浅谈红外热成像技术在航空无损检测中的应用 .pdfVIP

1.红外热成像技术的概念

随着复合材料越来越多地应用于航空领域,业界需要一种能够大量、快速、

随时随地都可用的无损检测技术。许多检测都需要对这些材料在各种载荷下的变

化状况进行确定。红外热成像在这些方面具有独有的优势。

红外热成像(Thermography无损检测技术是针对被检测构件的材质、结构和

缺陷类型以及特定的检测条件,设计不同特性的热源(如:高能闪光灯、超声波、

电磁、热风等,用计算机控制进行周期、脉冲等函数形式的加热,采用红外热成像

技术对热后被检测材料的时序热波信号进行捕捉和数据采集,使用专用软件进行实

时图像信号处理和分析并最终显示检测结果。早在30年多前随着便携式红外摄像

头面世,红外热成像法的潜力就得到广泛的认可,它可以用于大面积的无接触单面

检测。

2.基本原理

红外热成像系统用一个脉冲闪光灯(Flashlamp向被检测物体表面发射出一个

脉冲光源,这个光源能量很大(可达4.8kJ,可以对构件表面进行主动加热,受热部件

表面受到脉冲热源以后,热波向内部传输,而表面会产生红外辐射(IR。

如果被检测构件内部存在裂纹或其他缺陷,其内部热学性质存在差异,出现热

传导不连续,并反映在构件表面温度的差别上,这样构件表面的局部区域便产生温

度梯度,红外辐射能力发生差异,因此红外辐射就包含了构件内部裂纹缺陷的情况

的信息。随着构件逐渐冷却,借助红外热像仪(IRCamera可以探测被检测构件的辐

射分布,反映到热像图序列就可以推断出内部缺陷的情况,如图1所示。

在航空领域,以美国TWI公司设计制造的系统为例,该系统作为典型的红外热

成像设备,在检测飞机结构内部裂纹方面有较强的能力,配套有专门的方法处理红

外线图像数据,可以探测出诸如金属层剥落、腐蚀或者极细微裂纹的特征。而且体

积更小,重量更轻,更灵敏,可以对大型飞机进行快速无接触检测。

图1

红外热成像系统由以下几样设备组成(图2,探测装置包括热激发系统

(Flashlamp和红外热像仪(IRCamera、计算机及专用软件、图像采集和处理系

统。

图2

3.热激发装置和探测装置(图3

热激发装置有两只脉冲宽度为2ms的氙灯,每个闪光灯最大能量为2.4kJ,其

能量可以根据不同的被检测材料进行调谐,有两只相同规格的大电容,每只有六个

输出端口,包括800J一个,1600J一个,2400J四

个,其能量输出可以分为九个档位,还可以外接220V交流电源随时充电。

ab

图3

探测装置包括红外热像仪和防光扩散遮罩,热像仪可以根据需要选配。防光扩

散遮罩则可以使箱内形成匀光环境。

热激发装置和探测装置结合在一个整体的机匣中,整个机匣重量不大于5kg,

机匣上有手提把手和手提触发装置,方便操作人员手持进行检测。除此以外还可以

装在三脚架或者机械手等装置上进行检测。这套热激发装置和探测装置一次探测

最大尺寸可达27cm×37cm,也就

是大约0.1m2

。

TWI公司开发出的便携式红外热成像系统得到许多航空公司的认可,图4为操

作人员使用热像仪为波音747进行局部区域金属层剥落的检测(图4a以及将热激

发和探测装置安装在三脚架上对EC飞机的螺旋桨进行裂纹检测(图4b。

ab

图4

4.检测过程及计算机进行后期处理

在检测过程中可以得到多幅热像图序列,系统对这些热像图序列进行重组,便

可以得到最终整块被检测构件的热像图(图5。

图5热像图序列进行重组

对于大型结构来说,热成像法检测要分析和处理多重图像序列,是一项费时费

劲的工作。这就需要专门软件为大面积检测提供同步处理方法,所有获得的序列都

要进行同步分析和处理,以节省检测耗时。

热传导是一个扩散过程,犹如在一杯清水中滴入一滴墨水,TWI公司的工程师

们在研究这个过程时想方设法从零乱的信息中提取出定量的数据和定性的图像。

有些时候裂纹损伤信号与环境噪声信号(如热像仪的红外摄像头噪声之间的区别

可能会微乎其微,因此它们的分离工作将会变得相当困难。

研究发现,一般材料表面每个像元受热激发后温度变化遵循方程:

ΔT

(1

式中ΔT表示温度变化,Q表示