便携式红外热波无损检测系统的研制与应用_王冠

２ ０００ Ｗ，输出温度范围可在５０ ℃～６３０ ℃内调节。 两种激励方式既能 满 足 大 范 围 加 热 的 需 要，也 能 满 足局部加热的需要，今 后 还 可 根 据 实 际 需 求 的 不 同 而增加更多的激励方式。
同时，加 热 时 间 及 加 热 总 能 量 需 要 达 到 可 控 状 态 ，因 此 需 要 热 激 励 控 制 器 对 激 励 源 进 行 控 制 ，与 控 制处理系统进行 同 步 连 接。 此 处 又 可 分 为 内、外 触 发两种模式。内触 发 模 式 的 原 理 为：在 需 要 定 量 检 测 ，或 对 试 件 有 一 定 了 解 的 情 况 下 ，预 先 设 定 好 加 热 时 间 ，通 过 控 制 器 控 制 激 励 源 的 加 热 开 关 ，然 后 进 行 采集处理；外触发 模 式 的 原 理 为：试 探 性 试 验 时，通 过手动控制激励源 的 加 热 时 间，来 触 发 系 统 的 采 集 处理过程。 ２．２ 采 集 系 统 采集系统主要通过红外热像仪来实现。红外热 像仪可捕捉相应红 外 波 段 的 辐 射，并 将 这 种 数 字 化 的辐射量转化为可 视 化 的 图 像，即 体 现 出 物 体 自 身 的温度值分布图像。该系统的采集设备并不拘泥于 某种特定型号，而是 根 据 实 际 情 况 可 选 用 不 同 空 间 分辨率、不同温 度 分 辨 率 的 热 像 仪。 平 时 检 测 多 采 用的制冷型热像仪 虽 然 精 度 较 高，但 有 着 制 冷 时 间 长，使用及携带 不 便 等 缺 点。 为 满 足 各 种 外 场 实 际 检 测 的 需 求 ，系 统 使 用 了 一 款 更 加 便 携 ，同 时 精 度 相 对 较 高 的 非 制 冷 热 像 仪，其 工 作 波 段 为 ７．５～１４μｍ，提供分辨率为６４０×４８０ 像 素 的 图 像， 采集频 率 最 高 可 达 ５０ Ｈｚ，室 温 下 温 度 灵 敏 度 为 ０．０３ ℃～０．０５ ℃。同时，热像 仪 可 根 据 需 要 选 用 不 同 的 镜 头 ，包 括 平 角 镜 头 ，４５°广 角 镜 头 和 显 微 镜 头 。 ２．３ 控 制 及 数 据 处 理 系 统 被测物体通过 热 激 励 系 统 加 热 的 过 程，以 及 通 过红外热像仪捕捉 被 测 物 体 降 温 的 过 程，都 需 要 利 用软件来精确控制 起 止 时 间，同 时 在 加 载 采 集 完 毕 后 ，还 需 要 利 用 软 件 对 所 得 的 结 果 进 行 存 储 、显 示 与 处理。系统采用了自 行 开 发 的 软 件 “热 波 探 伤 软 件 Ｖ １．０”，利用该软件对整套系统进行控制及数据 处 理。控制处理系统的模块与功能如表１所示。
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王 冠 等 ：便 携 式 红 外 热 波 无 损 检 测 系 统 的 研 制 与 应 用
并提取出其中更能 显 示 热 异 常 差 异 的 项，以 图 形 化
的界面进行显示，所 得 结 果 更 能 体 现 材 料 内 部 由 于
ＷＡＮＧ Ｇｕａｎ１，ＬＩ Ｇｕｏ１，ＺＥＮＧ Ｚｈｉ ２，ＬＩ Ｘｉａｏ－ｌｉ １，ＺＨＡＮＧ Ｃｕｎ－ｌｉｎ２，ＪＩＮ Ｗａｎ－ｐｉｎｇ１ （１．Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｗａｉｔｅｋｓｉｎ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８５，Ｃｈｉｎａ；
２．Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｃａｐｉｔａｌ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００４８，Ｃｈｉｎａ）
关 键 词 ：红 外 热 波 ；红 外 检 测 设 备 ；便 携 ；持 续 热 激 励 中 图 分 类 号 ：ＴＮ２１９；ＴＧ１１５．２８ 文 献 标 志 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１０００－６６５６（２０１５）０５－００１０－０３
Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ａ Ｐｏｒｔａｂｌｅ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｗａｖｅ Ｎｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ Ｔｅｓｔｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ
１ 红 外 热 波 无 损 检 测 原 理
红外热波无损检测法是通过对物体表面施加可 控的温度场扰动，引起物体温度的变化，而产生热波。 由于物体自身材料特性或物理结构的不同，热波在物 体内部的传输会受到影响而发生散射或反射，并以某 种形式反映在物体表面的温场变化上。这种温场变 化将会导致物体表面红外辐射的差异，利用红外热像
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｉｎｆｒａｒｅｄ ｔｈｅｒｍａｌ ｗａｖｅ；Ｉｎｆｒａｒｅｄ ＮＤＴ ｓｙｓｔｅｍ；Ｐｏｒｔａｂｌｅ；Ｐｅｒｓｉｓｔｅｎｔ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ
红外热波无损检测技术是一门跨学科的实用检 测 技 术 ，具 有 检 测 面 积 大 、速 度 快 、非 接 触 、结 果 直 观 等优点［１］，已被广泛应用于航空航天、机械、电 力、医 疗、文物保 护 等 领 域 。 ［２－５］ 根 据 主 动 式 热 激 励 方 法 的不同，现有红外热 波 无 损 检 测 技 术 也 分 为 闪 光 灯 脉冲激励、热超声 激 励、锁 相 热 激 励 等 激 励 方 式，适 用于各类 金 属 试 件 及 厚 度 较 小 的 非 金 属 试 件 的 检 测。但对于一些传 热 系 数 较 低 的 非 金 属 材 料，或 是 一些厚度较大的材 料，现 有 的 检 测 方 法 受 到 激 励 能
２．１ 热 激 励 系 统 热激励系统是主动式红外检测系统必不可少的 一部分，其通过对处于热平衡的物体施加各种不同类 型 的 热 扰 动 ，获 得 试 件 内 不 同 类 型 的 缺 陷 信 息 。 其 主 要分为热激励控制器与激励源两个部分。该系统集 成 了 两 种 不 同 的 激 励 源：大 功 率 加 热 灯 及 高 能 热 风 机。其中，加热灯的功率可在８００～２ ６００ Ｗ 内调节， 加热面积 可 达 １ ｍ２，辐 射 光 波 集 中 在 短 波 红 外 波 段，易 被 物 体 吸 收，加 热 效 率 较 高；热 风 机 功 率 为
无损检测新技术发展专题
便携式红外热波无损检测系统的研制与应用
王 冠１ ，李 果１ ，曾 智２ ，李 晓 丽１ ，张 存 林２ ，金 万 平１ （１．北京维泰凯信新技术有限公司，北京 １０００８５；
２．首都师范大学 太赫兹光电子学教育部重点实验室，北京 １０００４８）
摘 要：介绍了一套自主研制的便 携 式 红 外 热 波 无 损 检 测 系 统，并 用 图 像 的 形 式 展 示 了 其 检 测效果。该系统搭载了多种热激励方式，采用了内、外两种 触 发 模 式 的 控 制 系 统，可 方 便 用 户 根 据 需 要 对 热 源 进 行 可 控 加 热 ；处 理 软 件 使 用 了 具 有 自 主 知 识 产 权 的 数 据 处 理 算 法 ，采 用 了 独 特 的 数 据 重 建 算 法 和 去 噪 增 信 的 处 理 办 法 。 使 用 该 系 统 对 不 同 复 合 材 料 的 试 件 进 行 检 测 ，试 验 结 果 表 明 ，该 系 统 对 于 复 合 材 料 试 件 的 缺 陷 检 测 有 较 好 的 检 测 结 果 ，对 于 传 热 速 率 较 慢 ，或 较 大 厚 度 的 复 合 材 料 试件的检测有独特的优势。
收 稿 日 期 ：２０１４－１０－１４ 基 金 项 目 ：国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 （６１０７９０２０，Ｕ１２３３１２０） 作者简介：王 冠（１９８７－），男，工程师，主 要 从 事 红 外 热 波 无 损 检测研究。
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量 不 足 ，处 理 算 法 不 适 用 等 条 件 的 限 制 。 同 时 ，现 有 的 多 数 检 测 系 统 都 是 直 接 从 国 外 购 买 ，价 格 昂 贵 ，成 本相对较高。基于 上 述 现 状，笔 者 介 绍 了 一 套 自 主 研制的国产化便携 式 红 外 热 波 无 损 检 测 系 统，该 系 统采用了多种持续 热 激 励 方 式，并 搭 配 相 应 的 处 理 算 法 ，很 好 地 解 决 了 这 些 问 题 。
２ 便 携 式 红 外 热 波 无 损 检 测 系 统
系 统 实 际 结 构 如 图 １（ａ）所 示，携 带 方 便，很 适 用于外场检测。其结构原理如图 １（ｂ）所示，系 统 主 要由三部分组成：热 激 励 系 统，采 集 系 统，控 制 及 数 据处理系统。
图 １ 便 携 式 红 外 热 波 无 损 检 测 系 统 外 观 与 结 构 原 理 示 意
软件基 于 面 向 对 象 的 ＶＣ＋ ＋ 语 言 编 写，通 过 ＵＳＢ 接口与热激励控制器 进 行 信 息 交 换，发 送 或 接 受 内 外 触 发 消 息 ，从 而 达 到 控 制 热 激 励 大 小 、时 间 的 效 果 。 通 过 １３９４ 接 口 与 热 像 仪 连 通 ，利 用 热 像 仪 所集并存储。加载 及 采 集 过 程 完 毕 后，软 件 将 自 动 对 采 得 的 数 据 进 行 重 建 ，曲 线 拟 合 后 进 行 微 分 运 算 ，
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ａ ｐｏｒｔａｂｌｅ ＩＲ ＮＤＴ ｓｙｓｔｅｍ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｓｅｌｆ－ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ａｎｄ ｄｏｍｅｓｔｉｃ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｎｔａｉｎｓ ａ ｖａｒｉｅｔｙ ｏｆ ｔｈｅｒｍａｌ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ，ａｎｄ ｔｗｏ ｔｒｉｇｇｅｒ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｉｎｔｅｒｎａｌ ａｎｄ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｍｅａｎｓ．Ｕｓｅｒｓ ｃａｎ ｓｅｌｅｃｔ ｔｈｅ ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ｄｅｔｅｃｔ．Ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｉｎｔｅｌｌｅｃｔｕａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｒｉｇｈｔｓ ｕｓｅｓ ａ ｕｎｉｑｕｅ ｄａｔａ ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ｃａｎ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｔｈｅ ｓｉｇｎａｌ ａｎｄ ｄｅｎｏｉｓｅ．Ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｉｔ ｉｓ ｇｏｏｄ ｆｏｒ ｉｎｓｐｅｃｔｉｎｇ ｔｈｅ ｄｅｆｅｃｔ ｏｆ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｓａｍｐｌｅ．Ｉｔ ｈａｓ ａ ｕｎｉｑｕｅ ａｄｖａｎｔａｇｅ ｆｏｒ ｉｎｓｐｅｃｔｉｎｇ ｔｈｅ ｓａｍｐｌｅ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｏｆ ｌｏｗ ｔｈｅｒｍａｌ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ ｏｒ ｔｈｉｃｋ．
王 冠 等 ：便 携 式 红 外 热 波 无 损 检 测 系 统 的 研 制 与 应 用
仪将这种人眼无法看到的差异以图像的方式处理并 显示出来，即可得到物体的材料均匀性及自身的物理 特性信息，达到检测和探伤的目的［６－７］。
对于 一 些 热 传 导 系 数 较 小，或 是 厚 度 较 大 的 材 料 ，常 用 的 闪 光 灯 脉 冲 激 励 方 式 瞬 时 能 量 高 ，但 总 能 量较小，热波在传播 过 程 中 就 已 被 物 体 自 身 或 周 围 环境所吸收，无 法 引 起 物 体 表 面 温 场 的 差 异。 持 续 激励红外热波无损检测法通过适当缩短瞬时功率， 增大激励脉宽而提 高 激 励 总 能 量，使 热 波 足 以 完 成 整个热传递过程，从 而 让 热 像 仪 能 成 功 捕 捉 表 面 热 过 程 变 化 ，并 通 过 配 套 算 法 得 出 图 形 化 结 果 。