脈沖熱源激勵金屬板材缺陷的紅外熱波檢測

劉元林， 唐慶菊， 陳煥林， 劉曉旭， 劉文海

(1.黑龍江科技學(xué)院 機械工程學(xué)院，哈爾濱 150027;2.黑龍江科技學(xué)院 工程訓(xùn)練與基礎(chǔ)實驗中心，哈爾濱 150027)

脈沖熱源激勵金屬板材缺陷的紅外熱波檢測

劉元林1， 唐慶菊1， 陳煥林1， 劉曉旭2， 劉文海1

(1.黑龍江科技學(xué)院 機械工程學(xué)院，哈爾濱 150027;2.黑龍江科技學(xué)院 工程訓(xùn)練與基礎(chǔ)實驗中心，哈爾濱 150027)

以含有盲孔缺陷的金屬板材試件為研究對象，在閃光燈脈沖熱源激勵下對試件內(nèi)部熱流的傳遞過程進(jìn)行了有限元仿真。在檢測參數(shù)和分析參數(shù)給定條件下，利用脈沖紅外熱波檢測系統(tǒng)測得試件表面最大對比度原始熱圖，應(yīng)用FFT變換方法分析了原始熱圖序列的幅值圖和相位圖。結(jié)果表明，試件表面的最大溫差越大，缺陷越容易檢測，幅值圖的信噪比較大而相位圖的探測深度較深。該方法提高了脈沖紅外熱波檢測技術(shù)的探測能力。

脈沖紅外熱波檢測;對比度;幅值;相位

紅外熱像無損檢測技術(shù)具有非接觸、檢測速度快和單次檢測面積大等特點，近年來在材料缺陷和結(jié)構(gòu)檢測中的應(yīng)用越來越廣泛［1－4］。脈沖式紅外熱波無損檢測是以傳熱學(xué)理論為基礎(chǔ)，脈沖熱源激勵內(nèi)部含有缺陷的試件，根據(jù)缺陷處與完好材料處對應(yīng)試件表面的溫度差異，實現(xiàn)對缺陷的檢測。但脈沖熱源激勵試件表面時，由于熱流在試件表面的分布不均，且受試件表面反射率及周圍環(huán)境噪聲影響較大，導(dǎo)致根據(jù)試件表面的原始熱圖難以準(zhǔn)確判斷缺陷［5－6］。

筆者采用有限元仿真與實驗相結(jié)合的研究方法，在高能脈沖閃光燈熱源激勵下，對內(nèi)部含有盲孔缺陷的金屬板材試件進(jìn)行了紅外熱波檢測。采用傅里葉變換方法，對紅外熱像儀得到的熱圖序列進(jìn)行處理，得到其幅值圖和相位圖，增強了脈沖紅外熱波檢測技術(shù)的探測能力。

1 檢測原理

脈沖閃光燈激勵紅外熱像檢測技術(shù)的基本原理如圖1所示。

圖1 紅外熱波檢測的原理Fig.1 Principle of infrared thermal wave detection

采用高能脈沖閃光燈激勵源對試件表面進(jìn)行熱激勵、外激勵，熱流在試件內(nèi)部發(fā)生熱傳導(dǎo)，在傳導(dǎo)過程中，由于試件內(nèi)部熱特性存在不連續(xù)性，將導(dǎo)致試件表面溫度分布發(fā)生變化。通過同步觸發(fā)器實現(xiàn)脈沖閃光激勵與紅外熱像儀采集試件表面溫度熱圖同步，同時熱像儀將所采集到的熱圖反饋給計算機，熱像儀采集頻率下接收的每個像素點(i，j)對應(yīng)n個離散溫度時域信號T(n)。采用紅外熱像處理系統(tǒng)對熱圖序列進(jìn)行分析處理，實現(xiàn)對試件內(nèi)部缺陷的判斷與識別。

式中:n——離散時間變量，表示紅外熱圖幀數(shù)，對應(yīng)采集時間t=n/f;

f——采樣頻率;

Ti，j(n)——第 n 幀熱圖上第 i行、第 j列像素點的溫度值。

2 缺陷試件的仿真分析

以含有平底盲孔缺陷的Q235鋼板為檢測對象，采用閃光燈脈沖紅外熱像檢測法進(jìn)行了仿真分析。其中，平底盲孔的直徑范圍為4～10 mm，距離表面的深度為0.6～1.4 mm。試件的幾何模型和有限元網(wǎng)格模型分別如圖2和圖3所示。

圖2 幾何模型Fig.2 Geometric model

圖3 有限元網(wǎng)格模型Fig.3 Finite element mesh model

為了研究問題的簡便，將試件看作各向同性材料，則其熱傳導(dǎo)方程可以表示為

式中:q0——外激勵加載熱流密度，W/m2;

hconv——對流換熱系數(shù);

σ——Stefan－Boltzmann常數(shù)，σ =5.669 7×10－8W/(K4·m2);

式中:T——與時間有關(guān)的溫度，K;

ρ——材料密度，kg/m3;

cp——材料比熱容，J/(kg·°C);

k——材料熱導(dǎo)率，W/(kg·°C)。

初始條件:

式中:Tamb——周圍環(huán)境的溫度。

上表面邊界條件:

c=σ·e;

e——熱擴散率。

下表面邊界條件:

其他表面邊界條件:

Q235鋼板和平底盲孔缺陷(空氣)的熱特性參數(shù)及脈沖法熱波檢測的仿真分析參數(shù)，如表1所示。圖4給出了當(dāng)脈沖寬度為0.02 s、分析時間為1 s時的試件表面溫度分布。由圖4可以看出，含有缺陷處與完好材料處對應(yīng)試件表面的溫度分布存在著明顯的差異，并且，缺陷的面積越大，埋深越淺，溫度差異越明顯。因此，理論上可以根據(jù)試件表面熱圖判斷缺陷的大小、深度以及分布情況。圖5給出了在不同脈沖寬度熱源激勵作用下，試件表面最大溫差與分析時間之間的關(guān)系:熱源脈沖寬度越大，試件表面的最大溫差ΔT越大，缺陷越容易檢測;在不同脈沖寬度熱源激勵作用之后，表面溫差均隨著分析時間呈下降趨勢，表明隨著熱傳導(dǎo)的進(jìn)行，試件逐漸趨于熱平衡狀態(tài)。因此，當(dāng)采用試件表面原始熱圖檢測缺陷時，需要增大熱源的脈沖寬度，并選擇合適的分析時間。

表1 材料熱特性參數(shù)和仿真分析參數(shù)Table 1 Thermal parameters and simulation parameters

圖4 試件表面溫度分布Fig.4 Temperature distribution of specimen surface

圖5 試件表面最大溫差與分析時間的關(guān)系Fig.5 Relationship between maximum temperature difference of specimen surface and analysis time

3 檢測實驗與熱圖序列處理

以上述含有平底盲孔缺陷的Q235鋼板為檢測對象，采用閃光燈脈沖激勵法進(jìn)行檢測實驗。其中，閃光燈熱源加載熱流密度為10 kW/m2，脈沖寬度為0.02 s，采樣頻率和采樣時間分別為75 Hz和2 s。圖6為試件表面溫度最大對比度原始熱像圖，由圖可見僅可以檢測出4個缺陷。分析其原因主要有三個方面:加載到試件表面的熱流分布不均勻;試件表面的發(fā)射率較低，反射率較高;周圍環(huán)境噪聲的影響較大。

圖6 最大對比度原始熱圖Fig.6 Primitive thermograph with maximum contrast

為了進(jìn)一步增強脈沖紅外熱波檢測的檢測能力和效果，將紅外熱像儀采集得到的紅外熱圖序列進(jìn)行傅里葉變換。對時域信號T(t)，可以采用FFT的方法得到頻域上的信號

則不同頻率下的幅值和相位分別為

圖7為對原始熱圖序列進(jìn)行傅里葉變換之后得到的最大對比度幅值圖和相位圖。由圖7可以看出，幅值圖可以檢測出6～8個缺陷，而相位圖可以檢測出9～11個缺陷。這說明與原始熱圖相比，幅值圖和相位圖提高了紅外檢測技術(shù)的探測水平。幅值圖的圖像信噪比更大，而相位圖的探測深度更深。

圖7 原始熱圖序列的幅值圖和相位圖Fig.7 Amplitude and phase images of primitive thermograph

4 結(jié)束語

對熱流在內(nèi)部含有盲孔缺陷的Q235鋼板試件中的傳遞過程進(jìn)行了有限元仿真分析，仿真結(jié)果表明:含有缺陷處與完好材料處對應(yīng)試件表面的溫度分布存在著明顯的差異，缺陷的面積越大，埋深越淺，溫度差異越明顯;熱源脈沖寬度越大，試件表面的最大溫差越大，缺陷越容易檢測;在不同脈沖寬度熱源激勵作用下，表面溫差均隨著分析時間呈下降趨勢，隨著熱傳導(dǎo)的進(jìn)行，試件逐漸趨于熱平衡狀態(tài)。采用脈沖紅外熱波檢測法對缺陷試件進(jìn)行了檢測實驗，結(jié)果表明:與原始熱圖相比，幅值圖和相位圖更能提高紅外檢測技術(shù)的探測水平。幅值圖和相位圖相比，前者的圖像信噪比更大，而后者的探測深度更深。以上研究結(jié)果進(jìn)一步揭示了脈沖紅外熱波檢測機理，為實現(xiàn)缺陷的定量探測與識別奠定了一定的理論基礎(chǔ)。

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Infrared thermal wave detection of metal plates with defects under pulse heat excitation

LIU Yuanlin1， TANG Qingju1， CHEN Huanlin1， LIU Xiaoxu2， LIU Wenhai1
(1.College of Mechanical Engineering，Heilongjiang Institute of Science ＆ Technology，Harbin 150027，China;2.Center for Engineering Training＆ Basic Experimentation，Heilongjiang Institute of Science＆ Technology，Harbin 150027，China)

This paper presents the finite element analysis of the heat transfer process in metal specimens with blind hole defects under flash pulse excitation and concludes that the greater maximum temperature difference of the surface on the specimen result in an easier defect detection.The use of pulsed infrared thermal wave detection produces the primitive thermography with maximum contrast under given test and analysis parameters and the analysis of amplitude and phase images of the primitive thermograph sequences using FFT shows a greater signal noise ratio for amplitude diagram and a greater probing depth for phase diagram.This method gives a greater detection capability of the pulsed infrared thermal wave detection technique.

pulsed infrared thermal wave detection;contrast;amplitude;phase

TN219

A

1671－0118(2012)05－0489－04

2012－04－06

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項目(12521483)

劉元林(1970－)，男，山東省平陰人，教授，碩士，研究方向:機械設(shè)計及理論，E-mail:lyl2383849@126.com。

(編輯 李德根)