理算法，使缺陷清晰顯示。根據應用需求，系統可以設計為適合于生產線及實驗室的臺式設備，以及適合于現場原位檢測的便攜式設備。最后，通過閃光燈熱激勵紅外無損檢測系統對復合材料、鋁合金、不銹鋼蜂窩、碳纖維蜂窩試件進行了檢測，取得了較好的檢測結果。

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ApplicationofFlashThermalExcitationInfraredThermographicNondestructiveTestingEquipment

JIANG Haijun, CHEN Li

(Novelteq Ltd., Nanjing 210046，China)

The infrared thermographic nondestructive equipment based on flash thermal excitation device was introduced. The system adopts the independent development of uncooled infrared thermal imager, the lamp symmetrical arrangement and reflective shade design makes the uniformity of the flash energy increase,the signal-to-noise ratio of infrared image is improved by infrared image denoising and data reconstruction. Independent thermal excitation power supply includes a variety of pulse width control method. The control software of the system can perform thermal wave image acquisition and digital processing to enhance image quality, and the interface adopts touch screen control,which is portable and compact.The system facilitates the detection of in-service and in-situ.

flash thermal excitation; pulse heat excitation; thermographic

TG115.28

： A

：1000-6656(2017)09-0057-04

2016-12-16

科技部中小企業技術創新資助項目(14C26213201110)

江海軍(1988-)，男，碩士，主要從事紅外無損檢測技術研究工作

江海軍，hjiang@novelteq.com

10.11973/wsjc201709014