基于超聲紅外熱成像的缺陷檢測與定位究

王鵬

摘要：目前，我國的科技發展十分迅速，超聲紅外熱成像以超聲作為激勵源，能夠用于檢測多種工件，但是由于熱傳導效應及空氣的散射，檢測結果中缺陷邊緣較為模糊，成像對比度不高，并且會有溫度分布不均引起的“散斑噪聲”。為解決以上問題，提出了一種對超聲紅外熱成像結果進行缺陷檢測和定位的方法，使用限制對比度自適應直方圖均衡（contrastlimitedadaptivehistogramequalization，簡稱CLAHE）方法對圖像進行對比度增強，用巴特沃斯濾波器進行降噪，根據圖像的局部方差特征判斷是否有缺陷，并通過形態學處理對缺陷中心進行定位。實驗表明，根據局部方差可以對圖像進行有效判斷，經過形態學處理之后能夠準確定位。該研究為通過超聲紅外熱成像實現缺陷檢測及定位提供了一種便捷有效的方法。

關鍵詞：紅外熱成像;圖像處理;缺陷檢測;巴特沃斯濾波器

引言

復合材料具有諸多優點，在航空航天設備上廣泛使用。但在制造過程中，由于環境和人為因素，復合材料的最終制品中存在孔隙、分層等缺陷;在使用過程中，動、靜載荷等原因也會引起基體微裂紋、層間分離等損傷。這些界面貼合型的缺陷和損傷，將嚴重削弱復合材料結構的性能，降低結構的使用可靠性和安全性。因此發展快速、高效的無損檢測技術已成為亟需解決的關鍵技術之一。

1紅外熱成像無損檢測技術現狀闡釋

紅外熱成像無損檢測技術基于熱成像設備發展起來，并且于第二次世界大戰以后，第一代軍用紅外熱像設備成功研發。此后，在國際范圍內，紅外熱成像無損檢測技術的研究不斷深入，特別是光脈沖與超聲激勵紅外熱成像方面獲得了理想的研究成就。也有大部分國家將此領域研究成果應用在檢測飛機復合材料構件內部缺陷方面。而在我國，受到熱像儀發展制約，使得紅外熱波無損檢測技術研究時間不長，最初僅被應用于傳統的被動式紅外熱成像檢測當中，而且非制冷熱像儀與掃描儀仍占據市場主導地位，在溫度分辨率與采集頻率方面都很難與溫場的快速變化需求相適應。隨后，各院校在熱波檢測理論與熱激勵方法等方面加大了研究力度，并在汽車制造與航空航天領域得到了應用。

2超聲紅外熱成像的缺陷檢測與定位究

2.1光脈沖熱成像技術

它是利用高能脈沖閃光燈對被檢物表面進行熱激勵，瞬間在試件表面形成一層平面熱源，并以熱波的形式在其中傳播。如果試件內部有缺陷（脫粘、分層等），會使該處熱波的傳播形式發生改變，從而引起試件表面溫場的變化。同時用熱像儀捕捉這個變化的過程，找到缺陷的位置和形狀。此外，熱圖序列還包含了溫場變化的時間信息，通過相應的數據處理算法，可以實現缺陷屬性識別、缺陷深度定量測量等。該方法是最為經典、成熟的方法，其優點是非接觸、檢測速度快。但該方法也受試件表面紅外發射率、試件幾何形狀以及加熱均勻性的影響。

2.2缺陷識別

常用的缺陷識別方法有神經網絡和支持向量機等，根據大量的樣本，對圖像進行特征采集和識別訓練。鑒于本研究中的樣本較少，筆者采用色彩分量-局部方差作為識別缺陷的特征。經過圖像增強之后，缺陷區域和正常區域區分較為明顯，缺陷區域的色彩分布不均勻，正常區域的色彩分布較為統一。因此，筆者根據此特征，選取局部方差作為區分圖像中有無缺陷的依據。具體方案如下：a.將紅綠藍色彩模式（red，green，blue，簡稱RGB）的圖像的G分量圖像分為3×3共計9部分，子圖像長度或寬度不是整數的向下取整;b.對每個子圖像求灰度值的標準差，記為si，i=1～9;c.求si的極差D，若D>D0，則判斷此圖像中的被測件有缺陷;否則，判斷為正常被測件，其中D0為閾值。在同一實驗環境下采集的熱圖像閾值D0較為接近。

2.3太赫茲激勵紅外熱波技術

對于太赫茲波而言，所指代的就是頻率控制在0.1-10THz之間的電磁輻射。通過對THz波的應用，將其當做熱源實施紅外熱波檢測是全新探索方式，能夠借助返波振蕩器太赫茲源針對試件的表面中展開連續亦或是周期熱激勵，而熱像儀則能夠對試件表面的溫場改變進行探測。現階段，太赫茲功率源受到一定的限制，所以此技術尚處在試驗階段，一般被應用在小范圍熱激勵檢測當中。而此技術的檢測能力，較之于閃光燈脈沖激勵技術仍存在一定的差距。然而，伴隨THz技術的可持續發展，THz發生源明顯改進，被當做熱源紅外熱波技術將實現進一步地發展。

2.4缺陷中心定位

對識別出有缺陷的圖像進行缺陷中心定位。通過形態學處理的閉運算消除缺陷周圍雜點的影響，選取圖像中最大連通域的質量中心作為缺陷中心。經過形態學處理，二值圖像中會有多個大小不等的連通域，缺陷區域和溫度分布不均的區域都會形成連通域。缺陷區域周圍的像素點灰度值較大，會形成面積較大的連通域。因此，筆者選取面積最大的連通域P作為包含缺陷中心的連通域。

2.5鎖相紅外熱成像

鎖相紅外熱成像技術是主動對被檢物施加周期調制的熱激勵（光、超聲等），如被檢測物內部存在缺陷，缺陷部位會產生周期性的熱響應，進而影響試件表面溫場分布。熱像儀采集表面溫場的變化，通過軟、硬件提取特定鎖相頻率下表面熱信號的幅值、相位信息。幅值表征了反射波和入射波的矢量和，相位則表征了反射波和入射波之間的相位差，由此來分析被檢測物中的缺陷信息。光鎖相紅外熱成像一次性檢測面積大，所得的相位圖不易受熱激勵不均勻性、環境反射、材料表面狀況等影響。超聲鎖相熱成像，可以用功率較小（相對于脈沖超聲激勵）的周期性超聲激勵得到較好的檢測結果，一定程度上避免了對試件造成二次損傷。但是不論是光鎖相還是超聲鎖相，檢測時都需要嘗試不同的鎖相調制頻率，頻率太高熱波穿透深度不夠，太低得到熱圖像的信噪比低，且單次實驗周期較長。

結語

（1）利用有限元方法對復合材料表面疲勞裂紋檢測進行數值模擬，結果表明，裂紋面在超聲激勵下發生了接觸、碰撞等運動，且由于裂紋面不光滑，出現相對運動，從而產生摩擦生熱現象;裂紋中部生熱速率大于裂紋尖端處;微小裂紋（≤1mm）可以被檢測出，且裂紋越長，裂紋面越大，則表面溫度場的相對變化就越大，但微小裂紋表面溫度場變化的絕對值較小。（2）通過對玻璃纖維復合材料內部分層損傷的檢測試驗，研究了試件表面溫度場的變化，分析了超聲波激勵源及“駐波”對檢測結果的影響，并對檢測結果進行了定量識別，由于熱的橫向傳導，使得識別值略大于真實值;通過與脈沖熱激勵的對比發現，超聲熱激勵特別適合對復合材料中的裂紋、分層等界面貼合型損傷進行檢測，其效果明顯，且不需要考慮加熱不均勻的問題。（3）通過對不同耦合材料的試驗得出，醫用膠帶能保證激勵過程中，超聲波有效地進入試件，激發損傷處生熱，并消除“駐波”現象。

參考文獻

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