紅外線成像在囊體無損檢測的應(yīng)用研究

朱雷雷，袁軍行，葉南軍

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 質(zhì)量部，安徽 合肥 230088)

紅外線成像在囊體無損檢測的應(yīng)用研究

朱雷雷，袁軍行，葉南軍

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 質(zhì)量部，安徽 合肥 230088)

熱合是浮空器囊體的主要連接形式，囊體的熱合效果是產(chǎn)品安全性的關(guān)鍵影響因素。熱合檢測裝置基于紅外線成像原理實(shí)現(xiàn)對囊體熱合效果的無損檢測。通過專用軟件分析計(jì)算，可以實(shí)時檢測出囊體中熱合區(qū)域的缺陷，實(shí)現(xiàn)對脫層、氣泡等典型熱合缺陷尺寸毫米級的故障識別和坐標(biāo)定位，可用于實(shí)時監(jiān)測熱合過程和評估熱合效果。

紅外線；囊體；熱合

0 引言

浮空器是一種輕于空氣的飛行器，它依靠內(nèi)部輕于空氣的氣體(一般為氫氣或氦氣)來提供上升浮力，因此它較一般的飛行器有更大的載重量和經(jīng)濟(jì)性。浮空器分為有動力和無動力兩種，有動力的一般稱之為飛艇，它可以在很大的范圍內(nèi)移動；無動力的浮空器一般稱之為系留氣球，它只能停留在固定的區(qū)域內(nèi)。從上世紀(jì)末開始，世界上興起了浮空器研究的熱潮，大大推動了浮空器技術(shù)的發(fā)展，提升了浮空器的各項(xiàng)性能，目前浮空器在軍民領(lǐng)域都有著廣泛應(yīng)用[1]。

浮空器囊體材料是一種復(fù)合多層布基材料，由防老化層、織物承力層、阻隔層和粘接層組成，如圖1所示。

圖1 囊體材料結(jié)構(gòu)示意圖

“熱合”是使用熱合設(shè)備對多層囊體材料施加一定量的壓力和熱量，使囊體材料局部粘合在一起的過程[2]。由于受壓面均勻、效果穩(wěn)定，目前熱合工序是囊體材料相互連接的主要方式，囊體的主要接縫部位均要求使用熱合進(jìn)行連接。目前由于缺乏囊體材料熱合質(zhì)量檢驗(yàn)的有效手段，目前對于熱合檢驗(yàn)僅限于目測等感官手段或進(jìn)行樣件破壞性試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

無損檢測是以不損壞被檢測對象的使用性能為前提，應(yīng)用物理和化學(xué)現(xiàn)象，對囊體原材料，零部件和成品進(jìn)行有效的檢測，借以評價他們的完整性、連續(xù)性和其他物理性能[3]。無損檢測是實(shí)現(xiàn)質(zhì)量控制、保證產(chǎn)品安全可靠、節(jié)約原材料、改進(jìn)工藝和提高勞動生產(chǎn)率的重要手段，已經(jīng)成為產(chǎn)品制造和使用中不可缺少的組成部分。為了對囊體材料中大量熱合部位的質(zhì)量一致性、可靠性進(jìn)行控制，亟需一種非破壞性、實(shí)時檢測的無損檢測手段進(jìn)行過程質(zhì)量控制。

1 紅外成像檢測裝置

1.1 工作原理

通過熱輻射源對目標(biāo)進(jìn)行周期性激勵加載，利用紅外熱像儀采集并記錄激勵過程中目標(biāo)溫度場(一般記錄時間為幾十秒甚至上百秒)隨時間的變化關(guān)系，通過長時間周期性激勵加載，最終目標(biāo)的響應(yīng)曲線與加載頻率一致，為一個穩(wěn)態(tài)過程[4]，只是缺陷位置的相位與正常區(qū)域相比有延遲，根據(jù)相位延遲的大小代表試件缺陷的深度。

根據(jù)需要測試試件的缺陷深度，寬度，通常鎖相頻率一般在零點(diǎn)零一赫茲到幾十赫茲之間，由于激勵加載周期一般較長，故熱像儀采集的頻率也不需要很快，只需在保證采樣精度的前提條件下能精確還原加載響應(yīng)曲線即可。并且由于提取的是相位信息，對探測目標(biāo)表面的均勻性，故與發(fā)射率也關(guān)系也不是很大，同時對激勵源的功率要求也不高。

鎖相分析中，根據(jù)不同的應(yīng)用場景，需要記錄的時間也不一致，但一般都需要等待試件達(dá)到穩(wěn)態(tài)后記錄數(shù)據(jù)，如圖2所示，采集時間都不會太短，一般在幾十秒以上。并且如圖2(b)所示的熱波信號曲線，同理缺陷區(qū)域在周期性激勵下的響應(yīng)與正常區(qū)域的響應(yīng)不一致，缺陷區(qū)域會產(chǎn)生一定相位延遲，其中，缺陷的深度與相位延遲的大小相關(guān)。

通過對可能出現(xiàn)的熱合缺陷進(jìn)行定位、評估、預(yù)警、報表記錄等提供智能化決策，可以實(shí)現(xiàn)對囊體熱合過程中缺陷位置和的缺陷尺寸的診斷。

圖2 紅外成像檢測原理圖

1.2 系統(tǒng)組成

圖3 系統(tǒng)組成圖

紅外成像檢測裝置主要包括紅外激勵光源、功率放大器、信號發(fā)生器、紅外熱像儀、數(shù)字圖像采集處理顯示系統(tǒng)和紅外線成像無損檢測軟件等組成部分，如圖3所示。

紅外線成像無損檢測軟件可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時溫度場提取顯示，對溫度場內(nèi)選取不同點(diǎn)、多段線、圓、多邊形的溫度場實(shí)時曲線分析，并實(shí)時顯示以上畫出的區(qū)域內(nèi)平均值、最高點(diǎn)，最低點(diǎn)溫度及其坐標(biāo)。并設(shè)定不同的鎖相激勵頻率并采集紅外熱像進(jìn)行實(shí)時相位提取分析(采用FFT，快速傅立葉變換算法得到)，相位分析缺陷檢測界面如圖4所示。

圖4 缺陷檢測界面

通過對一定周期性激勵進(jìn)行實(shí)時采集，分析其相位變化，并根據(jù)實(shí)際縮放比，得到測量實(shí)際缺陷的尺寸，坐標(biāo)等。實(shí)際鎖相檢測缺陷大小、位置顯示圖界面如圖5所示，通過激光定位器圍成視場的左下角為坐標(biāo)原點(diǎn)，通過測量工具的測量，可以確定預(yù)埋的兩處缺陷尺寸分別為16.4mm和17.7mm，坐標(biāo)位置分別為(32.1mm,95.0mm)和(290.9mm，116.4mm)。

圖5 缺陷顯示界面

2 效果和分析

取兩片囊體材料，分別把氣孔、多余物等通過熱合預(yù)埋至兩層間的熱合部位中形成典型的缺陷模式，如圖6所示，以期通過紅外線成像無損檢測判斷預(yù)埋缺陷的位置和尺寸。

將材料在檢測裝置上鋪設(shè)好，開啟紅外激勵源對囊體材料試件進(jìn)行鎖相激勵加熱，如圖7所示。

可以通過不同頻率的紅外激勵源進(jìn)行激勵，計(jì)算整個視場區(qū)域的相位信息從而得到可以目標(biāo)的缺陷等信息。

圖6 缺陷預(yù)埋件

圖7 熱激勵源加熱示意圖

一般設(shè)置采集幀數(shù)300幀，這個可以隨著不同的函數(shù)發(fā)生器的周期而定，一般至少采集兩個完整周期以上，例如周期為10s時，至少采集20s，由于幀頻為10Hz，故采集幀數(shù)為200幀以上；周期為50s時，采集50*2=100s，需要采集100*10=1000幀。當(dāng)采集完畢后，進(jìn)行傅立葉分析計(jì)算，填入函數(shù)發(fā)生器的激勵頻率，默認(rèn)為0.1Hz，功率及進(jìn)行熱合的層數(shù)。

計(jì)算完畢后，采集圖像會自動切換到傅立葉顯示界面，并且可以自由添加測量點(diǎn)、測量線、刪除，如圖8所示。

圖8 采集圖像界面

通過采集圖像的分析和測量，可以在軟件界面上清晰地分辨氣孔和多余物等預(yù)埋缺陷，利用軟件中的測量工具，可以對缺陷部位進(jìn)行定位和尺寸的測量等操作，如圖9所示。

圖9 缺陷位置和尺寸

3 結(jié)語

利用熱激勵源對囊體材料熱合部位進(jìn)行激勵加載，通過缺陷部位相位延遲的特點(diǎn)，可以確定缺陷部位的位置和輪廓；通過檢測軟件自帶的測量工具，可對缺陷部位的尺寸進(jìn)行測量。通過大量的試驗(yàn)效果驗(yàn)證，紅外線成像無損檢測可以有效地實(shí)現(xiàn)囊體材料熱合部位層間的氣泡、夾雜等缺陷的無損檢測。

紅外線成像無損檢測裝置在大批量的囊體熱合生產(chǎn)中進(jìn)行工程化應(yīng)用，還需要在以下幾個方面繼續(xù)進(jìn)行研究：

(1)目前該無損檢測裝置掃描和計(jì)算速度不能滿足批量化生產(chǎn)需求，只能對重點(diǎn)關(guān)注的熱合部位進(jìn)行局部的無損檢測診斷工作；

(2)熱合部位的虛熱合現(xiàn)象反映在囊體材料層間也屬于緊密結(jié)合，但是抗剝離剪切能力明顯下降，紅外線的缺陷相位延遲技術(shù)不適用于該類缺陷模式，需要開發(fā)其他技術(shù)進(jìn)行檢測；

(3)對于不同結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、不同物理特性的囊體，需要建立相應(yīng)的缺陷模式數(shù)據(jù)庫，從而快速、準(zhǔn)確的定位缺陷部位[5]。

[1] 沈雪孌.俄羅斯浮空器的歷史與發(fā)展[J].國防科技，2011(3)：8-12.

[2] 肖尚明，李向陽.系留氣球囊體加工質(zhì)量控制[J].浮空器研究，2008(12)：4-7.

[3] 張俊哲.無損檢測技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社，1993：5-10.

[4] 曹鵬濤，張青川，肖銳，等.紅外測溫法研究Al-Mg合金中的Portevin-Le Chatelier效應(yīng)[J].物理學(xué)報，2009，58(8)：5591-5597.

[5] 周萌，曹鵬濤，朱雷雷，等.紅外熱成像檢測囊體材料熱合效果初探[J].中國科技博覽，2012(28)：62-66.

[責(zé)任編輯、校對：張朋毅]

The Application Research of envelope’s non-destructive testing of infrared imaging

ZhuLei-lei,YuanJun-hang,YeNan-jun

(CETC No.38 Research Institute,He fei 230088,Anhui,China)

RF-welder is the main form of connection aerostat envelope,welding effect of envelope products are the key factors of security.weld detector based on infrared imaging principle to achieve non-destructive testing of the envelope’s weld effect.Analysis calculated using special software,real-time detects weld area of envelope,to achieve the delaminiation,bubbles and other typical weld defect size millimeter fault recognition and positioning coordinates for real-time monitoring of RF-welding process and evaluate the welding effect.

infrared; envelope; RF-welder

2015-03-15

朱雷雷(1982-)，男，安徽阜陽人，工程師，從事質(zhì)量過程控制方面的研究。

V274

A

1008-9233(2015)03-0027-03