紅外檢測技術的研究與發展現狀

沈功田,王尊祥

(中國特種設備檢測研究院，北京 100029)

目前，超聲、射線、渦流、磁粉、滲透等常規的無損檢測方法已在相關行業得到了成熟的應用，但上述方法多用于已形成的宏觀缺陷的檢測，紅外檢測(Infrared testing, IRT)技術作為一種新的檢測方法，通過提取被檢測物體的紅外特征參數，可實現設備故障的實時監測以及應力集中和疲勞壽命的快速檢測。通過檢測此類“危險源”，可以確定構件、設備的服役情況，從而為重要部件的后期壽命和安全評價提供參考和依據。與常規的無損檢測方法比較，紅外無損檢測還有以下優勢：① 無需接觸測量；② 測量范圍大(可達0.1 m2)；③ 測量距離遠(20 cm～20 m)； ④成像直觀、快速。IRT技術目前在航空航天、電力、建筑等工業領域有著廣泛應用。

筆者介紹了紅外檢測技術的原理，綜述了國內外關于紅外檢測技術的發展情況和研究進展，指出了重點研究領域和目前仍然存在的問題，最后介紹了基于紅外成像檢測技術的相關儀器設備和檢測標準，展望了該技術的未來發展趨勢和應用前景。

1 IRT檢測原理

紅外檢測技術主要基于紅外輻射(紅外線)的理論，即任何高于絕對零度的物質都會連續地向周圍輻射紅外線，紅外線是一種帶能量的電磁波，其波長為0.75～1 000 μm，頻率為3×1011～4×1014Hz[1]。紅外輻射與物體本身的溫度滿足一定的函數關系，被測物體表面溫度越高，輻射能量也越多。黑體紅外輻射的基本規律反應了紅外輻射強度和波長隨溫度變化的定量關系，其滿足的基本規律主要有：普朗克輻射定律、維恩位移定律、斯特凡-玻爾茲曼定律等。

紅外線在大氣中穿透比較好的波段，被稱為“大氣窗口”，短波波長為3～5 μm，長波波長為7～14 μm。紅外熱像儀利用紅外探測器和光學成像系統接收被測物體的紅外輻射能量，并反映到紅外探測器的光敏元件上，從而獲得紅外熱像圖，這樣紅外熱像儀就將不可見的紅外能量轉化為可見的熱像圖，熱像圖與物體表面的熱分布場是相對應的。通過對熱像圖溫度、幅值、相位等信息的提取和分析等，實現對被測物體的檢測、監測和評估。

IRT檢測裝置根據是否需要外加激勵源可分為主動式和被動式兩種，檢測裝置分別如圖1和圖2所示。主動式檢測裝置由激勵部分(信號發生器和激勵源)、紅外熱像儀和PC(計算機)終端3部分組成，而被動式檢測裝置無需激勵部分，紅外熱像儀主要由光學系統、紅外探測器、信號處理器和顯示器等4部分組成。PC終端可控制激勵信號以及對紅外熱像圖進行相應的數據處理。

圖1 IRT主動檢測裝置示意

圖2 IRT被動檢測裝置示意

2 國外研究現狀

國外許多學者對紅外檢測技術的研究和應用做了大量工作，比如法國國立高等工程技術學校的BALAGEAS團隊[2]、意大利費德里克二世大學的MEOLA團隊[3]以及日本名古屋大學的TSUJI團隊、美國的RAMI HAJ-ALI團隊、墨西拿大學的CRUPI等。目前,國際上對于紅外成像檢測技術的研究及應用主要集中在缺陷檢測、應力檢測和疲勞分析等方面。

2.1 缺陷檢測

目前,對于構件缺陷的紅外成像檢測主要采用主動法，即通過對構件施加可控的激勵來獲得熱像圖，構件缺陷處與非缺陷處的熱阻和溫度分布是不同的，缺陷會阻礙“熱流”的均勻傳播擴散，在構件表面形成“高溫區”和“低溫區”。紅外熱成像檢測不受材料性質的限制，目前主要集中應用于復合材料領域的檢測，對裂紋、脫黏、沖擊損傷等缺陷的檢出率較高。CHATTERJEE等[4]在對紅外熱成像檢測技術進行對比研究時發現，熱像圖的噪聲主要來源于結構的不均勻性，當缺陷位置較淺時，脈沖紅外熱成像檢測技術的圖像信噪比最高，但隨著缺陷深度的增加，3種方法的差異會逐漸減小。MUNOZ等[5]對航空碳纖維復合材料的損傷演變機理進行了研究，發現0°拉伸有3種損傷：基體破壞、纖維斷裂和脫黏，而90°拉伸不存在基體破壞的模式。BALAGEASL等[6]對先進復合材料的內部裂紋、外部夾雜物、脫膠、分層等缺陷成功進行了紅外無損檢測，發現相比其他檢測方法，該方法檢測效率更高，安全性更高，非常適于在線監控。波蘭的PSUJ[7]對熱像圖序列進行歸一化和DFT(離散傅里葉變換)處理，通過幅值和相位圖分析研究了裂紋的生長過程。TSUJI等[8]在碳纖維復合材料的鎖相試驗中發現低壓下厚度方向的熱擴散系數要小于標準大氣壓下的熱擴散系數，平面方向上熱擴散系數取決于激勵的加熱頻率。EKANAYAKE等[9]采用CT(X射線計算機斷層掃描)技術驗證了基于紅外成像技術的碳纖維缺陷幾何尺寸測量的準確性，整體相對誤差小于10%。

金屬材料的熱傳導率相比復合材料的大很多，相對研究要少一些。KOCHANOWSKI等[10]發現采用脈沖紅外熱像法測得的奧氏體不銹鋼316L的熱擴散系數與文獻中給出值的誤差僅為0.5%，利用熱傳導方程來解相關的簡單邊界條件也更加方便。SEKHARBABU等[11]對D2工具鋼的摩擦焊過程進行紅外監測，測得其紅外輪廓，并發現其焊接溫度場的峰值溫度可達1 200 ℃，由于馬氏體相變和初生碳化物的細化，提高了顯微硬度和耐磨性，有利于研究焊接過程中的組織變化。

2.2 應力檢測

紅外應力檢測是基于熱彈性效應原理進行的。紅外熱彈性效應于1853年首次由LORD KELVIN提出，后經過BLOT的進一步研究，建立了表面溫度變化與應力變化之間的定量關系表達式，如式(1)所示。

ΔTe=-KTΔσe

(1)

式中：ΔTe為在溫度T時的熱彈性溫度變化；K,T分別為與膨脹系數、密度和熱容量有關的常數；Δσe為彈性應力增加值。

由式(1)可以看出，熱彈性溫度變化與彈性應力增加值呈線性關系，任何固體材料在受到拉伸時，其自身溫度會降低，形成“冷發射”;在受到壓縮時，自身溫度會升高，形成“熱發射”。根據目前的研究可知，溫升1 mK，對應鋼材的應力變化約為1 MPa，對應鋁構件的應力變化約為0.4 MPa[12]。

2008年，HAJ-ALI等[13]采用虛擬裂紋閉合技術(VCCT)和有限元(FE)兩種熱彈性應力分析方法對復合材料表面的應力場分布進行了研究，發現I型應力強度因子與應力場有較高的吻合度，II型應力強度因子與裂紋尖端的位置和尖端附近的非彈性以及損傷區域的大小有關。同年，EMERY等[14]提出了一種新的分層材料熱彈性定量分析矯正方法，并成功應用于復合材料的檢測中。2011年，KUTIN等[15]采用紅外熱像技術對環氧玻璃復合材料進行應力檢測，試驗得到了傳統檢測技術的驗證，表明該方法可作為一種高效的復合材料早期診斷方法。BRéMOND等[16]在壓強30 MPa，加載頻率3 Hz的參數設置下準確測量了裂紋長度。

2.3 疲勞分析

機械零部件在交變載荷的長期作用下，會萌生細小裂紋并形成主導裂紋隨后穩定擴展，最終引起構件的失穩或完全斷裂[17]。據報道，目前80%的斷裂事故屬于疲勞斷裂，金屬材料在疲勞試驗過程中的不同階段會伴隨有不同的固有耗散能釋放，材料的表面溫度在疲勞進程中會出現3個階段：開始時表面溫度迅速升高，中間緩慢增加和最后裂紋擴展時快速升高，且只有當循環應力大于疲勞極限時溫度才會顯著升高[18]。傳統的疲勞試驗周期長、成本高，紅外熱像儀的出現為疲勞檢測提供了一種新的快速高效檢測方法，采用紅外熱像儀來表征溫度的變化，可深入分析其斷裂原理。MICHAL等[19]已通過試驗驗證了該方法的可行性。目前，疲勞特性的研究已經在鋼材、鑄鐵、鎂合金、鋁合金等金屬的疲勞試驗中取得了良好的效果。

LUONG[20]曾在1998年采用紅外熱像法研究了疲勞演變過程和預估汽車零部件連桿的疲勞極限。2010年，CRUPI等[21]在焊接接頭的低周疲勞試驗中發現材料表面也會出現類似高周疲勞的三個溫升階段，且溫升與磁滯回線緊密關聯，都屬于在塑性變形中釋放能量的一種表現形式。同年，CRUPI又對原有的熱像法(EM)進行了改進，與能量分析相結合，提出了一種新的定量分析方法來預測剩余疲勞壽命和進行非線性應力的測量，并通過試驗驗證得到測量誤差分別為13%和4%[22]。MOUMNI等[23]研究了加載頻率對形狀記憶合金的低周疲勞壽命影響，得到以下結論：① 隨著加載頻率的增加，溫度的振幅會隨著時間先增大后趨于穩定；② 不管是應力控制還是應變控制,溫度振幅整體都會隨著加載頻率的增加而減少；③ 加載頻率很低時疲勞壽命對溫度基本無影響。

2.4 其他領域

由于紅外熱成像檢測具有檢測面積大、速度快、適于實時監測等優點，已被廣泛應用在電力、建材、地質、醫療、大氣研究等領域[24]。HUDA等[25]運用基于紅外熱成像法的智能系統進行電力設備故障的預防性檢測，試驗采用人工神經網絡和統計特征方法進行設備內部缺陷的檢測，結果表明統計特征方法具有更好的性能，準確率為82.40%。KORDATOS等[26]利用紅外熱成像技術來評價壁畫和歷史紀念碑的損壞情況。LUONG[27]運用紅外熱成像技術來進行土地動力學研究，為研究土地變形的機理提供了依據。MEOLA等[28]對熱塑性基體復合材料進行在線紅外監測中發現溫升與材料密切相關，從而可作為評判新材料性能的指標，相位圖則可以為沖擊動力學提供參考信息。SAHU等[29]進行了癌癥的紅外光譜研究工作。MEOLA等[30]發現相位值與材料的某些特性(密度，孔隙率，硬度等)相關聯。鎖相熱成像技術能夠區分成分非常相似的材料，可以用來表征金屬、塑料、復合材料等多種材料，評估材料老化或暴露于不利環境下而出現的特性變化情況。

3 國內研究現狀

我國的IRT技術起步于20世紀50年代，改革開放以來得到了迅速發展。目前國內對IRT研究較多的有華中科技大學、電子科技大學、哈爾濱工業大學、南京理工大學、首都師范大學、中國特種設備檢測研究院等科研院所。這些研究主要集中在缺陷檢測、應力和疲勞分析、模擬仿真和圖像處理等方面，并涉及到了機械設備故障診斷的應用領域。

3.1 缺陷檢測

國內對于缺陷檢測的研究主要集中在常規、鎖相和脈沖相位等不同熱成像技術的理論和試驗研究中，如缺陷深度測量、相位信息分析等。張金玉等[31]在涂層的鎖相無損檢測中發現當涂層厚度一定時，相位差隨著缺陷尺寸的增大會先增大后減小，并通過溫度的一階差分實現了對缺陷的定量識別。沈功田等[32]針對金屬高溫壓力管道設計了一系列試驗，發現導熱率越低的材料，檢測靈敏度越高，缺陷顯現時間越長，缺陷面積越大，材料厚度越薄，檢測缺陷的靈敏度也越高;檢測靈敏度還與加熱和冷卻方式有關，試驗中內部加熱法的檢測靈敏度高于外部冷卻法的?；粞愕萚33]對電路板分層缺陷進行檢測時發現，鎖相成像技術的缺陷檢出率要高于脈沖成像技術的。孫豐瑞等[34]系統地研究了正弦規律加熱沉孔型缺陷時的表面溫度變化的情況，發現構件材料對檢測表面溫差變化影響較大，采用反射法和透射法檢測，構件表面的溫度場變化趨勢是一致的。李艷紅[35]通過傅里葉變換提取紅外熱波信號的位相頻率信息來檢測缺陷深度，得出計算深度是實際深度的1.98倍的結論。

在復合材料的檢測方面，武翠琴等[36]對玻璃纖維復合材料殼體/絕熱層構件中深度為5 mm以內、直徑10 mm以上的脫黏缺陷取得了較好的檢測效果。周正干等[37]進行了鈦合金蜂窩結構蒙皮的紅外熱成像研究工作，發現厚度為0.6～2.0 mm構件的最佳鎖相檢測激勵調制頻率為0.04 Hz～0.1 Hz。蔣淑芳等[38]采用紅外熱成像技術成功檢測出鋁蜂窩復合材料的夾層膠接情況和蜂窩結構。

3.2 應力和疲勞分析

我國的應力、疲勞分析研究多與實際應用相結合，沈功田[39-40]通過檢測蓄能器疲勞區熱斑跡的變化來研究裂紋的走向和大小變化，此外對液化石油氣儲罐的應力集中部位的檢測也取得了良好的效果。曾偉等[41]提出了一種基于溫升對循環周次的積分M，來確定材料的S-N(應力-疲勞)曲線的新方法。呂寶西[42]在對U71Mn鋼軌疲勞裂紋擴展的紅外檢測試驗中，發現低速擴展裂紋尖端的溫度高于周圍的現象并不明顯，金屬表面的裂紋紅外檢測效果并不理想。王文先等[43]采用紅外熱成像技術研究了AZ31B鎂合金的裂紋尖端溫升值與裂紋擴展速度之間的關系，發現快速擴展階段的溫升明顯大于穩定擴展階段的。李萌等[44]對2A12鋁合金的鉚接結構進行了紅外鎖相疲勞極限的快速測定，對試驗結果采用階梯法驗證,得到誤差為4.82%，此方法尤其適用于處于多軸應力狀態的結構構件。張傳豹[45]對Q235材料的十字接頭焊趾處應力集中系數進行測量，發現結果高于理論計算和仿真模擬計算的結果，但仍是可信的。李旭東等[46]采用鎖相紅外熱成像技術選取合適的加載頻率，成功地對機翼表面的應力分布狀態進行了測量。

3.3 模擬仿真

國內還有很多學者利用ANSYS,MATLAB等仿真軟件對紅外檢測技術進行了研究。顧桂梅等[47]對鋼軌裂紋缺陷進行模擬研究，并采用溫度-時間二階對數微分峰值法進行裂紋深度計算，發現對鋼軌亞表面6 mm以內的疲勞裂紋有較高的準確性。郭杏林等[48]對焊接接頭采用差分熱像法獲得了不同應力范圍的穩定溫升值，通過建立的能量損傷模型得到的剩余疲勞壽命與實際值誤差為6.5%，實現了快速預測。劉俊巖等[49-50]發現:隨著缺陷與加載中心距離的增加，幅值差會降低但相位差基本保持不變，初始靜壓升高，幅值差升高，相位差基本不變;調制頻率提高，幅值差降低，相位差升高。此外,他們還通過建立的熱-電等效模型確定了相位與缺陷深度之間的關系。郭興旺等[51]通過建立振動熱像檢測的數學模型研究裂紋區表面溫升與激勵時間、頻率、幅值等參數的關系。張金玉等[52]建立了涂層的三維瞬態導熱模型，得到了鎖相法理論可檢的最大涂層厚度是熱擴散長度的1.5～2倍,且檢測厚涂層時檢測頻率應適當減小的結論，并給出了涂層厚度與相位的計算關系式。

3.4 圖像處理

在圖像處理方面，秦翰林等[53]針對弱小目標的復雜背景提出了剪切波與高斯尺度混合模型的新算法，檢測結果優于二維最小均方誤差濾波算法的結果。周正干等[54]對紅外鎖相法得到的相位圖采用模糊C均值(CFM)算法進行處理，對缺陷進行定量檢測，誤差小于4%，具有很高的吻合度。李宇光等[55]提出了一種新的小波變換的紅外圖像增強技術，該技術更有利于故障點的信息提取，提高檢測的準確性。康長青等[56]針對目前算法的鬼影和參數時間漂移的問題，提出了一種新的基于中間均衡直方圖的圖像矯正算法。

3.5 故障診斷

我國紅外檢測技術的應用最早開始于電力行業的故障診斷與監測，但存在圖像噪聲大、精度不高的問題，上述圖像處理的研究工作大大提高了弱小目標的檢測精度，為紅外檢測技術的應用提供了更多的可能。李大鵬等[57]針對機電設備給出了一種紅外故障診斷可診性的評價體系，為故障診斷應用提供了參考。于澤奇[58]設計了基于紅外熱成像的輪機故障檢測系統，可以用來監控船舶設備運行情況和查找故障。李明等[59]成功自行設計了高溫爐管剩余壽命的紅外在線監測系統。葉超等[60]將紅外熱像技術應用于游樂設施的機械和電氣部件的檢測中，取得了初步結果。楊振中等[61]對汽車尾氣排放物的成分和濃度進行了紅外光譜研究，并提出了實時性較好的診斷技術。

4 國內外IRT儀器現狀

紅外熱像儀主要有制冷型紅外熱像儀和非制冷型紅外熱像儀兩種。制冷型紅外熱像儀由于價格昂貴、攜帶不方便等原因還未得到大規模應用；非制冷型紅外熱像儀經過近20年的快速發展，價格已大幅下降，性能也得到了快速提升，受到了多個行業的青睞。作為儀器核心的紅外探測器，光譜響應從短波紅外擴展到長波紅外，實現了對室溫目標的探測，成像目標也從單元發展到多元，從多元發展到焦平面，實現了單波段向多波段、點源探測到目標熱成像的飛躍，為系統應用提供了充分的選擇余地。紅外熱像儀包括便攜式、在線式和掃描式三大系列，并部分配有各種選件(如鏡頭、存儲卡等)。

4.1 國外設備

瑞典的AGEMA公司于1995年首先開發了鎖相熱成像檢測技術，后被FLIR公司并購，目前美國的TWI、德國的Edevis以及以色列的Opgal公司的主動式紅外熱成像檢測系統產品技術較成熟，應用較廣。被動式的紅外熱像儀廠家較多，知名的有美國的FLIR、RAYTEK、KELLER和日本的NEC、德國的Infratec等公司。其中美國FLIR公司主要的紅外檢測設備有P系列、E系列、S系列、A系列、2000/3000系列、FLIR B 系列、FLIR T 系列、SC 7000系列、BCAMTM系列等眾多產品。

FLIR公司的T640紅外熱像儀，分辨率高達640像素×480像素，視場角可達25°×19°，1～8倍的變焦，內置800像素×480像素的取景器，在工業檢測領域尤其是電力行業的絕緣子脫落、連接松動、接觸不良、過熱、過載等故障的監測中，有著廣泛的應用。RAYTEK公司的MT4紅外測溫儀，測溫范圍為-18 ℃～400 ℃；距離系數比達8…1，采用單點激光瞄準，主要應用于汽車檢測與維護、燃油壓力過低、排風系統以及冷卻系統的檢測中。

4.2 國內設備

我國紅外熱成像檢測技術起步較晚，1975年西安熱工所和昆明物理所等單位合作研制了我國第一臺HRD21紅外熱像儀。華中光電研究所于2001年成功研制了首臺非制冷型紅外熱像儀。武漢高德紅外于2014年成功研制出紅外探測器芯片，打破了國外技術壟斷。

我國研究人員在增透膜和中長波紅外變焦系統的改進、雜散輻射的抑制等方面做了大量的工作。中科院的楊為錦設計了高變倍比中波紅外連續變焦系統，實現了11～200 mm的連續變焦，變倍比達18+，滿足100%冷光闌效率[62]。昆明物理所設計了折射/衍射的長焦距紅外系統，系統焦距可達300 mm[63]。哈爾濱工業大學的汪子君等[64]在國外熱像儀的基礎上建立了紅外熱像無損檢測系統，并自行設計了硬件和軟件系統，經測試性能達到了國外同類技術水平。

目前國內從事紅外檢測技術產品研制、生產和經營的單位約有400余家。國內紅外檢測設備生產廠家有廣州颯特、濟寧科電、浙江大立、武漢高德以及推出主動式紅外熱成像系統的北京維泰凱信和南京諾威爾等公司。廣州颯特生產的VS 640型高端旗艦機，主要應用于電力、建筑、石油化工、制造業等工業領域，紅外測溫范圍為-20 ℃～600 ℃，最高可達2 000 ℃，分辨率可達640像素×480像素，精度可達±2 ℃。維泰凱信的InspectIR2.0系統，易于操作，速度快，每次測量一般只需幾秒到幾十秒鐘；高效、單次檢測面積大，大型試件的分區檢測結果可自動拼圖處理，能定量測量缺陷的位置、大小和深度，可集成多種激勵方式。

5 國內外檢測標準現狀

由于紅外技術興起較晚，研究也正處于發展階段，目前國內外關于紅外檢測的標準已陸續頒布，并在加速制定中。

國際上主要有ISO 10878:2013 《無損檢測-紅外熱成像技術-術語》、ISO 10880:2017 《無損檢測-紅外熱成像檢測-導則》和ISO 18251-1:2017《無損檢測-紅外熱成像檢測 第1部分：系統和設備的特性》；美國的材料與試驗協會ASTM也頒布了幾項紅外熱成像標準，如：ASTM E1862-14 《用紅外成像輻射儀測量和均衡反射溫度的標準試驗方法》、ASTM E1897-14 《用紅外成像輻射儀測量和均衡衰減介質的傳輸的標準試驗方法》、ASTM E1933-14 《用紅外成像輻射儀測量和均衡衰減介質發射率的標準試驗方法》；ASTM E1934-99a(2014) 《機械和電氣紅外熱成像技術應用導則》，此外還有一些美國軍用電氣紅外檢測標準。

國內相關人員也做了大量的研究和制定工作[65-66]。主要有GB/T 12604.9-2008 《無損檢測 術語 紅外檢測》、GB/T 31768.2-2015 《無損檢測 術語 第2部分：檢測規范》、GB/T 26643-2011 《無損檢測 閃光燈激勵紅外熱像法 導則》、GB/T 31768.2-2015 《無損檢測 閃光燈激勵紅外熱像法 第2部分：檢測規范》、GB/T 26643.3-2015 《無損檢測 閃光燈激勵紅外熱像法 第3部分：試塊》、GB/T 31768.4-2015 《無損檢測 閃光燈激勵紅外熱像法 第4部分：檢測系統》、GB/T 19870-2018 《工業檢測型紅外熱像儀》和DL/T664-2008 《帶電設備紅外診斷技術應用導則》、GB/T 28706-2012 《無損檢測 機械及電氣設備紅外熱成像檢測方法》、GB/T 36668.3-2018 《游樂設施狀態監測與故障診斷 第3部分：紅外熱成像監測方法》、HB 8428-2014 《航空復合材料閃光燈激勵紅外熱成像檢測方法》、MH/T 3022-2011 《航空器復合材料構件紅外熱像檢測》，此外還有一些物質紅外光譜法的標準如DB 23/T 1196-2007 《植物油反式脂肪酸的測定紅外光譜法》、DB 37/T 2651-2015 《車用汽油中甲縮醛含量的測定 紅外光譜法》等。

6 紅外檢測技術應用

6.1 卷揚機紅外檢測應用

卷揚機作為常見機械系統部件，因操作簡單、繞繩量大、移置方便而廣泛應用于建筑、水利工程、礦山等行業，作為主要受力部件的鋼絲繩，常見的報廢原因有直徑減小、表面腐蝕、結構破壞、超載等，紅外檢測技術可以方便快捷地判斷鋼絲繩的使用情況。

機械系統鋼絲繩受力時，兩端鋼絲繩的受力明顯大于中間部分的，這與機械結構和安裝都有密切聯系。鋼絲繩長期受力不平衡會出現損耗，鋼絲繩的溫度變化可以反映出卷揚機的運動狀態和安全狀態，可為鋼絲繩的串位和更換提供指導。卷揚機的可見光圖與紅外熱像圖如圖3所示。

圖3 卷揚機的可見光圖與紅外熱像圖

6.2 液壓系統紅外檢測應用

液壓站是為機械運行提供潤滑、動力的一種機電裝置。液壓系統對溫度變化敏感，溫度每升高10 ℃,密封件壽命就會減半，所以應密切關注液壓系統的油溫變化，采用紅外檢測技術可以快速檢測油溫的變化情況，排除安全隱患。

圖4，5可以客觀反映出液壓系統的工作原理，不同輸油管和回油管的溫度呈現相同的周期性變化趨勢，出油管的溫度變化幅度相對較小，經散熱后的溫度要低于散熱前的油管溫度。這些發熱規律都為實際工作中液壓系統的維護保養提供了重要的參考，比如油液污染時，各輸油管的溫度會普遍高于正常溫度，某處油管濾芯堵塞或者出現連接問題會造成某一段油管的溫度異常，散熱扇散熱效率下降會導致回油管的溫度異常等。

圖4 液壓系統的可見光圖和紅外熱像圖

圖5 液壓系統的溫度變化曲線

6.3 電氣系統紅外檢測應用

電氣系統的檢測大部分需要停電進行，發熱點溫度難以量化，測量時也有一定的危險性，紅外檢測技術具有非接觸、檢測面積大、不受白天黑夜影響等特點，可以解決上述問題。若發生電氣設備故障，故障點的溫度會大幅上升，并以故障點為中心向外圍輻射大量的熱能，在周圍形成一個“能量熱場”，通過檢測“能量熱場”就可以找到故障發生處。

圖6 電氣系統溫度紅外及溫升圖

圖6是采用紅外檢測技術進行電氣系統狀態監測應用的案例，案例中采集了電氣柜中24組接線端子的溫度變化數據，采用參數對比法進行故障分析和診斷。由圖6可以看出，11號測試點的溫度發熱明顯異常，溫度相比其余測試點要高出2℃～5℃，經檢查，11號測試點的接線端子發生松動，后經維修，溫度恢復正常。

7 發展趨勢

紅外熱成像檢測技術作為新興的和逐步成熟的無損檢測技術，具有非接觸、一次可測量面積大、快速高效等優點，得到了很多學者的關注，目前在電力、航空航天、交通運輸、石油化工、冶金、醫藥等設備的檢測監測方面得到了成熟應用并有著巨大的應用前景。面向眾多的工程需求和目前紅外檢測技術存在的不足，筆者認為未來紅外檢測技術的發展應集中在以下幾個方面。

(1) 材料內部缺陷的二維或三維模型建立、缺陷尺寸定量化檢測的研究。

(2) 設備的運行狀態監測和故障診斷方法的研究。

(3) 幅值相位等數據信息提取以及小波變換、模糊算法等數據處理的研究。

(4) 便攜化、簡單化、智能化檢測設備的開發和研究。

(5) 激勵方式的多樣化研究。

(6) 新檢測標準的制定和標準體系的建立。

8 結語

近幾年國內外關于IRT技術的研究越來越多，應用也越來越廣泛。目前國內外學者已經揭示了許多熱像圖特征與對應缺陷之間的關系，為材料尤其是復合材料和新材料的缺陷檢測提供了一種新的高效檢測方法。IRT技術還可以實現金屬材料的應力分析、疲勞壽命的快速預測，同時也帶動了模擬仿真、圖像處理、紅外系統設計技術的進步。

與歐美等發達工業國家相比，目前我國IRT技術領域的儀器開發和工程推廣應用等方面略顯薄弱，在缺陷識別和自動化檢測方面的差距較大，國內還未形成完善的缺陷識別方法。今后應該加大IRT技術的基礎研究和工程應用、設備系統的自主開發，尤其是自動化檢測缺陷的研究以及相關行業應用標準的系統化制定工作，發掘紅外熱成像技術更大的工程應用潛能。