紅外熱像檢測技術的發展與現狀研究

任國仲 張中興 趙冠宗

摘 要：紅外熱像檢測技術在軍事以及工業方面有廣泛的應用，在生產過程中具有重要的地位，本文對紅外熱成像技術進行了介紹，并對技術的發展歷史和國內外研究現狀進行了概括。

關鍵詞：紅外熱像；檢測技術；發展；研究現狀

1 引言

紅外熱成像技術本質上是一種波長轉換技術，可將紅外輻射圖像轉換為視圖。通過光學機械掃描系統，將來自物體的紅外輻射會聚到紅外探測器，形成紅外熱像，以區分被測物體的表面溫度。該技術具有檢測速度快，無接觸，范圍寬，精度高，易于實現自動化和實時觀察等優點，從20世紀80年代初開始從軍事領域引入并逐步引入民用工業。此后，隨著紅外熱像儀性能的不斷提高和相應圖像分析處理軟件的發展，該技術在工農業生產和人們生活等各個領域得到越來越廣泛的應用。從中華人民共和國成立初期開始，紅外熱像技術的研究已經開始，一部分已經啟動。例如，我們自己開發了許多類型的紅外熱像儀。但由于國外關鍵技術的封鎖，中國在這一領域的研究與發達國家之間仍存在一定的差距。相對于傳統的常規檢測技術而言紅外熱成像技術具有如下特點：

①廣泛的適用性：溫度是物體的基本狀態參數之一，而采集到的紅外熱像實質是物體表面的溫度云圖，因此，紅外熱像檢測技術可以對任何物體進行檢測，具有廣泛的適用性；

②非接觸性：這是紅外熱像檢測獨特優勢所在。紅外熱成像檢測技術通過捕捉物體熱輻射產生的信號，經處理后呈像，無需接觸待測物體，因此，可以對一些特殊物體進行檢測，例如高危險物體或運動狀態的物體。這對于溫度檢測水平的提高具有重要意義；

③測試溫度范圍廣：凡是溫度高于絕對零度的物體都會產生紅外輻射能，因此可以說紅外熱成像檢測技術可以對目前已知的一切物體進行檢測；

④無測溫熱慣性，紅外熱像檢測可以對熱容量過導熱系數極小的材質進行檢測；

⑤紅外熱成像通常以灰色或彩色云圖像的形式輸出。因此，測試結果更加直觀，每個點的溫度值讀取更加方便，并且在熱圖像中還有大量與測量設備相關的其他信息；

⑥它可以進行較快速的實時測量，同時，可以對較大范圍的唯獨變化進行快速響應，對于溫度變化的瞬態研究具有重要意義；

⑦數字輸出信號便于計算機處理和自動化。

基于紅外熱成像檢測技術的諸多優勢，紅外熱像儀得以廣泛應用并迅速發展，得到了諸多領域的認可，被認為是發展前景最廣闊的無損檢測技術之一，其主要發展方向為微型化，便捷化和經濟化。在上世紀末，紅外熱像檢測技術以其鮮明的特點在飛機機身無損檢測中挫敗超聲檢測等諸多檢測技術。此后，紅外熱像檢測技術更是被應用到航空航天領域，美國NASA將其作為航天飛機的監控檢測技術。

2 國內紅外熱像檢測技術的發展

由于紅外熱成像技術在測量溫度相關變化方面具有非常大的優勢，在紅外熱像技術被發明的時候就引起了國內外研究人員的密切注意，并對其進行了深入的研究。國內外的科研人員對紅外熱成像技術的研究呈現逐年穩步增長的趨勢。根據論文發表數量分析其具體原因發現，由于很多高新技術會議如第九屆全國光伏技術學術交流會，第二屆中國科學院博士后學術會議和高新技術與發展迎接無損檢測新技術等促進了學者之間的交流溝通，進一步激發了科研人員對紅外熱像技術研究的熱情。從國內外的研究現狀還可以發現，紅外熱像技術在安全科學和防災控制領域的應用研究雖然起步很早，但是由于種種原因研究的卻很少，主要還是對安全科學和研究這個領域的專業人才和機構缺乏一定的重視。對于紅外熱成像技術最突出的研究是電力工業，電力是人類開展項目的生命線，由于電力領域紅外熱像探測技術關乎每個項目的正常運行，所以，我國在紅外成像技術方面的研究有很大的資金投入。

到目前為止，我國的各行各業對紅外熱像檢測技術已經有了成熟的應用，比如在電力電子、石油冶金等方面。電力行業是我國對紅外熱成像檢測技術應用最早、研究最深的行業領域，紅外熱成像技術主要應用在電力設備接頭以及裸露載流導體熱狀態的不停機檢測。

另外，紅外熱像檢測技術也應用在其他領域。例如電子領域，檢測電子線路；建筑領域，房屋的保溫效果評價等方面。并且，國內學者對于新型紅外熱像檢測方法同時進行了研究。湯慧君首先研究脈沖紅外熱像法的機理，基于不同因素對熱流傳播作用，尤其是對缺口位置（包括其深度及尺寸）、試件的尺寸等參數對熱流傳播的作用機理，導出檢測靈敏度的最適概念，武翠琴等根據閃光燈對玻璃纖維夾雜試件進行不同方式的加熱，并且對缺口進行了分析探討；郭杏林等對鎖相紅外熱像檢測過程進行了數值模擬分析，結果揭示了頻率對檢測的作用機理，此外并對實驗進行了證明；趙延廣等對復合材料網格加筋結構的幾種典型缺口進行分析研究，根據鎖相紅外熱像檢測的方法，揭露了主要的影響因素是加載頻率、輸出電壓偏移量及兩者之間的關系；田裕鵬等根據鋁合金和聚合物兩種典型的金屬和非金屬試件的特性，利用脈沖相位熱成像檢測的實驗，研究其亞表面缺陷；面臨的超聲熱像檢測法存在的問題，徐維超通過理論與實驗相結合的方法，對裂紋缺陷檢測的影響因素，主要包括超聲發射器與試件間的壓力、超聲波能量（對應超聲波振幅）和超聲波激勵時間等因素進行討論。現在，更多的學者和單位對新型紅外熱像檢測技術進行分析探討，據此發表多篇文獻，對該方法進行說明闡述。

3 國外紅外熱像檢測技術的發展

最早應用紅外技術的行業是軍事行業。二戰中德國軍隊首先為士兵配備多種設備，包括紅外通訊和夜視等。但是紅外技術在全球成功應用并普及的標志是瑞典AGA 公司在1964年進行的無損檢測技術。發達國家經濟充足，對此領域投入較大，故發展較為迅猛，尤其是美國等國。這些國家研究出的紅外技術廣泛應用于航空航天、電力電子、石化冶煉等行業。目前美國是紅外技術研究領頭的國家，它包含了全球很多紅外設備的供應廠，而且以很快的速度研究了紅外熱像檢測技術，并加以應用在各個行業領域中。此外還對ASNT、ASTM 等標準進行規定以及制備各種紅外操作說明書和人員訓練體系。按紅外熱像檢測技術的檢測方式來說，分為兩類，主動式（Active thermographic testing）和被動式（Passivethermographic testing）。在1930年，最基本的檢測思想輪廓就已經成型，知道20 世紀60 年代Green 和Alzofon第一次針對主動式紅外熱像檢測技術提出該方向的研究理論和概念。而根據他們的研究，后來世界上各國的研究學者對紅外熱像無損檢測與評估技術進行深入的探討與研究。但是檢測成本、檢測精度等方面的缺點，導致了紅外熱像無損檢測早先主要應用于軍事領域，例如檢驗發動機噴管膠接質量，以及通油管道的泄露檢查等。

在此部分主要分析研究了紅外技術進行檢測應用在其他領域方面的可能性，相對于其他檢測方法（如超聲、X 射線檢測等）來說，并沒有從根本上揭露紅外熱像檢測技術的先進性，因為那時候的發展比較緩慢，紅外熱像檢測技術還不成熟。在1970年以后，國外學者對于紅外熱成像技術的研究逐漸與其他領域的理論相結合，Carlslaw做的工作非常典型，他首次將熱傳導理論引入到了紅外成像技術的研究當中。在這個時期，學者們對于這項技術的研究內容主要是圍繞均質體進行熱傳導研究，比較典型的學者有Maldague、Vavilov、D.P.Alomond、Favro等，這些學者在政府相關獎勵政策下相繼對一維、二維的熱傳導模型進行了構建并計算出了相關數值解。這些研究成果為紅外熱像技術上升到理論層次奠定了基礎。到了1988左右，隨著紅外熱像儀攝像速度、像素以及靈敏度等的提高，這些技術主要朝著更高的方向發展。隨著計算機技術的進一步應用，在20世紀80年代后期涌現出了各種新型紅外熱像技術，在軍事和工業方面得到了廣泛的應用。

參考文獻：

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