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1、第17卷第6期红外与毫米波学报Vol.17,No.61998年12月J.InfraredMillim.WavesDecember,19983X利用红外热成像技术检测金属内部近表缺陷薛书文宗明成丁铁英汤慧君(北方交通大学物理系,北京,100044)摘要介绍了利用脉冲式加热红外热成像无损检测技术定量检测金属内部近表缺陷大小及深度的方法,并给出了实验结果及分析.关键词红外热成像,无损检测,金属.引言红外热成像无损检测技术是一门新兴的学科,它因具有无损、非接触、快速实时、大面[1,3]积、远距离检测等优点而迅速发展.
2、金属材料探伤是无损检测工作的重要内容之一,所以探讨金属试件内部缺陷的红外无损检测方法有着重要的意义.本文介绍利用脉冲加热红外热成像无损检测技术对金属材料进行探伤的结果.实验结果表明,该技术可以对金属材料进行定量化、非接触、快速无损探伤.不但可以定量测定金属材料内部缺陷的大小和方位,而且可以定量测量内部缺陷的大小及深度.文中介绍了利用脉冲加热红外热成像技术定量化测量金属材料内部缺陷大小和深度的方法,并给出了部分实验结果.1实验系统[2]图1是我们自行研制的脉冲加热红外热成像无损检测系统,该系统主要由脉冲热源,红
3、外热像仪和专用软件三部分组成.脉冲热源用于瞬时加热被测试件,在试件中造成热传导过程由两个大功率氙灯提供的热脉冲功率值在兆瓦以上.红外热像仪用于记录热脉冲作用图1实验系统方框图Fig.1BlockdiagramofexperimentalsystemX国家自然科学基金(编号59575077)资助项目稿件收到日期1997210213,修改稿收到日期19982042216期薛书文等:利用红外热成像技术检测金属内部近表缺陷425后试过程,件表面的温度场变化过程,主要技术指标为,视场角为7°×7°;工作距离为0.4m～
4、∞;测温范围为室温～1500°C;空间分辨率为1.2mrad;温度分辨率为0.1°C;工作波段为8～12Lm(HgCdTe探测器);图像(64×64像素)采集速度为每秒25帧.专用软件用于处理接受到的红外热图像,从而差别被测试件的内部缺陷,并定量测量缺陷的大小和深度.我们以钢试件为例进行实验研究.2实验研究2.1试件实验中采用的试件是厚金属平板,平板中的缺陷是人工制作的平底圆孔.试件有A、B两种型号(见图2和图3),A型中缺陷直径D均为10mm,缺陷距表面的深度l由大到小分别为1.8mm、1.3mm、1.1m
5、m、0.8mm.B型中缺陷距表面的深度l均为1.1mm,缺陷直径D分别为10mm、8mm、6mm.图2A型试件示意图图3B型试件示意图Fig.2Schematicdiagramoftest2pieceAFig.3Schematicdiagramoftest2pieceB2.2缺陷大小的测量检测中获得的红外热图像为定量分析缺陷大小及深度提供了丰富的信息.图4是对试件进行脉冲加热后记录下来的红外热图像时间序列.从中可以看到缺陷图像随时间的延长逐渐变弱变模糊.由于热的横行扩散作用,使缺陷边缘变得模糊不清,所以红外热
6、像不能直接反映缺陷的真实大小.我们在大量实验的基础上探索出一种有效测量材料内部缺陷大小的方法.缺陷的每幅红外热成像反映了缺陷对应表面的温度场分布.图5是沿缺陷热像直径的温度分布曲线,横向代表像素,纵轴代表缺陷对应表面的相对温度(即相对无缺陷部位对应表面温度的差值),$Tm是极大值,在实验中我们发现缺陷的边缘部位落在第n1和n2的像素点,也就是说$n($n=n2-n1)个像素才代表缺陷的真实大小,同时还发现n1、n2点对应的$T的值非常接近$Tmöe.假设每个像素代表的实际大小为L,缺陷的大小可按下式计算:D=
7、$nõL=(n2-n1)õL(1)图6和图7是利用该方法得到的A、B型试件缺陷直径测量值D随时间t的变化曲线.由图6(●:D=10mm,l=1.1mm;□:D=8mm,l=1.1mm;△:D=6mm,l=1.1mm)可见:(1)随缺陷直径减小,测量值随时间的波动幅度减小,在D=6mm时趋于水平;(2)随[4]缺陷直径减小,测量值的误差与非金属材料相比较小.当D=6mm时,测量值与实际值基本吻合.但是我们在实验中发现,当缺陷较小时,红外热图像的对比度比较低,而且持续时间也很短,这是不利的一面.对大缺陷来说,虽然
8、红外热图像的对比度较高,但测量值随时间波红外与毫米波学报17卷426动幅度较大,只有在一定时间范围内测量误差较小.图4缺陷的红外热成像时间序列图5缺陷横向热分布曲线Fig.4TimesequenceofthermalFig.5Temperaturedistributionthroughimagesofdefectsthecenterofthedefect图6缺陷深度相同大小不同的D2t图图7缺陷大小
