激光扫描红外热波无损检测技术介绍
激光扫描热波无损检测技术在航空发动机涂层中的应用
【相关文献】
[1] 孙勇汉，张斌，陈礼顺.航空发动机涂层技术研究及进展[J].航空制造技术，2013，4.表面涂层技术在航空发动机上的应用[J].航空发动机，2004，30(4):38-40.
[3] XUE Y Q，KENNEDY D，MIHAYLOVE E. Electronic speckle pattern shearing interferometry for nondestructive testing of thermal sprayed alloy coating[J]. Proc. of SPIE, 2005,58(24):241-249.
图9 环形金属试件热波检测结果
图9(a)所示为含分层缺陷的涂层试件的检测结果，测量得到图9(a)所示缺陷水平方向的长度约为24.6 mm，热波图像中可看到的一个红色区域为脱黏区域，说明此区域无缺陷涂层和基体材料结合差，热阻抗大，热波信号发生反射而反射回表面，使得该区域表面温度较高，属隔热性缺陷。图9(b)所示为无缺陷涂层试件的检测结果，此时试件各点的热波在涂层内部正常传播，表面温度大体无差异。
1 检测基本原理
1.1 激光扫描热波成像基本原理
红外热波无损检测技术主动采用热激励源对材料表面进行加热，形成的热波向材料内部进行传播，材料内部的缺陷如裂纹、脱黏、损伤等会形成热阻而影响热波的传播，从而引起材料表面温度场的变化。利用红外热像仪记录材料表面的温度变化，从而可以检测到材料内部的缺陷信息。红外热波无损检测技术的必要条件是材料内部的温度梯度，而脉冲热激励则是产生这种温度梯度的有效方法[10]。脉冲热激励主要包括闪光灯和激光。
为了确认上述热波检测结论的正确性，对这两个试件进行了金相解剖以验证试验结果。对缺陷试件的涂层进行打磨，可以看到一个方形块状缺陷的存在，形状与热波图像完全吻合，如图10所示，涂层与基体存在长度约23.7 mm的分离，无底层涂层。对缺陷试件的该分层区域进行剖面形貌分析，可以清晰看到在涂层和基材结合部位有一个明显的裂隙，如图11(a)所示。同样对无缺陷试件进行了剖面形貌分析，如图11(b)所示，其涂层和基材结合部位界面光滑，没有任何裂隙存在。
使用无损检测技术进行红外热像测试的操作步骤与技巧
使用无损检测技术进行红外热像测试的操作步骤与技巧红外热像测试是一种常用于检测材料和设备表面温度分布的无损检测技术。
它通过测量物体发出的红外辐射，根据辐射强度的分布图像来分析和判断物体的状况和问题。
本文将介绍使用无损检测技术进行红外热像测试的操作步骤与技巧。
一、准备工作在进行红外热像测试之前，需要准备以下设备和材料：1. 红外热像仪：负责拍摄和记录物体发出的红外辐射图像；2. 被测物体：需要测试的目标物体；3. 稳定的电源：为红外热像仪提供稳定的电力；4. 补充热源：在需要设定温度差的情况下，使用辅助加温设备。
二、操作步骤1. 红外热像测试前，确保红外热像仪已经设置为正确的参数。
根据测试需求选择适当的色标、调整测量范围和图像模式等。
根据被测物体的特性，考虑是否需要调整设置参数，以获得最佳的测试效果。
2. 连接红外热像仪的电源，并确保电源的稳定性以避免影响测试结果。
3. 打开红外热像仪的电源开关，并根据仪器的操作指南进行初始化。
在这个过程中，确保仪器的稳定和对焦功能的调整。
4. 对焦是重要的一步，正确的对焦可以保证测试结果的准确性。
通过调整红外热像仪的对焦环，将被测物体的图像清晰地显示出来。
5. 在进行红外热像测试之前，确认被测物体处于稳定状态。
如果需要加热被测物体以产生温度差，可以通过加热器等补充热源进行加热。
确保加热器与被测物体之间的安全距离，以避免对测试结果的干扰。
6. 使用红外热像仪对被测物体进行拍摄。
在拍摄过程中，保持红外热像仪的稳定性和准确性。
避免过快或过慢地移动红外热像仪，以获得清晰、准确的测试图像。
7. 完成红外热像测试后，根据需要保存测试结果。
一般可以将测试结果保存为图像文件或视频文件，方便后续分析和比对。
三、技巧与注意事项1. 在测试之前，了解被测物体的性质和结构对测试结果的影响是很重要的。
不同的物体在发射和吸收红外辐射方面具有不同的特性，对于不同的测试需求，需要采取不同的措施来确保测试结果的准确性。
新技术-红外热波无损探伤
绝热层的检测
• 类似的试验: 通用汽车公司铸铝缸体内衬附 着问题；洛克西德公司涡轮发电机叶片绝 热层在运行中同步监测问题等等。航天器 的液体燃料发动机和火箭固体燃料发动机 的喷口绝热层附着问题； • 各种镀膜、涂层、夹层的探伤问题；粘接 质量问题等都可用同样方法进行探测。
单向、不接触厚度测量
• 比如测量喷漆的厚度； • 测金属板材的厚度等。精度可以非常高 （如：测1mm厚铝板的精度可达到微米级， 小于1％）。这里须强调“单向”和“不接 触”，否则意义不大。 • 飞机蒙皮锈蚀定量测量。
飞机检测
• 三是各种化学原因造成的锈蚀，特别是内 表面锈蚀； • 四是各种原因引起的结构损伤，如各种失 效的粘接、焊接、铆接； • 五是密封不好引起的机身蜂窝结构件和泡 沫材料件的积水。热波探伤对于所有这五 类损伤的检测效果都远优于其它探伤办法。
裂纹探测
• 检测的结果：包括探测到了飞机蒙皮的疲 劳裂纹；铸铝引擎外壳的裂纹；钢曲轴的 裂纹；铜焊裂纹；陶瓷茶杯裂纹；牙齿上 的裂纹；核桃皮上的裂纹等等。 • 用于大型工程中大面积、快速检测的可能 性以及对各种输油、输气管道，燃料、化 工原料、核材料等的储存、运输罐等等进 行实地检测的潜力，应用前景十分广阔
应用领域和前景
• 红外热波探伤技术的功能和用途主要是无 损探伤和检测。 • 用于各种新材料，特别是多层复合材料的 研究； • 各工业、制造业中探测各种承重设备表面 及表面下的疲劳裂纹； • 各种粘接、焊接质量检测，涂层检测；
应用领域和前景
• 用于对产品研发过程中加载或破坏性试验 过程的评估； • 做定量测量分析，如测量材料厚度和各种 涂层、夹层的厚度以及进行表面下的材料 和结构特征识别。
飞机检测
• 红外热波探伤技术用于飞机探伤主要是探测其蒙 皮损伤。飞机蒙皮损伤大致有五类： • 一是起降过程中受异物撞击（如冰雹、飞沙、飞 鸟等）后引起的损伤，特别是采用复合材料的部 分，受撞击后表面完好，而强度和密封性已被破 坏； • 二是因高低空压力变化产生的“吹气球”效应， 从而导致应力集中处（铆钉附近）的金属因疲劳 而产生裂纹；
激光扫描热波成像无损检测技术的应用
检测技术的研究，其外观如图 2 所示。
图 2 立柜式激光扫描热波无损检测设备 分体便携式控制系统紧凑便携，手持探测单元结构紧 凑，易于操作。分离的控制系统功能齐全、触摸操作、图 像处理能力强、界面清晰，简单易用，既适合于在线、在 役检测应用，也适合于实验室中从事热波无损检测技术的 研究，其外观如图 3 所示。
图 1 激光扫描红外热波成像无损检测技术
64
ᇗݛ෭ࡧұ୕؏Й۩
ൔࡂ੫ᇗݛ5+;࠷ඔიྣ၄هᅢ࣑ӹ
2014
激光束通过聚焦成线状光斑，大幅提高了功率密度。 当该光斑在样品表面进行扫描，样品表面上的每个固定点 都经受一次短周期脉冲加热。同时，通过控制光斑扫描和 热像仪扫描之间的相位关系，可以实现高速热波信号的采 集。 激光扫描热波成像技术与目前国际上普遍采用的闪光 灯热激励系统相比，具有很多优势，如：激光束可以远距 离投射，适合一些无法接近或不能接近的特殊场合；激光 器的热激励功率可以通过扫描速度和重复次数而任意改 变；激光束的光强分布均匀，成像质量高。激光扫描热波 成像系统与传统的闪光灯热激励系统的部分性能比较，如 表 1 所示。 表 1 激光扫描热波无损检测与闪光灯激励热波无损检测 技术比较67距离 /cm
图 11 薄膜厚度检测样品的热波信号在空间的分布曲线
6 结语
激光扫描热波无损检测技术通过对多种类型的样品包 括复合材料、蜂窝材料以及不同膜层厚度的检测，均取得 图 10 薄膜厚度检测样品的热波图像 了良好的效果，展示了该技术对缺陷的检测能力，同时展 示了激光扫描热波成像技术对裂纹的检测能力。
无损检测技术中的光学检测方法详解
无损检测技术中的光学检测方法详解光学检测在无损检测技术中占据着重要的地位，它不仅能够快速准确地检测材料表面的缺陷，而且具有非破坏性的特点。
本文将详细介绍光学检测在无损检测中的应用及其原理。
光学检测方法主要包括视觉检测、红外热像检测和激光检测等。
其中，视觉检测是最常用的一种方法，通过人眼观察材料表面的变化来判断是否存在缺陷。
这种方法简单直观，适用于对表面缺陷进行初步检测，但对于微小缺陷的检测效果有限。
红外热像检测则利用物体发出的热能辐射来探测其表面的温度变化。
通过红外热像仪，可以将物体的表面温度转化为可见的图像，从而判断是否存在缺陷。
由于热像检测可以实时观测到物体的温度分布，因此可以非常准确地检测到潜在的缺陷。
激光检测是一种利用激光光源和光学传感器对材料进行扫描的方法。
通过测量激光的反射或散射，可以判断材料表面是否有缺陷。
激光检测具有高分辨率、高灵敏度和快速检测的特点，可以对微小缺陷进行准确的定位和识别。
除了以上几种方法，还有一些高级的光学检测技术，如照相测距法、摄影测距法、干扰法等。
这些方法利用光学原理和成像技术，对材料进行更加细致和精确的检测。
例如，照相测距法通过测量物体在两张照片上的位置差异来计算出物体的大小和形状。
摄影测距法则通过测量摄影图像中物体的像素大小来推测物体的实际大小。
干扰法则利用干涉现象来观察材料表面的微小变化，从而判断是否存在缺陷。
光学检测技术在无损检测中的应用非常广泛。
在制造业中，光学检测可以用来检测产品的外观缺陷、尺寸偏差和形状变化等。
在航空航天领域，光学检测可以用来检测飞机表面的裂纹和疲劳损伤。
在医学领域，光学检测可以用来检测人体表面的皮肤病变和眼睛疾病等。
在光学检测技术的发展过程中，还出现了一些新的技术和方法，如数字图像处理、光学成像和机器视觉等。
这些技术的应用使得光学检测更加智能化和自动化，大大提高了检测的准确性和效率。
总之，光学检测技术在无损检测中具备独特的优势，它能够快速准确地检测材料表面的缺陷，为生产和生活中的各个领域提供了重要的支持。
红外热波无损检测技术应用与进展
红外热波无损检测技术应用与进展作者：刘传乐刘勇史媛媛来源：《中国新通信》 2017年第14期前言：红外热波技术又称红外热成像技术，是一种跨越专业形成的科学技术手段，它的研究与应用，为我国航空航天、军用设备或民用物质的安全检测设定了重要保障。
不仅是我国，作为科技发达国家的美国，也在各种重要机构中运用到了该技术。
2003 年，我国将该项技术研究正式纳入国家级863 科学研究计划中，由此可见红外热波无损检测技术在各国科技发展中的重要地位。
一、红外热波无损检测技术的原理及发展前景1.1 红外热波无损检测技术的工作原理红外热波无损检测技术的原理是指：通过热激励源进行被检测物质外部主动加热，并在被检测物质的表面发出热波的同时向物质内部传播，再通过热成像仪记录被检测物质内部热波传播过程不同所形成的表面温度差异，最终由检测结果得到的热成像图来进行判断物质内部结构损伤并进行分析[1]。
在这个工作原理下，该技术在为我国物质内部结构检测损坏程度降低上面，取得了重大成就。
1.2 红外热波无损检测技术的特点与传统的破环被检测物质构成的检测方法相比，红外热波无损检测技术在所有金属与非金属物质检验过程中，不仅不会破坏物质结构构成，还在检测时间上进行了提速，每次检测只需要花费几十秒钟。
同时，对检测物质的面积大小没有任何限制，这种红外热波无损检测技术十分有利于各类飞机以及军用物品检测工作的开展。
1.3 红外热波无损检测技术的发展前景自21 世纪以来，国际上各个国家竞相开展关于红外热波无损检测技术的改进研究。
美国、俄罗斯、法国等国家已经将红外热波无损检测技术应用于飞机复合材料内部缺陷构成中，我国在该项技术相关工作岗位从事人数已经相当之多，说明该技术已经逐渐涉及到科研、经销、工程以及食品安全等多重领域[2]。
红外热波无损检测不仅能够对被检测物质的损伤、腐蚀等物质的具体地点进行锁定，还能根据其发展规律进行模拟，进而监控，从而保证物质在使用过程中损伤容限理论的有效执行。
红外无损检测技术的原理与应用
红外无损检测技术的原理与应用无损检测是一种通过非破坏性手段来评估材料和构件内部缺陷的技术。
在工业领域中，无损检测技术起着非常重要的作用，可以帮助检测出材料和构件中的隐藏缺陷，从而保证产品质量和安全性。
红外无损检测技术作为其中一种重要的技术手段，已经被广泛应用于各个领域。
红外无损检测技术的原理源于物体发射和吸收红外辐射的特性。
根据基本物理定律，温度高于绝对零度的物体会辐射出热辐射，其中包括红外辐射。
红外辐射具有较长的波长，无法被人眼直接观察到，但可以通过红外传感器进行捕捉和分析。
红外无损检测技术的核心在于利用红外辐射传递的信息来判断物体内部的缺陷情况。
红外无损检测技术主要包括热像仪、红外热成像技术和红外显微镜等。
热像仪是一种能够将红外辐射转化为可见图像的仪器，它可以检测到物体表面的温度分布情况。
通过对物体表面的红外辐射图像进行分析和比较，可以发现物体内部存在的热异常区域，从而判断是否存在缺陷。
红外热成像技术利用了这一原理，可以在常温下对大范围的物体进行无损检测，特别适用于大型设备的维护和故障排除。
除了表面缺陷，红外无损检测技术还可以检测到不可见或半透明材料内部的缺陷。
通过红外显微镜，可以观察到红外辐射在物质内部的传播路径。
当红外辐射穿过材料时遇到缺陷或异物，它们会引起红外辐射的反射、透射或吸收变化。
这些变化被红外显微镜捕捉到，并转化为可见图像，进而分析和识别缺陷的位置和形状。
红外无损检测技术在许多领域中得到了广泛应用。
在机械制造行业中，它可以检测金属和非金属材料内部的缺陷，并及时排除隐藏的安全风险。
在电力行业中，红外无损检测技术可以帮助检测电力设备的过热情况，避免火灾和其他事故的发生。
在建筑行业中，红外无损检测技术可以检测建筑物的热性能，评估其节能效果，并发现隐蔽的热桥等问题。
此外，红外无损检测技术还可以应用于军事、医疗、环境保护等领域。
红外无损检测技术的优势在于其非破坏性和实时性。
相比传统的材料检测方法，红外无损检测技术无需接触被测试物体，可以在远距离和高速运动的情况下进行检测。
红外无损检测技术及其应用
红外无损检测是一种非接触式在线监测的高科技技术，它集光电成像、计算机、图像处理等技术于一体，通过接收物体发射的红外线，将其温度分布以图像的方式显示于屏幕，从而使检测者能够准确判断物体表面的温度分布状况。
它能够检测出设备细微的热状态变化，准确反映设备内、外部的发热情况，对发现设备的早期缺陷及隐患非常有效。
一、红外热像仪构成及原理红外无损检测所使用的设备叫红外热像仪，是利用红外探测器、光学成像物镜和光机扫描系统接收被测目标的红外辐射能量分布图形反映到红外探测器的光敏元上。
在光学系统和红外探测器之间，有一个光机扫描机构对被测物体的红外热像进行扫描，并聚焦在单元或分光探测器上，由探测器将红外辐射能转换为电信号，经放大处理、转换或标准视频信号通过电视屏或监测器显示红外热像图。
二、红外无损检测技术特点红外无损检测技术与其他检测技术相比有以下特点：1）能实现非接触测量，检测距离可近可远2）精度比较高3）空间分辨率较高4）反应快5）检测时操作简单、安全可靠，易于实现自动化和实时观察6）采用周期性加热源加热时，加热频率不同可探测不同深度的缺陷。
当频率高时，有利于探测表面微裂纹；频率低时，可探测较深缺陷，但灵敏度降低7）采用热像仪检测能显示缺陷的大小、形状和缺陷深度三、红外无损检测技术应用现阶段，我国红外无损检测技术已经得到了广泛应用，主要应用于电力工业、钢铁工业、电子工业、石油化工、建筑、航空航天和医疗等领域。
1）电力方面：主要用于检测发电机组装置、输电线接头、绝缘部件等；2）在钢铁工业方面：红外检测技术可用于冶炼到轧钢的各个生产环节，例如热风炉的破损诊断、钢锭温度的测定、高炉残缺口位置的确定等；3）在电子工业方面：实现了印刷板电路的电动检测；4）在石油化工方面：对高温高压状况下的设备进行在线检测，为设备的维修和养护提供支持；5）在建筑方面：主要用于建筑节能监测和建筑物饰面层粘贴质量的检测，在建筑物渗漏和建筑结构混凝土火灾受损、受冻融等检测方面也有研究；6）在航空航天方面：夹层结构件的脱粘缺陷检测，在役飞机的蜂窝积水检测，吸波图层的缺陷检测与厚度测量，热障涂层的缺陷检测等。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
南京诺威尔光电系统有限公司
报告人：江海军
激光扫描红外热波成像技术
在无损检测中的应用
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
激光扫描红外热波成像技术温度场分析5123激光扫描红外热波无损检测技术应用
6
总结与展望
4
1
红外热波无损检测技术发展
激光扫描红外热波无损检测技术原理1
图1-1：主动红外热波无损检测技术原理
热波传播
试件内部
高能量脉冲光
试件表面
脉冲加热
有缺陷
部分热波被反射
表面呈现温差无缺陷
热波均匀传播
表面温度均匀
激光扫描红外热波成像无损检测技术原理1
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
技术特点
非接触
速度快
定量
测量
面积大图像
显示
红外热波成像无损检测技术特点
应用广
在役
在线
技术优势
激光扫描温度场分析
2x
y
z
v τ
激光束
扫描方向
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；
2
2
22()()()T T T I x v t z a t x z c
δδρ∂∂∂⋅-⋅=++∂∂∂⋅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。
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：
2
()4()
0(,,t)4()
x v a t t I
e T x z d a c t τττπρτ-⋅-
-=-⎰(,,)[()()]t I a v l x v l x
T x z t erf erf d πτττ
+---=⋅-⎰考虑光斑宽度，则温度场分布为：
2
()4()
021
(,,)24()
x v l t t l I T x z t d e d l k t χτατχτ
πτ---
--=⋅-⎰⎰上式对光源宽度进行积分，化简得到温度场分布为：
图2-1：激光扫描二维热传导模型
激光扫描无缺陷区域温度场曲线
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
图2-4：试件表面温度曲线-铝
(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
2()
(,,)(12)[(
)()]84(t )4(t )
d t t I
a v l x v l x
T x z t e erf erf d L l k t a a ατπ
τττ
πτ
ττ-
-+---=⋅⋅+⋅-⋅⋅---⎰
∙
d
2d
-2d
-4d
4d
∙∙
∙
∙∙
Q
Q1Q2
Q3Q4
Q5
A
A B
B
◆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。
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：
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，
图2-5：具有两个绝热边界时的镜像热源
(a)线性坐标(b)双对数坐标
图2-6：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。
(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
检测应用3
图3-1：激光扫描红外热波成像检测设备技术指标
计算机处理系统
扫描检测单元
测试平台
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；
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
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。
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 涂层试件缺陷检测
(a) 光学图像(b)红外图像
(a) 光学图像(b)红外图像
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
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
(a) 光学图像(b)红外图像太阳能硅片缺陷检测
总结
5
◆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。