鎖相紅外檢測技術對耐候涂層厚度的評估

李 波，陳俊衛(wèi)，劉卓毅，白 潔，樊 磊，張 聰，郭舉富

鎖相紅外檢測技術對耐候涂層厚度的評估

李 波1，陳俊衛(wèi)1，劉卓毅2，白 潔1，樊 磊1，張 聰3，郭舉富4

（1. 貴州電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院，貴州 貴陽 550002；2. 貴州電網(wǎng)有限責任公司，貴州 貴陽 550001；3. 海南電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院，海南 ?？?570100；4. 貴州電網(wǎng)有限責任公司貴陽供電局，貴州 貴陽 550002）

輸變電設施的金屬構件容易受溫度、濕氣等氣候因素影響而發(fā)生侵蝕，因此通常需要在其表面噴涂耐候保護涂層。為了確保涂層厚度符合要求，需要對其進行檢測。針對現(xiàn)有檢測方法的不足，本文采用鎖相紅外無損檢測技術對耐候涂層厚度進行檢測與評估。首先采用制作的標準涂層試件對該方法測厚的原理與重復性進行驗證，驗證了該技術對涂層厚度的評估的可靠性與穩(wěn)定性；其后采用厚度均勻過渡的耐候涂層試片進行測試，采用試片上定標點的相位值擬合出定標曲線，并利用該曲線測量出試片上驗證點的厚度信息。實驗結(jié)果表明，測量厚度與真實厚度誤差在±5%以內(nèi)，采用相位圖像可以對耐候涂層厚度與均勻度進行有效測量與評估。

鎖相紅外；涂層厚度；耐候涂層；相位圖

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，電力電源設備行業(yè)發(fā)展迅速，電網(wǎng)建設規(guī)模在持續(xù)增長，電力輸送、資源配置能力持續(xù)提升[1]。作為電網(wǎng)主要結(jié)構的輸電線路、桿塔等金屬構件，對保障電網(wǎng)安全十分重要，金屬構件最常用的材料是鋼、銅、鋁及其合金。然而在實際服役過程中，受溫度、濕氣等氣候因素和環(huán)境污染的影響，輸變電材料過早失效，耐候性問題日益突出，降低了其使用壽命，造成了不可挽回的經(jīng)濟損失[2]。對輸變電材料進行耐候涂層防護是最有效、最直接、最普遍、最經(jīng)濟的方式之一[3]。用于輸變電金屬構件的涂層體系有很多，環(huán)氧涂層作為一種耐腐蝕涂層，具有優(yōu)良的耐酸堿特性，是輸變電金屬構件涂層體系的一部分，輸變電金屬構件耐候涂層一般具有多層結(jié)構，分為涂層底漆、中間漆和面漆。耐候涂層具有抵抗紫外線照射、耐受濕度、風雨、溫度變化等對基體構建的破壞的功能，因而對耐候涂層的厚度有較為嚴格的規(guī)定[4]。目前對涂層厚度的檢測使用的方法包括探針法、光學法[5-6]。探針法屬于接觸式的檢測，且每次只能檢測單個點厚度信息；光學法要求涂層具有透明特性，所以無法檢測輸變電構建中的非透明涂層。

鎖相紅外無損檢測技術是國際上積極發(fā)展的新型數(shù)字無損檢測技術[7-9]，相比于脈沖紅外無損檢測技術，鎖相紅外無損檢測技術的熱激勵能量更小、可檢測的深度更深，對熱激勵均勻性要求更低，環(huán)境因素對檢測結(jié)果的影響更小。劉俊巖[10]等采用紅外鎖相熱波檢測技術對蜂窩結(jié)構及焊構件進行試驗，試驗結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，結(jié)果表明采用該方法可以有效獲取缺陷位置、大小和深度信息；江海軍[11]等采用鎖相紅外無損檢測技術對碳纖維蜂窩板進行檢測，實驗表明該技術可以實現(xiàn)對碳纖維蜂窩板缺陷檢測；陳林[12]等對紅外鎖相無損檢測技術進行了數(shù)值模擬仿真，從數(shù)值角度計算了鎖相最佳調(diào)制頻率的理論依據(jù)；張金玉[13]等采用鎖相紅外無損檢測技術對2mm厚涂層進行了研究，結(jié)果表明通過缺陷與無缺陷相位差可有效檢測缺陷。針對目前對耐候涂層檢測方法的不足，本文采用鎖相紅外無損檢測技術對耐候涂層進行檢測與評估。

1 鎖相檢測原理

1.1 鎖相紅外無損檢測

鎖相紅外無損檢測技術在原理上有別于脈沖紅外無損檢測技術。鎖相紅外無損檢測技術使用的是周期性熱源，通過鎖相方式對噪聲進行抑制，提取單頻熱波響應信號。它結(jié)合了紅外無損檢測技術與數(shù)字鎖相技術的優(yōu)勢，降低了對熱激勵源能量密度的要求，也降低了對熱激勵均勻性及試件表面熱輻射一致性的要求，并可以通過增加檢測時間來提高檢測結(jié)果的信噪比，因此探測靈敏度和探測能力得到了很大地提高，可以獲得材料結(jié)構的更多信息。

鎖相紅外無損檢測系統(tǒng)原理如圖1所示，系統(tǒng)由熱像儀、鎖相系統(tǒng)、熱激勵源、圖像處理及控制系統(tǒng)組成，控制系統(tǒng)通過鎖相模塊控制光源調(diào)制出周期性熱激勵，熱激勵源光源可以為鹵素燈、紅外燈、LED等。

鎖相紅外無損檢測技術使用周期性熱激勵源對試件表面進行周期性的加熱；若試件內(nèi)部有缺陷或者異常，熱波傳播到此處會被反射回表面，對表面的熱波信號產(chǎn)生周期性的影響，若表面缺陷很小或者異常信號表現(xiàn)的很微弱，無法從原始的紅外熱圖序列中分辨出來，采用鎖相方式可以提取到與鎖相頻率相同的信號振幅和相位。

圖1 鎖相紅外無損檢測技術原理圖

1.2 鎖相原理

對于周期性熱激勵源，正弦調(diào)制熱激勵源密度為：

式中：熱激勵源峰值強度為0；熱激勵源頻率為；亦稱鎖相頻率。

在周期性的熱激勵源作用下，試件表面每一點都會產(chǎn)生一個同頻率的周期性溫度信號()：

式中：為幅度信號；為熱激勵頻率；為相位值。通過鎖相技術提取同頻率下采集信號的相位和振幅，在實際應用中，目標信號通過伴隨噪聲信號()后采集信號變?yōu)椋?/p>

()＝()＋() (3)

假定采集信號()的同參考頻率下余弦信號c()和正弦信號s()分別為：

c()＝cos(2p) (4)

s()＝sin(2p) (5)

以紅外熱像儀幀頻s為采樣頻率對信號進行離散化，則單個周期采樣點為＝s/，取個周期，共采集次數(shù)為＝×，采集到的信號序列()為：

將采集到的信號序列與參考的余弦信號和正弦信號進行相關運算，可以得到c和s信號：

通過相關信號操作即去除與鎖相頻率無關的雜散噪聲，通過對上述信號計算可以得到振幅信號和相位信號：

對采集到的紅外熱圖序列每一個像素點采用鎖相方式提取采集信號中與鎖相頻率相同頻率下的振幅和相位，可以得到每一個像素點的振幅和相位，從而可以得到振幅圖像和相位圖像，實現(xiàn)鎖相紅外無損檢測對缺陷檢測或者厚度信息的測量。

脈沖紅外無損檢測技術，采集上百、上千幀紅外熱圖序列，通過觀察紅外熱圖序列中前后熱圖的變化，發(fā)現(xiàn)紅外圖像中熱波信號異常區(qū)域，進而判斷缺陷；鎖相紅外無損檢測技術通過紅外熱像儀采集試件表面的隨熱激勵源周期性變化的熱波信號，結(jié)果輸出僅2張圖像：振幅圖和相位圖。2張圖像的輸出結(jié)果對于缺陷或者異常信息的判斷帶來了便利，其主要研究檢測信號和熱激勵信號之間的相位關系，鎖相技術通過鎖相技術方式對噪聲信號進行抑制，提取單頻率信號，有利于把微弱信號從背景中提取出來。鎖相紅外無損檢測技術獲得振幅圖像和相位主要方式包括：傅里葉變換法、四點法、相關函數(shù)法，文中通過傅里葉變換法得到相位和振幅圖像。

2 試樣和試樣系統(tǒng)

為了驗證鎖相紅外無損檢測技術對金屬表面涂層厚度檢測方法有效性，制作了不同厚涂層的標準試件，標準涂層試件由8個小試件構成，編號為1～8（從左到右，從上到下），每一個小試件涂層基板為鋁試塊，尺寸為10mm×10mm×2 mm，涂層厚度分別為21mm、31mm、42mm、85mm、109mm、127mm、141mm、152mm，涂層為普通漆層，用標準的試件驗證搭建系統(tǒng)的有效性與可靠性。最后使用耐候涂層試件進行檢測與評估。

試驗中采用的鎖相紅外無損檢測系統(tǒng)由紅外熱像儀、控制處理系統(tǒng)（計算機）、同步觸發(fā)器、信號發(fā)生器、激勵源組成，激勵源為峰值功率為1000W的LED燈，函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的信號經(jīng)過功率放大器放大后控制鹵素燈產(chǎn)生周期性的熱激勵。紅外熱像儀為FLIR A655sc，分辨率為640×480，等效噪聲溫差（noise equivalent temperature difference, NETD）低于50mK，工作波段為7.5～14mm，幀頻為50Hz。鎖相理論中論述周期性熱源都是基于余弦變化，實際上余弦變化的熱源實現(xiàn)起來非常困難，熱源具有熱積累效應，產(chǎn)生的熱源都會產(chǎn)生畸變，試驗中采用方波熱源替代余弦變化的熱源。假設方波熱源功率為()，對()進行傅里葉變換，進一步得到：

式(11)表明對頻率為的方波熱源做傅里葉變換可以等效于直流熱源和頻率為、3、5、…的交流熱源疊加，在鎖相過程中，直流分量被抑制，僅需考慮交流分量在加熱過程中對試驗的影響。

3 試驗結(jié)果

3.1 標準涂層試件

標準涂層試件可見光圖像如圖2所示，標注涂層試件由8個小試件構成，編號為1～8（從左到右，從上到下）。

圖2 標注涂層試件可見光圖像

根據(jù)本試驗所研究的涂層深度與相位關系，設定鎖相調(diào)制頻率為0.17Hz，采集頻率為50Hz，采集時間50s。

采集完成以后通過鎖相紅外無損檢測軟件進行處理，得出振幅與相位圖，不同厚度涂層其振幅和相位如圖3所示。

圖3 標準涂層試件檢測結(jié)果

為了驗證涂層厚度與相位的關系，對測試結(jié)果進行了6次重復試驗，并對數(shù)據(jù)進行了3階擬合，其結(jié)果如圖4所示，多次測量的相位值比較固定，穩(wěn)定性與重復性良好，可以通過標準涂層試件厚度與相位值曲線擬合，利用曲線對試件厚度進行測量。

圖4 標準涂層試件厚度與相位關系

3.2 耐候涂層試件

耐候涂層試件大小為150mm×100mm×3mm，如圖5所示，在制作涂層過程中制作了基本均勻過渡的涂層，涂層從左到右厚度從100mm逐漸過渡到200mm，耐候涂層的作用主要是耐候性，承受室外氣候的考驗，保護基底材料不受腐蝕，耐候涂層由多種漆層構成，本次耐候漆試件底漆為環(huán)氧富鋅底漆，面層為醇酸防銹漆。

圖5 耐候涂層可見光圖像

實驗的鎖相頻率為0.17Hz，采集頻率為50Hz，采集時間50s，單個周期時間為5.88s，單個周期采集圖像幀數(shù)為294，采集總圖像幀數(shù)為2500，共歷經(jīng)8.5個加熱周期。鎖相紅外無損檢測過程中，在單個熱激勵過程，試件表面的熱波信號分為兩個過程，升溫過程和冷卻過程，采用同步觸發(fā)器控制，可以確保熱激勵開始的瞬間同步開始采集紅外圖像，因而可以采集到升溫和冷卻過程全部紅外圖像。以開始加熱的第一個周期為例，取第0s、1s、3s、5.4s時刻的紅外圖像，如圖6所示。采集圖像共2500幀，取前2048幀圖像，進行傅里葉變換，將得到不同頻率下的振幅和相位，獲取每一個像素點在鎖相頻率0.17Hz下的振幅和相位，構成振幅圖和相位圖，如圖7所示，從相位圖像上可以清晰看到涂層從左到右的厚度變化。振幅圖和相位圖與原始紅外圖像對比，一方面，噪聲水平更低，鎖相在處理數(shù)據(jù)過程中起到了抑制噪聲的效果；另一方面，相位圖像邊緣輪廓更清晰，圖像對比度更為明顯，鎖相在處理數(shù)據(jù)過程中有增強圖像的效果。

鎖相紅外無損檢測技術利用了熱波的特性，信號在調(diào)制過程中產(chǎn)生了類似于電磁波特性的溫度場，信號在周期性調(diào)制過程中，試件表面的溫度信號也會發(fā)生周期性變化，并且隨著試件內(nèi)部缺陷深度、缺陷熱學性質(zhì)等不同，試件表面的溫度信號與調(diào)制信號有固定的相位差，這些相位差構成了相位圖像，通過相位圖對試件進行缺陷或者厚度的檢測。

4 結(jié)果分析

為了探索與評估鎖相紅外無損檢測技術檢測金屬表面涂層有效性，對相位圖中直線相位值進行空間曲線分析，并且取實直線上的4個點、、、進行原始曲線分析，虛直線上點、、、主要用于驗證厚度測量點，直線和取點示意圖如圖8所示。

圖6 耐候涂層第1周期不同時刻原始紅外圖像

圖7 耐候涂層檢測結(jié)果圖像

圖8 耐候涂層取點/線示意圖

4.1 原始時間曲線分析

實驗中采用LED熱激勵源，熱激勵功率為1000W，熱激勵源采用方波形式加載，空占比為50%，鎖相頻率為0.17Hz，即周期為5.88s，熱激勵時間為2.94s，冷卻時間為2.94s，共8.5個周期，50s。

圖9為耐候涂層表面、、、四個點的溫升時間曲線，從曲線圖中可以看出，單個周期內(nèi)，溫度變化的范圍大致在1.5℃以內(nèi)，說明單個周期內(nèi)溫升不是很高，在溫差較小范圍內(nèi)采用非制冷紅外熱像儀采集的原始數(shù)據(jù)信噪比不會太高，從第1周期不同時刻原始圖像可以印證，能明顯看到噪聲存在。由于熱源的累積效應，在冷卻階段并不能把溫度下降到熱激勵之前的溫度，因而下一個周期的平均溫度比前一個周期平均溫度要高。在熱激勵初期，溫度上升陡峭，在熱激勵結(jié)束后的冷卻時間段，溫度下降很快，只有在熱激勵期間，4個點的曲線才能發(fā)生分離，熱激勵結(jié)束進入冷卻階段，4個點的曲線基本重疊在一起；通過千分尺測量出、、、四個點涂層厚度分別是108mm、145mm、164mm、185mm，涂層厚度是逐漸增加，涂層越厚，熱波在涂層的時間就越久，熱波傳播到基底材料的時間就越晚，由于基底材料是合金金屬，金屬的熱導率要高于涂層，熱波越早傳播到基底，溫度下降的就越快。因而4個點的溫度中，曲線點，涂層厚度最小，溫度曲線峰值最低；曲線點，涂層厚度最厚，溫度曲線峰值最高。

圖9 耐候涂層不同點溫升-時間曲線

4.2 相位圖空間曲線分析

圖10所示為耐候涂層相位圖中圖8標注線的空間曲線，從空間曲線圖中看出，除去邊緣部分，空間曲線基本滿足正相關，耐候涂層越薄，相位值越小，耐候涂層越厚，相位值越大。、、、對應的相位值分別為－78.9°、－69.7°、－62.1°、－57.4°，對4個點的相位值和對應的厚度進行二階多項式擬合，得到相位值與厚度的曲線：

＝0.1191332＋20.08772＋953.4085 (12)

從相位圖像中讀取圖8中虛線中、、、相位值，利用式(12)可以計算出厚度信息，并與真實厚度信息進行對比，結(jié)果如表1所示，計算厚度與真實厚度的誤差在±5%以內(nèi)。

圖10 耐候涂層相位圖空間曲線

表1 驗證點計算厚度與真實厚度

4.3 不同頻率下的振幅圖和相位圖

試驗過程中，鎖相頻率為，采集頻率s，對每一個像素點的2048個數(shù)據(jù)進行傅里葉變換，可以得到1024個有效的振幅與相位數(shù)據(jù)，這1024點的頻率介于0～s/2之間，從而可以構建出1024幀振幅圖和相位圖。上述分析出，方波進行周期性的熱激勵，等效于、3、5、…頻率的熱源在激勵。在1024頻率中，取出頻率為2、3、5、7共4個頻率下的振幅圖和相位圖，2頻率為無效熱源頻率，同時又介于、3之間，因此也取出該頻率對應的振幅圖和相位圖進行對比。如圖11所示，可以看出2頻率對應的振幅和相位圖基本是噪聲，與上述分析基本一致；3頻率對應的振幅和相位能看到效果，但是效果不如頻率對應的振幅和相位圖；5和7頻率屬于高頻信號，在傅里葉變換過程中被抑制，因而在實際試驗過程中，可以采用方波熱源代替余弦變化熱源作為鎖相紅外無損檢測的周期性熱源。

圖11 耐候涂層不同頻率下振幅圖和相位圖

5 結(jié)語

針對目前耐候涂層厚度檢測的不足，本文采用鎖相紅外無損檢測技術對耐候涂層厚度進行了評估，周期性熱源采用的是方波熱源，文中分析了方波熱源可以作為周期性熱源的理論依據(jù)，并用耐候涂層在不同頻率下的振幅圖和相位圖進行了驗證，對周期性激勵過程中的溫升-時間曲線進行了分析。在厚度評估過程中，首先采用標準的小塊涂層試件對鎖相紅外無損檢測技術進行了驗證，結(jié)果表明該技術對涂層厚度的測量具有良好的可靠性與穩(wěn)定性；最后采用厚度基本均勻過渡的耐候涂層進行了實驗，實驗結(jié)果表明鎖相紅外無損檢測技術中的相位圖像可以作為耐候涂層厚度檢測的參考，針對本耐候涂層試件采用鎖相紅外無損檢測技術計算厚度與真實厚度誤差在±5%以內(nèi)。

[1] 陳高汝, 陳展超, 鐘文貴, 等. 電網(wǎng)金屬部件反腐保護層的便攜式電鍍設備設計及技術應用[J]. 科技與創(chuàng)新, 2020(1): 157-158.

CHEN Gaonu, CHEN Zhanchao, ZHONG Wengui, et al. Design and application of portable electroplating equipment for anti-corruption protective layer of power grid metal parts[J]., 2020(1): 157-158.

[2] 王平, 孫心利, 馬東偉, 等. 輸變電設備大氣腐蝕情況調(diào)查與分析[J]. 腐蝕科學與防護技術, 2012, 24(6): 525-526.

WANG Ping, SUN Xinli, MA Dongwei, et al. Investigation and analysis on atmospheric corrosion of power transmission and transformation equipment[J]., 2012, 24(6): 525-526.

[3] 陳云, 強春媚, 王國剛, 等. 輸電鐵塔的腐蝕與防護[J]. 電力建設, 2010, 31(8): 55-58.

CHEN Yun, QIANG Chunmei, WANG Guogang, et al. Corrosion and protection of transmission towers[J]., 2010, 31(8): 55-58.

[4] 李文翰, 尹學濤, 周學杰, 等. 電網(wǎng)輸變電設備鋼結(jié)構和鍍鋅構件的大氣腐蝕與防護措施[J]. 材料保護, 2018, 51(10): 121-125.

LI Wenhan, YIN Xuetao, ZHOU Xuejie, et al. Summary on atmospheric and protection measure of steel componets and galvanized componets for transmission and distribution projects[J]., 2018, 51(10): 121-125.

[5] 劉波, 李艷紅, 馮立春, 等. 鎖相紅外熱成像技術在無損檢測領域的應用[J]. 無損探傷, 2006, 30(3): 12-15.

LIU Bo, LI Yahong, FENG Lichun, et al. Application of phase infrared thermal iimaging technology in nondestructive testing[J]., 2006, 30(3): 12-15.

[6] 李根, 趙翰學, 范瑾, 等. 鎖相紅外熱像檢測缺陷的定量方法[J]. 無損檢測, 2017, 39(6): 1-7.

LI Gen, ZHAO Hanxue, FAN Jin, et al. A defect quantification method by lock-in thermography[J]., 2017, 39(6): 1-7.

[7] 汪子君, 劉俊巖, 戴景民, 等. 鎖相紅外檢測中相位檢測方法[J]. 無損檢測, 2008, 30(7): 418-421.

WANG Zijun, LIU Junyan, DAI Jingmin, et al. Study of phase detection in lock-in thermography nondestructive testing[J]., 2008, 30(7): 418-421.

[8] Bai W, Wong B S. Evaluation of defects in composite plate under connective environments using lock-in thermography[J]., 2001, 12(2): 142-150.

[9] 趙延廣, 郭杳林, 任明法. 基于鎖相紅外熱成像理論的復合材料網(wǎng)格加筋結(jié)構的無損檢測[J]. 復合材料學報, 2011, 28(1): 200-205.

ZHAO Tingguang, GUO Xinlin, REN Mingfa. Lock-in thermography method for the NDT of composite grid stiffened structures[J]., 2011, 28(1): 200-205.

[10] 劉俊巖, 戴景民, 王揚. 紅外鎖相法熱波檢測技術及缺陷深度測量[J]. 光學精密工程, 2010, 18(1): 37-44.

LIU Junyan, DAI Jingmin, WANG Yang. Thermal wave detection and defect depth measurement based on lock-in thermography[J]., 2010, 18(1): 37-44.

[11] 江海軍, 盛濤, 陳力, 等. 碳纖維蜂窩結(jié)構的鎖相紅外自動化檢測系統(tǒng)研制[J]. 無損檢測, 2020, 42(6): 54-57.

JIANG Haijun, SHENG Tao, CHEN Li, et al. Development of lock-in infrared automatic detection system for carbon fiber honeycomb structure[J]., 2020, 42(6): 54-57.

[12] 陳林, 楊立, 范春利, 等. 紅外鎖相無損檢測及其數(shù)值模擬[J]. 紅外技術, 2013, 35(2): 119-122.

CHEN Lin, YANG Li, FAN Chunli, et al. Numerical simulation of lock-in thermography for infrared nondestructive testing[J]., 2013, 35(2): 119-122.

[13] 張金玉, 馬永超. 基于紅外鎖相法的涂層脫粘缺陷檢測與識別[J]. 紅外技術, 2016, 38(10): 894-898.

ZHANG Jinyu, MA Yongchao. Detection and recognition of the debonding defect of coating based on lock-in thermography[J]., 2016, 38(10): 894-898.

Thickness Evaluation of Weather Resistant Coatings Based on Lock-in Thermography

LI Bo1，CHEN Junwei1，LIU Zhuoyi2，BAI Jie1，F(xiàn)AN Lei1，ZHANG Cong3，GUO Jufu4

(1.,550002,;2.,550002,;3.,570100,;4.,550002,)

Owing to the influence of environmental temperature, pollution, moisture, and other climatic factors, metal components of power transmission and transformation systems are prone to premature failure. Generally, weather-resistant materials are coated on metal components. In view of the shortcomings of the existing methods for measuring the coatings, this study uses lock-in thermographic technology to evaluate the thickness. First, the principle and repeatability of the method were verified using standard coating specimens. The results show that the method is reliable and stable for the evaluation of the coating thickness. Subsequently, a wedged weather-resistant coating sample was tested. The error in the measured thickness was within ±5% of the actual value. Therefore, the phase image can be used to effectively measure and evaluate the thickness and uniformity of weather-resistant coatings.

lock-in thermography, coating thickness, weather resistant coating, phase image

TG115.28

A

1001-8891(2022)03-0303-07

2021-06-30；

2021-08-10.

李波（1970-），學士，高級工程師，主要研究方向為電網(wǎng)設備無損檢測、電力設備腐蝕控制，電氣與電工材料。E-mail: 1203410323@qq.com。

南方電網(wǎng)重大科技專項“高腐蝕環(huán)境下電網(wǎng)輸變電設備腐蝕機理及防腐延壽關鍵技術研究與應用示范”資助項目。