超聲紅外熱成像技術(shù)原理與系統(tǒng)組成

超聲紅外熱成像技術(shù)具有選擇性加熱、可檢測(cè)復(fù)雜工件裂紋缺陷的優(yōu)點(diǎn)，是一種具有很大研究?jī)r(jià)值的無損檢測(cè)方法。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，南京諾威爾光電系統(tǒng)有限公司和上海復(fù)合材料科技有限公司的科研團(tuán)隊(duì)在《紅外技術(shù)》期刊上發(fā)表了以“超聲紅外熱成像技術(shù)國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀與進(jìn)展”為主題的文章。該文章第一作者和通訊作者為江海軍，主要從事紅外無損檢測(cè)技術(shù)及圖像處理方面的研究工作。

本文介紹了超聲紅外熱成像技術(shù)原理與系統(tǒng)組成，并對(duì)國(guó)內(nèi)的發(fā)展歷程、發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了回顧和總結(jié)。重點(diǎn)針對(duì)仿真研究、復(fù)合材料損傷、疲勞裂紋、金屬構(gòu)件裂紋、混凝土零件裂紋應(yīng)用領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了詳細(xì)論述，最后展望了超聲紅外熱成像技術(shù)的未來發(fā)展趨勢(shì)。

超聲激勵(lì)系統(tǒng)裝置

超聲紅外熱成像系統(tǒng)一般包括超聲激勵(lì)源、紅外圖像采集系統(tǒng)、紅外圖像處理系統(tǒng)；超聲激勵(lì)源包括超聲電源、超聲換能器、超聲槍，紅外采集系統(tǒng)主要使用紅外熱像儀采集紅外圖像，超聲紅外熱成像系統(tǒng)原理如圖1所示。紅外圖像采集和超聲激勵(lì)之間需要同步，當(dāng)超聲槍頭能量注入到試件表面時(shí)，紅外熱像儀開始采集圖像，采集紅外圖像包括缺陷升溫過程和降溫過程。

圖1 超聲紅外熱成像技術(shù)原理

超聲紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)最早由美國(guó)弗吉尼亞大學(xué)于1979年開始研究，2000年，美國(guó)韋恩州立大學(xué)的Lawrence Dale Favro等人首先使用超聲波焊接發(fā)生器作為超聲激發(fā)源進(jìn)行金屬疲勞裂紋檢測(cè)。2003年，南京大學(xué)張淑儀等采用超聲紅外熱成像技術(shù)對(duì)鋁合金板疲勞裂紋進(jìn)行了檢測(cè)研究。

近年來，國(guó)內(nèi)有很多團(tuán)隊(duì)對(duì)超聲紅外熱成像技術(shù)進(jìn)行研究，研究重點(diǎn)包括理論仿真、金屬裂紋檢測(cè)、疲勞裂紋檢測(cè)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片裂紋檢測(cè)、復(fù)合材料沖擊損傷。北京航空航天大學(xué)研究人員主要研究復(fù)合材料脫粘/沖擊缺陷；哈爾濱工業(yè)大學(xué)研究人員主要研究金屬表面裂紋以及超聲鎖相紅外熱成像技術(shù)；陸軍裝甲兵學(xué)院研究人員主要研究仿真、超聲激勵(lì)參數(shù)（預(yù)緊力，夾具，激勵(lì)方式，激勵(lì)位置）對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，并將該技術(shù)引入到裝甲設(shè)備缺陷檢測(cè)；湖南大學(xué)研究人員主要對(duì)復(fù)合材料平底孔缺陷以及沖擊損傷缺陷進(jìn)行研究；火箭軍工程大學(xué)主要研究合金鋼裂紋缺陷、復(fù)雜型面裂紋缺陷、復(fù)合材料沖擊損傷；福州大學(xué)研究人員主要研究超聲激勵(lì)參數(shù)（不同方向、頻率、幅值）對(duì)金屬焊縫裂紋缺陷的影響。

西南交通大學(xué)研究人員主要研究超聲激勵(lì)對(duì)混凝土板裂紋的檢測(cè)；南京水利科學(xué)研究院研究人員主要研究激發(fā)頻率、功率、預(yù)緊力、聲波吸收能力對(duì)混凝土裂紋檢測(cè)的影響；中國(guó)南方航空工業(yè)有限公司和南京諾威爾光電系統(tǒng)有限公司研究人員主要研究航空發(fā)動(dòng)機(jī)噴涂前和噴涂后葉片裂紋檢測(cè)；武漢理工大學(xué)研究人員主要研究復(fù)合材料的螺栓連接件裂紋缺陷和分層缺陷的檢測(cè)。超聲紅外熱成像系統(tǒng)的核心是預(yù)緊力單元和夾具單元，預(yù)緊力單元一般靠機(jī)械彈簧或者氣動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生預(yù)緊力；夾具單元需要根據(jù)檢測(cè)試件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，夾具單元采用醫(yī)用膠帶或者剛性耦合方式把超聲耦合進(jìn)試件中，從而會(huì)使得各研究機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)裝置有所差異，圖2展示了部分研究機(jī)構(gòu)的超聲紅外熱成像系統(tǒng)裝置。

圖2 超聲紅外熱成像系統(tǒng)裝置

主要應(yīng)用領(lǐng)域

仿真研究

金國(guó)鋒對(duì)不同曲率復(fù)合材料裂紋缺陷進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明構(gòu)件曲率越大，溫升階段斜率越大，缺陷信號(hào)越容易被激化。田干等用數(shù)值仿真方式研究了多模式超聲激勵(lì)形態(tài)，仿真結(jié)果表明多模式激勵(lì)方法對(duì)于消除駐波非常有效，同時(shí)產(chǎn)生更為豐富的次諧波和高次諧波，可有效提高超聲激勵(lì)紅外熱成像技術(shù)的檢測(cè)能力。徐歡等采用ANSYS和ABAOUS仿真軟件對(duì)裂紋進(jìn)行三維仿真，結(jié)合模態(tài)和諧響應(yīng)分析手段，可以獲取裂紋試件固有頻率，對(duì)超聲激勵(lì)頻率和裂紋生熱提供了相關(guān)理論依據(jù)。郭怡等對(duì)寬度為10 μm鈦合金裂紋進(jìn)行了檢測(cè)，并采用ANSYS模擬數(shù)值分析，與試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本一致。蔣雅君采用ANSYS對(duì)混凝土板裂紋進(jìn)行仿真，為混凝土裂紋檢測(cè)提供了理論依據(jù)。

復(fù)合材料損傷

復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、高比剛度、耐腐蝕、耐老化、耐熱性的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在航空航天、新能源、建筑、汽車、體育等領(lǐng)域。復(fù)合材料在低速?zèng)_擊下，承載能力弱、抗沖擊性能差，容易出現(xiàn)基體開裂、分層、斷裂等。J. Rantala、G. Busse等最早采用超聲紅外熱成像技術(shù)檢測(cè)復(fù)合材料內(nèi)部缺陷。田干等采用超聲紅外熱成像技術(shù)對(duì)航空復(fù)合材料進(jìn)行數(shù)值仿真研究，建立含裂紋缺陷復(fù)合材料的有限元模型。金國(guó)鋒、張煒等通過數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)研究了超聲紅外熱成像技術(shù)對(duì)復(fù)合材料沖擊損傷檢測(cè)的適用性；吳昊等對(duì)復(fù)合材料螺栓連接件損傷檢測(cè)，分析了螺栓預(yù)緊力對(duì)螺栓孔損傷生熱特性的影響。

李胤等研究了復(fù)合材料在不同沖擊能量（24 J和29 J）的沖擊損傷情況，檢測(cè)結(jié)果與C掃進(jìn)行對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明超聲紅外熱成像技術(shù)具有檢測(cè)速度快、檢測(cè)精度高、結(jié)果直觀的優(yōu)點(diǎn)。楊正偉等研究復(fù)合材料在不同沖擊能量（15 J和30 J）沖擊下，復(fù)合材料分層損傷情況，檢測(cè)結(jié)果與超聲C掃進(jìn)行對(duì)比，試驗(yàn)結(jié)果表明超聲C掃損傷檢測(cè)誤差在30%，超聲紅外熱成像損傷檢測(cè)誤差在5%。圖3為作者采用超聲紅外熱成像系統(tǒng)在不同低速?zèng)_擊能量（10~50 J）下，復(fù)合材料沖擊損傷檢測(cè)圖像，從圖中可以看出沖擊能量越大，損傷區(qū)域面積越大，且對(duì)于編織型復(fù)合材料，損傷裂紋具有延展性。

圖3 不同沖擊能量試件檢測(cè)圖像

疲勞裂紋

閔慶旭等驗(yàn)證了超聲紅外熱成像技術(shù)可用于金屬疲勞裂紋的檢測(cè)；高治峰等對(duì)航空航天7075鋁合金疲勞裂紋進(jìn)行檢測(cè)，模擬和試驗(yàn)研究了激勵(lì)參數(shù)和生熱關(guān)系，并研究了檢測(cè)參數(shù)對(duì)檢測(cè)效果的影響；激勵(lì)源距離裂紋15 mm時(shí)，檢測(cè)效果最佳，側(cè)面激勵(lì)和正面激勵(lì)都可以檢測(cè)出7075鋁合金疲勞裂紋，但側(cè)面激勵(lì)效果好于正面激勵(lì)。郭偉等對(duì)噴涂層下基體疲勞裂紋進(jìn)行檢測(cè)研究，涂層厚度為300~400 μm，該方式可用于拉-拉疲勞載荷的二次拉伸制備的疲勞裂紋。韓夢(mèng)等模擬裂紋開口寬度（5~30 μm）對(duì)激勵(lì)后最高溫度影響，開口寬度增加導(dǎo)致裂紋面接觸降低和摩擦作用的減弱，導(dǎo)致開口寬度越大，最高溫度反而越低，最后通過試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，如圖4所示制作的寬度為20 μm疲勞裂紋以及檢測(cè)結(jié)果。

圖4 金屬疲勞裂紋檢測(cè)

金屬構(gòu)件裂紋

金屬構(gòu)件，特別是異形結(jié)構(gòu)的金屬構(gòu)件，其內(nèi)部或者表面裂紋缺陷采用光激勵(lì)紅外熱成像技術(shù)檢測(cè)都難以實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。Guo等檢測(cè)重型鋁制飛機(jī)結(jié)構(gòu)裂紋，發(fā)現(xiàn)該技術(shù)對(duì)閉合裂紋的探測(cè)效果良好。李贊等對(duì)金屬構(gòu)件裂紋發(fā)熱情況開展研究，研究表明當(dāng)激勵(lì)于最佳位置時(shí)，裂紋發(fā)熱最高。江濤等對(duì)汽車輪轂裂紋進(jìn)行了檢測(cè)，同時(shí)采用磁粉檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行對(duì)比研究，對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)超聲紅外熱成像技術(shù)可以更好檢測(cè)出輪轂內(nèi)部裂紋以及看出裂紋延伸方向。敬甫盛等對(duì)35 kg重量的鐵路機(jī)車鉤舌進(jìn)行裂紋檢測(cè)，檢測(cè)出中部L型裂紋和角端裂紋。

馮輔周等對(duì)裝甲車底板裂紋展開研究，表明該技術(shù)能夠在3.5 s內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)裝甲車底板裂紋快速檢測(cè)。作者采用超聲紅外熱成像系統(tǒng)對(duì)8 kg鍛鋼塊進(jìn)行裂紋檢測(cè)，裂紋位于試件端面，如圖5所示，圖5(a)為試件整體外觀，圖5(b)為試件端面圖像，可以看出有一條無分叉的裂紋；檢測(cè)結(jié)果如圖6所示，展示了激勵(lì)前后檢測(cè)到圖像的變化，對(duì)比激勵(lì)前后圖像可知，有一條裂紋信息，并且裂紋分叉了，存在一條隱裂紋，圖6(c)中圈出部分，表明該技術(shù)可以探測(cè)到人眼看不見的裂紋信息。

圖5 鍛鋼塊試件

圖6 鍛鋼塊試件檢測(cè)結(jié)果

航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片裂紋

航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片在交變拉應(yīng)力、熱腐蝕、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力、高速?zèng)_擊等復(fù)雜載荷的作用下，葉片容易生成裂紋。服役過程中，葉片裂紋在大應(yīng)力作用下，小裂紋會(huì)擴(kuò)展為大裂紋從而危害飛行安全。航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片復(fù)雜，傳統(tǒng)無損檢測(cè)在復(fù)雜葉片時(shí)有各自的局限。借助超聲紅外熱成像對(duì)試件形狀不敏感的特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛開展了研究工作。Bolu等采用超聲紅外熱成像技術(shù)對(duì)60個(gè)渦輪葉片進(jìn)行檢測(cè)，評(píng)估該技術(shù)對(duì)葉片裂紋檢測(cè)的可靠性?？芄饨艿炔捎肁NSYS仿真模擬了合金鋼葉片裂紋生熱過程，采用激光切割預(yù)制裂紋進(jìn)行檢測(cè)，并分析了預(yù)緊力對(duì)檢測(cè)效果的影響。蘇清風(fēng)對(duì)導(dǎo)向葉片和工作葉片服役過程中產(chǎn)生的裂紋進(jìn)行檢測(cè)，并測(cè)試預(yù)緊力對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。

習(xí)小文等對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作葉片進(jìn)行研究，同時(shí)采用滲透檢測(cè)進(jìn)行比對(duì)，試驗(yàn)結(jié)果表明超聲激勵(lì)紅外熱成像可以檢測(cè)出裂紋寬度為0.5 μm的裂紋信息，滲透檢測(cè)無法檢出，表明該技術(shù)對(duì)微小裂紋檢測(cè)有優(yōu)勢(shì)。袁雅妮等針對(duì)2塊無涂覆層和3塊帶涂覆層空腔葉片進(jìn)行檢測(cè)，并用熒光檢測(cè)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)熒光檢測(cè)對(duì)于涂覆層空腔葉片容易出現(xiàn)漏檢，表明超聲紅外熱成像技術(shù)對(duì)受到葉片結(jié)構(gòu)及涂覆層影響更小，能夠檢測(cè)含涂覆層空腔葉片裂紋。圖 7為作者采用超聲紅外熱成像系統(tǒng)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作葉片進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)采用滲透檢測(cè)進(jìn)行對(duì)比，圖7(a)為工作葉片光學(xué)圖像，圖7(c)為超聲紅外熱成像檢測(cè)結(jié)果，可以看到葉片中部有一個(gè)裂紋，圖7(b)為滲透檢測(cè)結(jié)果，除了葉片中部裂紋，在葉片四周由于清洗滲透劑不干凈，導(dǎo)致葉片邊緣也會(huì)出現(xiàn)零星亮點(diǎn)區(qū)域。

圖7 工作葉片裂紋檢測(cè)

混凝土零件裂紋

混凝土結(jié)構(gòu)常見的缺陷是混凝土裂紋，裂紋嚴(yán)重削弱了混凝土結(jié)構(gòu)的承載水平，加速了結(jié)構(gòu)的老化程度，并嚴(yán)重影響了結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性。裂紋很難避免。一般來說，這項(xiàng)工作的主要目的是檢測(cè)和處理裂紋。謝春霞等基于紅外熱像檢測(cè)方法推導(dǎo)出了混凝土缺陷深度的定量計(jì)算公式；胡振華等以混凝土結(jié)構(gòu)缺陷為檢測(cè)目標(biāo)，采用超聲紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行了檢測(cè)分析，證明了超聲紅外熱成像缺陷檢測(cè)技術(shù)對(duì)混凝土試件中肉眼不能發(fā)現(xiàn)的微小裂紋或隱裂紋的檢測(cè)能力。

Jia Yu等使用振動(dòng)熱成像技術(shù)檢測(cè)混凝土零件中的裂縫，開發(fā)了聲激勵(lì)設(shè)備（聲波和超聲以及低功率和高功率激發(fā)設(shè)備），并研究了激發(fā)頻率，功率和預(yù)緊力對(duì)聲吸收能力的影響。Jia Yu等預(yù)制了充滿標(biāo)準(zhǔn)微裂紋的預(yù)裂混凝土標(biāo)本，以量化裂紋的可檢測(cè)性，結(jié)果表明，超聲激發(fā)熱成像可以有效地檢測(cè)出寬度為0.01~0.09 mm的混凝土裂縫。任榮采用ANSYS仿真研究V形裂縫混凝土板裂紋生熱機(jī)理，并對(duì)激勵(lì)位置、激勵(lì)時(shí)間、激勵(lì)頻率等影響因素進(jìn)行了模擬分析，圖8所示為混凝土裂紋檢測(cè)圖像，圈出部分為裂紋區(qū)域。

圖8 混凝土裂紋檢測(cè)

發(fā)展趨勢(shì)

超聲紅外熱成像技術(shù)在金屬材料中可識(shí)別0.5 μm寬度的裂紋，在復(fù)合材料中可識(shí)別1.0 μm的裂紋，在混凝土材料中可識(shí)別10 μm量級(jí)的裂紋。超聲紅外熱成像技術(shù)具有選擇性加熱的特點(diǎn)，僅對(duì)裂紋區(qū)域加熱，正常區(qū)域不加熱，可檢測(cè)復(fù)雜結(jié)構(gòu)試件，非常適合于金屬裂紋、混凝土裂紋、航空航天葉片裂紋、復(fù)合材料損傷等材料的檢測(cè)。超聲激勵(lì)方式與光激勵(lì)方式不同，光激勵(lì)方式系統(tǒng)比較統(tǒng)一；超聲激勵(lì)方式由于試件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時(shí)需要夾具固定試件并對(duì)激勵(lì)頭施加預(yù)緊力，例如金屬疲勞裂紋夾具、航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作葉片夾具、航空發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)向葉片夾具都不同，需要根據(jù)試件制作各自合適的夾具，系統(tǒng)比較復(fù)雜與多樣，但如果針對(duì)同一類型的試件，可以制作統(tǒng)一的夾具、形成標(biāo)準(zhǔn)化的檢測(cè)流程，因此超聲紅外熱成像技術(shù)具有廣闊發(fā)展前景，未來的研究重點(diǎn)包括以下3個(gè)方向：

1）激勵(lì)裝置的優(yōu)化。激勵(lì)裝置需要具備夾具單元和預(yù)緊力單元，夾具單元需要根據(jù)檢測(cè)試件單獨(dú)設(shè)計(jì)，預(yù)緊力單元有機(jī)械結(jié)構(gòu)和氣動(dòng)結(jié)構(gòu)。機(jī)械結(jié)構(gòu)體積小、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但施加/釋放預(yù)緊力需要手動(dòng)旋轉(zhuǎn)手柄；氣動(dòng)結(jié)構(gòu)體積大、設(shè)計(jì)復(fù)雜，但可設(shè)計(jì)為自動(dòng)施加預(yù)緊力和釋放預(yù)緊力，從而可以實(shí)現(xiàn)集超聲激勵(lì)、自動(dòng)裝配、紅外圖像采集、紅外圖像處理一體化集成的超聲紅外熱成像系統(tǒng)，以便適用于工業(yè)領(lǐng)域裂紋檢測(cè)。

2）檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)化。超聲激勵(lì)與光激勵(lì)具有很大不同，超聲激勵(lì)與檢測(cè)人員經(jīng)驗(yàn)有關(guān)，超聲激勵(lì)位置、超聲激勵(lì)時(shí)間、超聲耦合效率都會(huì)影響檢測(cè)結(jié)果。因此針對(duì)該技術(shù)形成統(tǒng)一檢測(cè)規(guī)范和技術(shù)，可以加速該技術(shù)工程實(shí)踐應(yīng)用。

3）缺陷檢測(cè)自動(dòng)化識(shí)別。超聲紅外熱成像需要采集數(shù)百幀序列圖像，從采集數(shù)百幀序列圖像中識(shí)別出缺陷信息，相比于自動(dòng)視覺檢測(cè)，該方式需要人工判斷、準(zhǔn)確度依賴于檢測(cè)人員主動(dòng)判斷，容易導(dǎo)致缺陷識(shí)別出現(xiàn)誤檢、漏檢等情況。隨著人工智能深度學(xué)習(xí)的興起，深度學(xué)習(xí)模型具有圖像特征信息感知能力，在大量數(shù)據(jù)訓(xùn)練的基礎(chǔ)上，更容易實(shí)現(xiàn)缺陷的自動(dòng)檢測(cè)。

結(jié)語與展望

超聲紅外熱成像技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，在生熱特性、仿真研究、缺陷可檢測(cè)性和檢測(cè)材料應(yīng)用領(lǐng)域取得了突出進(jìn)展，但是在工業(yè)應(yīng)用方面落后于光激勵(lì)紅外熱成像技術(shù)；閃光燈紅外熱成像技術(shù)已形成國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用在飛機(jī)復(fù)合材料膠接質(zhì)量、航天飛機(jī)耐熱保護(hù)層脫粘檢測(cè)、熱障涂層缺陷檢測(cè)等，并且有成熟的工業(yè)檢測(cè)設(shè)備。目前超聲紅外熱成像技術(shù)還基本處于實(shí)驗(yàn)室階段，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)特別是航空航天對(duì)裂紋檢測(cè)需求的提高，超聲紅外熱成像技術(shù)也會(huì)從實(shí)驗(yàn)室逐步進(jìn)入到工業(yè)、航天航天應(yīng)用領(lǐng)域。

編輯：黃飛

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