激光扫描红外热波无损检测技术介绍

激光扫描红外热波成像技术温度场分析
激光扫描红外热波无损检测技术应用
总结与展望
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1 激光扫描红外热波成像无损检测技术原理
高能量脉冲光
脉冲加热
试件表面
热波传播
试件内部
图1-1：主动红外热波无损检测技术原理
无缺陷 热波均匀传播 有缺陷 部分热波被反射
表面温度均匀
表面呈现温差
图1-2：试件表面温度-时间变化曲线
3大关键技术
热激励技术 红外图像采集技术 红外图像处理技术
图1-3：激光扫描红外热波成像技术示意图
技术特点
面积大 速度快
应用广
定量
测量
图像
显示
非接触
在役
红外热波 成像无损检测 技术特点
在线
技术优势
2 激光扫描温度场分析
激光扫描无缺陷区域温度场曲线
如图2-1所示，假设线状激光束扫描无限大样品中，以速度v向 x方向扫描，热源长度方向为y，垂直热源移动平面方向为 z， 热 传导在为x、z两个方向，线型光斑设为δ 函数；
激光扫描无缺陷区域温度场曲线
(a)线性坐标
(a)线性坐标
(a)线性坐标
(b)双对数坐标
(b)双对数坐标
(b)双对数坐标 图2-4：试件表面温度曲线-铝
图2-2：试件表面温度曲线-塑料 图2-3：试件表面温度曲线-不锈钢
激光扫描有缺陷区域温度场分析
◆热波信号的快速衰减，无缺陷区域可看为半无限大空间； ◆缺陷区域可看成有限厚度区域，对于有限厚热传导分析，通常采用“镜像热源法” ； ◆“镜像热源法”的核心在于把绝热边界看成一面镜子，介质内某处的温度分布看成真实热 源与无限个镜像热源效果的迭加。
(b)红外图像
图3-4：有机涂层试件缺陷检测 缺陷尺寸：
直径2-5mm，深度0.35-1.4mm
(a) 光学图像
(b)红外图像
图3-5：特种涂层试件缺陷检测
薄膜厚度检测
单位：μm
300
250
200
150
100
50
图3-6：薄膜试件光学图像
图3-7：薄膜试件红外图像
太阳能硅片缺陷检测
(a) 光学图像
(b)红外图像
图3-8：太阳能硅片脱粘缺陷图像
(a) 光学图像
(b)红外图像
图3-9：太阳能硅片裂纹缺陷图像
5 总结
◆ ◆
◆ ◆
推导出采用线状激光束扫描试件表面温度场分布的2-D理论 模型；
在一定的扫描速度范围内，试件无缺陷区域的表面温度变
化基本符合一维热传导模型； 实验曲线验证了理论模型的正确性； 展示了激光扫描红外热波成像技术对各种缺陷的检测示例。
◆ 特点：非接触、面积大、速度快、定量测量、图像显示、在役在线；
◆ 材料：金属、非金属、复合材料； ◆ 类型：可检测脱粘、裂纹、锈蚀、损伤等缺陷；
◆ 领域：航空航天、太阳能、风电、工业控制、交通运输、汽车制造等；
◆ 国内：研究者在理论研究方面做出了很多重要工作，自主研制的少，系统 主要依靠进口设备； ◆ 国际：欧美等国家得到了广泛的应用，并且有成熟的产品设备，主流采用 大功率闪光灯实现高能量短脉冲热激励； ★ 创新：采用激光异步扫描热波成像技术，解决了高能量短脉冲热激励和高 帧频图像采集两大关键技术。
T 2T 2T I ( x v t ) ( z ) a( 2 2 ) t x z c
激光束 z
vτ 扫描方向 x
其中，I-激光器功率，ρ -密度，c-比热容，α -热扩散系数，v-激 光扫描速度，l-激光半宽度，L-激光半长度。
y
图2-1：激光扫描二维热传导模型
(a)理论曲线
(b)实验曲线
图2-7：碳钢试件双对数温度时间曲线
3
检测应用
技术指标
计算机处理系统 扫描检测单元
测试平台
图3-1：激光扫描红外热波成像检测设备
延迟校正技术
◆现象：采用激光扫描，热激励不是同时刻激励， 根据需要，可以采用延迟校正技术； ◆试件：碳钢，试件背面有3排平底孔缺陷； ◆速度：激光扫描速度为3cm/s; ◆目的：使热信号与热激励的延迟一致；
激光扫描红外热波成像技术 在无损检测中的应用
报告人：江海军 南京诺威尔光电系统有限公司
激光扫描红外热波成像技术 在无损检测中的应用
江海军1 ，陈力1 ，张淑仪2
1.南京诺威尔光电系统有限公司； 2. 南京大学声学研究所
目录
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1
激光扫描红外热波无损检测技术原理 红外热波无损检测技术发展
2 3 5 4
l t

( x v )2 4 ( t )
d
上式对光源宽度进行积分，化简得到温度场分布为：
T ( x, z, t )
t I a v l x v l x [erf ( ) erf ( )]d 8L l k 0 t 4a(t ) 4a(t )
运用二维傅里叶变换，再利用卷积定律可得表面z=0温度场分布：
T ( x, z, t)
t e I d 4 a c 0 (t ) ( x v )2 4 a ( t )
考虑光斑宽度，则温度场分布为：
T ( x, z , t )
2I 1 d e 2l 4 k l 0 (t )
图3-2：碳钢试件背面光学图像
线状激光束
线状激光束
(a)第132帧红外图像 (b) 第296帧红外图像 (c) 延迟校正红外图像
图3-3： 激光扫描碳钢试件表面红外图像
涂层试件缺陷检测
缺陷尺寸：
直径2mm，深度0.35mm缺陷； 直径4m，深度0.9mm缺陷； 直径6mm，深度1.4mm缺陷。
(a) 光学图像
A Q1 Q B
Q5
4d
Q3

Q2

Q4

-2d
0
d
2d
4d
A
B
图2-5：具有两个绝热边界时的镜像热源 综合各个热源的作用，对于厚度为d的试件，在试件表面z=0，得到温度分布方程为：
t I T ( x, z , t ) 8L l k 0 a v l x v l x (1 2e (t ) ) [erf ( ) erf ( )]d t 4a(t ) 4a(t ) d2
式中：I-激光器功率，ρ-密度，c-比热容，α-热扩散系数，v-激光扫描速度，l-激光半宽度， L-激光半长度。
(a)线性坐标
(b)双对数坐标
图2-百度文库：不同厚度不锈钢表面温度时间曲线 ◆ 不同深度的缺陷，峰值温度相同；
◆ 不同深度的缺陷，与无缺陷区域的分离时刻不同，深度越深，分离时刻越晚，
通过提取分离时刻，可以精确测量缺陷深度。