衛(wèi)星OSR粘接質(zhì)量可視化檢測(cè)技術(shù)研究

邵紅亮 殷少華 閆來信 董學(xué)金

衛(wèi)星OSR粘接質(zhì)量可視化檢測(cè)技術(shù)研究

邵紅亮 殷少華 閆來信 董學(xué)金

（上海衛(wèi)星裝備研究所，上海 200240）

采用基于鎖相的紅外熱成像檢測(cè)方法對(duì)OSR粘接界面缺陷進(jìn)行無損檢測(cè)，分析了紅外鎖相成像檢測(cè)方法的檢測(cè)原理，制作了含自然缺陷的試樣，并進(jìn)行紅外熱像檢測(cè)方法的檢測(cè)能力和成像規(guī)律研究。結(jié)果表明，基于紅外鎖相的熱成像檢測(cè)方法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)OSR粘接界面內(nèi)空洞類缺陷的有效檢出，可檢出的最小缺陷面積為1.5mm當(dāng)量，具有較高的檢測(cè)靈敏度。

鎖相紅外；OSR；可視化；無損檢測(cè)

1 引言

OSR作為一種優(yōu)質(zhì)的溫控涂層元件，在宇航型號(hào)中有著大量的應(yīng)用。通常，OSR通過一定厚度的膠黏劑粘貼在蜂窩板蒙皮上，經(jīng)固化形成OSR-膠黏劑-蜂窩板典型的三層復(fù)合結(jié)構(gòu)。由于粘接工藝復(fù)雜，在膠黏劑層易產(chǎn)生空洞類缺陷，會(huì)影響OSR的粘接強(qiáng)度及溫控性能，嚴(yán)重時(shí)在真空試驗(yàn)或空間在役過程中真空放氣會(huì)造成OSR片破碎，產(chǎn)生多余物危害。

由于OSR產(chǎn)品整體結(jié)構(gòu)輕薄、易碎，要求在檢測(cè)作業(yè)時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)非接觸。射線、超聲、磁粉、渦流和滲透作為五大常規(guī)無損檢測(cè)方法[1]，在宇航產(chǎn)品中檢測(cè)中有著廣泛的應(yīng)用，但在OSR的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)實(shí)施中具有一定的技術(shù)局限性，因此研究新的無損檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用勢(shì)在必行。本文開展基于紅外檢測(cè)技術(shù)的OSR粘接界面缺陷可視化檢測(cè)技術(shù)研究，獲得該檢測(cè)對(duì)象的紅外熱像檢測(cè)方法的檢測(cè)能力和成像規(guī)律，解決OSR粘接界面非接觸、可視化檢測(cè)難題。

2 檢測(cè)原理

通常紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)可以分為脈沖紅外成像檢測(cè)技術(shù)和鎖相紅外成像檢測(cè)技術(shù)[2]，其中鎖相技術(shù)由于采用周期性的熱激勵(lì)，較脈沖激勵(lì)相比，具有跟高的信噪比和檢測(cè)靈敏度，更適用于OSR產(chǎn)品的檢測(cè)實(shí)施。圖1為紅外相機(jī)采集的原始熱像圖，紅外鎖相成像檢測(cè)技術(shù)對(duì)熱像圖數(shù)據(jù)處理過程如下：假設(shè)熱像儀的采用頻率為，采樣時(shí)間為，則在時(shí)間內(nèi)可采集張圖像；設(shè)定每一幀熱像圖的大小為×個(gè)像素尺寸，通過式（1）的矩陣變換，將采集到的張圖像整理為×的數(shù)據(jù)矩陣，對(duì)矩陣的每一行作FFT變換得到相位角，經(jīng)歸一化處理得到每一列的原始圖像的相位圖；利用式（2），選取序列圖中缺陷信息幅度最大的一幀圖N，即可表征檢測(cè)結(jié)果。

圖1 原始紅外熱像圖

式中每一行為同一像素點(diǎn)處不同時(shí)刻的溫度變化；每一列為一幀圖像的不同像素點(diǎn)處的溫度值。

根據(jù)檢測(cè)原理，鎖相紅外成像檢測(cè)技術(shù)不僅可以得到檢測(cè)產(chǎn)品的能量幅值圖，還可以選擇不同的檢測(cè)工藝參數(shù)得到其相位圖，因此具有更高的檢測(cè)靈敏度和產(chǎn)品適應(yīng)性。

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 成像檢測(cè)系統(tǒng)

鎖相紅外成像檢測(cè)系統(tǒng)主要由紅外熱像儀、鎖相控制系統(tǒng)、能量加載裝置、圖像處理單元組成。本試驗(yàn)所中激勵(lì)源選用大功率紅外輻射裝置進(jìn)行熱激勵(lì)，控制輸入電壓為100V。激勵(lì)方式選用正弦波，激勵(lì)頻率設(shè)定為0.5Hz，0.3Hz，0.15Hz，0.1Hz，0.08Hz，0.06Hz，0.03Hz，0.015Hz，0.008Hz。

3.2 缺陷試樣的設(shè)計(jì)

為獲得OSR粘接界面內(nèi)缺陷在鎖相紅外成像檢測(cè)方法下的檢測(cè)能力及成像規(guī)律，同時(shí)最大程度上模擬自然缺陷特征，試樣制作中在預(yù)設(shè)區(qū)域不涂膠， OSR片經(jīng)正常固化，內(nèi)部形成不同特征的自然缺陷。本次制作的試塊上共包含12片OSR片，編號(hào)從左上角到右下角依次為A11～A34，如圖2，試塊中包含無缺陷粘貼、密集型小氣泡、大面積空洞及密集氣泡/大面積空洞混合等常見缺陷類型。

圖2 缺陷試樣實(shí)物圖

由于粘接劑具有一定的流動(dòng)性，在固化過程中，預(yù)設(shè)的圓形缺陷變形。由于OSR粘接所用膠黏劑含有銀粉，因此密度較高，使用射線照相檢測(cè)方法得到的射線底片上的成像如圖3所示，紅色標(biāo)記區(qū)域內(nèi)的深黑色為缺陷區(qū)域，缺陷實(shí)際尺寸與膠片上圖像顯示比例近似為1:1。

圖3 缺陷試樣的X射線檢測(cè)結(jié)果

4 檢測(cè)參數(shù)選擇與結(jié)果分析

4.1 鎖相頻率參數(shù)試驗(yàn)

通過含已知缺陷的對(duì)比試塊試，對(duì)比不同鎖相頻率下的缺陷檢測(cè)效果，確定合適的鎖相頻率。試驗(yàn)條件如3.2節(jié)所述。由于所有OSR片的厚度是均勻的，因此忽略缺陷埋深對(duì)缺陷顯示及圖像信噪比的影響。分別采用0.5Hz，0.3Hz，0.15Hz，0.1Hz，0.08Hz，0.06 Hz，0.03Hz，0.015Hz，0.008Hz等頻率對(duì)試件進(jìn)行激勵(lì)，獲得各頻率下的成像效果如圖4所示。

圖4 不同頻率下熱成像相位圖

根據(jù)圖4的檢測(cè)結(jié)果，采用0.015Hz的激勵(lì)頻率能實(shí)現(xiàn)最佳的檢測(cè)成像效果，該頻率下的圖像上密集型小氣泡、大面積空洞混合缺陷均得到清晰的顯示。顯示結(jié)果與圖3缺陷試樣在射線底片上的分布一致，最大缺陷尺寸測(cè)量顯示為20mm，最小的缺陷測(cè)量顯示為1.5mm。圖中不同大小的缺陷尺寸統(tǒng)計(jì)分析對(duì)比結(jié)果如表1。

表1 不同鎖相頻率下缺陷測(cè)量尺寸對(duì)比

根據(jù)對(duì)比不同鎖相頻率下的紅外熱成像檢測(cè)結(jié)果，針對(duì)OSR粘接產(chǎn)品，使用0.015Hz的鎖相頻率能得到較為清晰的成像效果，且對(duì)小于3mm的缺陷，測(cè)量誤差小于0.2mm；對(duì)于大于5mm的缺陷，測(cè)量誤差小于1mm。

4.1.1 熱加載周期參數(shù)試驗(yàn)

為驗(yàn)證不同熱加載周期對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響程度，采用0.015Hz的鎖相頻率，分別設(shè)置2、5、8、12四種不同的加載周期進(jìn)行試驗(yàn)，如圖5為不同加載周期的成像效果圖，對(duì)檢測(cè)成像效果進(jìn)行分析如表2。

表2 不同熱加載周期下缺陷測(cè)量尺寸對(duì)比

根據(jù)成像結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，由于OSR產(chǎn)品較薄，且具有較高的熱導(dǎo)效率，當(dāng)熱加載周期為5時(shí)，就可以達(dá)到較好的檢測(cè)效果，檢測(cè)圖像的分辨率和細(xì)節(jié)缺陷的分辨率能力即可滿足檢測(cè)需求，驗(yàn)證熱加載周期，檢測(cè)效率進(jìn)一步改善的效果不明顯；隨著加載周期的單次檢測(cè)數(shù)據(jù)增大，檢測(cè)時(shí)間逐漸增加，同時(shí)在產(chǎn)品表面積累的最高溫度也隨之升高。因此，在滿足檢測(cè)條件的情況下，建議選擇較低的熱加載周期。

4.1.2 相位差量化統(tǒng)計(jì)

試驗(yàn)同時(shí)統(tǒng)計(jì)固定加載頻率的缺陷圖像相位差。

圖6 熱成像的頻率-相位差關(guān)系曲線

選擇熱加載周期為5時(shí)，統(tǒng)計(jì)不同鎖相頻率下空洞缺陷的中心點(diǎn)相位與無缺陷區(qū)域點(diǎn)的相位差值，得得到頻率-相位差關(guān)系曲線，如圖6所示。即對(duì)OSR粘接界面空洞類缺陷檢測(cè)時(shí)，當(dāng)激勵(lì)頻率在0.015Hz附近，此時(shí)缺陷位置與無缺陷區(qū)域有最大的相位差0.7rad，此時(shí)在檢測(cè)圖像中，缺陷成像與正常粘貼具有較高的對(duì)比度，便于人眼觀察和精確測(cè)量。

5 結(jié)束語

綜上分析，對(duì)OSR粘接界面的空洞類缺陷的紅外熱像檢測(cè)及統(tǒng)計(jì)規(guī)律可以得到如下結(jié)論：

a. 采用紅外鎖相的熱成像檢測(cè)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)OSR粘接界面內(nèi)空洞類缺陷的有效檢出，可檢出的最小缺陷面積為1.5mm當(dāng)量，具有較高的檢測(cè)靈敏度。

b. OSR粘接界面內(nèi)空洞類缺陷具有固定的缺陷埋藏深度，采用該系統(tǒng)檢測(cè)的最佳能量激勵(lì)頻率為0.015Hz，此時(shí)缺陷位置與無缺陷區(qū)域有最大的相位差0.7rad，具有最佳的缺陷顯示效果。

c. 對(duì)于薄壁的OSR產(chǎn)品粘貼缺陷，選用較低的熱加載周期（=5）時(shí)，即可達(dá)到較好的分辨率和檢測(cè)效率，增加熱加載周期，檢測(cè)效果提升不明顯，且會(huì)降低產(chǎn)品檢測(cè)效率，增加產(chǎn)品表面的溫度，不利于產(chǎn)品安全。

d. 使用紅外鎖相的熱成像檢測(cè)具有較高的缺陷尺寸測(cè)量精度，與射線檢測(cè)底片中測(cè)量結(jié)果誤差小于1mm。

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2 李家偉，郭廣平. 無損檢測(cè)手冊(cè)[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社，2012：1

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Research on Visualization Detection Technology of Satellite OSR Bonding Defects

Shao Hongliang Yin Shaohua Yan Laixin Dong Xuejin

(Shanghai Institute of Spacecraft Equipment, Shanghai200240)

In this paper,a non-destructive detection method based on locked-in infrared thermal imaging is used to detect OSR bonding inerface defects. The technical principle of infrared thermal imaging detection method is analyzed,samples with natural defects are maded,and the detection ability of infrared thermal imaging edtecton methods are researched.The results show that,thermal miaging detection method based on infrared phase locked-in can effectively detect the holes in the OSR bonding interface in actual combat,the smallest defect size that can be detected is 1.5mm, and the method has hight detection sensitivity.

locked-in infrared；OSR；visualization；non-destructive detection

TB302.5

A

上海航天科技創(chuàng)新SAST基金（JG20180209）。

邵紅亮（1986），高級(jí)工程師，測(cè)試計(jì)量技術(shù)及儀器專業(yè)；研究方向：無損檢測(cè)及其新技術(shù)應(yīng)用。

2022-09-21