渦流熱像無損檢測技術(shù)綜述

馮輔周， 朱俊臻， 閔慶旭， 徐 超

(1. 南昌航空大學無損檢測技術(shù)教育部重點實驗室， 江西 南昌 330063; 2. 裝甲兵工程學院機械工程系， 北京 100072)

渦流熱像無損檢測技術(shù)綜述

馮輔周1,2， 朱俊臻2， 閔慶旭2， 徐 超2

(1. 南昌航空大學無損檢測技術(shù)教育部重點實驗室， 江西 南昌 330063; 2. 裝甲兵工程學院機械工程系， 北京 100072)

渦流熱像技術(shù)是一種將渦流檢測和熱像技術(shù)相互結(jié)合的新型無損檢測技術(shù)，兼具有渦流技術(shù)亞表面探傷和熱像技術(shù)快速、直觀的雙重優(yōu)勢。在簡要介紹渦流熱像無損檢測技術(shù)工作原理、系統(tǒng)組成和主流分類的基礎(chǔ)上，歸納總結(jié)了國內(nèi)外關(guān)于渦流熱像技術(shù)的研究熱點及其工程應(yīng)用，最后總結(jié)并探討了其未來發(fā)展方向。

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測； 無損檢測； 渦流熱像； 缺陷檢測

隨著國防基礎(chǔ)設(shè)施和軍事裝備的快速發(fā)展，其重要結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)控和缺陷檢測日趨重要，如高鐵軌道、橋梁支架、輪船殼體、飛機蒙皮和裝甲車輛底盤的疲勞裂紋及腐蝕等缺陷的檢測。在評估這些缺陷的方法中，無損檢測評估是應(yīng)用最廣泛也是最受歡迎的方法之一，其主要分為傳統(tǒng)無損檢測和新型無損檢測2大類。傳統(tǒng)無損檢測評估(如X射線、超聲、聲發(fā)射、染料滲透、微波、渦流、磁粉等)技術(shù)已經(jīng)非常成熟，但普遍存在著靈敏度低、速度緩慢、自動化程度不高等問題，并且對檢測人員的專業(yè)素養(yǎng)依賴程度比較高，從而導致缺陷檢測存在一定的主觀性[1-3]。作為新型無損檢測技術(shù)之一的主動熱像技術(shù)(如渦流熱像技術(shù)[4-7]和超聲熱像技術(shù)[8-11])，具有檢測速度快、檢測面積大和自動化程度高等優(yōu)勢，有潛力拓展傳統(tǒng)檢測技術(shù)的能力范圍，其中渦流熱像技術(shù)是一種結(jié)合渦流檢測和熱像技術(shù)的新型無損檢測技術(shù)，兼具有渦流技術(shù)亞表面探傷和熱像技術(shù)快速、直觀的雙重優(yōu)勢，已經(jīng)成功應(yīng)用于橋梁、飛機、高鐵和裝甲車輛等關(guān)鍵部件健康管理與檢測，不失為針對服役部件中自然缺陷、復合缺陷和埋藏缺陷檢測的一種有效檢測手段。

1 渦流熱像技術(shù)簡介

渦流熱像技術(shù)是一種混合成像技術(shù)，它是將電磁生熱和瞬態(tài)紅外熱成像相互結(jié)合，從而在相對較大區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)快速有效的缺陷檢測和材料特征提取[4-7]。渦流熱像技術(shù)的缺陷檢測原理如圖1所示，當在線圈內(nèi)部通入高頻交流電流時，在被測導體內(nèi)部會相應(yīng)產(chǎn)生感應(yīng)電流(渦流)，并在電導體表面形成一個集膚電流層，被測對象中的缺陷區(qū)域一般呈現(xiàn)出高阻態(tài)，繼而引起集膚電流路徑沿著缺陷周圍擴展[4-5]，該缺陷周圍電流密度的變化會引起局部區(qū)域的焦耳生熱增加或減小，變化的熱信號被熱像儀捕捉，再由采集終端經(jīng)過處理后，最終實現(xiàn)缺陷的檢測。此外，熱像儀記錄的圖像數(shù)據(jù)還可以進一步通過數(shù)據(jù)處理方法提取在被測對象內(nèi)部缺陷的定量信息，實現(xiàn)亞表面缺陷的定量檢測。

圖1 渦流熱像技術(shù)的缺陷檢測原理

相比傳統(tǒng)渦流檢測技術(shù)，渦流熱像技術(shù)具有以下優(yōu)勢[12]：1)采用紅外熱像測量物體表面的溫度時，無需接觸被檢測對象；2)與磁場傳感器相比，紅外熱像具有更高的分辨率；3)檢測效率高，可以在較短的時間內(nèi)檢測較大的范圍；4)熱像結(jié)果直觀明了。

從紅外熱像的角度來看，渦流熱像技術(shù)是紅外熱像檢測技術(shù)的一類，與其他紅外熱像技術(shù)相比，其主要特點是[12]：1)只適用于檢測導電材料；2)渦流加熱通過電磁感應(yīng)加熱，不受表面狀態(tài)的影響；3)感應(yīng)渦流可以直接加熱物體內(nèi)部(集膚深度范圍內(nèi))，在此基礎(chǔ)上，熱量還可以通過熱傳導進一步擴展，因此檢測面積和深度更大；4)表面缺陷可以直接影響渦流場的分布，因此對表面微缺陷的檢測效果更好；5)表面溫度變化對電導、熱導、磁導和材料厚度等參數(shù)敏感，因此可評估更多的參數(shù)。

此外，與其他常規(guī)無損檢測技術(shù)相比，渦流熱像技術(shù)還具有以下優(yōu)勢[12]：1)與X射線檢測技術(shù)相比，安全系數(shù)高；2)與超聲檢測技術(shù)相比，無需任何耦合劑，可實現(xiàn)非接觸檢測；3)與聲發(fā)射檢測技術(shù)相比，熱成像結(jié)果清晰直觀，便于分析；4)與染料滲透法和磁粉法相比，操作簡單。

1.1 渦流熱像系統(tǒng)組成

典型的渦流熱像系統(tǒng)如圖2所示，主要由高頻信號發(fā)生器、感應(yīng)激勵電源、線圈、熱像儀和數(shù)據(jù)處理終端組成[13]。高頻信號發(fā)生器將所需要的激勵信號類型、頻率和時間輸入到感應(yīng)激勵電源。感應(yīng)激勵電源按照信號發(fā)生器輸入的信號將高頻電流送入線圈，現(xiàn)今普遍使用的感應(yīng)激勵電源是美國Ameritherm公司生產(chǎn)的EASYHEAT系列，其可選功率范圍為2～10kW，電流范圍為400～600A，激勵頻率為150～400kHz。激勵線圈的選取也是影響缺陷檢測的主要因素，這是由于線圈的形狀決定其周圍磁場分布，繼而影響加熱的均勻性，其中亥姆霍茲線圈因能產(chǎn)生相對均勻的磁場而得到廣泛應(yīng)用。熱像儀是渦流熱像系統(tǒng)中最關(guān)鍵也是成本最高的部件，目前有很多熱像儀可以選擇，如FLIR公司的ThermaCAM和ThermoVision系列、NEC Avio公司的TH系列以及Testo公司的Testo系列等，其中，F(xiàn)LIR公司的高端熱像儀ThermaCAM-SC7000在科研中使用最為廣泛，其具有320×256的InSb紅外探測陣列，可測波長為1.5～5μm，測量精度為±1 ℃，噪聲等效溫差<20mK，最大全幀采集頻率可達380Hz[14]。

圖2 典型渦流熱像系統(tǒng)

1.2 渦流熱像技術(shù)的分類

渦流熱像技術(shù)的激勵源可以采用脈沖和調(diào)制2種方式加載，因此基于不同的激勵源，渦流熱像技術(shù)可以分為渦流脈沖熱像技術(shù)和渦流鎖相熱像技術(shù)，如圖3所示。渦流脈沖熱像技術(shù)采用脈沖式加熱，提取被測試件表面瞬時溫度的變化信息，其優(yōu)點是檢測速度快、頻率信息豐富；渦流鎖相熱像技術(shù)利用周期性加熱方式獲得穩(wěn)態(tài)溫度信息，檢測時間相對較長，但具有加熱能量低和深度反演重構(gòu)簡單等優(yōu)點。如果將渦流脈沖熱像技術(shù)的激勵方式與渦流鎖相熱像技術(shù)的數(shù)據(jù)處理方式相結(jié)合，就可得到渦流脈沖相位熱像技術(shù)，一方面可以得到脈沖激勵帶來的豐富頻譜信息；另一方面可以利用相位信息抑制加熱不均勻、表面形狀復雜和表面熱輻射系數(shù)變化等諸多因素帶來的負面影響。

圖3 渦流熱像檢測技術(shù)按激勵源類型的分類

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

對于渦流熱像技術(shù)，國外研究相對比較深入，從最早德國MTU航空發(fā)動機公司研發(fā)渦流熱像檢測系統(tǒng)并實現(xiàn)對金屬壓縮機葉片中表面裂紋的檢測，到英國、奧地利、加拿大等國的研究機構(gòu)針對特定被檢測對象開發(fā)出渦流鎖相熱像系統(tǒng)和渦流脈沖熱像系統(tǒng)，目前國外已將渦流熱像技術(shù)廣泛應(yīng)用于諸多行業(yè)(如航空、高鐵、橋梁、管道等)中不同材料和不同結(jié)構(gòu)的各類缺陷檢測；國內(nèi)對該技術(shù)的研究仍處于穩(wěn)步發(fā)展階段，主要研究單位有南京航空航天大學、國防科學技術(shù)大學和電子科技大學等，大部分工作是對國外研究成果的重現(xiàn)和論證，創(chuàng)新性研究亟待提高。

由渦流熱像技術(shù)的工作原理可知：影響其檢測性能的主要因素包括渦流生熱、缺陷重構(gòu)、數(shù)據(jù)處理和檢出概率。對這些影響因素的分析需要涉及深入的理論研究和復雜的數(shù)學模型，因此引起各國學者關(guān)注。筆者通過對國內(nèi)外渦流熱像技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀進行跟蹤分析，分別對渦流熱像技術(shù)的仿真與實驗和工程應(yīng)用2個主要方面進行論述。

2.1 仿真與實驗

2.1.1 渦流生熱的影響因素

1)集膚深度

2006年，Oswald-Tranta[15]首次利用有限元建模方法模擬了金屬材料中渦流的分布并研究了在不同集膚深度下裂紋周圍的溫度分布情況，結(jié)果顯示：當集膚深度和裂紋長度相近時，裂紋頂端的溫度要比邊緣的溫度高；當集膚深度遠遠小于裂紋長度時，裂紋邊緣的溫度要比頂端的溫度高。圖4為在加熱0.01s后，長度為1mm的開口裂紋溫度分布情況[15]。

圖4 在加熱0.01 s后，長度為1 mm的開口裂紋溫度分布情況

2)裂紋形狀

在對集膚深度進行研究的基礎(chǔ)上，Walle等[16]對鋼材料中的開口裂紋缺陷進行了理論與實驗研究，討論了裂紋長度、深度及傾角對檢測結(jié)果的影響，研究結(jié)果表明：當裂紋深度小于集膚深度時，裂紋信號與缺陷深度之間存在線性關(guān)系；當裂紋深度大于集膚深度時，實驗結(jié)果就會出現(xiàn)熱飽和現(xiàn)象，這是由于理論模型假設(shè)裂紋長度無限，而實驗中的裂紋長度卻是有限的，因此熱量就會繞過裂紋兩端進行橫向傳遞；此外，當感應(yīng)渦流的方向和裂紋方向垂直時，裂紋信號與鄰近區(qū)域的對比效果最佳。

3)峰值頻率

Krishnamurthy等[17]探討了渦流激勵的峰值頻率，利用COMSOL Multiphysics軟件對軸對稱鋁板試件建立有限元模型并進行仿真實驗，研究了在不同厚度和電導率情況下的峰值頻率和試件的溫度響應(yīng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在被測對象厚度給定的情況下，峰值頻率可以使溫升達到最大。

4)線圈形狀

線圈形狀會影響被測對象內(nèi)部的渦流分布，繼而改變焦耳生熱后的溫度分布，同時溫度梯度分布也會受到線圈形狀的影響。除了常見的圓形線圈[18]，Tsopelas等[19]還研究了方形線圈、扁平圓線圈和扁平方線圈，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：當線圈與被測對象之間的距離為最佳距離時，即等于圓形線圈直徑的1/4或方形線圈邊長的1/4時，上述線圈對裂紋的檢測具有相似的效率；然而，當線圈和被測對象十分接近時(1mm左右)，4種線圈的檢測效率都明顯降低，相對而言，扁平線圈性能較好。因此，在檢測條件允許的情況下，盡量不要將線圈過于靠近被測對象。

綜上可知：針對影響缺陷區(qū)域生熱的因素分析相對比較全面深入，但如何在此基礎(chǔ)上進一步確定各激勵因素(參數(shù))的范圍而盡可能使缺陷區(qū)域的生熱最大化，是待解決的一個問題。

2.1.2 缺陷重構(gòu)

目前，基于渦流熱像技術(shù)的缺陷重構(gòu)研究都是在其他熱像檢測技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。Biju等[20]提出了一種反演分析方法來確定鋁板試件中平底孔缺陷(模擬腐蝕缺陷)的尺寸和深度，并進行了驗證。這種對熱像數(shù)據(jù)進行反向分析的方法基于遺傳算法，通過有限元仿真模型獲取溫度數(shù)據(jù)，再利用這些數(shù)據(jù)進行缺陷尺寸和深度的重構(gòu)，主要分析了2類不同半徑的缺陷：1)缺陷半徑大于線圈內(nèi)徑；2)缺陷半徑小于線圈內(nèi)徑。反演分析結(jié)果表明：更小的線圈尺寸可以提高缺陷的重構(gòu)準確度，但會明顯降低檢測速度，這就需要考慮在兩者之間進行折中。此外，Riegert等[21]還利用渦流鎖相熱像技術(shù)對鋁板試件中不同平底孔缺陷的深度進行重構(gòu)，實驗結(jié)果表明：在渦流頻率不變的情況下，渦流鎖相熱像的檢測深度與鎖相頻率呈反比關(guān)系，鎖相頻率越高，可檢測深度越小。

Abidin等[22]利用渦流脈沖熱像技術(shù)研究了鋁材料中傾斜裂紋的深度、角度與溫度信號之間的關(guān)系，結(jié)果表明：溫度梯度和最大溫度幅值2個參數(shù)可以給出被測缺陷不同的幾何形狀尺寸，因此將兩者結(jié)合就可以得到完整的缺陷特征信息。

Ren等[23]利用熱流散度和熱信號、沖擊能量之間的關(guān)系來確定碳纖維復合材料中沖擊損傷缺陷的面積，研究結(jié)果表明：散度和缺陷區(qū)域的面積都隨著沖擊能量的增加而增大；由于渦流脈沖熱像將渦流效應(yīng)和熱傳導效應(yīng)相互結(jié)合，因此其對復雜材料的特征提取和缺陷重構(gòu)具有較好的檢測效果。

通過上述討論可知：針對普通裂紋、分層、沖擊損傷等常見缺陷的重構(gòu)研究較多，但是對于具有復雜結(jié)構(gòu)的自然缺陷，由于試件的獲取和制備比較困難，其重構(gòu)研究還較少。

2.1.3 數(shù)據(jù)處理

對熱像信號的數(shù)據(jù)處理是缺陷檢測與識別過程中最關(guān)鍵的步驟。Zenzinger等[7]利用渦流熱像開展了復雜結(jié)構(gòu)件(如渦輪葉片、壓縮機葉片等)的裂紋檢測研究，采用相位圖替代溫度圖來提高微小缺陷的檢測靈敏度，結(jié)果表明：仿真計算和線圈形狀將對渦流熱像未來應(yīng)用的范圍起到至關(guān)重要的作用。

為了提高對模糊裂紋位置和形狀的識別能力，并減小檢測的次數(shù)和提高裂紋的檢出概率，Tsopelas等[24-25]還進一步對比了不同的數(shù)據(jù)處理方法對原始檢測結(jié)果的優(yōu)化效果，采用減背景法、溫度的空間導數(shù)范數(shù)和離散傅里葉變換(相位圖)3種數(shù)據(jù)處理方法，分別對處于不同位置的6個裂紋產(chǎn)生的熱信號進行了相應(yīng)的處理操作，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：采用合理的數(shù)據(jù)處理方法能夠明顯提高裂紋的檢測能力，但各方法存在一定的差異，減背景法對環(huán)境噪聲有一定的抑制作用，多用于對原始數(shù)據(jù)進行預(yù)處理；溫度的空間導數(shù)范數(shù)提高了裂紋方向與熱流方向垂直時的檢測能力；而離散傅里葉變換(相位圖)對裂紋方向與渦流方向或熱流方向任一垂直時都表現(xiàn)出良好的檢測能力，因此其具有更好的適用性。

目前，應(yīng)用于渦流熱像技術(shù)的數(shù)據(jù)處理方法大部分都是借鑒光激勵熱像的處理算法，如何將前沿的數(shù)據(jù)處理算法與渦流熱像技術(shù)本身的特點相互結(jié)合，實現(xiàn)熱像數(shù)據(jù)的降噪和缺陷參數(shù)提取與自動識別，是渦流熱像技術(shù)走向工程應(yīng)用的研究重點。

2.1.4 缺陷的檢出概率

雖然關(guān)于渦流熱像各研究方向的文獻非常豐富，但是很少有學者關(guān)注渦流熱像的檢出概率(Probability Of Detectionm,POD)研究，僅Weekes等[26]對檢出概率進行了探討研究，試圖建立裂紋的檢出概率與裂紋長度之間的函數(shù)：在鋼、鈦和鉻鎳合金材料中的疲勞裂紋長度首先由所采用的圖像處理方法定量確定；然后，將定量檢測數(shù)據(jù)代入到一個累積對數(shù)正態(tài)檢出概率模型中，估計疲勞裂紋的檢測概率，并將檢測概率作為關(guān)于裂紋長度的函數(shù)。結(jié)果表明：在鋼、鈦和鎳基合金中，a90.95(即具有95%置信度時可被檢測概率為90%的裂紋長度)對應(yīng)的3種材料裂紋長度分別為0.06、0.78、1.50mm，這顯示出渦流熱像是一種高靈敏度的檢測方法；并且渦流熱像POD數(shù)據(jù)與其他無損檢測研究中的POD數(shù)據(jù)[1, 2, 27-29]的對比結(jié)果顯示出渦流熱像對亞毫米級裂紋具有更高的靈敏度。

2.2 工程應(yīng)用

1)鋼材料中的缺陷檢測

Noethen等[30]利用渦流熱像技術(shù)對連續(xù)澆鑄得到的鐵素體和奧氏體半成品鋼試件進行質(zhì)量與缺陷檢測，被測鋼件按一定的控制速度從線圈中間穿過，其創(chuàng)新之處在于：將一層蒸餾水薄膜覆蓋在被測試件表面，水膜使被氧化表面的熱輻射系數(shù)趨于均勻，這樣在試件中的缺陷就更容易被實驗裝置檢測，繼而可以進一步實現(xiàn)缺陷的自動識別。

Tian的團隊[31]利用渦流脈沖熱像技術(shù)對結(jié)構(gòu)鋼材料中腐蝕缺陷的檢測進行了研究，重點研究了由腐蝕引起的材料內(nèi)部電導率、磁導率、熱導率、熱容等變化及其對熱成像的影響，主要包括對S275型結(jié)構(gòu)鋼表面熱像的實驗研究和分析，結(jié)果表明該技術(shù)對腐蝕缺陷檢測和特征提取有效；此外，他們還討論了缺陷深度和尖端效應(yīng)對脈沖渦流熱像技術(shù)的影響[32]，研究了基于渦流脈沖熱像技術(shù)的缺陷特征自動提取、應(yīng)力測試和多參數(shù)掃描等內(nèi)容，并且得到成功的應(yīng)用[33-35]。

2)混凝土材料中鋼筋缺陷的檢測

Chen等[36]將渦流熱像技術(shù)應(yīng)用到混凝土材料中的鋼筋結(jié)構(gòu)缺陷檢測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：利用渦流熱像技術(shù)可以檢測出混凝土材料中鋼筋結(jié)構(gòu)的走向和分布情況，并且對材料中鋼筋的常見缺陷(如疲勞裂紋、腐蝕、沖擊損傷等)具有良好的檢測效果。

3)鋼軌滾動疲勞損傷的檢測

鋼軌踏面的滾動疲勞損傷是進一步發(fā)展成為踏面傾斜裂紋的最主要因素之一，對鐵路運輸?shù)陌踩跃哂蟹浅４蟮碾[患。Yang等[37]針對傳統(tǒng)渦流無損檢測方法對平行于感應(yīng)線圈的裂紋和自然傾斜裂紋檢測困難這一問題，利用由渦流感應(yīng)引起的側(cè)向熱傳導實現(xiàn)了對上述缺陷的檢測，通過仿真和實驗研究發(fā)現(xiàn)：由于側(cè)向熱傳導在確定方向上存在明顯的溫度梯度，因此利用空間導數(shù)和梯度可以提高熱像圖中的缺陷可檢測程度。Peng等[38]利用能夠產(chǎn)生均勻磁場的亥姆霍茲線圈檢測鋼軌中不同角度和深度的滾動疲勞損傷，如圖5所示，結(jié)果表明：對于傾角固定的凹槽(模擬滾動疲勞損傷)，其深度越大，溫度變化越大；對于深度固定的凹槽，其傾角越大，溫度梯度變化越明顯。此外，Peng等[39]還將亥姆霍茲線圈的仿真、實驗檢測結(jié)果和線型線圈的檢測結(jié)果進行了對比分析，結(jié)果表明：亥姆霍茲線圈具有更廣闊和穩(wěn)定的檢測面積。在上述研究基礎(chǔ)上，Gao等[39]進一步利用漏磁檢測和渦流脈沖熱像檢測2種方法，分析了滾動疲勞損傷型裂紋群的檢測和可視化，通過仿真和實驗對裂紋群的可視化檢測能力和特征提取進行驗證和比較，結(jié)果顯示：通過三維磁場成像，漏磁檢測可以反映表面形狀和多裂紋的方向，但由于受傳感器陣列空間分辨率的限制，其不能評估裂紋群的深度和細致反映裂紋群的表面形狀；而渦流脈沖熱像技術(shù)利用熱像圖對裂紋群細節(jié)顯示出更好的可視化能力，并且熱像圖序列具有豐富的瞬態(tài)和模式信息，可用來進一步評估裂紋群的幾何特征。

圖5 鋼軌踏面的滾動疲勞損傷缺陷[38]

4)碳纖維復合材料中的缺陷檢測

除了在上述金屬材料中的缺陷檢測應(yīng)用，渦流熱像技術(shù)近年來還廣泛應(yīng)用于碳纖維復合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastics，CFRP)中的缺陷檢測。Ramdane等[40]依據(jù)殼單元結(jié)構(gòu)[41]建立了3維有限元模型，該模型將材料的各向異性和非線性考慮在內(nèi)，有助于優(yōu)化缺陷的檢測和特征提?。淮送?，他們還研究了激勵時間、激勵頻率和缺陷尺寸對檢測結(jié)果的影響。

2011年，Cheng等[42]將渦流脈沖熱像技術(shù)首次用于CFRP材料中貫穿開口裂紋缺陷的檢測，研究了線圈位置與沿纖維方向的缺陷之間的關(guān)系。此外，Cheng等[43]利用渦流脈沖熱像技術(shù)實現(xiàn)了對CFRP材料中3種常見缺陷(裂紋、沖擊損傷和分層)的特征分類，主要利用主成分分析法，根據(jù)不同的生熱模式和瞬態(tài)溫度響應(yīng)定位缺陷和研究物理屬性演化，給出了電導率與熱導率分布和沖擊能量之間的關(guān)系：在沖擊區(qū)域(未產(chǎn)生表面裂紋)，電導率隨著沖擊能量的增加而降低，而熱導率的變化恰好相反。

針對CFRP材料中分層缺陷的檢測，Cheng等[44]還將渦流脈沖熱像技術(shù)與其他無損檢測技術(shù)(如超聲、光脈沖熱像)進行了對比，結(jié)果表明：相比渦流脈沖熱像技術(shù)，超聲檢測對缺陷深度的評估具備優(yōu)勢，而光脈沖熱像檢測側(cè)重于在試件厚度方向上獲取熱傳導信息；但渦流脈沖熱像技術(shù)在碳纖維的方向評估中表現(xiàn)出良好的性能。總的來說，渦流脈沖熱像技術(shù)是CFRP材料中分層缺陷檢測的一種可行替代方法。

5)復合材料中的應(yīng)力檢測

Colombo等[45]利用渦流熱像技術(shù)對玄武巖纖維復合材料在靜態(tài)及動態(tài)應(yīng)力條件下的熱力學特性進行了深入研究，并得到了溫度變化與應(yīng)力之間的對應(yīng)關(guān)系。在靜態(tài)應(yīng)力測試中，起初觀察到溫度的持續(xù)降低，然后在試件斷裂前溫度有小幅增加，在動態(tài)應(yīng)力測試中，將采集到的熱彈性數(shù)據(jù)作為累積損傷的一種評估手段，實驗結(jié)果表明：熱響應(yīng)信號的增加確實可以表征機械特性的變化和局部累積損傷。

6)黏結(jié)結(jié)構(gòu)的檢測

黏結(jié)結(jié)構(gòu)具有良好的載荷均勻性和應(yīng)用便捷性，其正在逐步替代航空領(lǐng)域的焊接和鉚接結(jié)構(gòu)。Riegert等[46]利用渦流鎖相熱像技術(shù)對黏結(jié)結(jié)構(gòu)中脫黏缺陷進行了檢測，結(jié)果表明：脫黏缺陷的存在阻礙了被測對象內(nèi)部的熱傳導，在獲得的相位圖中，缺陷周圍的相位具有較大的差異，據(jù)此可以識別出脫黏缺陷。

7)印制電路板的檢測

Bohm等[47]利用渦流鎖相熱像技術(shù)開展了對印制電路板的檢測，結(jié)果表明：在不同鎖相頻率下記錄的熱像數(shù)據(jù)經(jīng)過傅里葉變換后得到相位圖，既可以發(fā)現(xiàn)導電組件中的表面缺陷，又可以發(fā)現(xiàn)印制電路板層間的分層缺陷、焊接點的虛焊以及結(jié)合結(jié)構(gòu)中的脫黏缺陷。

綜上所述，渦流熱像技術(shù)在工程實踐中的應(yīng)用已比較廣泛，涉及到有關(guān)國民和國防建設(shè)的各個領(lǐng)域，但就目前來看，與傳統(tǒng)無損檢測技術(shù)相比，其應(yīng)用范圍還較小，如何提高其設(shè)備集成化程度、實用性和自動化檢測能力，是該技術(shù)更好服務(wù)于工程實踐的關(guān)鍵。

3 總結(jié)與展望

目前，研究者已經(jīng)對渦流熱像技術(shù)所適用的材料類型、結(jié)構(gòu)類型、檢測場合與時機等方面開展了大量研究工作并取得了顯著的成果，明確了渦流熱像技術(shù)作為一種新型無損檢測技術(shù)來補充或替代傳統(tǒng)無損檢測技術(shù)的可行性與實用性。通過對相關(guān)文獻的歸納總結(jié)，筆者認為未來渦流熱像技術(shù)還需要在以下方面開展深度研究：

1)激勵參數(shù)優(yōu)化。激勵時間、激勵頻率及強度等參數(shù)是影響缺陷區(qū)域生熱的重要因素，但是缺陷區(qū)域生熱并不是和每一參數(shù)之間都存在相互獨立的關(guān)系，而是與各參數(shù)之間存在復雜的耦合關(guān)系，如何確定各激勵參數(shù)的范圍，盡可能最大化缺陷區(qū)域熱響應(yīng)，也是待解決的一個核心問題。

2)特定缺陷的生熱機理研究。目前，針對常見缺陷(如普通裂紋[4, 7, 15, 16, 26, 30, 37, 42]、分層[40, 43, 44]、沖擊損傷[23, 43]等)的生熱機理已有大量研究者進行了研究分析，但是對于一些具有復雜結(jié)構(gòu)的自然缺陷(如裂紋群[39]、空隙等)，由于試件的獲取比較困難，針對它們的研究還比較少。

3)建立缺陷的嚴重程度與材料熱擴散系數(shù)之間的定量關(guān)系。將熱擴散系數(shù)替代溫度響應(yīng)信號作為缺陷嚴重程度的表征，可以降低噪聲干擾和溫度重復檢測的不一致性。相比于其他熱像技術(shù)，渦流熱像技術(shù)雖然局限于對導電材料進行缺陷的檢測，但該技術(shù)的優(yōu)勢是檢測速度非常迅速、生熱效果明顯，因此可以利用該技術(shù)快速測得試件各處的熱擴散系數(shù)。

4)前沿數(shù)據(jù)處理算法的研究。如何將最新的數(shù)學算法(如矩陣分解[48]、Coons曲面[49]等)應(yīng)用于熱像數(shù)據(jù)的降噪和缺陷參數(shù)提取與自動識別，也是未來渦流熱像技術(shù)更好地走向工程應(yīng)用的必要條件。

5)檢出概率評估。在特定檢測方案下，裂紋檢出概率是衡量不同尺寸裂紋可檢測性的根本方法，是保證結(jié)論可靠性的重要指標。未來的目標是如何利用數(shù)理統(tǒng)計方法確定不同尺寸裂紋的檢出概率曲線，建立檢測條件、裂紋參數(shù)和裂紋熱信號之間的量化關(guān)系，為評價渦流熱成像檢測中缺陷可檢測性提供量化依據(jù)。

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(責任編輯: 尚彩娟)

Review of Eddy Current Thermography Nondestructive Testing

FENG Fu-zhou1,2, ZHU Jun-zhen2, MIN Qing-xu2, XU Chao2

(1. Key laboratory of Nondestructive Testing Technology of Ministry of Education, Nanchang Hangkong University, Nanchang 330063, China; 2. Department of Mechanical Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China)

As one of the emerging nondestructive testing methods, eddy current thermography integrates eddy current testing with thermography technique, which takes advantage of both the subsurface defects detectability and fast visualization. This paper gives a brief introduction to the operating mechanism, the typical system components and main types of eddy current thermography, then summarizes the research focus and engineering applications of eddy current thermography. Finally, it presents a conclusion and the future development trend.

structural health monitoring; nondestructive testing; eddy current thermography; defects detection

2016-07-17

南昌航空大學無損檢測技術(shù)教育部重點實驗室開放基金資助項目；軍隊科研計劃項目

馮輔周(1971-)，男，教授，博士。

TN215

：ADOI：10.3969/j.issn.1672-1497.2016.06.012

1672-1497(2016)06-0060-08