被檢物位置對非接觸超聲紅外熱像技術的影響

金學元，王 冠

（1.攀枝花學院 公共實驗教學中心，四川攀枝花617000；2.北京維泰凱信新技術有限公司，北京100037）

0 前言

超聲紅外熱像技術是一種新型的紅外熱波無損檢測技術，自上個世紀出現以來逐步被用于裂紋及復合材料脫粘的檢測，目前已開發出有效的缺陷自動識別算法［1］。超聲紅外熱像技術以超聲作為熱激勵源，檢測時需通過超聲槍頭與被檢測物接觸將特定頻率超聲耦合到被檢測物中，由于超聲槍頭與被檢測物之間接觸且有壓力的作用，被檢測物會受到不同程度的損傷。另外，超聲槍頭與被檢測物接觸處存在摩擦，接觸處要產生熱量，會降低檢測結果的信噪比。

非接觸超聲紅外熱像技術是在超聲紅外熱像技術基礎上改進得到的，它以特制的大型超聲槍頭代替傳統的超聲槍頭，通過空氣將超聲耦合到被檢測物中，由于特制超聲槍頭不與被檢測物接觸，不會損傷被檢測物，同時也可獲得較高的信噪比。目前非接觸超聲紅外熱像技術已被用于復合材料的檢測，且得到了良好的檢測結果［2］。

1 基本原理

非接觸超聲紅外熱像技術檢測設備如圖1所示，設備由超聲激勵系統，熱成像系統及熱圖像處理系統三個部分構成。超聲激勵系統為BRANSON公司制造的型號2000aed的超聲儀和特制的非接觸超聲槍頭，超聲儀最大輸出功率為4000 W，檢測過程中可通過設置超聲控制器上振幅參數來調節超聲的輸出功率。熱成像系統為法國cedip的JADE III熱像儀，工作波段為3.7～4.8μm，采集頻率及采集時間可通過計算機設定，生成的熱圖像大小為320×240像素。熱圖像處理系統為Echo-Therm軟件，該軟件可對采集到的原始熱圖進行減背景、調整對比度、生成溫度時間曲線等分析處理。

圖1 非接觸超聲紅外熱像技術檢測系統

圖2 特制非接觸超聲槍頭

非接觸超聲槍頭如圖2所示，其尺寸為230 mm×160 mm×110 mm，相比傳統的超聲槍頭，非接觸超聲槍頭體積大，具有更大的超聲發射空間角，可以在不接觸被檢測物條件下通過空氣將超聲耦合到被檢測物中。

當超聲經空氣耦合到被檢測物中后，攜帶能量的超聲波將在介質中快速傳播，如果超聲遇到介質內的非均勻區域（缺陷等區域），其交界面處會產生摩擦，或非均勻區域與其他區域彈性性質不同，超聲衰減比均勻區多，由于熱彈效應和滯后效應的存在，超聲能量轉化為熱量［3］，且缺陷處產生的熱量會以熱波形式傳到被檢測物表面，通過熱像儀采集被檢測物的熱圖像，利用軟件對熱圖進行處理就可以檢測出缺陷［4］。缺陷處產生的熱量在介質中傳導的熱傳導方程可表示為：

（1）式中 T（r，t）是 t時刻 r處的溫度，f（r，t）為熱源函數，k為熱傳導率，密度 ρ與比熱 c的乘積 ρc是介質材料的體熱容。

如圖1所示，超聲激勵時，缺陷視為熱源，且缺陷單位面積上產生的熱量為常數q，設熱源到被檢測物表面的距離為d。在超聲激勵的時間內，被檢測物界面（表面）絕熱的條件下，可求解得到被檢測物表面溫度與時間的關系［5］：

（2）式中，a＝k/ρc為擴散系數，由該式得出，在超聲激勵的過程中，有缺陷的被檢測物表面溫度持續升高，且與缺陷越近的表面溫度越高。（2）式表明了非接觸超聲紅外熱像技術具有較高的信噪比，在非接觸超聲激勵條件下，熱像儀采集到的被檢測物熱圖像，可清楚、直觀顯示出被檢測物內所存在的缺陷。

圖3 碳纖維增強多層復合材料板試件

2 實驗結果

為了探究被檢測物位置對非接觸超聲紅外熱像技術檢測結果的影響，本文選取了兩塊同種碳纖維增強多層復合材料板試件，其編號分別為2-02、2-10，如圖3所示。試件尺寸均為90 mm×55 mm×1.8 mm，層鋪方向為［0/90］2s，共16層，試件中心處有低能沖擊損傷，沖擊能量按試件編號由小到大分別為2 J、6 J。

2.1 位置對檢測的影響

首先用夾具夾住編號2-02、2-10兩試件，分別將兩試件置于非接觸超聲槍頭左側面空間，試件與槍頭左側面平行且相距3 cm。調整超聲輸出功率為200 w，超聲對兩試件激勵時間均為10 s，超聲激勵結束時刻采集得到的減背景熱圖像如圖4所示。

圖4 試件置于槍頭左側面減背景熱圖

由圖4可看出，當板狀試件置于左側面空間與左側面平行時，采集得到的熱圖像信噪比低，位于試件中心處的沖擊損傷無法被檢測出來。

再將夾具夾住的兩試件分別置于非接觸超聲槍頭下底面空間，并與槍頭下底面平行且相距3 cm。超聲輸出功率為200 w，超聲對兩試件激勵時間均為10 s，超聲激勵結束時刻采集得到的減背景熱圖如圖5所示。

由圖5看出，當板狀試件置于下底面空間與下底面平行時，采集得到的熱圖像信噪比較高，兩試件中心的沖擊損傷被檢測出來。另外，由圖5還可以看出，沖擊能量越大的損傷，檢測出的缺陷越清楚。

比較圖4和圖5得出，當薄板狀被檢物置于非接觸超聲槍頭下底面空間并與下底面平行的位置時，可獲得較好的檢測結果。

圖5 試件置于槍頭下底面減背景熱圖

2.2 槍頭表面振動測量

在超聲激勵系統輸出功率為200 w的條件下，利用單點振動儀首先測量了過非接觸超聲槍頭左側面中點沿寬度方向上各點的振動振幅，測量結果如圖6所示。

圖6 槍頭左側面寬度方向各點的振幅

圖6中的振幅曲線中斷處為槍頭左側面的孔區，通過振幅曲線看出，過非接觸超聲槍頭左側面中點的寬度方向上，前后端及孔附近點的振幅大，通過測量的數據求得寬度方向上最大振幅約為最小振幅的1.70倍，測量結果表明了超聲槍頭左側面的振動均勻度較差。

在超聲激勵系統輸出功率為200 w的條件下，利用單點振動儀依次測量了過非接觸超聲槍頭下底面中點長度和寬度方向上各點的振動振幅，測量結果如圖7、圖8所示。

由圖7、圖8看出，在超聲輸出功率為200 w的情況下，非接觸超聲槍頭下底面長度方向上和寬度方向上各點的振幅較小，且相差不大，通過計算長度方向最大振幅約為最小振幅的1.19倍，寬度方向上最大振幅約為最小振幅的1.22倍，測量結果表明了下底面的振動均勻度較好。

圖7 槍頭下底面長度方向各點的振幅

圖8 槍頭下底面寬度方向各點的振幅

2.3 討論

通過所測得的非接觸超聲槍頭左側面及下底面的振幅數據可看出，在超聲輸出功率一定的情況下，非接觸超聲槍頭左側面的振動振幅普遍大于下底面的振動振幅，當薄板狀試件置于槍頭左側面空間時未檢測出沖擊損傷，而試件置于槍頭下底面空間卻檢測出了沖擊損傷，說明了在該技術下被檢測物內的缺陷能否被檢測出，主要取決于非接觸超聲槍頭表面振動的均勻性，超聲槍頭表面振動的均勻性與缺陷的檢出率存在一定的聯系。

3 結論

非接觸超聲紅外熱像技術通過特制的大型非接觸超聲槍頭，在與被檢測物不接觸的情況下，將攜帶能的超聲通過空氣耦合到被檢測物中，不會對被檢測物造成損傷，在復合材料檢測中有著不俗的表現。本文通過實驗發現，被檢測物在非接觸超聲槍頭周圍的空間位置會對該技術的檢測結果造成影響，對于薄板狀被檢測物來說，當它置于非接觸超聲槍頭下底面時，檢測結果較好。本文通過測量非接觸超聲槍頭表面振動振幅，發現在相同條件下非接觸超聲槍頭下底面振動振幅比左側面振動振幅小，但振動均勻性卻比左側面好，通過對比得出非接觸超聲槍頭表面振動的均勻性與缺陷的檢出率存在一定的關系，表面振動的均勻性越好，缺陷的檢出率越高。