激光红外热波无损检测技术介绍

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1、南京诺威尔光电系统有限公司报告人：江海军激光扫描红外热波成像技术在无损检测中的应用江海军1，陈力1，张淑仪21.南京诺威尔光电系统有限公司；2.南京大学声学研究所激光扫描红外热波成像技术在无损检测中的应用目录激光扫描红外热波成像技术温度场分析5123激光扫描红外热波无损检测技术应用6总结与展望41红外热波无损检测技术发展激光扫描红外热波无损检测技术原理1图1-1：主动红外热波无损检测技术原理图1-2：试件表面温度-时间变化曲线热波传播试件内部高能量脉冲光试件表面脉冲加热有缺陷部分热波被反射表面呈

2、现温差无缺陷热波均匀传播表面温度均匀激光扫描红外热波成像无损检测技术原理13大关键技术热激励技术红外图像采集技术红外图像处理技术图1-3：激光扫描红外热波成像技术示意图技术特点定量测量红外热波成像无损检测技术特点技术优势激光扫描温度场分析2如图2-1所示，假设线状激光束扫描无限大样品中，以速度v向x方向扫描，热源长度方向为y，垂直热源移动平面方向为z，热传导在为x、z两个方向，线型光斑设为δ函数；其中，I-激光器功率，ρ-密度，c-比热容，α-热扩散系数，v-激光扫描速度，l-激光半宽度，L-激

3、光半长度。运用二维傅里叶变换，再利用卷积定律可得表面z=0温度场分布：考虑光斑宽度，则温度场分布为：上式对光源宽度进行积分，化简得到温度场分布为：图2-1：激光扫描二维热传导模型激光扫描无缺陷区域温度场曲线图2-2：试件表面温度曲线-塑料图2-3：试件表面温度曲线-不锈钢图2-4：试件表面温度曲线-铝激光扫描无缺陷区域温度场曲线(a)线性坐标(a)线性坐标(a)线性坐标(b)双对数坐标(b)双对数坐标(b)双对数坐标◆热波信号的快速衰减，无缺陷区域可看为半无限大空间；◆缺陷区域可看成有限厚度区域

4、，对于有限厚热传导分析，通常采用“镜像热源法”；◆“镜像热源法”的核心在于把绝热边界看成一面镜子，介质内某处的温度分布看成真实热源与无限个镜像热源效果的迭加。综合各个热源的作用，对于厚度为d的试件，在试件表面z=0，得到温度分布方程为：式中：I-激光器功率，ρ-密度，c-比热容，α-热扩散系数，v-激光扫描速度，l-激光半宽度，L-激光半长度。激光扫描有缺陷区域温度场分析图2-5：具有两个绝热边界时的镜像热源图2-6：不同厚度不锈钢表面温度时间曲线(a)线性坐标(b)双对数坐标◆不同深度的缺陷，

5、峰值温度相同；◆不同深度的缺陷，与无缺陷区域的分离时刻不同，深度越深，分离时刻越晚，通过提取分离时刻，可以精确测量缺陷深度。图2-7：碳钢试件双对数温度时间曲线(a)理论曲线(b)实验曲线检测应用3图3-1：激光扫描红外热波成像检测设备技术指标计算机处理系统扫描检测单元测试平台延迟校正技术◆现象：采用激光扫描，热激励不是同时刻激励，根据需要，可以采用延迟校正技术；◆试件：碳钢，试件背面有3排平底孔缺陷；◆速度：激光扫描速度为3cm/s;◆目的：使热信号与热激励的延迟一致；线状激光束线状激光束(a

6、)第132帧红外图像(b)第296帧红外图像(c)延迟校正红外图像图3-3：激光扫描碳钢试件表面红外图像图3-2：碳钢试件背面光学图像缺陷尺寸：直径2mm，深度0.35mm缺陷；直径4m，深度0.9mm缺陷；直径6mm，深度1.4mm缺陷。图3-4：有机涂层试件缺陷检测图3-5：特种涂层试件缺陷检测缺陷尺寸：直径2-5mm，深度0.35-1.4mm涂层试件缺陷检测(a)光学图像(b)红外图像(a)光学图像(b)红外图像图3-6：薄膜试件光学图像图3-7：薄膜试件红外图像3002502001501

7、0050单位：μm薄膜厚度检测图3-8：太阳能硅片脱粘缺陷图像(a)光学图像(b)红外图像图3-9：太阳能硅片裂纹缺陷图像(a)光学图像(b)红外图像太阳能硅片缺陷检测总结◆推导出采用线状激光束扫描试件表面温度场分布的2-D理论模型；◆在一定的扫描速度范围内，试件无缺陷区域的表面温度变化基本符合一维热传导模型；◆实验曲线验证了理论模型的正确性；◆展示了激光扫描红外热波成像技术对各种缺陷的检测示例。5◆特点：非接触、面积大、速度快、定量测量、图像显示、在役在线；◆材料：金属、非金属、复合材料；◆类

8、型：可检测脱粘、裂纹、锈蚀、损伤等缺陷；◆领域：航空航天、太阳能、风电、工业控制、交通运输、汽车制造等；◆国内：研究者在理论研究方面做出了很多重要工作，自主研制的少，系统主要依靠进口设备；◆国际：欧美等国家得到了广泛的应用，并且有成熟的产品设备，主流采用大功率闪光灯实现高能量短脉冲热激励；★创新：采用激光异步扫描热波成像技术，解决了高能量短脉冲热激励和高帧频图像采集两大关键技术。