浅谈红外热成像技术在航空无损检测中的应用

2.2 提高神经传导和视觉机能 1975 年 Hayes 等报道，猫的饲料中若缺少牛磺酸，会导致其视网膜 变性，长期缺乏，终至失明。猫以及夜行猫头鹰之所以要捕食老鼠，其 主要原因是老鼠体内含有丰富的牛磺酸，多食可保持其锐利的视觉。 婴幼儿如果缺乏牛磺酸，会发生视网膜功能紊乱。长期的静脉营养输 液的病人，若输液中没有牛磺酸，会使病人视网膜电流图发生变化，只 有补充大剂量的牛磺酸才能纠正这一变化。 2.3 防治心血管病 牛磺酸在循环系统中可抑制血小板凝集，降低血脂，保持人体正常
牛磺酸的研究进展
宝鸡职业技术学院 王莉娟
［摘 要］牛磺酸是一种含硫的β-氨基酸，不仅分布广泛而且对多种器官和系统具有重要的生物学功能，具有广阔的应用前景。本 文对牛磺酸的性质、生物学功能做了综述。 ［关键词］牛磺酸 性质 生物学功能
牛磺酸是一种含硫的β-氨基酸。1827 年首次从牛胆汁中分离得 到，是牛磺胆酸的组成成分。牛磺酸广泛存在于人和哺乳动物几乎所 有脏器中，具有特殊的生理功能和药理作用，作为药物、食品和饲料添 加剂而被广泛应用。本文对牛磺酸的性质和生物学功能作一综述。
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个，其能量输出可以分为九个档位，还可以外接 220 V 交流电源随时充 电。
a
b
图3
探测装置包括红外热像仪和防光扩散遮罩，热像仪可以根据需要
选配。防光扩散遮罩则可以使箱内形成匀光环境。
热激发装置和探测装置结合在一个整体的机匣中，整个机匣重量
不大于 5kg，机匣上有手提把手和手提触发装置，方便操作人员手持进
示出来等多种功能。
红外热成像系统配有一台计算机，装有 DVD 刻录机，除了方便随
时记录检测结果，更便于对测得图像进行跟踪和质量检验。
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殊设备（这点与超声波单向扫描 C-scan 和 X 射线检测不同）。 (2)超出设计寿命仍然服役的飞机，无需停飞就可以进行定期检测。 (3)检测采用无接触方式而且不会深入部件，能够检测内部有电子
重要作用。研究表明：早产儿脑中的牛磺酸含量明显低于足月儿，这是 因为早产儿体内的半胱氨酸亚磺酸脱羧酶（CSAD）尚未发育成熟，合成 牛磺酸不足以满足机体的需要，需由母乳补充。母乳中的牛磺酸含量 较高，尤其初乳中含量更高。如果补充不足，将会使幼儿生长发育缓 慢、智力发育迟缓。牛磺酸与幼儿、胎儿的中枢神经及视网膜等的发育 有密切的关系，长期单纯的牛奶喂养，易造成牛磺酸的缺乏。
得：
Ln(ΔT )
=
Ln(
Q e
)
-
1 2
Ln(πt)
(2)
作出 ln(T)-ln(t)坐标图可得图 6。
a
b
图 6 ln(T)-ln(t)
正常构件的方程是一条近似于斜率为-1/2 的直线（图 6a），而有裂
纹缺陷的构件温度变化会出现异常，所以方程的斜率会在缺陷的地方
改变（图 6b）。然而这并未表示缺陷已经被发现，因为即使是红外热像
和通讯设备的结构。 (4)与单点检测不同，红外热成像系统采用成像方法，可以完成整个
区域的检测。 (5)只需要一名技师就可以使用，而且不限场地，无论是外场还是生
产车间。 (6)操作人员无需操作电脑，而只需要根据指示轻轻点下手触式显
示屏上面的程序按钮。 (7)由于降低了人手劳动力需要以及缩短了工时，维护成本更低廉。 (8)可以实现自动化操作以取代劳动强度较高的目视检测和硬币轻
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浅谈红外热成像技术在航空无损检测中的应用
广州民航职业技术学院 林伟谦
1.红外热成像技术的概念 随着复合材料越来越多地应用于航空领域，业界需要一种能够大 量、快速、随时随地都可用的无损检测技术。许多检测都需要对这些材 料在各种载荷下的变化状况进行确定。红外热成像在这些方面具有独 有的优势。 红外热成像(Thermography)无损检测技术是针对被检测构件的材 质、结构和缺陷类型以及特定的检测条件，设计不同特性的热源（如：高 能闪光灯、超声波、电磁、热风等），用计算机控制进行周期、脉冲等函数 形式的加热，采用红外热成像技术对热后被检测材料的时序热波信号 进行捕捉和数据采集，使用专用软件进行实时图像信号处理和分析并 最终显示检测结果。早在 30 年多前随着便携式红外摄像头面世，红外 热成像法的潜力就得到广泛的认可，它可以用于大面积的无接触单面 检测。 2.基本原理 红外热成像系统用一个脉冲闪光灯（Flashlamp）向被检测物体表面 发射出一个脉冲光源，这个光源能量很大（可达 4.8kJ），可以对构件表 面进行主动加热，受热部件表面受到脉冲热源以后，热波向内部传输， 而表面会产生红外辐射(IR)。 如果被检测构件内部存在裂纹或其他缺陷，其内部热学性质存在 差异，出现热传导不连续，并反映在构件表面温度的差别上，这样构件 表面的局部区域便产生温度梯度，红外辐射能力发生差异，因此红外辐 射就包含了构件内部裂纹缺陷的情况的信息。随着构件逐渐冷却，借 助红外热像仪（IR Camera）可以探测被检测构件的辐射分布，反映到热 像图序列就可以推断出内部缺陷的情况，如图 1 所示。 在航空领域，以美国 TWI 公司设计制造的系统为例，该系统作为典 型的红外热成像设备，在检测飞机结构内部裂纹方面有较强的能力，配 套有专门的方法处理红外线图像数据，可以探测出诸如金属层剥落、腐 蚀或者极细微裂纹的特征。而且体积更小，重量更轻，更灵敏，可以对 大型飞机进行快速无接触检测。
对于大型结构来说，热成像法检测要分析和处理多重图像序列，是
一项费时费劲的工作。这就需要专门软件为大面积检测提供同步处理
方法，所有获得的序列都要进行同步分析和处理，以节省检测耗时。
热传导是一个扩散过程，犹如在一杯清水中滴入一滴墨水，TWI 公
司的工程师们在研究这个过程时想方设法从零乱的信息中提取出定量
敲检测。 (9)无需提供特殊设施（如浸渍油箱，隔离室等），不会涉及任何电离
辐射。 (10)适合用于大面积检测。 以下是采用红外热成像系统与传统无损检测方法对嵌入碳纤维铝
合金蜂窝夹层板中的聚四氟乙烯（特氟隆）试件进行试验（图 9）的效果 对比：
图 7 ln(T)-ln(t)的一阶和二阶微分 5.红外热成像系统的优胜之处和不足之处 优点： (1)检测正在服役的飞机无需对其进行拆解，也不需要使用其他特
行检测。除此以外还可以装在三脚架或者机械手等装置上进行检测。
这套热激发装置和探测装置一次探测最大尺寸可达 27cm×37cm，也就
是大约 0.1m2。
TWI 公司开发出的便携式红外热成像系统得到许多航空公司的认
可，图 4 为操作人员使用热像仪为波音 747 进行局部区域金属层剥落的
检测（图 4a）以及将热激发和探测装置安装在三脚架上对 EC 飞机的螺
图2 3.热激发装置和探测装置（图 3） 热激发装置有两只脉冲宽度为 2ms 的氙灯，每个闪光灯最大能量 为 2.4kJ，其能量可以根据不同的被检测材料进行调谐，有两只相同规 格的大电容，每只有六个输出端口，包括 800J 一个，1600J 一个，2400J 四
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பைடு நூலகம்
图 5 热像图序列进行重组
的数据和定性的图像。有些时候裂纹损伤信号与环境噪声信号（如热
像仪的红外摄像头噪声）之间的区别可能会微乎其微，因此它们的分离
工作将会变得相当困难。
研究发现，一般材料表面每个像元受热激发后温度变化遵循方程：
ΔT
=
e
Q πt
(1)
式中ΔT 表示温度变化，Q 表示输入能量，e 是导热系数，t 是时
间。系统在处理每个像元的信息时自动对其对应的公式两边取对数可
旋桨进行裂纹检测（图 4b）。
a
b
图4
4.检测过程及计算机进行后期处理
在检测过程中可以得到多幅热像图序列，系统对这些热像图序列
进行重组，便可以得到最终整块被检测构件的热像图（图 5）。
图1 红外热成像系统由以下几样设备组成（图 2），探测装置包括热激发 系统（Flashlamp）和红外热像仪（IR Camera）、计算机及专用软件、图像 采集和处理系统。
1.牛磺酸的性质 牛磺酸又称β-氨基乙磺酸，分子式：C2H7NSO3；分子量：125.15。纯 品为无色或白色斜状晶体，无臭，化学性质稳定，溶于乙醚等有机溶剂， 是一种含硫的非蛋白氨基酸，在体内以游离状态存在，不参与体内蛋白 的生物合成。牛磺酸虽然不参与蛋白质合成，但它却与胱氨酸、半胱氨 酸的代谢密切相关。人体合成牛磺酸的半胱氨酸亚磺脱羧酶（CSAD） 活性较低，主要依靠摄取食物中的牛磺酸来满足机体需要。 2.牛磺酸的生理功能 2.1 促进婴幼儿脑组织和智力发育 牛磺酸在脑内的含量丰富、分布广泛，能明显促进神经系统的生长 发育和细胞增殖、分化，且呈剂量依赖性，在脑神经细胞发育过程中起
图 8 聚四氟乙烯（特氟隆） 从缺陷图片中不难发现，X 射线检测法得出的图像由于“阴影特 性”无法提供与材料特征或与缺陷深度有关的信息，而超声检测法虽然 得出比较清晰的图像但由于复杂的机械设备和繁琐的检测工序使其轻 便性受到限制，提高了检测成本，检测效率低，红外热成像系统对缺陷 检测的灵敏度，所得图像的清晰度相对较高，成本更低，更轻便，检测速 度更快。 在一项对战斗机的部件和发动机整流罩的无损检测检测中，超声 波单向扫描 C-Scan 分别用了 12h 和 4h，而采用红外热成像系统则都只 用了 45 分钟，效率惊人。 缺点： 对于不同深度的裂纹的灵敏度有差异，深度越深，灵敏度下降，检 测能力也随之下降，这也是成为它发展的最大障碍，使它只能用于检测 构件表面或近表面缺陷，不过作为一项新兴无损检测技术来说，它是最 便捷的检测方法，在未来的航空无损检测领域有广泛的适用性，必将成 为一支主力军。
仪的摄像机的噪声信号都会对这条曲线产生影响，通过对这条方程两
边分别取一阶和二阶微分就可以得到图 7 的情况。
缺陷在原函数和一阶微分的情况下响应并不明显，当取二阶微分
的时候响应就会到达峰值，这是缺陷处红外辐射特有的变化规律，至此