脈沖渦流紅外熱像無(wú)損檢測(cè)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

謝 靜， 徐長(zhǎng)航， 周乃望， 陳國(guó)明

(中國(guó)石油大學(xué)(華東)機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島266580)

0 引 言

作為一種非接觸、非破壞及直觀的檢測(cè)技術(shù)，紅外熱成像技術(shù)具有非接觸測(cè)試、檢測(cè)效率高、操作簡(jiǎn)單、檢測(cè)結(jié)果直觀等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在石油石化、航天航空、機(jī)械、電力等領(lǐng)域的產(chǎn)品質(zhì)量保障和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中得到廣泛應(yīng)用［1］。為了促進(jìn)課程教學(xué)內(nèi)容更好地適應(yīng)現(xiàn)代無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的飛速發(fā)展，近年來(lái)“安全監(jiān)測(cè)與監(jiān)控”課程將如何在教學(xué)過(guò)程中融入最新研究進(jìn)展作為教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式改革工作的重點(diǎn)內(nèi)容之一。作為課程教學(xué)內(nèi)容的組成部分，基于紅外熱成像原理的結(jié)構(gòu)無(wú)損檢測(cè)檢測(cè)技術(shù)教學(xué)模塊計(jì)劃將近年來(lái)本領(lǐng)域的最新研究成果之一——脈沖渦流熱激勵(lì)下的紅外熱像檢測(cè)技術(shù)(以下簡(jiǎn)稱脈沖渦流紅外熱像檢測(cè)技術(shù))納入教學(xué)體系。

為了更好地實(shí)現(xiàn)課程中關(guān)于紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)的教學(xué)改革要求，本文結(jié)合“理論與實(shí)踐并重”這一課程教學(xué)改革目標(biāo)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于脈沖渦流紅外熱像檢測(cè)技術(shù)的結(jié)構(gòu)缺陷無(wú)損檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，從實(shí)踐教學(xué)角度為學(xué)生深刻理解這一技術(shù)的原理并真正掌握相應(yīng)檢測(cè)技術(shù)提供了必要的教學(xué)條件。

1 實(shí)驗(yàn)原理

1.1 紅外熱成像技術(shù)的無(wú)損檢測(cè)原理

任何溫度大于絕對(duì)零度的物體均會(huì)向外輻射載有物體特征信息的紅外線，而且輻射強(qiáng)度隨溫度不同而不同。利用這一特性，通過(guò)光電紅外探測(cè)器能夠?qū)⑽矬w熱輻射的功率信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并應(yīng)用成像裝置形成與物體表面溫度空間分布相對(duì)應(yīng)的熱圖像視頻信號(hào)，亦即紅外熱圖序列［1］。

應(yīng)用紅外熱成像技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)無(wú)損檢測(cè)主要原理是，物體表面或者內(nèi)部缺陷的存在必然會(huì)導(dǎo)致不同熱傳導(dǎo)特性，如果此時(shí)對(duì)物體實(shí)施主動(dòng)或被動(dòng)方式的熱激勵(lì)，就會(huì)在物體表面形成所謂的熱區(qū)和冷區(qū)并呈現(xiàn)出隨時(shí)間變化的規(guī)律。這種溫度在時(shí)間和空間上的變化現(xiàn)象能夠?yàn)榧t外熱像儀所采集，從而形成紅外熱圖像序列，借助肉眼觀察或者圖像處理技術(shù)，將含缺陷和不含缺陷的紅外熱圖進(jìn)行比對(duì)分析，最終可以達(dá)到無(wú)損檢測(cè)的目的［2］。

1.2 脈沖渦流熱激勵(lì)與紅外熱成像檢測(cè)

紅外熱成像技術(shù)的應(yīng)用效果與熱激勵(lì)方式直接相關(guān)［3-4］。傳統(tǒng)的人工熱激勵(lì)方式包括電吹風(fēng)加熱、閃光燈瞬時(shí)加熱等方式，往往具有受環(huán)境影響大、加熱速度較慢或不容易控制等缺點(diǎn)。脈沖渦流加熱技術(shù)利用電磁感應(yīng)原理可以使導(dǎo)體在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)溫升現(xiàn)象，并能夠通過(guò)調(diào)整激勵(lì)電流頻率、幅值等手段，實(shí)現(xiàn)熱激勵(lì)效果的可控性(見圖1)。因此將脈沖渦流作為熱激勵(lì)方式，從而在金屬材料內(nèi)部快速形成溫度梯度場(chǎng)，有助于拍攝出能夠充分突出缺陷特征的高質(zhì)量紅外熱圖，為最終實(shí)現(xiàn)基于熱信息的缺陷識(shí)別與缺陷信息重建奠定良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。目前脈沖渦流紅外熱像檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)在飛機(jī)、電氣設(shè)備以及復(fù)合材料等領(lǐng)域得到國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者的廣泛關(guān)注［5-10］。

由于紅外熱成像技術(shù)最終獲得的是物體表面的溫度場(chǎng)信息，因此該技術(shù)對(duì)于物體表面的缺陷具有良好的檢測(cè)適用性。被測(cè)對(duì)象本身所包含的熱信息需要通過(guò)熱傳導(dǎo)的方式傳遞至物體表面最終為熱像儀采集形成紅外熱圖，然后通過(guò)目視觀察、圖像處理以及熱力學(xué)理論分析等手段能夠?qū)θ毕莸奈恢?、程度進(jìn)行不同層次的分析［11］。本文實(shí)驗(yàn)主要面向含表面缺陷的導(dǎo)電材料進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖1 電磁感應(yīng)熱激勵(lì)條件下物體缺陷的紅外熱成像檢測(cè)原理

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)方案總體設(shè)計(jì)

通過(guò)借鑒文獻(xiàn)［12-15］中其他相關(guān)教學(xué)實(shí)驗(yàn)及無(wú)損檢測(cè)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)紅外熱成像的原理及無(wú)損檢測(cè)的特點(diǎn)，本文在進(jìn)行結(jié)構(gòu)無(wú)損檢測(cè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮:實(shí)驗(yàn)對(duì)象、缺陷類型和熱激勵(lì)方式。實(shí)驗(yàn)方案中對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象的設(shè)計(jì)主要從材料類型方面綜合考慮，如實(shí)驗(yàn)用試件的材料主要包括鐵磁性金屬材料、非鐵磁性金屬材料和復(fù)合材料，而且在不同試件通過(guò)人工預(yù)制的方式，加工形成通孔、盲孔、裂紋、壁厚減薄以及復(fù)合材料的沖擊損傷等多種工程中最為常見的缺陷類型，能夠有效保證實(shí)驗(yàn)的效果。

由紅外熱成像原理可知，熱激勵(lì)方式對(duì)于紅外熱成像技術(shù)的檢測(cè)效率和效果具有至關(guān)重要的影響，因此熱激勵(lì)方式的選擇和相關(guān)參數(shù)設(shè)置也是本實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。本實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)設(shè)計(jì)基于脈沖渦流熱激勵(lì)方式下的紅外熱像檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。為了進(jìn)一步突出脈沖渦流熱激勵(lì)方式的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)中同樣引入連續(xù)彌散性熱激勵(lì)方式(由可調(diào)功率電吹風(fēng)實(shí)現(xiàn))作為對(duì)比。

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟設(shè)計(jì)

通過(guò)將上述實(shí)驗(yàn)對(duì)象和熱激勵(lì)方式的設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行組合，最終形成6 種實(shí)驗(yàn)工況:彌散性熱激勵(lì)+金屬試件、彌散性熱激勵(lì)+非金屬試件、彌散性熱激勵(lì)+碳纖維試件;脈沖渦流熱激勵(lì)+金屬試件、脈沖渦流熱激勵(lì)+非金屬試件、脈沖渦流熱激勵(lì)+碳纖維試件。每組實(shí)驗(yàn)需要4 人合作完成，實(shí)驗(yàn)時(shí)間需要2 學(xué)時(shí)。

實(shí)驗(yàn)操作步驟如下:①選擇一個(gè)試件并固定，記錄試件及缺陷的幾何與位置特征信息。②調(diào)節(jié)試件與攝像儀鏡頭之間的相對(duì)高度和距離，以待檢測(cè)區(qū)域占熱像儀成像區(qū)域3/4 面積為宜。③連接好電腦與紅外熱相儀，打開熱像儀開關(guān)，調(diào)節(jié)好焦距，固定熱像儀。④選擇一種熱激勵(lì)方式(電吹風(fēng)、脈沖渦流等)，并預(yù)設(shè)熱激勵(lì)參數(shù)。⑤以未進(jìn)行熱激勵(lì)狀態(tài)下的試件為對(duì)象，開始熱視頻拍攝約5 s，然后開啟熱激勵(lì)儀器，拍攝試件在熱激勵(lì)條件下全部溫升、溫度保持以及降溫全周期紅外視頻。⑥將采集到的視頻保存下來(lái)，并命名編號(hào)，寫入記錄表中。⑦調(diào)整熱激勵(lì)參數(shù)，重復(fù)步驟⑤、⑥。⑧更換熱激勵(lì)方式，重新步驟④～⑦。⑨更換實(shí)驗(yàn)試件，重新步驟①～⑧。⑩實(shí)驗(yàn)完畢后，退出系統(tǒng)，關(guān)電源，并整理好儀器及附件。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要注意，在實(shí)驗(yàn)前需要對(duì)試件進(jìn)行熱平衡以消除前一組實(shí)驗(yàn)過(guò)程對(duì)試件造成的熱不均勻性，以免對(duì)實(shí)驗(yàn)效果產(chǎn)生不利影響。

3 實(shí)驗(yàn)裝置

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置總體構(gòu)成

基于本文的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，構(gòu)建了以含損傷結(jié)構(gòu)為對(duì)象的脈沖渦流紅外熱像實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，如圖2 所示。該實(shí)驗(yàn)裝置主要由紅外熱像儀、計(jì)算機(jī)、試件、脈沖渦流熱激勵(lì)設(shè)備三部分組成。在進(jìn)行熱激勵(lì)方式對(duì)比實(shí)驗(yàn)時(shí)，直接將脈沖渦流熱激勵(lì)設(shè)備更換為其他激勵(lì)設(shè)備即可。

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

3.2 實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)中使用廣州颯特公司生產(chǎn)的HY6850 非制冷焦平面紅外熱像儀(見圖2)，該儀器能夠?qū)崿F(xiàn)－10 ～800℃范圍內(nèi)的高精度紅外視頻拍攝，主要特點(diǎn)如下:獲取數(shù)據(jù)的最大幀速為25 幀/s，溫度分辨率為0.08℃，空間分辨率可達(dá)1.3 mrad，可以與計(jì)算機(jī)連接實(shí)現(xiàn)各種基本操作。本實(shí)驗(yàn)將熱像儀與電腦連接，利用熱像儀自帶軟件在計(jì)算機(jī)屏幕顯示熱像儀的視野，可以減少眼睛勞累，便于實(shí)現(xiàn)初步操作與數(shù)據(jù)存取。而熱激勵(lì)設(shè)備主要應(yīng)用圖中所示美國(guó)Ambrell 公司的EasyHeat 電磁感應(yīng)加熱系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)導(dǎo)電物體的非接觸、可重復(fù)式快速加熱。此外，為了方便進(jìn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，加熱設(shè)備還包括電吹風(fēng)等熱激勵(lì)設(shè)備。

3.3 實(shí)驗(yàn)用試件

實(shí)驗(yàn)中測(cè)試試件主要包括鐵磁性金屬材料、非鐵磁性金屬材料和碳纖維復(fù)合材料三類，圖3 ～5 給出了部分試件的實(shí)物圖片。其中鐵磁性材料試件主要是碳鋼材料的平板試件(見圖3)，試件上預(yù)制了通孔、盲孔和裂紋三類缺陷;非鐵磁性材料主要是銅質(zhì)圓管(見圖4)，試件上預(yù)制了不同直徑的通孔和盲孔。碳纖維材料試件上的缺陷類型為沖擊損傷(見圖5)。

圖3 鐵磁性金屬平板試件(含通孔、裂紋和盲孔缺陷)

圖4 非鐵磁性金屬圓管試件(含通孔和盲孔缺陷)

圖5 碳纖維復(fù)合材料試件

4 實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果分析

4.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及要求

每組學(xué)生完成全部實(shí)驗(yàn)后得到一定時(shí)間范圍內(nèi)的紅外熱圖序列(紅外視頻)作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果，該結(jié)果主要包括圖像和溫度兩方面內(nèi)容，均可以作為判斷損傷是否存在和具體部位的依據(jù)。學(xué)生需要對(duì)全部實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行如下分析工作:①針對(duì)任一實(shí)驗(yàn)試件，不同熱激勵(lì)方式下的紅外熱像最佳檢測(cè)結(jié)果對(duì)比(分別從圖像和溫度角度進(jìn)行);②針對(duì)任一實(shí)驗(yàn)試件，分析得到不同熱激勵(lì)方式的最佳檢測(cè)參數(shù)設(shè)置(分別從圖像和溫度角度進(jìn)行);③針對(duì)脈沖渦流紅外熱像檢測(cè)技術(shù)，結(jié)合電磁感應(yīng)機(jī)理，深入分析鐵磁性材料、非鐵磁性材料和碳纖維復(fù)合材料的檢測(cè)參數(shù)差異;④從紅外熱圖的質(zhì)量角度入手，分析紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)質(zhì)量的影響因素以及圖像噪聲的來(lái)源。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

因篇幅所限，圖6 僅給出脈沖渦流熱激勵(lì)條件下紅外熱像檢測(cè)的部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析可以發(fā)現(xiàn):

(1)在脈沖渦流熱激勵(lì)條件下，試件上的多個(gè)不同類型的缺陷能夠?qū)崿F(xiàn)同時(shí)檢測(cè)，而且檢測(cè)結(jié)果在圖像清晰度方面遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)彌散性熱激勵(lì)方式，因此能夠?qū)崿F(xiàn)不同熱激勵(lì)方式下紅外熱像檢測(cè)效果對(duì)比的實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

(2)應(yīng)用脈沖渦流作為熱激勵(lì)方式時(shí)，加熱時(shí)間只需毫秒級(jí)別即可獲得良好的檢測(cè)效果(如鋼板只需20 ms 左右)，遠(yuǎn)小于其他傳統(tǒng)熱激勵(lì)方式，因此可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明脈沖渦流熱激勵(lì)方式下紅外熱像技術(shù)在檢測(cè)效率方面的優(yōu)勢(shì)。

圖6 部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果

(3)激勵(lì)電流流動(dòng)方向和電流大小對(duì)于缺陷檢測(cè)效果有較大影響，通過(guò)參數(shù)的優(yōu)化組合能夠有效提高檢測(cè)效果和檢測(cè)效率。特別是纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的導(dǎo)電性在不同方向具有較大差異，更是對(duì)激勵(lì)電流的方向和大小參數(shù)極為敏感。因此通過(guò)本實(shí)驗(yàn)，能夠幫助學(xué)生理解脈沖渦流熱激勵(lì)方式通過(guò)電磁感應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)試件溫度變化的機(jī)制，同時(shí)為學(xué)生探尋最優(yōu)檢測(cè)參數(shù)提供了實(shí)驗(yàn)條件。

(4)鐵磁性材料和非鐵磁材料的最優(yōu)檢測(cè)參數(shù)有很大差別，主要體現(xiàn)在熱激勵(lì)持續(xù)時(shí)間和激勵(lì)電流的選擇。由于復(fù)合材料導(dǎo)電性在不同方向上有很大差異，因此檢測(cè)結(jié)果包含大量復(fù)合材料編織紋路的圖像成分，因此復(fù)合材料的最優(yōu)檢測(cè)參數(shù)與其他兩種材料相比有著更大不同。因此，實(shí)驗(yàn)為培養(yǎng)學(xué)生掌握針對(duì)不同類型材料進(jìn)行紅外熱像無(wú)損檢測(cè)的能力提供了良好的鍛煉機(jī)會(huì)。

(5)學(xué)生還可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得的紅外熱圖，在溫度信息、圖像處理等方面開展進(jìn)一步深入的分析，從而為進(jìn)一步開展脈沖渦流紅外熱像技術(shù)的數(shù)值模擬、基于圖像處理技術(shù)的缺陷自動(dòng)識(shí)別和定位等方面，進(jìn)行相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)研究工作。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文以脈沖渦流熱激勵(lì)條件下紅外熱像技術(shù)為對(duì)象，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了面向結(jié)構(gòu)表面缺陷的無(wú)損檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程中充分考慮缺陷類型、檢測(cè)對(duì)象等多種因素的影響，并將脈沖渦流與其他熱激勵(lì)方式進(jìn)行對(duì)比。教學(xué)實(shí)踐結(jié)果表明，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不僅能夠幫助學(xué)生深入理解脈沖渦流熱激勵(lì)下紅外熱像無(wú)損檢測(cè)的機(jī)理，同時(shí)還可以培養(yǎng)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)自主探索掌握不同材料試件的最優(yōu)檢測(cè)參數(shù)設(shè)置方法，從而促進(jìn)他們真正掌握脈沖渦流紅外熱成像這一先進(jìn)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。因此，本實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)與相應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)現(xiàn)，從實(shí)踐教學(xué)手段角度實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)外最新研究成果與“安全監(jiān)測(cè)與監(jiān)控”課程相關(guān)教學(xué)內(nèi)容的有機(jī)融合，從而為我校安全科學(xué)與工程學(xué)科高素質(zhì)研究生培養(yǎng)支撐平臺(tái)建設(shè)提供了有益的參考。

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