红外热像检测技术综述

作业一红外热像检测技术综述院（系）名称机械工程及自动化学院科目现代无损检测技术学生姓名X X学号XXXXXXXX2016 年1X 月1X 日红外热像检测技术综述 XXXX XXXX目录1 红外热像检测技术的原理介绍 (1)2 红外热像检测技术的应用 (2)2.1材料的内部制造缺陷的红外热像检测 (2)2.3结构内部损伤及材料强度的检测 (3)2.4在建筑节能检测中的应用 (3)2.5建筑外外墙面饰面层粘贴质的检测 (4)2.6在建筑物渗漏检测中的应用[13] (4)3 红外热像检测技术国内外发展现状 (5)3.1红外热像检测技术国外发展现状 (5)3.2红外热像检测技术国内发展现状 (7)4 参考文献 (10)I1 红外热像检测技术的原理介绍红外热成像检测技术采用主动式控制加热激发被检物内部缺陷，通过快速热图像采集和基于热波理论图像处理技术实现缺陷检测。

它通过光学机械扫描系统，将物体发出的红外线辐射汇聚在红外探测器上，形成红外热图像，由此来分辨被测物体的表面温度。

该技术具有检测速度快、非接触、范围广、精度高、易于实现自动化和实时观测等诸多优点，适合于裂缝、分层、积水、冲击损伤等问题的诊断。

红外线和可见光及无线电波一样是一种电磁波，红外线的波长比可见光长，比无线波短，为0.78~1000m μ，可分为近红外、中红外和远红外。

任何物体只要不是绝对零度，都会因为分子的东{转和振动而发出“辐射能量”，红外辐射是其中一种。

如果把物体看成是黑体，吸收所有的人射能量，则根据斯蒂芬—玻尔兹曼定律，在全波长范围内积分可得到黑体的总辐射度为:()40,M M T d T λλσ∞==⎰ (1.1) 式中:()()152121,exp 1c M T c W m m T λλμλ---⎧⎫⎡⎤⎛⎫=-⋅⋅⎨⎬ ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦⎩⎭ 为黑体的光谱辐射度;1c ，2c 为辐射常数，8241 3.741810c W m m μ-=⨯⋅⋅，42=1.438810c m K μ⨯⋅，σ为斯蒂芬—玻尔兹曼常数，8245.6710W m K σ---=⨯⋅⋅，实际的大部分人工或天然材料都是灰体而不是黑体材料，与黑体不同，灰体材料的发射率1ε≠，灰体表面能反射一部分入射的长波()>3m λμ辐射，因此灰体表面的辐射由自身发射的和环境反射的两部分组成，用红外探测器可直接测量灰体发射和反射的总和ap M ，但无法确定各自的份额。

通常假设物体表面为黑体，将ap M 称为表观辐射度，为便于理解，一般将其转换为人们较熟悉的温度单位，称为表观温度ap T ，即:()()()()04,,ap t l ap ap M M T M T d T λελλρλλλσ=+=⎰ (1.2)上述的表观温度ap T ，即为红外探测器测量所得温度。

在无损检测中测量距离一般较近，可以忽瞬大气的影响，故被测物体的表面发射率。

的取值是否准确是影响测量精度的关键因素。

2 红外热像检测技术的应用红外成像技术的最初应用是在军事领域，但目前该技术已广泛地应用于电力设备检测、石化管道泄漏的检查、冶炼温度和炉衬损伤检测、航空胶结材料质量的检测、山体滑坡的监测预报，医疗诊断等领域，下面分别从材料内部缺陷检测、材料热物性参数的识别、结构内部损伤检测、建筑节能杉:测、房屋质量检测等几方面介绍红外热像技术在无损检测中的应用及研究进展情况。

2.1材料的内部制造缺陷的红外热像检测材料内部缺陷的检测是无损检测中的重要内容，目前有东南大学、北京航空航天大学、清华大学等单位的研究人员分别对玻璃钢内部脱粘、复合材料内部分层缺陷、炭纤维混凝土基体界面层缺陷等多种材料内部缺陷进行了红外检测试验研究[1-4]。

这些试验研究了缺陷的大小、深度、厚度与红外热图像特征之间的关系，并得出了一些关于缺陷深度和大小计算的方法。

对缺陷深度的测量，文献仁[2]提出了根据缺陷表面温差到达峰值时间与缺陷深度之间的关系计算缺陷深度的一维传热模型，文献[3]提出在热脉冲作用下通过人工神经网络计算缺陷深度的方法[3]。

对混凝土内部缺陷深度和大小的检测，同济大学的研究人员从实际与模拟相结合的角度佳发，采取红外热图像与数值模拟相结合的手段，采用LM 神经网络算法，实现对混凝土板内部缺陷的三维重构，即称红外CT 模拟。

这种方法不仅可以获得构件表面每一点的缺陷深度与厚度，并且用于任意形状的缺陷[5]。

在材料缺陷检测中，为了区分由表面混乱和内部缺陷引起的表面温度异常，美国的劳伦斯立夫莫尔实验室(Lawrence Livermore national lab)开发了双频红外热像检测系统，将3~5m μ波长热像匡和8~12m μ波长热像图进行对比处理，去除由于表面混乱引起的温度异常，从而得出真实的缺陷位置形状、大小和深度等参数。

目前在材料内部缺陷的检测研究中，计算模型多为一维传热模型，与实际试件的二维或三准传热出人较大，定量研究成果还比较少，进行试验的材料多属匀质材料，试件的缺陷深度都较浅。

要把研究成果应用于实际工程中，建立实用的计算模型，加强定量化研究是今后研究工作的重点。

2.2材料热物性参数的检测与其它的测温技术相比，红外摄像仪能迅速、准确地测量大面积的温度值，且测温范围宽，因此，当需要准确测量较大范围的温度边界条件时，红外摄像仪具有其它测温仪器不可比拟的优越性。

哈尔滨工业大学的研究人员针对焊接温度场中材料的传热系数随温度升高而变化的情况进行了研究，证明了焊接过程热传导系数反演算法的可行性，结合红外热像法与热电偶测量了LY2铝合金固定TIG点焊过程的焊接温度场，通过计算分别获得了加热和冷却过程的热传导系数随温度变化的曲线[6]。

热传导反问题的研究，具有广泛的工程应用前景，近年来在热物性参数的识别、边界形状的识别、边界条件的识别、热源的识别等多方面已经取得了很多研究成果。

在进行传热反问题研究时，采用红外热像技术测量研究对象的温度[7]。

可以方便快捷地解决温度边界的测量问题，该方法在热传导反问题的研究中己被广泛采用。

2.3结构内部损伤及材料强度的检测目前利用红外热像技术进行的结构损伤研究有混凝土内部损伤检测、混凝土火灾损伤研究、焊缝疲劳裂纹检测、碳纤维增强混凝土内部裂纹检测等。

由于损伤部位的导热系数的变化，导致红外热图像中损伤位置温度异常。

与常规的探伤方法如X射线、超声波等相比，红外热像技术具有不需要物理接触或祸合剂，操作简单方便，无放射性危害等优点。

2.4在建筑节能检测中的应用在建筑物节能检测方面，瑞典早在1966年就开始采用红外热像技术检测建筑物节能保温。

生能，美国、德国等许多国家的研究人员也都进行过这方面的研究工作[8]。

在我国随着对建筑节能要求的提高，建筑物的节能检测势在必行。

目前我国对建筑围护结构传热系数的检测多采用建筑热工法现场测量，红外热像技术只作为辅助手段，通过检测围护结构的传热缺陷综合评价建筑物的保温性能[9]。

北京科技大学的研究人员以对流传热法为基础，对一焦化加热炉进行红外热像监测，并通过自己编制的软件计算出该焦化加热炉的散热损失[10]。

该方法对进行建筑物隔热保温性能的评价有很大的借鉴意义。

目前我国红外热像技术在节能检测领域的研究尚属于起步阶段，还没有确定的指标对建筑物的红外热像图进行节能定量评价。

由于建筑物立面形式和饰面材料的多样性，编制专用的图像分析与处理软件和建立墙体内外饰面材料的发射率基础数据库成为该项研究中一个重要环节。

2.5建筑外外墙面饰面层粘贴质的检测当建筑物的饰面层与墙体的粘贴有剥离、空鼓时，因空气的导热系数较低，经墙体传递的热量会在缺陷处堆积，使得缺陷的温度与正常部位的温度不一致，通过红外热像图可得知缺陷的位置与大小。

同济大学与上海房地产科学研究院对建筑外墙面饰面砖损伤红外热像检测进行了系统的试验[l1]。

试验结果表明，利用红外热像技术进行外墙面砖损伤检测，得出的空鼓面积率与现场锤击法检测结果一致[12]。

2.6在建筑物渗漏检测中的应用[13]建筑物的渗漏有由供水管道引起的渗漏和屋顶或外墙开裂引起的雨水渗漏等。

由于渗漏部位的含水率和正常部位不一样，造成在进行热传导的过程中二者温度有差异，因而可以用红外热像仪拍摄湿度异常部位墙面的红外热图像，与现场直接观察结果进行对比分析，可以找出渗漏源的位置。

3 红外热像检测技术国内外发展现状3.1红外热像检测技术国外发展现状在1960年，美国为了解决固体火箭发动机界面的脱粘，而进行了红外检测技术研究。

1965年，将红外检测技术利用在北极星A5固体火箭发动机上。

随后美国将红外检测技术应用到航天飞机零部件、多层结构、金属疲劳裂纹、蜂窝结构等的检测。

六十年代末期，苏联对于非金属材料、金属与非金属材料的多层胶接件、蜂窝结构、钎焊及焊接质量的检测进行了研究，利用红外检测技术检测取得了较好的成果。

二十世纪九十年代以来，各国在提高红外无损检测精度方面进行了不懈努力。

红外无损检测技术越来越受到重视。

根据加载方式不同可分为:1)脉冲热成像红外技术(PT)脉冲热成像法是研究最早的检测方法，这种检测方法是研究最多的，相对于其他的红外检测方法是最成熟，也是使用最广泛的。

它的原理是采用短时的高能量脉冲注入被检测物体，随后观察物体表面的温度变化。

2002年，意人利N.Ludwig对脉冲热成像检测进行了分析研究，针对热传导模型做了三维热扩散的分析[14]2004年，加拿大学者P.V.Xavie针对探测深度受一次低能量脉冲限制的问题进行了研究，提出了利用两次热脉冲红外检测理论，通过实验对比，证实了两次脉冲可以提高低热导率材料探测深度[15]2005年，法国J.C.Krapez对复合材料进行红外检测，研究了低能量对红外热像图的影响，并研究了光源频率对红外热像图及热图的信噪比的影响[16] 2006年，法国Loth Toubal利用红外检测技术对复合材料的疲劳进行了检测。

通过试验的方式研究复合材料内部缺陷的生长过程与温度关系[17]。

2009年，加拿大的M.Genest,M.Martinez等采用红外热像检测法对含有脱粘缺陷的复合材料进行检测。

采用相减法对实验所得到的图像序列进行处理，提高了检测图像的质量[18]。

2010-2012年，Grzegorz Ptaszek等对热障涂层进行了脉冲红外热像无损检测数值仿真分析[19]。

美国加利福尼亚大学A. Manohar F. Lanza di Scalea [20]。

针对脉冲红外热波无损检测法更准确的确定缺陷深度作了深入研究，为了充分考虑缺陷周围的热扰动，采用二维热传导模型进行了缺陷的定量化研究。

美国Bath大学[21]D.P.Almond and S.GPickering针对低碳钢的脉冲热像法进行了理论与仿真研究，得出缺陷对比度不仅与缺陷长宽比有关，还受热流强度和缺陷深度的影响。