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红外检测技术国内外研究现状

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红外检测技术国内外研究现状

发布日期:2020-04-23 作者:青岛发现检验技术咨询有限公司 点击:


目前,超声射线、涡流、磁粉渗透等常规的无损检测方法已在相关行业得到了成熟的应用,但上述方法多用于已形成的宏观缺陷的检测,红外检测(Infrared testing, IRT)技术作为一种新的检测方法,通过提取被检测物体的红外特征参数,可实现设备故障的实时监测以及应力集中和疲劳寿命的快速检测。通过检测此类“危险源”,可以确定构件、设备的服役情况,从而为重要部件的后期寿命和安全评价提供参考和依据。


与常规的无损检测方法比较,红外无损检测还有以下优势:

① 无需接触测量

② 测量范围大(可达0.1m2)

③ 测量距离远(20cm~20m)

④ 成像直观、快速

IRT技术目前在航空航天、电力、建筑等工业领域有着广泛应用。


1、IRT检测原理

红外检测技术主要基于红外辐射(红外线)的理论,即任何高于绝对零度的物质都会连续地向周围辐射红外线,红外线是一种带能量的电磁波,其波长为0.75~1000μm,频率为3×1011~4×1014Hz。红外辐射与物体本身的温度满足一定的函数关系,被测物体表面温度越高,辐射能量也越多。黑体红外辐射的基本规律反应了红外辐射强度和波长随温度变化的定量关系,其满足的基本规律主要有:普朗克辐射定律、维恩位移定律、斯特凡|玻尔兹曼定律等。


红外线在大气中穿透比较好的波段,被称为“大气窗口”,短波波长为3~5μm,长波波长为7~14μm。红外热像仪利用红外探测器和光学成像系统接收被测物体的红外辐射能量,并反映到红外探测器的光敏元件上,从而获得红外热像图,这样红外热像仪就将不可见的红外能量转化为可见的热像图,热像图与物体表面的热分布场是相对应的。通过对热像图温度、幅值、相位等信息的提取和分析等,实现对被测物体的检测、监测和评估。


IRT检测装置根据是否需要外加激励源可分为主动式和被动式两种。主动式检测装置由激励部分(信号发生器和激励源)、红外热像仪和PC(计算机)终端3部分组成,而被动式检测装置无需激励部分,红外热像仪主要由光学系统、红外探测器、信号处理器和显示器等4部分组成。PC终端可控制激励信号以及对红外热像图进行相应的数据处理。




2、国外研究现状

国外许多学者对红外检测技术的研究和应用做了大量工作,比如法国国立高等工程技术学校的BALAGEAS团队、意大利费德里克二世大学的MEOLA团队以及日本名古屋大学的TSUJI团队、美国的RAMI HAJ-ALI团队、墨西拿大学的CRUPI等。目前,国际上对于红外成像检测技术的研究及应用主要集中在缺陷检测、应力检测和疲劳分析等方面。


01、缺陷检测

目前,对于构件缺陷的红外成像检测主要采用主动法,即通过对构件施加可控的激励来获得热像图,构件缺陷处与非缺陷处的热阻和温度分布是不同的,缺陷会阻碍“热流”的均匀传播扩散,在构件表面形成“高温区”和“低温区”。红外热成像检测不受材料性质的限制,目前主要集中应用于复合材料领域的检测,对裂纹、脱黏、冲击损伤等缺陷的检出率较高。


CHATTERJEE等在对红外热成像检测技术进行对比研究时发现,热像图的噪声主要来源于结构的不均匀性,当缺陷位置较浅时,脉冲红外热成像检测技术的图像信噪比最高,但随着缺陷深度的增加,3种方法的差异会逐渐减小。


MUNOZ等对航空碳纤维复合材料的损伤演变机理进行了研究,发现0°拉伸有3种损伤:基体破坏、纤维断裂和脱黏,而90°拉伸不存在基体破坏的模式。


BALAGEASL等对先进复合材料的内部裂纹、外部夹杂物、脱胶、分层等缺陷成功进行了红外无损检测,发现相比其他检测方法,该方法检测效率更高,安全性更高,非常适于在线监控。


波兰的PSUJ对热像图序列进行归一化和DFT(离散傅里叶变换)处理,通过幅值和相位图分析研究了裂纹的生长过程。


TSUJI等在碳纤维复合材料的锁相试验中发现低压下厚度方向的热扩散系数要小于标准大气压下的热扩散系数,平面方向上热扩散系数取决于激励的加热频率。


EKANAYAKE等采用CT(X射线计算机断层扫描)技术验证了基于红外成像技术的碳纤维缺陷几何尺寸测量的准确性,整体相对误差小于10%。


金属材料的热传导率相比复合材料的大很多,相对研究要少一些。


KOCHANOWSKI等发现采用脉冲红外热像法测得的奥氏体不锈钢316L的热扩散系数与文献中给出值的误差仅为0.5%,利用热传导方程来解相关的简单边界条件也更加方便。


SEKHARBABU等对D2工具钢的摩擦焊过程进行红外监测,测得其红外轮廓,并发现其焊接温度场的峰值温度可达1200℃,由于马氏体相变和初生碳化物的细化,提高了显微硬度和耐磨性,有利于研究焊接过程中的组织变化。


02、应力检测

红外应力检测是基于热弹性效应原理进行的。红外热弹性效应于1853年首次由LORD KELVIN提出,后经过BLOT的进一步研究,建立了表面温度变化与应力变化之间的定量关系表达式,如式(1)所示。

ΔTe=-KTΔσe         (1)

式中:ΔTe为在温度T时的热弹性温度变化;K,T分别为与膨胀系数、密度和热容量有关的常数;Δσe为弹性应力增加值。


由式(1)可以看出,热弹性温度变化与弹性应力增加值呈线性关系,任何固体材料在受到拉伸时,其自身温度会降低,形成“冷发射”;在受到压缩时,自身温度会升高,形成“热发射”。根据目前的研究可知,温升1mK,对应钢材的应力变化约为1MPa,对应铝构件的应力变化约为0.4MPa。


2008年,HAJ-ALI等采用虚拟裂纹闭合技术(VCCT)和有限元(FE)两种热弹性应力分析方法对复合材料表面的应力场分布进行了研究,发现I型应力强度因子与应力场有较高的吻合度,II型应力强度因子与裂纹尖端的位置和尖端附近的非弹性以及损伤区域的大小有关。


同年,EMERY等提出了一种新的分层材料热弹性定量分析矫正方法,并成功应用于复合材料的检测中。


2011年,KUTIN等采用红外热像技术对环氧玻璃复合材料进行应力检测,试验得到了传统检测技术的验证,表明该方法可作为一种高效的复合材料早期诊断方法。


BREMOND等在压强30MPa,加载频率3Hz的参数设置下准确测量了裂纹长度。


03、疲劳分析

机械零部件在交变载荷的长期作用下,会萌生细小裂纹并形成主导裂纹随后稳定扩展,最终引起构件的失稳或完全断裂。据报道,目前80%的断裂事故属于疲劳断裂,金属材料在疲劳试验过程中的不同阶段会伴随有不同的固有耗散能释放,材料的表面温度在疲劳进程中会出现3个阶段:开始时表面温度迅速升高,中间缓慢增加和最后裂纹扩展时快速升高,且只有当循环应力大于疲劳极限时温度才会显著升高。传统的疲劳试验周期长、成本高,红外热像仪的出现为疲劳检测提供了一种新的快速高效检测方法,采用红外热像仪来表征温度的变化,可深入分析其断裂原理。


MICHAL等已通过试验验证了该方法的可行性。目前,疲劳特性的研究已经在钢材、铸铁、镁合金、铝合金等金属的疲劳试验中取得了良好的效果。


LUONG曾在1998年采用红外热像法研究了疲劳演变过程和预估汽车零部件连杆的疲劳极限。


2010年,CRUPI等在焊接接头的低周疲劳试验中发现材料表面也会出现类似高周疲劳的三个温升阶段,且温升与磁滞回线紧密关联,都属于在塑性变形中释放能量的一种表现形式。


同年,CRUPI又对原有的热像法(EM)进行了改进,与能量分析相结合,提出了一种新的定量分析方法来预测剩余疲劳寿命和进行非线性应力的测量,并通过试验验证得到测量误差分别为13%和4%。


MOUMNI等研究了加载频率对形状记忆合金的低周疲劳寿命影响,得到以下结论:

① 随着加载频率的增加,温度的振幅会随着时间先增大后趋于稳定;

② 不管是应力控制还是应变控制,温度振幅整体都会随着加载频率的增加而减少;

③ 加载频率很低时疲劳寿命对温度基本无影响。


04、其他领域

由于红外热成像检测具有检测面积大、速度快、适于实时监测等优点,已被广泛应用在电力、建材、地质、医疗、大气研究等领域。


HUDA等运用基于红外热成像法的智能系统进行电力设备故障的预防性检测,试验采用人工神经网络和统计特征方法进行设备内部缺陷的检测,结果表明统计特征方法具有更好的性能,准确率为82.40%。


KORDATOS等利用红外热成像技术来评价壁画和历史纪念碑的损坏情况。


LUONG运用红外热成像技术来进行土地动力学研究,为研究土地变形的机理提供了依据。


MEOLA等对热塑性基体复合材料进行在线红外监测中发现温升与材料密切相关,从而可作为评判新材料性能的指标,相位图则可以为冲击动力学提供参考信息。


SAHU等进行了癌症的红外光谱研究工作。


MEOLA等发现相位值与材料的某些特性(密度、孔隙率、硬度等)相关联。锁相热成像技术能够区分成分非常相似的材料,可以用来表征金属、塑料、复合材料等多种材料,评估材料老化或暴露于不利环境下而出现的特性变化情况。


3、国内研究现状

我国的IRT技术起步于20世纪50年代,改革开放以来得到了迅速发展。目前国内对IRT研究较多的有华中科技大学、电子科技大学、哈尔滨工业大学、南京理工大学、首都师范大学、中国特种设备检测研究院等科研院所。这些研究主要集中在缺陷检测、应力和疲劳分析、模拟仿真和图像处理等方面,并涉及到了机械设备故障诊断的应用领域。


01、缺陷检测

国内对于缺陷检测的研究主要集中在常规、锁相和脉冲相位等不同热成像技术的理论和试验研究中,如缺陷深度测量、相位信息分析等。


张金玉等在涂层的锁相无损检测中发现当涂层厚度一定时,相位差随着缺陷尺寸的增大会先增大后减小,并通过温度的一阶差分实现了对缺陷的定量识别。


沈功田等针对金属高温压力管道设计了一系列试验,发现导热率越低的材料,检测灵敏度越高,缺陷显现时间越长,缺陷面积越大,材料厚度越薄,检测缺陷的灵敏度也越高;检测灵敏度还与加热和冷却方式有关,试验中内部加热法的检测灵敏度高于外部冷却法的。


霍雁等对电路板分层缺陷进行检测时发现,锁相成像技术的缺陷检出率要高于脉冲成像技术的。


孙丰瑞等系统地研究了正弦规律加热沉孔型缺陷时的表面温度变化的情况,发现构件材料对检测表面温差变化影响较大,采用反射法和透射法检测,构件表面的温度场变化趋势是一致的。


李艳红通过傅里叶变换提取红外热波信号的位相频率信息来检测缺陷深度,得出计算深度是实际深度的1.98倍的结论。


在复合材料的检测方面,武翠琴等对玻璃纤维复合材料壳体/绝热层构件中深度为5mm以内、直径10mm以上的脱黏缺陷取得了较好的检测效果。


周正干等进行了钛合金蜂窝结构蒙皮的红外热成像研究工作,发现厚度为0.6~2.0mm构件的最佳锁相检测激励调制频率为0.04~0.1Hz。


蒋淑芳等采用红外热成像技术成功检测出铝蜂窝复合材料的夹层胶接情况和蜂窝结构。


02、应力和疲劳分析

我国的应力、疲劳分析研究多与实际应用相结合,沈功田通过检测蓄能器疲劳区热斑迹的变化来研究裂纹的走向和大小变化,此外对液化石油气储罐的应力集中部位的检测也取得了良好的效果。


曾伟等提出了一种基于温升对循环周次的积分M,来确定材料的S-N(应力-疲劳)曲线的新方法。


吕宝西在对U71Mn钢轨疲劳裂纹扩展的红外检测试验中,发现低速扩展裂纹尖端的温度高于周围的现象并不明显,金属表面的裂纹红外检测效果并不理想。


王文先等采用红外热成像技术研究了AZ31B镁合金的裂纹尖端温升值与裂纹扩展速度之间的关系,发现快速扩展阶段的温升明显大于稳定扩展阶段的。


李萌等对2A12铝合金的铆接结构进行了红外锁相疲劳极限的快速测定,对试验结果采用阶梯法验证,得到误差为4.82%,此方法尤其适用于处于多轴应力状态的结构构件。


张传豹对Q235材料的十字接头焊趾处应力集中系数进行测量,发现结果高于理论计算和仿真模拟计算的结果,但仍是可信的。


李旭东等采用锁相红外热成像技术选取合适的加载频率,成功地对机翼表面的应力分布状态进行了测量。


03、模拟仿真

国内还有很多学者利用ANSYS,MATLAB等仿真软件对红外检测技术进行了研究。


顾桂梅等对钢轨裂纹缺陷进行模拟研究,并采用温度-时间二阶对数微分峰值法进行裂纹深度计算,发现对钢轨亚表面6mm以内的疲劳裂纹有较高的准确性。


郭杏林等对焊接接头采用差分热像法获得了不同应力范围的稳定温升值,通过建立的能量损伤模型得到的剩余疲劳寿命与实际值误差为6.5%,实现了快速预测。


刘俊岩等发现:随着缺陷与加载中心距离的增加,幅值差会降低但相位差基本保持不变,初始静压升高,幅值差升高,相位差基本不变;调制频率提高,幅值差降低,相位差升高。此外,他们还通过建立的热-电等效模型确定了相位与缺陷深度之间的关系。


郭兴旺等通过建立振动热像检测的数学模型研究裂纹区表面温升与激励时间、频率、幅值等参数的关系。


张金玉等建立了涂层的三维瞬态导热模型,得到了锁相法理论可检的最大涂层厚度是热扩散长度的1.5~2倍,且检测厚涂层时检测频率应适当减小的结论,并给出了涂层厚度与相位的计算关系式。


04、图像处理

在图像处理方面,秦翰林等针对弱小目标的复杂背景提出了剪切波与高斯尺度混合模型的新算法,检测结果优于二维最小均方误差滤波算法的结果。


周正干等对红外锁相法得到的相位图采用模糊C均值(CFM)算法进行处理,对缺陷进行定量检测,误差小于4%,具有很高的吻合度。


李宇光等提出了一种新的小波变换的红外图像增强技术,该技术更有利于故障点的信息提取,提高检测的准确性。


康长青等针对目前算法的鬼影和参数时间漂移的问题,提出了一种新的基于中间均衡直方图的图像矫正算法。


05、故障诊断

我国红外检测技术的应用最早开始于电力行业的故障诊断与监测,但存在图像噪声大、精度不高的问题,上述图像处理的研究工作大大提高了弱小目标的检测精度,为红外检测技术的应用提供了更多的可能。


李大鹏等针对机电设备给出了一种红外故障诊断可诊性的评价体系,为故障诊断应用提供了参考。


于泽奇设计了基于红外热成像的轮机故障检测系统,可以用来监控船舶设备运行情况和查找故障。


李明等成功自行设计了高温炉管剩余寿命的红外在线监测系统。


叶超等将红外热像技术应用于游乐设施的机械和电气部件的检测中,取得了初步结果。


杨振中等对汽车尾气排放物的成分和浓度进行了红外光谱研究,并提出了实时性较好的诊断技术。


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相关标签:超声检测,磁粉检测,射线检测,渗透检测,红外检测

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