紅外熱像無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展歷程、現(xiàn)狀和趨勢(shì)

劉穎韜，郭廣平，曾 智，李曉麗，唐 佳

(1.中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095；2.航空材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100095；3.材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095；4.重慶師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)學(xué)院，重慶 400047；5.北京理工大學(xué) 光電學(xué)院，北京 100085)

紅外熱像無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展歷程、現(xiàn)狀和趨勢(shì)

劉穎韜1，2，3，郭廣平1，2，3，曾 智4，李曉麗5，唐 佳1，2，3

(1.中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095；2.航空材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100095；3.材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095；4.重慶師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)學(xué)院，重慶 400047；5.北京理工大學(xué) 光電學(xué)院，北京 100085)

對(duì)紅外熱像檢測(cè)技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展歷程、發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了回顧和總結(jié)，在儀器和銷售市場(chǎng)、標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)研發(fā)機(jī)構(gòu)等方面，對(duì)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了詳細(xì)對(duì)比。得出結(jié)論：國(guó)內(nèi)的紅外熱像檢測(cè)技術(shù)研究與應(yīng)用水平較國(guó)外還存在差距，但是從研究與應(yīng)用的格局上看還比較完整，并具有一定的基礎(chǔ)。

無(wú)損檢測(cè);紅外熱像無(wú)損檢測(cè);紅外熱波

紅外熱像檢測(cè)，是基于紅外輻射原理，通過(guò)掃描、記錄或觀察被檢測(cè)工件表面由于缺陷或內(nèi)部結(jié)構(gòu)不連續(xù)所引起的熱量向深層傳遞的差別而導(dǎo)致表面溫度場(chǎng)發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)檢測(cè)工件表面及內(nèi)部缺陷或分析內(nèi)部結(jié)構(gòu)的無(wú)損檢測(cè)方法。該技術(shù)相對(duì)于超聲、射線、渦流等傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)而言，是一種發(fā)展較晚的無(wú)損檢測(cè)新技術(shù)，具有檢測(cè)速度快、非接觸、無(wú)污染、對(duì)構(gòu)件近表面缺陷和特征敏感的特點(diǎn)。

近些年來(lái)紅外熱像檢測(cè)技術(shù)在國(guó)內(nèi)外都得到了較快的發(fā)展，并出現(xiàn)了大量的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。在國(guó)內(nèi)，該技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于航空、航天、風(fēng)電等領(lǐng)域的產(chǎn)品檢測(cè)和民用領(lǐng)域，如石化、電力、建筑等的在役檢測(cè)與監(jiān)測(cè)。筆者對(duì)紅外熱像檢測(cè)技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展歷程、發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了回顧和歸納，并對(duì)發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了詳細(xì)對(duì)比。

1 發(fā)展歷程

1.1 國(guó)外的發(fā)展歷程

早在1930年，就有人提出最初的主動(dòng)法紅外無(wú)損檢測(cè)的思想[1]。20世紀(jì)60年代，Green和Alzofon首次闡述了主動(dòng)紅外無(wú)損檢測(cè)的基本理論和應(yīng)用。從此，世界各國(guó)的學(xué)者對(duì)紅外無(wú)損檢測(cè)與評(píng)價(jià)開(kāi)展了廣泛的研究。早期的紅外無(wú)損檢測(cè)由于檢測(cè)成本、檢測(cè)精度等原因，主要應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，如發(fā)動(dòng)機(jī)的檢測(cè)，管子或容器的泄漏檢查等[1]。

應(yīng)用紅外物理理論、紅外技術(shù)成果和傳熱學(xué)理論對(duì)材料、裝置和工程結(jié)構(gòu)等進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)與診斷，民用方面首先是從電力部門(mén)開(kāi)始的。20世紀(jì)60年代中期，瑞典國(guó)家電力局和AGA公司合作，對(duì)紅外前視系統(tǒng)加以改進(jìn)，并使用其對(duì)運(yùn)行中的電力設(shè)備的熱狀態(tài)進(jìn)行診斷，開(kāi)發(fā)出第一代工業(yè)用紅外熱像儀[2]。美國(guó)、加拿大、英國(guó)、瑞典和丹麥等國(guó)逐漸將紅外熱像無(wú)損檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于高壓輸電線路的航檢，并在后來(lái)引入了自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)。

建筑方面，瑞典在1966年開(kāi)始采用紅外熱像技術(shù)檢測(cè)建筑物節(jié)能保溫性能，隨后美國(guó)、德國(guó)等許多國(guó)家的研究人員也在這個(gè)方面進(jìn)行了研究[3]。

缺陷檢測(cè)方面，20世紀(jì)60年代國(guó)外開(kāi)始采用紅外技術(shù)對(duì)缺陷進(jìn)行檢測(cè)，主要用于金屬、陶瓷、玻璃、塑料、橡膠和發(fā)動(dòng)機(jī)噴管膠接質(zhì)量的檢測(cè)。美國(guó)A3火箭曾采用紅外檢測(cè)。美國(guó)洛克希德公司用TIRIS紅外橫移檢驗(yàn)儀檢查C5飛機(jī)的膠接結(jié)構(gòu)[4]。俄羅斯也積極開(kāi)展了膠接結(jié)構(gòu)脫粘缺陷的檢測(cè)研究。

20世紀(jì)70年代以后許多研究者開(kāi)始將紅外無(wú)損檢測(cè)和熱傳導(dǎo)理論聯(lián)系起來(lái)，隨后開(kāi)展了非均質(zhì)體的熱傳導(dǎo)研究，研究了不同激勵(lì)條件下的一維、二維熱傳導(dǎo)模型及其解析解和數(shù)值解，具有代表性的有MALDAGUE，VAVILOV，ALOMOND等的工作[1]。這些工作為紅外熱像檢測(cè)提供了理論基礎(chǔ)。

20世紀(jì)80年代后期，隨著具有高采集速率、高像元、高靈敏度的紅外熱像儀的出現(xiàn)和計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，各國(guó)專家不斷提出新的檢測(cè)方法和信號(hào)處理技術(shù)以提高紅外檢測(cè)的能力。瑞典AGA公司于1995年前后開(kāi)發(fā)了一種全新的加熱方式——調(diào)制加熱法(Modulated Thermograph，MT)。在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生了鎖相紅外技術(shù)(Lock-in Thermograph，LT)[5]。1996年MALDAGUE X等提出了一種新的信號(hào)處理技術(shù)——脈沖相位法(Pulse Phase Infrared Thermography，PPT)[6]。隨后，各種新方法和新的信號(hào)處理技術(shù)不斷涌現(xiàn)。

1.2 國(guó)內(nèi)的發(fā)展歷程

在國(guó)內(nèi)，電力系統(tǒng)是研究開(kāi)發(fā)與應(yīng)用紅外無(wú)損檢測(cè)技術(shù)較早的行業(yè)[7]。早在20世紀(jì)70年代初，我國(guó)就在電力設(shè)備的故障診斷中應(yīng)用了該項(xiàng)技術(shù)。中國(guó)石油化工集團(tuán)公司于1986年同時(shí)引進(jìn)了6臺(tái)紅外熱像儀，分別在下屬子公司進(jìn)行使用。利用這些熱像儀分別對(duì)大化肥裝置熱交換器、離心壓縮機(jī)、鉑重整裝置冷壁反應(yīng)器、合成氨裝置二段轉(zhuǎn)化爐管、催化裂化反應(yīng)器、再生器和提升器等設(shè)備進(jìn)行了檢測(cè)，獲得了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，并取得了很大的經(jīng)濟(jì)效益[8]。但是，此時(shí)的紅外無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是被動(dòng)式的無(wú)損檢測(cè)方法。后來(lái)，紅外無(wú)損檢測(cè)技術(shù)又逐漸被應(yīng)用到電子、建筑和臨床醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域[9]，如電網(wǎng)絕緣子的無(wú)損檢測(cè)[10]、太陽(yáng)能電池和太陽(yáng)能電池板的檢測(cè)[11-12]、印刷電路板和集成電路的檢測(cè)[13-14]、焊接缺陷檢測(cè)[15]、建材質(zhì)量檢測(cè)[16-17]、建筑工程質(zhì)量檢測(cè)[18]、火災(zāi)混凝土結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)[19]、膠片缺陷在線檢測(cè)[20]、高溫壓力管道檢測(cè)[21]、太陽(yáng)能熱水器保溫桶檢測(cè)[22]、壓力容器安全檢測(cè)[23]等，這一階段主動(dòng)式檢測(cè)方法逐漸出現(xiàn)。

20世紀(jì)90年代中期，北方交通大學(xué)在國(guó)內(nèi)首次使用閃光燈作為脈沖熱源進(jìn)行主動(dòng)式的紅外無(wú)損檢測(cè)的嘗試，取得了初步成果，后由于主要研究人員離去，研究未能繼續(xù)。近年來(lái)，北京航空材料研究院、首都師范大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、航天703所、北京衛(wèi)星制造廠、南京大學(xué)、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、西安交通大學(xué)、海軍工程大學(xué)等多所大學(xué)及研究機(jī)構(gòu)都進(jìn)行了一些主動(dòng)式紅外檢測(cè)方面的理論和實(shí)驗(yàn)研究。2003年5月由歸國(guó)留學(xué)生發(fā)起，首都師范大學(xué)、北京維泰凱信公司和北京航空材料研究院共同組建了專門(mén)從事紅外無(wú)損檢測(cè)與評(píng)估技術(shù)研究的聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，該實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)在熱波理論、基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用實(shí)驗(yàn)研究領(lǐng)域取得了許多成果。

2 總體發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外總體發(fā)展現(xiàn)狀

目前開(kāi)展紅外檢測(cè)研究的國(guó)家有幾十個(gè)，其中美國(guó)、加拿大、俄羅斯、德國(guó)、瑞典、法國(guó)和意大利等國(guó)的技術(shù)發(fā)展較快，主要應(yīng)用于航空航天、電力、電子、冶金、石油化工、材料、建筑工業(yè)和醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域。很多知名大公司，如西屋-西門(mén)子、洛克西得、波音、空客、諾頓、羅依斯羅爾斯、通用汽車、福特汽車、通用電氣、英特爾等也紛紛建立了紅外無(wú)損檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室，用于解決各自的無(wú)損檢測(cè)問(wèn)題。此外NASA、TWI Inc.、加拿大Laval Univ.、德國(guó)Stuttgart Univ.等都在該領(lǐng)域的理論和實(shí)驗(yàn)方面進(jìn)行了富有成效的研究，極大地拓展了紅外檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，發(fā)明了諸如脈沖加熱、脈沖相位、超聲紅外等無(wú)損檢測(cè)方法和技術(shù)。

紅外檢測(cè)技術(shù)在對(duì)各類飛機(jī)機(jī)身的檢測(cè)，如在復(fù)合材料的層析探傷，機(jī)身表面下蜂窩材料結(jié)構(gòu)中的積水、液壓油滲漏及其他類型損傷的識(shí)別，鋁蒙皮疲勞裂紋的檢測(cè)，機(jī)身銹蝕的定量測(cè)量等方面，都得到了成功的應(yīng)用，并制定了相關(guān)的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)和操作手冊(cè)。波音、空客公司均制定了紅外檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。ASTM(美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì))也制定了閃光加熱紅外熱像檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。

紅外熱波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在美軍裝備維修中有許多成功的應(yīng)用。應(yīng)用的機(jī)型有：F-22、F-18、F-16、F-15、B-2、AV-8、V-22“魚(yú)鷹”、P-3、E-2C、JSF、F-14、EA-8B、C-130、C-40A等飛機(jī)以及CH-46、HH/UH-1N、CH-53、MH-53、SH-60、TH-57等直升機(jī)[24]。

紅外熱像檢測(cè)技術(shù)在建筑節(jié)能監(jiān)測(cè)、建筑物飾面層粘貼質(zhì)量的檢測(cè)和建筑物滲漏檢測(cè)等方面均有研究和應(yīng)用。在電力、電子、機(jī)械設(shè)備、文物保護(hù)和醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用也很廣泛。

2.2 國(guó)內(nèi)總體發(fā)展現(xiàn)狀

現(xiàn)階段，我國(guó)紅外無(wú)損檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，主要應(yīng)用于電力工業(yè)、石油化工、鋼鐵工業(yè)、建筑、電子工業(yè)、文物保護(hù)、航空航天和醫(yī)療等領(lǐng)域。在電力方面，主要用來(lái)檢測(cè)發(fā)電機(jī)組裝置、輸電線接頭、絕緣部件等。在石油化工方面，對(duì)高溫高壓狀況下的設(shè)備進(jìn)行在線檢測(cè)、監(jiān)測(cè)異常熱區(qū)的出現(xiàn)，為設(shè)備的維修和養(yǎng)護(hù)提供支持。在鋼鐵工業(yè)方面，紅外檢測(cè)技術(shù)可用于冶煉到軋鋼的各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)，例如：熱風(fēng)爐的破損診斷、鋼錠溫度的測(cè)定、高爐殘缺口位置的確定等[25]。在建筑方面，主要用于建筑節(jié)能監(jiān)測(cè)和建筑物飾面層粘貼質(zhì)量的檢測(cè)[26-27]，在建筑物滲漏和建筑結(jié)構(gòu)混凝土火災(zāi)受損、受凍融等檢測(cè)方面也有研究。在電子工業(yè)方面，實(shí)現(xiàn)了印刷板電路的自動(dòng)檢測(cè)[25]。在文物保護(hù)方面，國(guó)內(nèi)多家相關(guān)單位將紅外熱像檢測(cè)技術(shù)運(yùn)用在病害探測(cè)和修復(fù)保護(hù)效果評(píng)價(jià)方面，如空鼓探測(cè)、內(nèi)部裂隙探測(cè)和水份分布分析等[28]。在航空航天方面，北京航空材料研究院、航空623所、北京衛(wèi)星制造廠和航天703所等單位在材料與構(gòu)件的紅外檢測(cè)方面開(kāi)展了大量的研究與工程應(yīng)用工作，如夾層結(jié)構(gòu)件的脫粘缺陷檢測(cè)、在役飛機(jī)的蜂窩積水檢測(cè)、吸波涂層的缺陷檢測(cè)與厚度測(cè)量、熱障涂層的缺陷檢測(cè)等，其中北京航空材料研究院和北京衛(wèi)星制造廠已將紅外檢測(cè)技術(shù)用于某些具體產(chǎn)品的質(zhì)量檢測(cè)上。

除了上述領(lǐng)域的企業(yè)和研究所進(jìn)行的紅外檢測(cè)研究與應(yīng)用外，很多高校對(duì)紅外檢測(cè)的基礎(chǔ)理論進(jìn)行了研究，如北京航空航天大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、首都師范大學(xué)、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)等在建模分析、信號(hào)處理、圖像處理和定量分析等方面進(jìn)行了多年、大量的研究，取得了很多寶貴成果。此外，首都師范大學(xué)聯(lián)合北京維泰凱信公司進(jìn)行了多種檢測(cè)設(shè)備的研制，申請(qǐng)并獲得了多項(xiàng)專利，部分設(shè)備已進(jìn)入試用階段。

除了企業(yè)、科研院所和高校的自主研究外，國(guó)內(nèi)還出現(xiàn)了與國(guó)外公司合作、提供紅外熱像檢測(cè)服務(wù)的公司，為用戶電器設(shè)備的在役檢測(cè)和維修提供服務(wù)?；蛘呤菄?guó)外的檢測(cè)公司直接在中國(guó)設(shè)立分公司，提供先進(jìn)的、成熟的檢測(cè)服務(wù)，譬如KM Instrument(中國(guó))。

近兩年，我國(guó)在紅外熱像檢測(cè)的人員資格鑒定與認(rèn)證方面，取得了突破性的進(jìn)步。在中國(guó)機(jī)械工業(yè)學(xué)會(huì)無(wú)損檢測(cè)學(xué)會(huì)的大力支持下，由首都師范大學(xué)和北京維泰凱信新技術(shù)有限公司牽頭，于2012年建立了國(guó)內(nèi)第一個(gè)紅外培訓(xùn)中心，首都師范大學(xué)聯(lián)合熱波實(shí)驗(yàn)室的老師編寫(xiě)了培訓(xùn)教材，并于同年8月份在首都師范大學(xué)成功舉辦了第一期紅外無(wú)損檢測(cè)資質(zhì)認(rèn)證與培訓(xùn)，使得紅外無(wú)損檢測(cè)技術(shù)成為第一種納入到中國(guó)機(jī)械工業(yè)學(xué)會(huì)無(wú)損檢測(cè)資質(zhì)認(rèn)證的新技術(shù)。

2.3 工程應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)

雖然紅外熱像檢測(cè)技術(shù)具有檢測(cè)速度快、非接觸、無(wú)污染和檢測(cè)結(jié)果直觀的特點(diǎn)，但是在檢測(cè)靈敏度、可靠性方面與一些傳統(tǒng)無(wú)損檢測(cè)方法(如超聲檢測(cè))相比并沒(méi)有優(yōu)勢(shì)，所以在對(duì)檢測(cè)要求高的產(chǎn)品上難以替代原有檢測(cè)技術(shù)，除非某些產(chǎn)品無(wú)有效檢測(cè)方法，而恰好紅外熱像檢測(cè)方法適用，才可能被應(yīng)用上。譬如，某些航空航天產(chǎn)品不允許使用耦合劑，或形狀復(fù)雜，或內(nèi)部存在多個(gè)界面，或蒙皮厚度非常薄，此時(shí)才有可能應(yīng)用上該技術(shù)。而在外場(chǎng)在役檢測(cè)方面，紅外熱像檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用的舞臺(tái)更大一些，但是傳統(tǒng)方法也在不斷的進(jìn)步，各種新技術(shù)，如空氣耦合超聲、超聲相控陣、陣列探頭掃描裝置(以提高掃查速度和實(shí)現(xiàn)成像)等不斷涌現(xiàn)出來(lái)。因此，在掌握紅外熱像檢測(cè)技術(shù)及其特點(diǎn)的前提下，找到合適的工程應(yīng)用切入點(diǎn)很重要。

由于紅外熱像檢測(cè)技術(shù)本身工程應(yīng)用不多，與傳統(tǒng)方法相比，其發(fā)展和實(shí)踐的時(shí)間較短，技術(shù)成熟度不夠，國(guó)內(nèi)、外尚缺乏普遍接受的缺陷判定方法、定量分析方法，雖然國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(詳見(jiàn)5.2節(jié))已經(jīng)在這個(gè)方面邁出了重要一步，但是還需要通過(guò)大量工程實(shí)踐來(lái)進(jìn)行檢驗(yàn)和完善。

所以，在線檢測(cè)、自動(dòng)化檢測(cè)和便攜式檢測(cè)設(shè)備的研發(fā)，以及缺陷判定與定量分析，是需要著重發(fā)展的兩個(gè)方面。

3 檢測(cè)方法發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 基本概況

紅外熱像檢測(cè)技術(shù)按照有無(wú)人為激勵(lì)可以分為被動(dòng)式紅外熱像檢測(cè)技術(shù)和主動(dòng)式紅外熱像檢測(cè)技術(shù)。被動(dòng)式紅外熱像檢測(cè)技術(shù)利用被檢測(cè)物自身的溫度場(chǎng)分布進(jìn)行檢測(cè)分析，如電力、電子器件或機(jī)械零部件工作時(shí)的非正常發(fā)熱(高溫升)，或利用自然條件產(chǎn)生激勵(lì)進(jìn)行檢測(cè)，如陽(yáng)光照射的周期性、飛機(jī)從高空降落到地面的環(huán)境溫度差等。主動(dòng)式紅外熱像檢測(cè)技術(shù)則采用人工主動(dòng)的激勵(lì)方式激勵(lì)被檢測(cè)物，使其產(chǎn)生變化的溫度場(chǎng)，根據(jù)溫度場(chǎng)的分布變化分析被檢測(cè)物的內(nèi)部信息。現(xiàn)在有關(guān)紅外熱像檢測(cè)的研究主要集中在主動(dòng)式紅外熱像檢測(cè)方面。

主動(dòng)式紅外熱像檢測(cè)的激勵(lì)方式按照激勵(lì)源的物理特性可以分為光學(xué)激勵(lì)、熱激勵(lì)、振動(dòng)激勵(lì)[29]、電磁激勵(lì)等幾大類。光學(xué)激勵(lì)方式常見(jiàn)的有閃光燈激勵(lì)、鹵素?zé)糸L(zhǎng)脈沖激勵(lì)、鹵素?zé)粽{(diào)制激勵(lì)、激光脈沖激勵(lì)等；熱激勵(lì)方式常見(jiàn)的有熱吹風(fēng)加熱、電熱毯加熱等；振動(dòng)激勵(lì)方式常見(jiàn)的是超聲激勵(lì)方式，包括接觸式和非接觸式；電磁激勵(lì)主要采用感應(yīng)線圈對(duì)被檢測(cè)物進(jìn)行電磁感應(yīng)激勵(lì)。

主動(dòng)式紅外熱像檢測(cè)的激勵(lì)方式按照激勵(lì)源的信號(hào)特征，還可以分為δ函數(shù)式脈沖激勵(lì)(如閃光燈激勵(lì))、長(zhǎng)脈沖激勵(lì)和調(diào)制激勵(lì)。

3.2 具體檢測(cè)方法

根據(jù)激勵(lì)源的不同，檢測(cè)工藝和數(shù)據(jù)與圖像處理方法也隨之不同，進(jìn)而演化出各種具體的檢測(cè)技術(shù)，常見(jiàn)的有閃光燈激勵(lì)紅外熱像法、光學(xué)調(diào)制熱像法、超聲激勵(lì)紅外熱像法(又可以分為脈沖式和調(diào)制式)、電磁激勵(lì)紅外熱像法。按照數(shù)據(jù)處理方法的不同，有TSR技術(shù)、脈沖相位法、主分量分析法、動(dòng)態(tài)熱層析等。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外研究與應(yīng)用現(xiàn)狀來(lái)看,閃光燈激勵(lì)紅外熱像法是最為成熟的方法之一，國(guó)內(nèi)、外均有很多相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布。該方法可用于金屬、非金屬、復(fù)合材料的缺陷檢測(cè)和涂層測(cè)厚。但是當(dāng)被檢測(cè)物具有可見(jiàn)光半透明性或是被檢測(cè)表面反光時(shí)，則檢測(cè)結(jié)果會(huì)受到明顯影響，此時(shí)需要對(duì)被檢測(cè)表面進(jìn)行噴漆或覆膜處理。

光學(xué)調(diào)制熱像法，主要采用鹵素?zé)暨M(jìn)行加熱，加熱功率被人為調(diào)制，對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)處理方法隨之改變。該方法的主要檢測(cè)工藝參數(shù)比閃光燈激勵(lì)紅外熱像法多了一個(gè)調(diào)制頻率。該方法適用范圍也很廣泛，其檢測(cè)深度理論上比閃光燈激勵(lì)紅外熱像法深一些，但是針對(duì)具體檢測(cè)物的檢測(cè)工藝參數(shù)研究要復(fù)雜一些，需要確定調(diào)制頻率。該方法同樣受到被檢測(cè)物表面的影響。

超聲激勵(lì)紅外熱像法，利用超聲激勵(lì)使得被檢測(cè)物的微裂紋在振動(dòng)過(guò)程中發(fā)生摩擦，將一部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能，使其對(duì)應(yīng)區(qū)域的表面溫度出現(xiàn)明顯差異。該方法對(duì)接觸表面有一定的損傷，不能用于涂層脫粘缺陷的檢測(cè)，并且在裂紋定量評(píng)價(jià)方面尚不成熟，工程應(yīng)用受到制約。

電磁激勵(lì)紅外熱像法又稱感應(yīng)激勵(lì)紅外熱像法，是一種比較新的檢測(cè)技術(shù)，也是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一。該方法的主要研究與應(yīng)用對(duì)象是鐵磁性材料的裂紋檢測(cè)。其原理是：利用高頻磁場(chǎng)在被檢測(cè)物表面產(chǎn)生感應(yīng)電流，被測(cè)表面如有裂紋存在，則產(chǎn)生更多的熱量，從而使得對(duì)應(yīng)區(qū)域的表面溫度出現(xiàn)異常[30]。

4 儀器和銷售市場(chǎng)發(fā)展現(xiàn)狀

4.1 國(guó)外的發(fā)展現(xiàn)狀

制冷型紅外熱像儀是紅外熱像儀中的高端系列，生產(chǎn)的核心技術(shù)掌握在發(fā)達(dá)國(guó)家，較大的生產(chǎn)商包括Indigo、Flir、RNO、Raytek、NEC、Fluke、InfraTEC、TESTO、Telops等。

成套的紅外無(wú)損檢測(cè)設(shè)備以美國(guó)的Thermal Wave Imaging(TWI)公司閃光燈激勵(lì)紅外產(chǎn)品為代表，目前國(guó)際和國(guó)內(nèi)已有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，技術(shù)較為成熟。由于它集成度高，操作簡(jiǎn)單，重復(fù)性好，國(guó)際上的一些大公司，比如波音、美國(guó)的勞拉空間系統(tǒng)公司、英國(guó)皇家空軍、美國(guó)航天公司、美國(guó)聯(lián)合航空等，以及國(guó)內(nèi)一些單位，如首都師范大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、中國(guó)民航科學(xué)技術(shù)研究院、航空材料研究院等，都引進(jìn)了這套系統(tǒng)。TWI公司除了脈沖激勵(lì)紅外檢測(cè)產(chǎn)品外，還有超聲激勵(lì)紅外檢測(cè)系統(tǒng)，以及低成本化的便攜設(shè)備。

德國(guó)edevis GmbH也開(kāi)發(fā)了多種激勵(lì)方式(鎖相、脈沖、激光、超聲等)的紅外檢測(cè)設(shè)備，但集成度不高，比較適合實(shí)驗(yàn)室研究使用。德國(guó)AT公司的C-CheckIR(簡(jiǎn)稱CCIR)便攜紅外探傷儀，集成度較好，可應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。

此外，有一些紅外熱像儀公司也加入了紅外設(shè)備開(kāi)發(fā)的行列，比如Flir、InfraTEC都生產(chǎn)紅外鎖相系統(tǒng)。

4.2 國(guó)內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)也有多家企業(yè)和研究所提供熱像儀產(chǎn)品，但由于起步較晚，目前產(chǎn)品以非制冷熱像儀為主，比如武漢高德、廣州颯特、深圳歐普士等單位，有些研究所比如航天三院8358所、昆明物理研究所等單位都有將紅外技術(shù)民用化的導(dǎo)向，有些產(chǎn)品正在研制中。

國(guó)內(nèi)也有少數(shù)單位研制紅外無(wú)損檢測(cè)成套或配套系統(tǒng)，其中北京維泰凱信新技術(shù)有限公司發(fā)布了WTKX-IRNDT便攜式紅外檢測(cè)系統(tǒng)，其選用了非制冷熱像儀降低了成本，并可以搭載輻射加熱和熱風(fēng)加熱兩種激勵(lì)辦法，方便外場(chǎng)使用和大規(guī)模推廣。南京諾威爾光電系統(tǒng)有限公司研制了激光激勵(lì)加熱裝置，可以用于紅外檢測(cè)。北京航空航天大學(xué)和北京華泰科恩有限公司合作開(kāi)發(fā)了商業(yè)化紅外無(wú)損檢測(cè)設(shè)備，有脈沖熱像檢測(cè)、調(diào)制及階躍熱像檢測(cè)兩個(gè)系列。

5 標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展現(xiàn)狀

5.1 國(guó)外的發(fā)展現(xiàn)狀 ASTM于2007年制定了閃光激勵(lì)紅外熱像檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)：ASTM E 2582-07InfraredFlashThermographyofCompositePanelsandRepairPatchesUsedinAerospaceApplications。在2009年的“ASTM E 2533-09StandardGuideforNondestructiveTestingofPolymerMatrixCompositesUsedinAerospaceApplications中也將閃光激勵(lì)紅外熱像檢測(cè)技術(shù)作為復(fù)合材料檢測(cè)的一種重要方法進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明。

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)隨后發(fā)布了多個(gè)紅外熱像的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，具體有：

ISO 10878: 2013Non-destructiveTesting-InfraredThermography-Vocabulary

ISO 10880: 2017Non-destructiveTesting-InfraredThermographicTesting-GeneralPrinciples

ISO 18251-1: 2017Non-destructiveTesting-InfraredThermography-Part1:CharacteristicsofSystemandEquipment

波音、空客均制定了紅外檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。此外，還有有關(guān)紅外檢測(cè)的ASNT標(biāo)準(zhǔn)。

5.2 國(guó)內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀

參考ASTM E 2582-07，并依據(jù)多年的實(shí)驗(yàn)檢測(cè)研究結(jié)果，由北京維泰凱信新技術(shù)有限公司、首都師范大學(xué)、北京航空材料研究院等單位牽頭編寫(xiě)了關(guān)于閃光燈激勵(lì)紅外熱像法的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，包括導(dǎo)則、試塊、檢測(cè)系統(tǒng)、檢測(cè)規(guī)范四個(gè)部分，均已正式發(fā)布。隨后,參考ASTM E 2582-07，中國(guó)航空綜合技術(shù)研究所牽頭編寫(xiě)了航空標(biāo)準(zhǔn)《航空復(fù)合材料閃光燈激勵(lì)紅外熱成像檢測(cè)方法》，中國(guó)國(guó)際航空公司工程技術(shù)分公司成都維修基地、南京航空航天大學(xué)、中國(guó)民航科學(xué)技術(shù)研究院等單位牽頭編寫(xiě)了民航標(biāo)準(zhǔn)《航空器復(fù)合材料構(gòu)件紅外熱像檢測(cè)》。此外，電力行業(yè)和建筑行業(yè)均建立了關(guān)于紅外熱像檢測(cè)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。目前已發(fā)布的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)有：

GB/T 12604.9-2008《無(wú)損檢測(cè) 術(shù)語(yǔ) 紅外檢測(cè)》

GB/T 26643-2011《無(wú)損檢測(cè) 閃光燈激勵(lì)紅外熱像法 導(dǎo)則》

GB/T 31768.2-2015《無(wú)損檢測(cè) 閃光燈激勵(lì)紅外熱像法 第2部分：檢測(cè)規(guī)范》

GB/T 26643.3-2015《無(wú)損檢測(cè) 閃光燈激勵(lì)紅外熱像法 第3部分：試塊》

GB/T 31768.4-2015《無(wú)損檢測(cè) 閃光燈激勵(lì)紅外熱像法 第4部分：檢測(cè)系統(tǒng)》

GB/T 19870-2005《工業(yè)檢測(cè)型紅外熱像儀》

MH/T 3022-2011《航空器復(fù)合材料構(gòu)件紅外熱像檢測(cè)》

HB 8428-2014《航空復(fù)合材料閃光燈激勵(lì)紅外熱成像檢測(cè)方法》

DL/T 664-2011《帶電設(shè)備紅外診斷應(yīng)用規(guī)范》

DL/T 907-2004《熱力設(shè)備紅外檢測(cè)導(dǎo)則》

JGJ/T 277-2012《紅外熱像法檢測(cè)建筑外墻飾面粘結(jié)質(zhì)量技術(shù)規(guī)程》

JG/T 269-2010《建筑紅外熱像檢測(cè)要求》

最近，由中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院牽頭編寫(xiě)的ISO 18251-1：2017已發(fā)布。該標(biāo)準(zhǔn)是第一部由中國(guó)無(wú)損檢測(cè)界專家編寫(xiě)的ISO無(wú)損檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。

6 技術(shù)研發(fā)機(jī)構(gòu)發(fā)展現(xiàn)狀

6.1 國(guó)外的發(fā)展現(xiàn)狀

美國(guó)的Wayne State University，20世紀(jì)主要進(jìn)行脈沖紅外熱波技術(shù)研究，自20世紀(jì)末主要開(kāi)展超聲激勵(lì)紅外無(wú)損檢測(cè)技術(shù)研究。其獲得了多項(xiàng)美國(guó)國(guó)家自然基金支持，以及包括來(lái)自美國(guó)空軍等軍方項(xiàng)目支持。主要研究了金屬材料的裂紋檢測(cè)，包括渦輪葉片及輪盤(pán)，以及復(fù)合材料的脫粘和粘接檢測(cè)等。提出了超聲激勵(lì)振動(dòng)信號(hào)的混沌理論，進(jìn)行了相關(guān)的有限元分析等，推動(dòng)了超聲激勵(lì)紅外無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展。

美國(guó)的Iowa State University，主要開(kāi)展超聲激勵(lì)紅外無(wú)損檢測(cè)技術(shù)研究，研究了缺陷處產(chǎn)生熱量的理論機(jī)制，并開(kāi)展了葉片檢測(cè)的應(yīng)用研究。

Simens(美國(guó))主要利用紅外技術(shù)對(duì)葉片進(jìn)行在線監(jiān)控及壽命預(yù)測(cè)研究，并將紅外在線監(jiān)控、脈沖紅外熱波和超聲激勵(lì)紅外熱波技術(shù)集成為一個(gè)大型裝備。

加拿大的Laval大學(xué)，重點(diǎn)對(duì)紅外技術(shù)的數(shù)據(jù)和圖像處理進(jìn)行研究，最重要的成果是ppt算法，也就是脈沖相位算法。

英國(guó)Bath大學(xué)，較早開(kāi)始紅外無(wú)損檢測(cè)研究，主要是進(jìn)行脈沖紅外熱波技術(shù)的研究，也開(kāi)展了激光激勵(lì)和超聲激勵(lì)方法的部分研究。研究工作較多的集中在理論方面，發(fā)表了大量論文。

英國(guó)的New Castle大學(xué)，主要對(duì)渦流激勵(lì)紅外技術(shù)做了大量的相關(guān)理論和應(yīng)用研究，其應(yīng)用也包括葉片裂紋檢測(cè)。

美國(guó)的TWI(Thermal Wave Imaging)公司，最初是由Wayne State University的幾位教授成立的。該公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)了多個(gè)系列的紅外檢測(cè)設(shè)備，包括超聲激勵(lì)系統(tǒng)。軟件方面的主要特色是開(kāi)發(fā)了熱波信號(hào)重建算法。此外該公司也做了大量的脈沖紅外技術(shù)應(yīng)用檢測(cè)服務(wù)工作。

俄羅斯的托姆斯克理工大學(xué)，在建模分析、數(shù)字圖像處理和工程應(yīng)用方面進(jìn)行了多年的研究，在理論分析、仿真分析和應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)方面成績(jī)顯著。

此外，也有其他國(guó)家的一些高校和研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行紅外檢測(cè)方面的研究，此處不一一列舉。

6.2 國(guó)內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀

首都師范大學(xué)聯(lián)合北京維泰凱信新技術(shù)有限公司、北京航空材料研究院和航天703所等單位在首都師范大學(xué)建立了聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，專門(mén)開(kāi)展紅外熱波(熱像)檢測(cè)技術(shù)的研究與工程應(yīng)用，針對(duì)多領(lǐng)域的產(chǎn)品檢測(cè)和在役檢測(cè)進(jìn)行了應(yīng)用研究，并研制出多種檢測(cè)設(shè)備。

北京航空航天大學(xué)，南京航空航天大學(xué)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)等多所高校在建模分析、信號(hào)處理、圖像處理和定量分析等方面進(jìn)行了大量的研究，他們跟蹤國(guó)外技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，開(kāi)發(fā)了多種激勵(lì)裝置和信號(hào)處理、圖像處理技術(shù)。

北京航空材料研究院、北京衛(wèi)星制造廠、航天703所和航空623所等單位在復(fù)合材料構(gòu)件缺陷檢測(cè)、涂層缺陷檢測(cè)、涂層厚度測(cè)量和飛機(jī)在役檢測(cè)等方面進(jìn)行了多年的研究與應(yīng)用[31-33]，部分型號(hào)產(chǎn)品已采用紅外熱像檢測(cè)技術(shù)作為主要檢測(cè)手段。此外，近幾年,北京航空工程技術(shù)研究中心、中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院和中國(guó)民航科學(xué)技術(shù)研究院等單位也積極開(kāi)展了工程應(yīng)用研究。

7 技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

紅外無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)主要有三個(gè)方面：

(1) 新方法、新技術(shù)、新算法的探索研究，如新的激勵(lì)手段、新的檢測(cè)方式、新的檢測(cè)方法和新的圖像處理方法等[34-37]。通過(guò)這些新技術(shù)的研究，不斷拓展紅外檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域和檢測(cè)能力，如TSR(熱波信號(hào)重建)方法在定量分析方面的應(yīng)用[38]，鎖相熱像法在缺陷類型、試件厚度測(cè)量、橫向?qū)嵊?jì)算等方面的應(yīng)用[39]，振動(dòng)熱像法確定分層缺陷深度的研究[40]，電磁激勵(lì)紅外熱像檢測(cè)焊縫裂紋的試驗(yàn)研究[41]等。在紅外檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用中進(jìn)行缺陷定量分析是比較困難的，這也是制約該技術(shù)迅速得到工程應(yīng)用的一個(gè)因素，因而其也越來(lái)越受到研究者的重視。

(2) 工程應(yīng)用研究，包括在線檢測(cè)、自動(dòng)化檢測(cè)和便攜式檢測(cè)設(shè)備的研發(fā)[42-44]，如在飛機(jī)構(gòu)件中的應(yīng)用[45]，在管道的維護(hù)與檢測(cè)中的應(yīng)用[46]，檢測(cè)時(shí)外界環(huán)境對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響[47]等研究。工程應(yīng)用往往需要在外場(chǎng)進(jìn)行檢測(cè)，而外場(chǎng)檢測(cè)環(huán)境更為復(fù)雜，檢測(cè)條件更加惡劣，環(huán)境溫度、陽(yáng)光反射、大氣濕度和風(fēng)速等都會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生影響，進(jìn)行這方面的研究并研制便攜式檢測(cè)設(shè)備都是必要的。

(3) 紅外檢測(cè)技術(shù)與其他無(wú)損檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合。為更好地解決實(shí)際的檢測(cè)問(wèn)題，常需要采用優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的兩種或多種檢測(cè)方法，從而提供完整的無(wú)損檢測(cè)方案，如紅外檢測(cè)與渦流檢測(cè)相結(jié)合對(duì)碳纖維蒙皮、鋁蜂窩制件進(jìn)行缺陷檢測(cè)[48]，紅外檢測(cè)與X射線檢測(cè)結(jié)合對(duì)碳纖維復(fù)合材料中的缺陷進(jìn)行定量分析[49]等。

8 結(jié)語(yǔ)

相對(duì)于國(guó)外，國(guó)內(nèi)的紅外熱像檢測(cè)技術(shù)研究與應(yīng)用起步較晚，尤其是對(duì)主動(dòng)式紅外熱像檢測(cè)技術(shù)的研究較落后。雖然從21世紀(jì)初開(kāi)始，在首都師范大學(xué)聯(lián)合熱波實(shí)驗(yàn)室，該技術(shù)得到了顯著的推動(dòng)，在復(fù)合材料檢測(cè)和涂層測(cè)厚方面進(jìn)步明顯，但是較國(guó)外的技術(shù)發(fā)展水平仍存在差距。

目前國(guó)內(nèi)進(jìn)行紅外熱像檢測(cè)的單位有高校、科研院所和企業(yè)公司，從格局上看比較完整，并具有了一定的研究基礎(chǔ)。雖然整體水平較國(guó)外落后，但是相信通過(guò)發(fā)揮各級(jí)無(wú)損檢測(cè)學(xué)會(huì)的組織、引導(dǎo)功能，依托專業(yè)技術(shù)交流平臺(tái)，利用企業(yè)、公司需求的牽引，產(chǎn)學(xué)研可以緊密地聯(lián)系起來(lái)，我國(guó)的紅外熱像檢測(cè)技術(shù)今后會(huì)有更快的發(fā)展。

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The Development History, Status and Trends of Infrared Thermographic Nondestructive Testing

LIU Yingtao1, 2, 3, GUO Guangping1, 2, 3, ZENG Zhi4, LI Xiaoli5, TANG Jia1, 2, 3

(1.AECC Beijing Institute of Aeronautical Materials, Beijing 100095, China; 2.Beijing Key Laboratory of Aeronautical Materials Testing and Evaluation, Beijing 100095, China;3.Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Materials Testing and Evaluation, Beijing 100095, China; 4.College of Computer and Information Science, Chongqing Normal University, Chongqing 400047, China; 5.School of Optoelectronics, Beijing Institute of Technology, Beijing 100085, China)

The development history of infrared thermographic nondestructive testing was reviewed, and its status and trends were summed up in this paper. The current situation of instruments, sales markets, standards and research institutions at home and abroad was compared in detail. The conclusion that there was still a gap between the domestic and foreign in the level of research and application of infrared thermographic nondestructive testing was drawn.

nondestructive testing; infrared thermographic nondestructive testing; thermal wave

2017-01-13

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(U1433122,61571028)

劉穎韜(1976-)，男，高級(jí)工程師，工學(xué)碩士，主要從事紅外熱像檢測(cè)技術(shù)研究與應(yīng)用和超聲C掃描設(shè)備的研制

劉穎韜，yingt.liu@163.com

10.11973/wsjc201708015

TN219;TG115.28

A

1000-6656(2017)08-0063-08