复合材料的红外热成像无损检测技术

复合材料的红外热成像无损检测技术报告院系：航空航天工程学部班级：04030501姓名：扈永健（2010040305005）黄学廉（2010040305006）目录一、红外线的发现和分类 (3)二、不同波段的红外线成像原理和特点 (4)三、红外热波无损检测技术 (8)四、展望 (11)五、参考文献 (12)摘要：科学技术的不断发展和制造工艺要求的不断提高,要求无损检测技术更加可靠、经济、准确、快速并且使用方便,此时传统的无损检测技术表现出其局限性,无法满足更高水平的要求。

红外热成像技术作为非接触探测方式逐渐应用到无损检测领域,并以其快速、准确、安全的特点逐渐被人们认识并应用到多个领域。

本文对目前红外热像仪的应用做了简单总结,重点是其在红外无损检测领域中的应用,并对红外热成像无损检测技术的基本原理和检测方法做了简要介绍关键词：红外热成像技术及成像原理，无损检测，红外热成像无损检测技术是一门新兴的科学.由于它具有无损、非接触、快速实时、远距离等优点，所以发展非常迅速.尤其是在高速运动、高温、高电压等场合下，该技术更具有常规无损检测技术所无法相比的优点.目前该技术己在石油化工、电力工业、机械制造、航天航空及冶金等领域中获得广泛应用.一．红外线的发现和分类1800年，英国物理学家赫歇尔研究单色光的温度时发现：位于红光外，用来对比的温度计的温度要比色光中温度计的温度高，于是称发现一种看不见的“热线”，称为红外线。

红外线位于电磁波谱中的可见光谱段的红端以外，介于可见光与微波之间，波长为0.76～1000μm，不能引起人眼的视觉。

在实际应用中，常将其分为三个波段：近红外线，波长范围为0.76～1.5μm；中红外线，波长范围为1.5～5.6μm；远红外线，波长范围为5.6～1000μm。

它们产生的机理不太一致。

我们知道温度高于绝对零度的物体的分子都在不停地做无规则热运动，并产生热辐射，故自然界中的物体都能辐射出不同频率的红外线，如相机、红外线胶片自身等。

在常温下，物体辐射出的红外线位于中、远红外线的光谱区，易引起物体分子的共振，有显著的热效应。

因此，又称中、远红外线为热红外。

当物体温度升高到使原子的外层电子发生跃迁时，将会辐射出近红外线，如太阳、红外灯等高温物体的辐射中就含有大量的近红外线。

借助不同波段的红外线的不同物理性质，可制成不同功能的遥感器。

二．不同波段的红外线成像原理和特点红外遥感是指借助对红外线敏感的探测器，不直接接触物体，来记录物体对红外线的辐射、反射、散射等信息，通过分析，揭示出物体的特征及其变化的科学技术。

红外遥感技术中能获得图像信息的仪器有：使用红外线胶片的照相机，具有红外摄影功能的数码相机，热像仪等。

虽然它们都利用红外线工作，但成像原理和所成的图像的物理意义有很大的区别。

红外摄影通常指利用红外线胶片和数码相机进行的摄影；前者属于光学摄影类，后者属于光电摄影类。

1．光学摄影类红外胶片是一种能够感应红外线的胶片，有黑白红外胶片和彩色红外胶片两类。

其成像原理与普通胶片相似：曝光时，卤化银发生化学变化，记录景物反射到胶片上电磁波的信息，通过显影、定影等技术获得景物图像。

普通胶片记录的是波长为0.4～0.76μm范围内的可见光；由于红外胶片中加入了红外增感染料，使得它能记录波长在0.4～1.35μm间的可见光和近红外线。

为了获得景物纯粹的红外像，需要在镜头前加装一个红外滤镜，滤掉可见光，只通过近红外线。

那么，这部分近红外线是不是景物发出的呢？显然，日常摄影中的人体、树木等景物达不到能辐射近红外线的温度，它们的热辐射也不能使胶片形成足够清晰的像，所以应该是景物反射太阳辐射中的近红外线。

故近红外线也称为摄影红外。

红外胶片成的像与普通胶片成的像有较大的差异。

人体、草地对红外线反射较强，它们的黑白红外像就较白；河流、天空对红外线反射较弱，成的黑白红外像就较黑。

由于彩色红外胶片的感光光谱、成色剂和普通彩色胶片的不同，彩色红外相片上的颜色也就不是景物真实颜色的反映，所以又称它为假彩色红外胶片。

例如，健康绿色植物反射近红外线，它的红外像为红色，清澈的河水的红外像是深蓝色。

虽然在肉眼看来病态的植物和健康的植物都为绿色，文件涂改前后的墨迹也没什么区别，但它们对红外线的反射强弱不同，成的红外像就有明显的差异。

因此，它常用于刑侦、国土资源调查、环保等领域。

红外线较强的穿透能力和红外胶片易受热辐射影响的这些特点决定了在用红外胶片摄影时，对操作有较高的要求。

红外胶片对波长为0.76～0.9μm的近红外线有最佳的感光性能，随着能感应的波长增大，感光药剂受温度的影响越来越显著，感光药剂化学稳定性也随之下降。

例如，感光波长上限为1.1μm的红外胶片能保存三个月，当感光波长上限达到1.35μm时，只能保存8天。

所以无论是保存还是携带都需要冷藏，装卸胶片都需要在暗室或者专用防红外线的暗袋中进行。

由于红外胶片的曝光时间较长，出厂时没有标感光度，需要根据经验手动调整感光度，且自动相机的红外计数器发出的红外线能使其曝光；所以最好使用手动金属机身的相机。

红外摄影调焦时须注意，有的相机物镜上有红外线聚焦指数，其标记为“R”；若没有此标记，则要先对可见光调焦后，再将镜头前移可见光焦距的1/250左右。

2．光电摄影类自然界中的一些物质在受到辐射后，会引起它的电化学性质变化。

例如温度升高后，电阻变小，产生电压。

利用它们的这种物理性质可制成光电探测器，遥感仪器的光学系统收集到的辐射能量通过探测器实现光电转换。

根据电磁波和探测器的作用机理不同，分为光子探测器和热电探测器。

光子探测器是利用光敏感材料的光电效应，把一定波长的电磁波信号转化为电信号输出。

如一些具有红外摄影功能的数码相机的光电耦合器（CCD）能响应的波谱为0.4～1.1μm，同样在进行红外摄影时要加装红外滤镜，CCD所感应到的是景物反射太阳辐射中的或者是相机自带的红外灯发出的近红外线。

热电探测器是利用目标辐射的热效应对热敏电阻的电学性质的影响而工作。

例如热红外成像装置，它是被动地接受目标的热辐射，通过其中光学成像系统聚焦到探测元件上进行光电转换，放大信号，数字化后，经多媒体图像技术处理，在屏幕上以伪色显示出目标的温度场—热红外图像（热图、热像）。

热图像色调的明暗决定于物体表面温度及辐射率。

它反映了目标的红外辐射能量分布情况，但是不能代表目标的真实形状。

比如飞机升空后，在它原来停放的位置还能获得飞机停放时的热图像。

探测元件工作的波段常为3～5μm和8～14μm，为获得足够的灵敏度，需要对探测器冷却。

第二代热电探测器增加了测温功能的热红外成像装置，又称为热像仪，它在医疗、消防、航空遥感、军事等领域有广泛用途。

综上所述，红外摄影所成的红外像利用了景物反射的近红外线，体现了景物的几何形状；热像仪对人体成的热图，是利用人体自身热辐射获得的表示人体表面温度分布的图像。

是两个不同的概念。

红外胶片中的感光物质是卤化银，可见光也能使它感光。

红外热成像运用光电技术检测物体热幅射的红外线特定波段信号，将该信号转换成可供人类视觉分辨的图像和图形，并可以进一步计算出温度值。

红外热成像技术使人类超越了视觉障碍，由此人们可以“看到”物体表面的温度分布状况。

物体表面温度如果超过绝对零度即会辐射出电磁波，随着温度变化，电磁波的辐射强度与波长分布特性也随之改变，波长介于0.75μm 到1000μm间的电磁波称为“红外线”，而人类视觉可见的“可见光”介于0.4μm到0.75μm。

红外线在地表传送时，会受到大气组成物质( 特别是H2O、CO2、CH4 、N2O、O3等)的吸收，强度明显下降，仅在短波3μ~5μm及长波8~12μm的两个波段有较好的穿透率(Transmission)，通称大气窗口(Atmospheric window)，大部份的红外热像仪就是针对这两个波段进行检测，计算并显示物体的表面温度分布。

此外，由于红外线对极大部份的固体及液体物质的穿透能力极差，因此红外热成像检测是以测量物体表面的红外线辐射能量为主。

三．红外热波无损检测技术1.红外热波无损检测技术（简称热波检测）是近几年来发展比较快的一种无损检测技术，这一技术的基本原理是热波理论)当试件被周期或脉冲热源加热后，在趋于热平衡的过程中，其表面温度场的空间和时间变化方式不仅与物体材料有关，而且受物体内部结构和不均匀性影响。

热波的传播方式由材料特性几何边界形状和边界条件决定。

不同材料表面及表面下的物理特性将影响热波的传输。

大多数情况下，局部的缺陷使得热波非均匀传播，此时热波将会发生散射和反射等，以某种方式在材料表面的温度场变化上反映出来，如图1所示。

材料表面的温度场变化导致材料表面红外辐射能力的差异和红外辐射载有材料的特征信息。

利用红外热成像技术记录材料表面的红外辐射并将人眼不可见的红外辐射转化成可见的温度图像。

通过控制热激励和记录材料表面的温度场变化，可获取材料的均匀性信息及其表面下的结构信息，以此达到检测和探伤目的。

图1 红外热波无损检测技术原理示意图2.实验检测系统与检测结果2.1.实验系统及检测方法红外热成像无损检测实验系统如图1所示。

加热对工件进行加热，工件表面温度场分布由红外摄像仪接收黯分为8 种方式处理. (1)经A/D转换、图像板处理后送到微机进行分析，最后在显示器上以热图像的形式显示. (2) 经视频转换电路后由录像机在储起来，然后再回放，通过A/D转换、图像板后由微机仔细分析处理. (3) 直接在监视器上现测.对工件探伤时可分为两种方法: 穿透法和反射法.穿透捷的原理是：加热源对工件的一个侧面进行加热，同时在另一个侧面由红外摄像仪接收工件表面的温度场分布.如果工件内存在缺陷将会对热流的传播过程产生阻碍作用，在待测工件表面造成一个“低温区”在红外摄像仪上接收到的热图像将是一个“暗区”反射怯的原理是z 加热源对工件的一面进行加盐，在向一百采用红外摄像仪接收红外势图像.如果工件中有缺陷，将阻碍热能的传播，造成能量积累(反射) ，使缺陷部位对应的工件表面形成一个“高温区”在熟图像中将是一个“亮区”.2.2 实验条件在实验中我们采用的实验条件为:1. 加热源采用恒温加热的方式.2. 红外摄像：20辑图像/S; 测温范围。

0~1000℃；分辨率0.1℃；视场角为8°x8°或16°x 16°；测距范围0.3m~∞，可调焦.3.微机：ALR-286.4. 显示器：TVGA 高分辨率显示器.5. 图像处理方式：灰度等级为256级，可采用伪彩色编码技术对应256种颜色，每幅图像包含的象素可达256 x 256个.6. 测试样品为滚动轴承的滚子和滑动轴承的轴瓦.四展望从我们开展的一些初步研究结果来看，红外热成像无损探伤技术在复合材料的应用将具有广阔的前景.首先，该技术的探伤工作是非接触式的，结果采用彩色图像形式直观显示，对缺陷的大小、方位的观测非常方便，又可进行走量化计算.而最常用的超声波探伤是接触式的，结果由示波器的波形幅度来判别.这势必带来人为主观因素的影响，不同的检测者由于经验不同，对同一工件探伤会得出不同结论.同时，超声波探伤受杂散波、界面反射波的干扰，容易造成误检、漏检.第二，该技术的检测速度非常快.由于采用了成像技术，它检测一个部件一般只需几秒钟.目前最快的检测速度为每秒钟50幅图像，与普通电视兼容.尤其是在对大面和、部件探伤时，该技术更为优越，可以大大提高检测效率.第三，该技术是一种通用性较强的检测技术，对金属、非金属材料均可探伤F 对形状较复杂的、表面平整度和光洁度不好或去面存在氧化层等五件也可有效地探伤.这样就可以解决车辆中一些锻造或铸造部件(如圆销、拉杆、车钩等)的探伤问题.车辆检修部门目前采用前常规探伤方法很难解决这些部件的探伤问题，而这些部件正是车辆上的关键受力部件.第四，该技术的探伤结果可采用磁盘、磁带或录像带长期保存.这对于研究车辆部件的损伤规律，跟踪检测一些关键受力或运动部件是非常有用的.且可以建立一个全路安全检测资料库，通过微机联网供任何一个车辆检修部门调用.目前，我们正在研制计算机专家系统，进一步提高该探伤技术的自动化程度，同时采用瞬态大功率加热源进一步提高检测灵敏度(PVT 技术)预计红外热成像无损检测技术将在铁路安全检测工作中获得广泛应用，如车辆关键受力部件的裂纹检测、锻造或铸造工件的探伤、车轮踏面的夹层、波浪裂纹的检测、轮铜裂纹的检测、轴承擦子表面裂纹的自动快速检测、电器设备的定期巡检等参考文献1 李作新.无损检测的原理和方法.云南：云南大学出版社， 1989 ， 268~2842 仲跻生等.催化裂化装置的红外热像检测.南京：全国无损检测新技术学术会议论文集，19908 董本平，扬殿林.加强检查，杜绝车轮事故隐患.铁道车辆， 1992, (7)： 28~314 肖万化等.客车车轮轮的分析:罔与早期发现措施.铁道车辆， 1992 , (8)： 52~535 刘春华. 15 号车钩的裂纹问题.铁道车辆， 1992 , (4)：536 宗明成等.脉冲电视热像法无损检测.无损探伤， 1992 , (2)： 34~37。