基于鏡面反射的紅外無損檢測技術

眭霄翔，高建民，劉步良，吳文昊，江海軍

(1.中廣核檢測技術有限公司，蘇州 215000；2.南京諾威爾光電系統有限公司，南京 210038)

紅外無損檢測技術隨著熱成像技術的發展而出現，主要過程是利用熱成像儀將物體不可見的紅外輻射信息轉換成可見的熱圖像。由于該技術具有檢測速度快、非接觸、非破壞、檢測面積大、便于在線在役檢測、結果直觀等特點，已廣泛應用于金屬、非金屬、復合材料的缺陷檢測中，已成為超聲、渦流、射線、滲透、磁粉等傳統無損檢測技術的一種補充檢測技術[1]。紅外無損檢測的原理是：根據缺陷處與母材存在熱導率差異的特點，引入外部熱激勵源對待檢工件進行均勻激勵，并利用熱成像儀實時觀察并記錄工件表面的溫度變化，經過圖像處理判斷缺陷的情況[2]。根據上述原理，各單位研發了多種紅外無損檢測設備，以滿足不斷出現的無損檢測需求，取得了較好的應用效果。

考慮到熱激勵設備對熱成像儀的成像干擾，紅外無損檢測設備不會將熱激勵模塊和熱成像模塊高度集成，因此紅外無損檢測設備(系統)體積較大。在實際工程中存在這類應用場景：待檢工件已安裝至某固定系統中，因現場空間有限、系統結構遮擋和檢測設備的固有體積，紅外無損檢測設備無法直接接近待檢工件，導致檢測不可達的情況(見圖1)。

圖1 紅外無損檢測設備無法直接接近待檢工件示意

筆者提出在待檢工件附近設置一個鏡面反射板，要求鏡面反射板對熱激勵(閃光燈、激光等)和紅外輻射具有較高的反射率，使熱激勵模塊發出的激勵傳播路徑經過鏡面板反射可抵達待檢測面，待檢測面對外的熱輻射經過鏡面反射進入熱成像儀視場內，以達到擴大待檢工件可檢測范圍的目的。

1 鏡面反射紅外無損檢測

1.1 檢測原理

在工件的待檢測面附近，設置了合適尺寸的鏡面反射板，并調整鏡面反射板的角度。熱激勵源對外輸出特定形式的激勵，激勵傳輸至鏡面反射板上，以較大的比例發生反射。反射的激勵傳輸至工件待檢測面后被吸收，從而工件待檢表面產生溫度變化，對外表現為紅外輻射的變化。待檢測面對外的紅外輻射傳輸至鏡面反射板后，以較大的比例發生反射，反射的紅外輻射傳輸至熱成像儀視場內，引起熱圖像變化，根據熱圖像的變化情況判斷待檢測面的缺陷情況。上述過程中，熱激勵和紅外輻射在鏡面板處發生的兩次反射均滿足反射定律，即入射路徑和反射路徑關于鏡面法向對稱(見圖2)。

圖2 鏡面反射紅外無損檢測原理示意

1.2 系統組成

基于鏡面反射的紅外無損檢測系統與常用的紅外無損檢測系統相似，由控制處理單元、熱激勵源、熱成像儀等構成。此外，還有用于改變熱激勵和紅外輻射傳輸方向的鏡面反射板。易于實現控制且容易獲得的熱激勵源通常為閃光燈、激光等，其能量形式為可見光能量；待檢表面溫度上升對外表現出變化的紅外輻射，其能量形式為紅外波段的電磁輻射。

要實現對可見光能量的鏡面反射，需使鏡面的粗糙度小于0.8 μm，且采用的材料不宜為深色；要實現對紅外輻射能量的鏡面反射，鏡面的粗糙度與上述可見光的要求相似，采用的材料需對紅外輻射具有較高的反射率，通常銀白色的金屬具備此特點。綜合考慮現有材料對上述兩種能量的反射情況，通常采用拋光處理的不銹鋼板作為鏡面反射板。

1.3 原理推導

由熱傳導理論中一維熱傳導方程可得，工件無缺陷區域表面溫度變化函數和有限厚度d處的表面溫度變化函數分別為

(1)

(2)

式中：C=Q/(ρ·cv)，為施加在工件表面單位面積的熱量與單位體積存儲熱量的比值，Q為施加的總熱量，ρ為工件材料的密度，cv為工件材料的比熱容；a為熱擴散率；d為工件材料厚度；t為激勵后熱擴散的時間[3]。

對于鏡面反射的情況，由于引入了反射鏡，所以整個計算過程增加了兩個反射率，分別是用于可見光波段的反射因子γ1和紅外波段的反射因子γ2。其中，可見光波段反射因子γ1會影響激勵能量的強度和均勻度，紅外波段反射因子γ2會降低接收到的紅外信號強度和增加紅外輻射傳輸過程中的雜散。

那么，鏡面反射公式為

(3)

(4)

從式(3)，(4)可以看出，增加反射鏡后，激勵的總能量會有所下降、紅外圖像的成像質量亦會有所下降，會對檢測結果帶來不利的影響。

2 試驗系統

2.1 試驗試塊

試驗所采用的試塊包括兩個尼龍材料的試塊、一個碳鋼材料的試塊，每個試塊上均制備了一系列不同直徑、不同埋藏深度的平底孔作為人工缺陷[4]，人工缺陷試塊設計示意如圖3所示，尼龍試塊人工缺陷分布如表1所示[表中，以φ10 mm(0.5 mm埋深)為例，φ10 mm為人工缺陷的直徑，0.5 mm為該人工缺陷的埋藏深度，通常埋深越大，缺陷越難以檢測出]。

2.2 鏡面反射紅外無損檢測系統

試驗使用的紅外無損檢測系統采用閃光燈作為熱激勵源，單次釋放能量可調。采用非制冷型熱成像儀，溫度靈敏度為0.05 ℃，分辨率為640×512，熱圖像采集幀頻為50 Hz。采用自主研制的圖像采集處理系統，可對熱圖像序列進行數據圖像處理。采用經拋光處理的不銹鋼薄板作為鏡面反射板，以減少對紅外輻射的吸收而導致的靈敏度降低的情況。

圖3 人工缺陷試塊設計示意

表1 尼龍試塊人工缺陷分布 mm

在實驗室條件下，熱激勵源、熱成像儀、待檢工件、鏡面反射板的相對位置以能在熱成像儀鏡頭內觀察到鏡面反射板中的待檢工件為宜，鏡面反射檢測系統相對位置示意如圖4所示。

圖4 鏡面反射檢測系統相對位置示意

3 試驗結果與分析

3.1 直接檢測

將熱激勵源與熱成像儀互相呈一定角度放置，試驗臺位于熱激勵源能量輸出方向與熱成像儀視場匯聚處，將3個試塊依次置于試驗臺，進行紅外無損檢測試驗。試驗過程中，熱激勵傳輸至試塊表面，引起試塊人工缺陷處的表面溫度異常，熱成像儀直接觀察和記錄該異常，經數據處理后可判斷缺陷情況。

3.2 間接(鏡面反射)檢測

將熱激勵源、熱成像儀、試驗臺呈一定角度放置，且均在鏡面反射板同側，其中熱激勵源能量輸出方向與熱成像觀察視角方向近似平行，擺放試塊的試驗臺經鏡面反射板的反射，出現在熱成像儀視場內。將3個試塊依次置于試驗臺，進行紅外無損檢測試驗。試驗過程中：熱激勵經鏡面反射板的作用傳輸至試塊表面；紅外輻射經鏡面反射板的作用，傳輸至熱成像儀視場內，經數據處理后可判斷缺陷情況。

3.3 試驗結果

3.3.1 尼龍試塊1的檢測結果

圖5 尼龍試塊1的紅外無損檢測結果

分別對尼龍試塊1進行直接檢測和間接檢測，試驗結果如圖5所示。從試驗結果可知：直接檢測可觀察到最小的人工缺陷為φ5 mm(2.5 mm埋深)和φ3 mm(2.5 mm埋深)；間接檢測可觀察到最小的人工缺陷為φ5 mm(2.0 mm埋深)和φ3 mm(1.5 mm埋深)。

3.3.2 尼龍試塊2的檢測結果

分別對尼龍試塊2進行直接檢測和間接檢測，試驗結果如圖6所示。從試驗結果可知：直接檢測可觀察到最小的人工缺陷為φ3 mm(1.5 mm埋深)和φ2 mm(1.5 mm埋深)；間接檢測可觀察到最小的人工缺陷為φ3 mm(1.0 mm埋深)和φ2 mm(0.75 mm埋深)。

圖6 尼龍試塊2的紅外無損檢測結果

3.3.3 碳鋼試塊的檢測結果

分別對碳鋼試塊進行直接檢測和間接檢測，試驗結果如圖7所示。從試驗結果可知：直接檢測可觀察到最小的人工缺陷為φ3 mm(2.0 mm埋深)和φ5 mm(2.0 mm埋深)；間接檢測可觀察到最小的人工缺陷為φ5 mm(2.0 mm埋深)和φ5 mm(1.0 mm埋深)。

圖7 碳鋼試塊的紅外無損檢測結果

3.4 試驗結果分析

根據現有試驗結果進行對比分析，結合試驗過程和試驗條件，做出如下分析判斷。

對3組對比試驗的熱圖像進行觀察，可發現間接檢測呈現的熱圖像的人工缺陷分布規律與直接檢測結果呈鏡像關系。產生該現象的原因是，間接檢測中呈現的人工缺陷熱圖像是經過鏡面反射后獲得的，與真實人工缺陷呈鏡像分布。在真實的應用場景中，采用間接檢測方法獲得的熱圖像，需使用圖像處理軟件進行翻轉，才可獲得與真實缺陷分布情況一致的結果。

根據3組人工缺陷試塊的試驗結果進行對比分析，可發現直接檢測的靈敏度優于間接檢測的。直觀地看：針對同一試塊中相同直徑的人工缺陷，直接檢測可發現埋藏深度更大的人工缺陷；針對相同埋藏深度的人工缺陷，直接檢測可發現直徑更小的人工缺陷。從數據上分析，對3組試驗中發現的最小人工缺陷進行尺寸歸納，分別對應的寬深比如表2所示。寬深比的定義為缺陷直徑與缺陷埋藏深度的比值，通常情況下寬深比越大，該缺陷越容易被檢測出。從表2可知，間接檢測最小可檢缺陷對應的寬深比普遍大于同一試塊中直接檢測對應的寬深比，即意味著間接檢測方法中最小可檢缺陷本身(從缺陷性質上考慮)更易于檢出。表2的數據可以為直接檢測的靈敏度優于間接檢測靈敏度的結論提供一定參考。

表2 三種試塊最小可檢缺陷的寬深比

不管采用直接檢測或間接檢測方法，缺陷尺寸和位置均對檢測靈敏度有著重要的影響。缺陷尺寸和位置主要包括缺陷埋深、缺陷直徑、缺陷厚度等。隨著缺陷埋深的增大，缺陷的表面溫差減小，檢測靈敏度減小。缺陷直徑或缺陷厚度增大時，缺陷的表面溫差增大，相應地檢測靈敏度也增大。但缺陷埋深、缺陷直徑、缺陷厚度3個因素對檢測靈敏度的影響程度遞減[5]。現對兩種檢測方法靈敏度差異的原因進行分析。同一組試驗過程中，熱激勵源的輸出能量、熱成像儀采集幀頻等均保持一致。直接檢測和間接檢測的主要差異是鏡面反射板上發生的兩次反射所導致的熱激勵能量損失和紅外輻射損失。此外，兩種檢測方法的熱激勵源的輸出能量均呈一定角度地向空間發散。直接檢測中待檢工件距離熱激勵源較近，收到的熱激勵能量較集中；間接檢測中待檢工件因為經過鏡面反射，熱激勵能量傳輸的路徑較遠，收到的熱激勵能量較小，也是導致檢測靈敏度低于直接檢測的原因。在未有外部熱激勵加載時，待檢工件的缺陷和母材處于熱平衡，當熱激勵能量施加到待檢工件表面時，缺陷與母材處產生溫度差，并由熱成像儀觀察到該溫度差，經過分析判斷確認缺陷。如待檢工件材料熱擴散系數較低(例如尼龍等)，隨著熱激勵的持續施加，缺陷與母材處的溫度差也持續增加，熱成像儀將更加容易觀察到缺陷。如待檢工件熱擴散系數較高(例如金屬等)，總體溫度更易于趨于一致，由熱激勵的持續施加導致的待檢工件溫度整體上升，較之缺陷與母材處的溫度差的增加，將更為明顯。因此熱擴散系數較高的材料不適合使用低功率的熱激勵方式，通常采用瞬時高能量的熱激勵(如閃光燈等)。

4 結語

(1) 基于鏡面反射的紅外無損檢測技術可在常規的紅外無損檢測方法不可達時，用于擴大檢測范圍，提高檢測的可達比例。

(2) 基于鏡面反射的紅外無損檢測技術受熱激勵能量、熱激勵種類、待檢工件類型、潛在缺陷尺寸和位置、鏡面反射率等因素的影響，檢測靈敏度略低于常規的紅外無損檢測技術的。

(3) 提高熱成像儀的硬件參數，改善熱激勵種類與待檢工件材料的匹配，增強熱激勵指向待檢工件能量傳輸的方向性，選擇高反射率的鏡面，減少鏡面反射次數(例如將熱激勵直接傳輸至待檢工件，鏡面反射過程僅發生在熱成像儀觀察階段)，優化熱圖像處理軟件的算法，通過這些改進措施，可以一定程度上提高基于鏡面反射的紅外無損檢測靈敏度，獲得不低于常規紅外無損檢測的能力。

為獲得充分的論據，對當前的試驗提出如下改進方向。

(1) 制備多組不同材料的試塊，設置的人工缺陷包含不同的類型、尺寸、位置。

(2) 提高熱成像儀的分辨率，采用制冷型熱成像儀提高試驗效果，完善試驗數據。

(3) 分別采用不同種類的熱激勵源，可對熱激勵能量、功率、傳輸方向、傳輸介質等做出選擇，如針對熱擴散系數高的材料，可采用單次能量高的激勵方式(閃光燈、激光等)。針對熱擴散系數低的材料，可采用累積時間較長的激勵方式(鹵素燈、熱風等)。

(4) 根據熱波衰減的特性，考慮減少試驗過程中熱激勵損失的方法，如在熱激勵輸出過程中限制其傳輸方向，調整鏡面反射角度，使大多數能量傳輸均朝著特定的方向[6]；或在檢測過程中減少能量反射次數，如熱激勵源可達性好，可直接將熱激勵施加至待檢工件上，鏡面反射只在紅外輻射從工件表面到熱成像儀的過程中發生。

(5) 考慮熱波衰減的特性，鏡面反射率、鏡面反射角度對檢測靈敏度的影響，探究熱圖像對比度下降與上述因素的量化關系。