紅外熱成像技術(shù)研究進(jìn)展*

顧　軒　何問慎　陸倩映　劉亞民　肖景紅

(佛山出入境檢驗(yàn)檢疫局　廣東 佛山　528000)

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紅外熱成像技術(shù)研究進(jìn)展*

顧軒何問慎陸倩映劉亞民肖景紅

(佛山出入境檢驗(yàn)檢疫局廣東 佛山528000)

摘要作為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的材料，陶瓷在制作及使用過程中極易出現(xiàn)缺陷。這些缺陷如果不能被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，將會(huì)對(duì)生產(chǎn)生活造成一定的困擾，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成災(zāi)難性后果。筆者通過對(duì)陶瓷存在的缺陷進(jìn)行分析，繼而對(duì)當(dāng)前使用較為廣泛的十二種無損檢測(cè)技術(shù)一一進(jìn)行分析；然后再對(duì)當(dāng)下紅外熱成像技術(shù)研究以及使用的情況作一介紹，主要對(duì)其原理等進(jìn)行了細(xì)致分析。

關(guān)鍵詞陶瓷無損檢測(cè)紅外熱成像技術(shù)

前言

陶瓷材料因其所具有的獨(dú)特性能，不僅在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛的使用，而且日益成為現(xiàn)代材料的3個(gè)組要部分之一?？墒牵谥谱饕约笆褂锰沾刹牧系倪^程中，或多或少都會(huì)因?yàn)楦鞣N主客觀因素導(dǎo)致陶瓷材料存在諸多缺陷。這些缺陷的存在一方面影響了陶瓷材料的有效使用，使其性能無法全部展現(xiàn)出來，另一方面也導(dǎo)致了陶瓷材料難以有效推廣使用，甚至還會(huì)造成災(zāi)難性的后果。在陶瓷工業(yè)，尤其是普通日用陶瓷以及建筑衛(wèi)生陶瓷中，如果產(chǎn)品存在表面缺陷，會(huì)對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量以及等級(jí)造成嚴(yán)重影響，也會(huì)給消費(fèi)者造成不良后果。因此，有必要對(duì)陶瓷企業(yè)所生產(chǎn)的產(chǎn)品進(jìn)行檢測(cè)?？墒牵F(xiàn)代陶瓷工業(yè)逐漸實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化，傳統(tǒng)的肉眼觀察以及敲擊法不再適應(yīng)大工業(yè)生產(chǎn)的需要。在這一背景下，一種新的檢測(cè)方式——無損檢測(cè)法應(yīng)運(yùn)而生。

無損檢測(cè)是在損害材料以及成品的狀態(tài)下完成對(duì)材料內(nèi)部以及材料表現(xiàn)檢測(cè)的手段。檢測(cè)的內(nèi)容是有無缺陷，檢測(cè)的手段是當(dāng)材料和制品存在缺陷或者異常的情況下，對(duì)聲音、光源、電磁以及熱能等的反映是不同于正常材料的。通過這種方式可以有效辨別材料的結(jié)構(gòu)是否異常以及所存在的缺陷。之所以要使用無損檢測(cè)，主要有三個(gè)目的：

1)加強(qiáng)產(chǎn)品質(zhì)量的管理工作；

2)完成對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的管理；

3)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的維護(hù)檢測(cè)。

1　陶瓷材料的缺陷

對(duì)陶瓷材料進(jìn)行的無損檢測(cè)主要是用來檢測(cè)是否存在缺陷及變形。因?yàn)樘沾僧a(chǎn)品作為一種脆性材料，楊氏模量值一般都會(huì)稍高一些，所以只要有輕微的缺陷以及變形都會(huì)產(chǎn)生非常大的機(jī)械應(yīng)力，從而導(dǎo)致陶瓷產(chǎn)品尤其是外表面遭到嚴(yán)重破壞。因此，筆者對(duì)陶瓷材料的無損檢測(cè)主要集中在缺陷檢測(cè)上面。相較于金屬以及復(fù)合材料，對(duì)陶瓷進(jìn)行缺陷檢測(cè)時(shí)，所需要的尺寸往往小1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。

按照不同的形成原因，將陶瓷缺陷主要分為以下三類：

1)制作過程中存在的缺陷。這類缺陷主要是指存在裂紋、表面落渣、氣孔以及縮釉等。而這一類的缺陷主要是在制作過程中由于操作不當(dāng)?shù)葘?dǎo)致的內(nèi)部以及表面缺陷，尤以表面缺陷最為嚴(yán)重。因?yàn)檫@不僅導(dǎo)致了制品的物理化學(xué)以及機(jī)械性能發(fā)生變化，更會(huì)造成了陶瓷外觀的嚴(yán)重質(zhì)量問題。

2)機(jī)械加工以及處理過程中導(dǎo)致的缺陷。這些缺陷的具體表現(xiàn)主要是裂紋以及邊角的缺失等。

3)使用以及保存環(huán)境導(dǎo)致的缺陷。這類缺陷的具體表現(xiàn)是裂紋類缺陷、內(nèi)部氣孔以及夾層等。而相較于前兩類缺陷，這類缺陷是最常見的。

2　陶瓷材料的無損檢測(cè)方法

通過對(duì)陶瓷材料無損檢測(cè)方法的整體考察，無損檢測(cè)方法可以分為傳統(tǒng)檢測(cè)法以及新型檢測(cè)法。

2.1傳統(tǒng)檢測(cè)法

2.1.1超聲波檢測(cè)法

這一方法又稱為UT檢測(cè)法。是通過檢測(cè)超聲波反射后形成的波形圖來檢測(cè)陶瓷材料表面以及內(nèi)部異常問題的方法。這類方法對(duì)于裂紋、分層的檢測(cè)特別有效，但是對(duì)于100 μm以下的缺陷無能為力。

2.1.2射線檢測(cè)

射線檢測(cè)主要是采用X射線、中子射線、γ射線、β射線等進(jìn)行檢測(cè)。因?yàn)檫@幾類射線具有較強(qiáng)的穿透力，將其用于對(duì)陶瓷的檢測(cè)再合適不過。通過射線檢測(cè)可以有效探測(cè)出陶瓷產(chǎn)品內(nèi)部存在的諸如氣孔、夾渣等體積型缺陷。但是射線檢測(cè)效果不佳，一般需要配合其他檢測(cè)手段來使用才能提高檢測(cè)的精度。以使用最為廣泛的X射線為例，一般可以測(cè)出750 μm的裂痕，熟練的工作人員可以檢測(cè)出150 μm的缺陷。

2.1.3滲透檢測(cè)

這一方法又叫作液體滲透檢測(cè)法。這種檢測(cè)方式使用歷史非常久遠(yuǎn)，到目前仍在使用。這種檢測(cè)方式主要是利用液體的表面張力對(duì)材料進(jìn)行檢測(cè)。首先將滲透液噴灑到陶瓷表面，陶瓷如果存在缺陷，滲透液就會(huì)殘留在缺陷中；再噴灑顯影液，這樣就會(huì)使得滲透液從缺陷中洗出來，留下痕跡。這一方式主要用于陶瓷表面的開口性缺陷。同時(shí)，檢測(cè)的精度也只能是150 μm。

2.2新型檢測(cè)方法

隨著科技的不斷發(fā)展，將以上3種傳統(tǒng)無損檢測(cè)手段結(jié)合其他技術(shù)方式，便提升了無損檢測(cè)的精度，也產(chǎn)生了新型的檢測(cè)手段:

2.2.1計(jì)算機(jī)輔助超聲檢測(cè)

這一方式首先在日本得到廣泛使用。其優(yōu)點(diǎn)在于全部自動(dòng)操作，無需人工；檢測(cè)頻率也完全由計(jì)算機(jī)來控制，檢測(cè)精度可以達(dá)到50 μm左右。大大優(yōu)化了超聲波檢測(cè)的精度。

2.2.2計(jì)算機(jī)輔助X射線斷層攝影

將計(jì)算機(jī)技術(shù)與射線檢測(cè)相結(jié)合也是目前較常使用的新型無損檢測(cè)手段。這一手段最先在加拿大以及美國(guó)使用。加拿大公司通過Co90源γ射線CT系統(tǒng)，對(duì)ZrO2、SiC等高級(jí)陶瓷材料進(jìn)行檢測(cè)，可以精確到10 μm的缺陷以及密度分布的差異。而美國(guó)公司用Iγ192射線成功檢測(cè)了5 μm的陶瓷裂紋。經(jīng)過數(shù)年的發(fā)展，該技術(shù)已經(jīng)開始在工業(yè)生產(chǎn)中使用，目前能夠精確檢測(cè)出30 μm的裂紋。但是，這一方法對(duì)于平面裂紋檢測(cè)的靈敏度不夠，又因?yàn)檫@一設(shè)備價(jià)格昂貴，不能夠在工業(yè)生產(chǎn)中得到普遍使用。

2.2.3超聲波顯微鏡法

通過使用頻率在100～1 000 Hz的超聲波并將其反射到陶瓷上面，然后對(duì)收集到的反射波加以分析，通過對(duì)其頻率以及能量的衰減來完成對(duì)陶瓷的檢測(cè)。這種檢測(cè)可以達(dá)到1～10 μm的精度，但是，目前僅僅存在于實(shí)驗(yàn)室中，無法在工業(yè)生產(chǎn)中使用；同時(shí)，這種檢測(cè)也只能完成對(duì)陶瓷表面的檢測(cè)。這兩個(gè)原因，也導(dǎo)致了其使用面不廣。

2.2.4激光掃描超聲波顯微鏡法

這一方法又被稱為SLAM法，其主要方式就是通過使用非接觸型傳感器，把反射波變成可以肉眼觀察的信息的方式。這一方式是對(duì)前面方法的改良以及提升。相較于超聲波顯微鏡法，這一方法的優(yōu)點(diǎn)在于可以實(shí)時(shí)觀察。目前，其精度能夠達(dá)到15 μm，除了可以完成表面檢測(cè)外，還能夠檢測(cè)到氣孔、點(diǎn)狀平面的缺陷。但操作較復(fù)雜，大面積推廣使用不可行。

2.2.5同步顯微聚焦X射線透視

這一方法主要是通過視頻探查設(shè)備代替底片來顯示零部件的X射線成像。與其他幾種新型手段相比較，這一方法也是傳統(tǒng)無損檢測(cè)手段結(jié)合現(xiàn)代技術(shù)得來的。其優(yōu)點(diǎn)在于系統(tǒng)是同步進(jìn)行的，即調(diào)整了X射線后，便立刻可以得到一個(gè)新的視圖。操作也比較簡(jiǎn)單，只需要對(duì)發(fā)射源的電壓進(jìn)行改變即可完成檢測(cè)。列痕的顯示方式也大大得到了提高。但是，此方法仍舊存在不適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)需要的問題。

2.2.6聲發(fā)射

這一方法也被叫做AE法。一般我們知道，當(dāng)物體尤其是固體發(fā)生變形或者斷裂的時(shí)候都會(huì)產(chǎn)生一種彈力波，聲發(fā)射技術(shù)就是通過檢測(cè)這種彈性波來達(dá)到對(duì)陶瓷檢測(cè)的。通過對(duì)陶瓷裂痕產(chǎn)生的微裂波的檢測(cè)，可以確定裂痕的位置以及裂痕的面積，甚至連裂痕產(chǎn)生的時(shí)間等都可以檢測(cè)出來。這種檢測(cè)方法的精度可以達(dá)到1～5 μm。因此，這種技術(shù)非常被人們看好，但是這種檢測(cè)手段仍然僅適用于實(shí)驗(yàn)室，無法大范圍推廣使用。

2.2.7表面聲波技術(shù)

該技術(shù)在國(guó)外被稱為SAW法。由于光具有波粒二象性，因此激光也就具有了波的特性。當(dāng)激光束照射到陶瓷表面時(shí)，會(huì)發(fā)生反射現(xiàn)象。這時(shí)，通過技術(shù)對(duì)其產(chǎn)生的超聲波進(jìn)行檢測(cè)便會(huì)確認(rèn)是否存在于表面。因?yàn)椴ㄏ噍^于光更易于觀察，可以通過波的振幅位移的幅度來完成檢測(cè)。當(dāng)然，這種檢測(cè)手段目前僅存在理論可能，實(shí)用性還有待驗(yàn)證。

2.2.8熱波成像技術(shù)

陶瓷具有較好的導(dǎo)熱性能，這一性能也可以被科學(xué)家用來完成對(duì)陶瓷的無損檢測(cè)。具體操作：通過使用可調(diào)節(jié)光源對(duì)陶瓷表面進(jìn)行加熱，再通過各類物理手段來完成對(duì)陶瓷的非接觸性溫度測(cè)量。兩次溫度比較，即可發(fā)現(xiàn)是否存在缺陷。這方式目前已在使用，但使用范圍并不廣泛。其優(yōu)點(diǎn)在于對(duì)于小裂痕有很好的敏感性。

2.2.9光學(xué)顯微鏡

該方法也被叫做光聲成像法。這一方法也是前幾種方法的變種。通過使用頻率在10～100 Hz的激光對(duì)陶瓷表面進(jìn)行掃描，陶瓷在激光照射下會(huì)產(chǎn)生一定的熱量，而這種熱量可以被微音器檢測(cè)到。這樣便完成了對(duì)陶瓷是否存在缺陷的檢測(cè)。目前，此種方式并不常用。但有些實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)成功地完成了對(duì)氮化硅的檢測(cè)，效果相當(dāng)好。因此，人們對(duì)這一檢測(cè)方法寄予厚望。

以上的各種檢測(cè)方法，各有其優(yōu)缺點(diǎn)。但都對(duì)陶瓷檢測(cè)有著重大意義。相較于傳統(tǒng)方式，新型檢測(cè)手段檢測(cè)精度更高，操作也更加簡(jiǎn)單，且能夠檢測(cè)到多種形式的缺陷，新型檢測(cè)手段的使用卻需要以傳統(tǒng)檢測(cè)手段為基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)之上結(jié)合其他技術(shù)才能夠完成，這類檢測(cè)往往需要花費(fèi)很高的代價(jià)，多數(shù)還僅能夠在實(shí)驗(yàn)室使用，無法滿足大工業(yè)生產(chǎn)的需要。

3　紅外熱成像技術(shù)在無損檢測(cè)中的應(yīng)用概況

我國(guó)作為重要的陶瓷生產(chǎn)基地，每年通過陶瓷創(chuàng)造的效益非?？捎^，必須要找到一種適應(yīng)工業(yè)化生產(chǎn)需要的無損檢測(cè)手段。近些年，我國(guó)科學(xué)家以及各地實(shí)驗(yàn)室也在加強(qiáng)無損檢測(cè)手段的研究，對(duì)這一領(lǐng)域也有著一定的研究成果。有些成果雖然并非專門為檢測(cè)陶瓷產(chǎn)品而研發(fā)的，但是因其有良好的使用性能，也就可以借鑒到陶瓷的無損檢測(cè)工作中來，正如筆者要介紹的紅外熱成像技術(shù)的無損檢測(cè)技術(shù)。這一技術(shù)最先使用在電瓷絕緣性能的檢測(cè)上面，目前開始有人研究其對(duì)陶瓷無損檢測(cè)的應(yīng)用中來。

紅外熱成像技術(shù)的全稱是計(jì)算機(jī)輔助紅外熱像儀無損檢測(cè)法，又可以被簡(jiǎn)化為紅外無損檢測(cè)或IRNDT法。最早的紅外熱成像技術(shù)是應(yīng)用于軍事當(dāng)中，主要是當(dāng)作瞄準(zhǔn)技術(shù)來發(fā)展的，后來這一技術(shù)被應(yīng)用于偵查、監(jiān)視以及制導(dǎo)等方面。而在20世紀(jì)六七十年代這一技術(shù)開始用于商業(yè)用途。

第二次世界大戰(zhàn)之后，美蘇爭(zhēng)霸使得紅外熱成像無損檢測(cè)技術(shù)得到廣泛的研究。20世紀(jì)60年代初，美國(guó)為解決固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)界面脫粘的檢測(cè)問題，從而開始對(duì)紅外熱成像技術(shù)進(jìn)行研究。很快便將這一研究成果應(yīng)用于固體火箭的發(fā)動(dòng)機(jī)上面。同一時(shí)期，前蘇聯(lián)也開始了對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的研究。從后期公布的材料來看，當(dāng)時(shí)前蘇聯(lián)的研究主要集中在非金屬材料與金屬材料、金屬與金屬材料之間的焊接質(zhì)量、蜂窩結(jié)構(gòu)等的檢測(cè)，這種技術(shù)有著優(yōu)良的效果，也使得檢測(cè)質(zhì)量得以不斷提升。其他西方國(guó)家對(duì)此技術(shù)研究也不甘示弱，紛紛在眾多領(lǐng)域開展紅外無損檢測(cè)技術(shù)的研究。

而到了20世紀(jì)80年代，紅外技術(shù)得到了廣泛的使用。在諸多行業(yè)都可以看到紅外檢測(cè)技術(shù)的身影。如在飛機(jī)生產(chǎn)中，發(fā)動(dòng)機(jī)的無損檢測(cè)利用了紅外溫度記錄技術(shù)，機(jī)翼結(jié)構(gòu)的分析以及新型材料性能以及在飛機(jī)的使用上面等都應(yīng)用到了結(jié)合計(jì)算機(jī)而使用的紅外技術(shù)，這樣對(duì)圖像以及數(shù)據(jù)分析都得到了進(jìn)一步提升。其他諸如建筑、采暖以及節(jié)能等領(lǐng)域也都開始廣泛采用紅外技術(shù)。歐洲的英國(guó)及法國(guó)在電網(wǎng)、太陽能技術(shù)以及核電設(shè)備等領(lǐng)域也開始廣泛采用紅外技術(shù)。而日本，除了在冶金爐的溫度控制方面使用外，甚至將紅外技術(shù)應(yīng)用到醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

我國(guó)使用紅外無損檢測(cè)技術(shù)的時(shí)間相較于其他國(guó)家也不晚，早在1968年便開始用紅外技術(shù)檢測(cè)金屬膠接而成的核燃料棒的粘接質(zhì)量和固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)第一、二、三界面的脫粘。但是，直到改革開放之后，我國(guó)才開始掀起對(duì)紅外無損檢測(cè)技術(shù)研究的熱潮。這也是導(dǎo)致我國(guó)在這一領(lǐng)域的落后原因。

當(dāng)下，隨著國(guó)際合作更加密切，我國(guó)對(duì)紅外無損檢測(cè)的研究已經(jīng)到達(dá)世界先進(jìn)行列，同時(shí)紅外無損檢測(cè)的實(shí)踐應(yīng)用也得到了長(zhǎng)足發(fā)展。我國(guó)紅外無損檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域也是非常廣泛的。除了應(yīng)用于航空航天技術(shù)外，還應(yīng)用于在紅外測(cè)溫、氣體分析、火車熱軸檢測(cè)、醫(yī)學(xué)診斷、熱軋成形、工業(yè)質(zhì)量控制等領(lǐng)域。

相較于其他無損檢測(cè)手段，紅外無損檢測(cè)發(fā)展的時(shí)間也就短短數(shù)十年，而應(yīng)用于實(shí)踐當(dāng)中的時(shí)間更短，但是這一技術(shù)卻產(chǎn)生了極大的效果，對(duì)提升檢測(cè)質(zhì)量有著非常好的促進(jìn)作用，也開始得到廣泛使用。但是，隨著物理學(xué)、光學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科研究的不斷深入，紅外無損檢測(cè)手段也需要不斷地提升與發(fā)展。相較于其他已經(jīng)成熟的技術(shù)， 紅外無損檢測(cè)還有待于深入研究。

4　紅外熱成像無損檢測(cè)的基本原理及方法

普朗克定律是紅外無損檢測(cè)手段所應(yīng)用到的基本物理規(guī)律。這是通過對(duì)陶瓷表面進(jìn)行紅外掃描，但由于缺陷以及材料的不同導(dǎo)致溫度也不盡相同，而紅外攝像儀則捕捉到這種物體表面溫度的變化，通過電腦的處理，最后以圖像的方式呈現(xiàn)出來的手段。由于計(jì)算機(jī)在這一過程中必不可少，因此被叫做計(jì)算機(jī)輔助紅外檢測(cè)。

紅外熱成像測(cè)溫技術(shù)可以有效對(duì)材料的淺表層缺陷實(shí)現(xiàn)無損檢測(cè)。具體的操作流程如圖1所示。其工作原理則是通過對(duì)物體表面進(jìn)行熱激發(fā)，由于物體內(nèi)部存在缺陷，導(dǎo)致熱傳遞的過程也不均勻，通過記錄熱量在物體中的轉(zhuǎn)移過程，便可完成對(duì)此物體的有效檢測(cè)。物體內(nèi)部的各種缺陷會(huì)使得物體熱傳遞不均勻，而在缺陷區(qū)域會(huì)明顯形成一個(gè)增加熱阻。在忽略空氣的熱導(dǎo)率以及熱阻后，缺陷區(qū)域熱阻明顯大于正常范圍的熱阻，導(dǎo)致缺陷區(qū)域的表面溫度較正常區(qū)域溫度降低。而通過計(jì)算機(jī)將此溫度通過圖像的形式表現(xiàn)出來，便可以看出缺陷的分布以及缺陷的類型。

圖1紅外熱成像無損檢測(cè)方框圖

目前，關(guān)于紅外熱成像無損檢測(cè)的方式研究以及使用狀況的報(bào)道有很多。但是這一技術(shù)的使用仍有其限制條件。如，只能適用于層狀結(jié)構(gòu)以及表面發(fā)射率高且均衡的材料的檢測(cè)中。這一條件也限制了紅外熱成像技術(shù)的使用范圍。

5　結(jié)論

紅外熱成像無損檢測(cè)技術(shù)相較于其他技術(shù)來說，有著檢測(cè)精度高、范圍廣、檢測(cè)迅速以及易于觀察等優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)決定了紅外熱成像無損檢測(cè)技術(shù)會(huì)受到人們的青睞。但是，作為一種新技術(shù)，最大的問題還在于能否適應(yīng)工業(yè)化大生產(chǎn)的需要，雖然紅外熱成像無損檢測(cè)技術(shù)有了長(zhǎng)足的發(fā)展，但是離滿足商業(yè)化需要還有一段距離。這中間需要科研工作者不斷探索，也需要生產(chǎn)一線不斷配合，從而使得該技術(shù)能夠順利地發(fā)展。

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*作者簡(jiǎn)介：顧軒(1988-)，本科，助理工程師；主要從事陶瓷磚性能檢測(cè)及陶瓷檢測(cè)設(shè)備改造工作。

中圖分類號(hào)：TQ:174.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1002-2872(2016)07-0036-04