激光扫描红外热波成像技术在无损检测中的应用_江海军
红外热成像无损检测技术研究发展现状
红外热成像无损检测技术研究发展现状作者：魏嘉呈刘俊岩何林王扬何宇来源：《哈尔滨理工大学学报》2020年第02期摘要：紅外热成像无损检测技术是近年来发展较快的一种新型数字化无损检测技术，因为其具有便捷、高效、直观、探测面积大以及远距离非接触探测等优点广泛应用于航天航空、军事、电池、电力、电子、建筑、医疗、文物保护等诸多领域。
本文主要对红外热成像无损检测技术中卤素灯、超声波、激光、脉冲光等几种主要热激励方法的特点及研究现状进行了介绍与对比，同时也介绍了红外热成像无损检测图像序列处理技术申热信号重建理论、锁相法、相位法、主成分分析法、动态热层析法、相似光流法等处理方法的研究现状，最后展望了红外热成像无损检测技术的未来发展趋势。
关键词：无损检测;红外;热激励;热波成像DOI：10.15938/j.jhust.2020.02.009中图分类号：TGll5.28;TN219文献标志码：A文章编号：1007-2683（2020）02-0064-090 引言无损检测技术作为一种灵活、快捷的通用技术，已广泛应用于航天航空、军事、电池、电力、电子、建筑、医疗、文物保护等诸多领域。
红外热成像无损检测技术作为一门跨学科、跨应用领域的通用型实用技术，是对传统无损检测技术的有效替代和补充。
红外热成像无损检测技术（infrared thermogra-phy，IT），是一种基于红外辐射原理，通过扫描、记录或观察被探测表面温度变化，从而实现对被检测工件的表面及内部缺陷或结构进行分析的一种无损检测（nondestructive testing，NDT）方法。
红外热成像无损检测技术相比于射线、超声、涡流、渗透以及电磁等传统无损检测技术，具有测量速度快速、测量结果直观、探测面积大以及易于实现自动化等优点，是一种新型的数字化无损检测技术。
红外热成像无损检测技术根据是否依赖于外部热源激励可分为被动式红外热成像无损检测技术和主动式红外热成像无损检测技术。
红外热波无损检测技术的研究现状与进展
第 40 卷 第 5 期 2018 年 5 月红外技术 Infrared TechnologyVol.40 No.5 May 2018〈综述与评论〉红外热波无损检测技术的研究现状与进展郑 凯 1，江海军 2，陈 力 3（1. 江苏省特种设备安全监督检验研究院，江苏 南京 210036；2. 南京诺威尔光电系统有限公司，江苏南京 210046； 3. 电子科技大学，四川 成都 610054）摘要：红外热波成像是近年来发展较快的一种新型无损检测技术，它是一门跨学科、跨应用领域的通用型实用技术，其三大核心技术包括热激励、红外图像采集及红外图像处理。
本文对热激励技术中的闪光灯、激光、卤素灯、红外灯、超声、电磁等几种主要热激励方法的特点及研究现状进行了介绍与对比，分析了采集技术中的制冷与非制冷热像仪各自特点，并对红外图像处理技术中的降噪、增强、序列热图处理及缺陷提取等四大研究方向进行了总结，介绍了相应发展状况和进展。
最后总结了该技术的发展趋势。
关键词：红外无损检测；热波成像；热波激励；红外图像采集技术；红外图像处理中图分类号：TB302.5文献标识码：A文章编号：1001-8891(2018)05-0401-11Infrared Thermography NDT and Its DevelopmentZHENG Kai1，JIANG Haijun2，CHEN Li3(1. Special Equipment Safety Supervision Inspection Institute of Jiangsu Province, Nanjing 210036, China; 2. Novelteq Ltd, Nanjing 210046, China; 3. University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610054, China)Abstract：Thermography is a new NDT testing technology that has developed rapidly in recent years. It is an interdisciplinary and broadly applicable technology crossing multiplefields. Three major components of this technology include the excitation source, IR image acquisition, and data processing. This paper presents a brief comparative analysis of the current research status for different excitation sources, including flashlights, lasers, IR lamps, ultrasound, and electromagnetism. It compares the characteristics of cooled and uncooled thermal imagers and also introduces the recent development of various IR image processing technologies for feature enhancement, noise reduction, sequence processing, and defect extraction. Finally, the trend of this technology is briefly summarized. Key words：thermography，nondestructive testing，thermal excitation，IR image acquisition，IR image processing0 引言热波成像是一种主动式红外无损检测技术，它利 用热能的传播来对材料的热导特性的变化进行检测。
红外成像技术在无损检测中的应用
红外成像技术在无损检测中的应用随着科技的不断发展和进步，许多新技术、新理论被不断研究和发掘。
这些技术和理论不仅为我们的生活带来了便利，同时也在各个领域都发挥了重要的作用。
其中，红外成像技术就是一种非常重要的无损检测技术。
本文将对红外成像技术在无损检测中的应用以及一些相关的知识进行探讨和介绍。
一、红外成像技术的原理红外成像技术是一种通过测量物体自身发出的红外辐射来生成影像的技术。
这种技术是利用物体发出或反射热辐射的波长范围在3 ~ 14 μm 的红外光谱来进行测量的。
其原理是利用检测器所感受到的热辐射的差异来测量物体表面的表现情况，并将其转化成为数字信号，然后通过专业软件来进行图像处理和分析。
二、红外成像技术的优势红外成像技术有很多优势，如下所述：1. 非接触、非破坏性：红外成像技术能够非接触地进行测试，不需要与被测试物体直接接触，也不会造成物体的损坏。
2. 可视性好、准确性高：红外成像技术所得到的影像非常清晰，而且能够直接反映出被测试物体的热分布情况，从而可以获得准确和全面的检测结果。
3. 检测范围广泛：红外成像技术不受测试物体材料的限制，能够对各种不同的材料进行检测。
其检测范围甚至可以超过肉眼所能够观察到的范围。
4. 速度快、效率高：红外成像技术不仅能够快速地进行测试，而且还可以在短时间内对大量的测试数据进行处理和分析，提高了检测的效率。
三、红外成像技术在无损检测中的应用非常广泛，包括以下几个方面：1. 建筑领域：红外成像技术可以对建筑物进行检测，如检测建筑物的热效应、未加隔热材料的缺陷等问题，从而有效地提高建筑物的安全性和效率。
2. 电力行业：红外成像技术可以对电力设备进行检测，如检测电力传输线路、变压器、开关、电池组等设备的热效应，发现并及时排除潜在的故障点，从而避免事故的发生。
3. 工业领域：红外成像技术妙用无限，对不同材料的缺陷进行检测，如钢铁、玻璃、纸张、木材等，无不可以使用。
4. 无人机：红外成像技术可以搭载在无人机上进行使用，实时对一些难以观察的区域进行检测，如检测火灾、森林火灾等，可以实现人性化的无人值守，避免人类受到伤害。
红外成像技术在无损检测中的应用及其进展
红外成像技术在无损检测中的应用及其进展第一章绪论随着经济社会的发展，对设备和产品的质量要求越来越高，而无损检测作为一种重要的质量评估手段，已在化工、电力、机械等领域得到广泛应用。
红外成像技术作为无损检测技术中的一种方法，因其非接触、非破坏、高效、高精度等特点，成为了工业无损检测领域中备受推崇的一种技术手段，应用地位也日益提高。
本文主要介绍红外成像技术的基本原理、无损检测应用和进展。
第二章基本原理红外成像技术通过探测被检测物表面发出的红外辐射，进行成像处理，达到对被测物体的表面温度分布、变化情况的快速、准确检测。
红外成像技术主要涉及三个方面的知识点，分别是红外辐射的物理基础、红外成像的技术原理、红外成像技术的设备和成像处理方法。
其中，红外辐射指的是热辐射，在整个光谱范围中处于可见光谱和微波谱之间的红外部分。
通常将红外波段划分为短波红外、中波红外和长波红外，覆盖了3-14μm的波长范围。
红外成像技术则利用了红外辐射不同波长区域的能量差异，将热像仪接收到的电信号经过信号处理、数字化和图像处理，得到对应的红外图像。
红外成像技术的应用在许多领域充分展示了其在结构、液体、气体等物理状态的无损化检测和分析方面所具有的巨大价值。
第三章无损检测应用红外成像技术在无损检测中的应用非常广泛，如检测输电线路、半导体材料、发动机、建筑结构、飞机机身、烟气排放等。
下面分别对其中几个常见领域的应用进行具体讲解。
3.1 检测输电线路输电线路是电力系统的骨干，而输电线路的故障会导致电力系统的故障，给人民的生产和生活带来不必要的损失。
因此，检测输电线路的质量成为非常重要的一件事情。
采用红外成像技术可以对输电线路进行无损检测，及时发现故障，并对故障进行定位。
通过对红外图像的分析，可以发现输电线路存在的缺陷，如烧焦、松脱和搭接点异常等问题。
这些缺陷一旦发现就可以及时进行修复，避免因故障导致的电力中断。
3.2 检测建筑结构红外成像技术可以快速获得建筑物表面温度分布的信息，对建筑物进行无损分析和检测。
红外成像技术在无损检测中的应用研究
红外成像技术在无损检测中的应用研究红外成像技术是一种利用红外辐射波长范围内的热能产生图像的技术，它可以将物体发出的红外辐射转化为可见图像。
由于其无损、非接触式的特点，红外成像技术被广泛应用于许多领域，如物体表面缺陷检测、热成像、医学检测等。
在无损检测中，红外成像技术的应用也越来越受到关注。
一、红外成像技术在无损检测中的优势相对于其他无损检测方法，红外成像技术具有以下优势：1. 无损：红外成像技术是一种非接触式、无损的检测方法，可以避免对被测物体造成二次损伤。
2. 灵敏：由于红外辐射可以反映物体表面的温度变化，因此能够对细微的温度变化作出反应，从而发现样品中的缺陷。
3. 高效：红外成像技术可以在短时间内对大面积进行快速扫描，检测效率高。
4. 易于操作：相对于其他无损检测方法，红外成像技术相对简单易懂，不需要过多的专业知识和经验。
二、红外成像技术在无损检测中的应用1. 金属材料表面检测：通过对金属材料表面进行红外成像技术的应用，可以检测出金属表面的缺陷，如裂纹、气泡等，对于保证金属材料的质量起到了重要作用。
此外，在铸件密封性测试方面，红外成像技术也可以帮助检测出铸件产生的漏洞以及相关缺陷，并在不影响生产的同时提高了生产效率。
2. 木材检测：木材不仅在建筑、家具等领域有广泛使用，而且在航空、船舶、铁路等方面的应用也很广泛。
而红外成像技术可以检测出木材中的内部缺陷，如白纹病、腐烂等，通过对木材的检测可以确保其质量，并避免在后续使用过程中出现安全隐患。
3. 电子产品检测：由于电子产品中使用了大量的电线和电路板，而这些路径的连接质量又极为重要，因此红外成像技术可以帮助检测电路板中的热点，以及检测电缆连接的质量。
此外，对于LED等发光体的测试中，也可以使用红外成像技术进行非接触式检测，以检测其工作状态、热均衡等。
三、红外成像技术在无损检测中的研究进展为进一步提升红外成像技术在无损检测中的应用，国内外在该领域的研究取得了不少进展。
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
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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。
红外辐射成像在无损检测中的应用研究
红外辐射成像在无损检测中的应用研究随着科技的进步和人们对质量要求的提高，无损检测越来越成为生产实践中必不可少的一环。
而其中，红外辐射成像无损检测技术因其优异的特点，被广泛应用于各种材料的缺陷检测、热特性分析、安全监测等领域。
一、红外辐射成像技术的基本原理红外辐射成像无损检测技术基于红外热成像原理，即将待检测物体的红外辐射能量通过红外探测器转换成一幅图像。
依据物体的温度、形状、材料和过程条件，不同的物体在相同的环境条件下，会产生不同的红外辐射能量，因此红外热成像技术可以通过不同热点的像素值来展示待测区域的热分布情况，从而实现缺陷检测的目的。
二、红外辐射成像技术在材料无损检测中的应用红外辐射成像技术在材料的无损检测中有着广泛的应用，其中最为典型的是在板材或管道的腐蚀等疑难问题的检测。
传统的无损检测方法需要对待测区域进行拆卸或者使用仪器对待测部分进行拆卸检查，其不仅操作麻烦、工序复杂，还会对设备造成损害，极大地降低了生产效率。
红外辐射成像技术的应用则可以很好地解决以上问题。
该技术可以通过红外辐射成像仪器直接检测到待测部位的热分布情况，通过直观的红外图像和相关算法的辨别，可以溯源、快速有效地检测出板材或管道的表面腐蚀、微小裂纹等缺陷。
同时，该技术具有损伤小、准确、可视性强等特点，不但能够快速准确地发现缺陷，而且可以直观、易懂地展示出检测结果，方便工作人员进行后续处理和维修。
三、红外辐射成像技术在热参数分析中的应用除了在缺陷检测方面，红外辐射成像技术在材料的热参数分析中也有着不可替代的优势。
材料的热参数分析包括热导率、热扩散系数、比热容等热学参数的测量和分析，而该参数往往需要在材料处于工作状态时进行实时监测和分析。
然而传统的方法中，需要对工作状态下的材料进行安装严格的测温设备，不但操作复杂而且效率极低。
而红外辐射成像技术在这方面的应用则可以解决这一难题。
由于红外辐射成像技术通过表面探测来获取待测物体的热分布分析，因此可以面向不同的材料类型和工作状态进行温度区域分析和相关参数计算。
激光扫描红外热波成像技术在无损检测中的应用_江海军
２０１４远东无损检测新技术论坛论文精选收稿日期：２０１４－０６－２５作者简介：江海军（１９８８－），男，研发工程师，主要从事红外热波无损检测工作。
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，南京 ２１００３８；２．南京大学声学研究所，南京 ２１００９３）摘 要：对激光扫描热波成像技术与传统的闪光灯激励热波技术进行了比较，介绍了一种基于激光扫描热波成像技术的新型红外无损检测设备，通过试验对所建立的２－Ｄ理论模型进行验证，试验结果表明，当激光扫描速度在一定范围内，样品表面温度场的变化服从一维热传导模式，主要表现为厚样品的温度－时间曲线在双对数坐标中为斜率－０．５的直线，与理论模型的结果相符合。
并对两种特殊涂层的人工样品进行检测，验证了激光扫描红外热波成像设备的有效性。
关键词：激光扫描热波成像；热波；特殊涂层 中图分类号：ＴＧ１１５．２８ 文献标志码：Ａ 文章编号：１０００－６６５６（２０１４）１２－００２０－０３Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｌａｓｅｒ Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｔｈｅｒｍｏｇｒａｐｈｙ ｆｏｒ Ｎｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ ＴｅｓｔｉｎｇＪＩＡＮＧ Ｈａｉ－ｊｕｎ１，ＣＨＥＮ Ｌｉ １，ＺＨＡＮＧ Ｓｈｕ－ｙｉ ２（１．Ｎｏｖｅｌｔｅｑ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００３８，Ｃｈｉｎａ；２．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ａｃｏｕｓｔｉｃｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００９３，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｎｅｗ ａｃｔｉｖｅ ｔｈｅｒｍｏｇｒａｐｈｙ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｌａｓｅｒ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｓ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｆｌａｓｈ ｌａｍｐ ｂａｓｅｄ ａｐｐｒｏａｃｈ．Ａ ２－Ｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｅｘａｍｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｖｅｒｉｆｉｅｄ ｗｉｔｈ ｓｏｍｅ ｓａｍｐｌｅｓ ｏｆ ｓｐｅｃｉａｌ ｏｖｅｒ ｃｏａｔｉｎｇｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｌａｓｅｒ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｔｈｅｒｍｏｇｒａｐｈｙ；Ｔｈｅｒｍａｌ ｗａｖｅ；Ｓｐｅｃｉａｌ ｃｏａｔｉｎｇ 得益于红外热像仪的快速发展，红外热波成像无损检测技术已经在欧美等先进国家得到广泛应用，特别是在航空航天及国防军工等领域［１］。
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２０１４远东无损检测新技术论坛论文精选收稿日期：２０１４－０６－２５作者简介：江海军（１９８８－），男，研发工程师，主要从事红外热波无损检测工作。
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，南京 ２１００３８；２．南京大学声学研究所，南京 ２１００９３）摘 要：对激光扫描热波成像技术与传统的闪光灯激励热波技术进行了比较，介绍了一种基于激光扫描热波成像技术的新型红外无损检测设备，通过试验对所建立的２－Ｄ理论模型进行验证，试验结果表明，当激光扫描速度在一定范围内，样品表面温度场的变化服从一维热传导模式，主要表现为厚样品的温度－时间曲线在双对数坐标中为斜率－０．５的直线，与理论模型的结果相符合。
并对两种特殊涂层的人工样品进行检测，验证了激光扫描红外热波成像设备的有效性。
关键词：激光扫描热波成像；热波；特殊涂层 中图分类号：ＴＧ１１５．２８ 文献标志码：Ａ 文章编号：１０００－６６５６（２０１４）１２－００２０－０３Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｌａｓｅｒ Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｔｈｅｒｍｏｇｒａｐｈｙ ｆｏｒ Ｎｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ ＴｅｓｔｉｎｇＪＩＡＮＧ Ｈａｉ－ｊｕｎ１，ＣＨＥＮ Ｌｉ １，ＺＨＡＮＧ Ｓｈｕ－ｙｉ ２（１．Ｎｏｖｅｌｔｅｑ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００３８，Ｃｈｉｎａ；２．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ａｃｏｕｓｔｉｃｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００９３，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｎｅｗ ａｃｔｉｖｅ ｔｈｅｒｍｏｇｒａｐｈｙ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｌａｓｅｒ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｓ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｆｌａｓｈ ｌａｍｐ ｂａｓｅｄ ａｐｐｒｏａｃｈ．Ａ ２－Ｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｅｘａｍｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｖｅｒｉｆｉｅｄ ｗｉｔｈ ｓｏｍｅ ｓａｍｐｌｅｓ ｏｆ ｓｐｅｃｉａｌ ｏｖｅｒ ｃｏａｔｉｎｇｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｌａｓｅｒ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｔｈｅｒｍｏｇｒａｐｈｙ；Ｔｈｅｒｍａｌ ｗａｖｅ；Ｓｐｅｃｉａｌ ｃｏａｔｉｎｇ 得益于红外热像仪的快速发展，红外热波成像无损检测技术已经在欧美等先进国家得到广泛应用，特别是在航空航天及国防军工等领域［１］。
该技术具有检测速度快、非接触、非破坏、检测面积大、便于在线在役检测、结果直观易懂等优点，可对金属、非金属、复合材料中存在的脱粘、裂纹、锈蚀、损伤等缺陷进行检测，已日益成为保证产品质量和安全运行的重要手段［２］，具有广阔发展前景。
近年来，国内一些研究机构在跟踪研究红外无损检测技术［３－６］方面做出了很多重要工作，但是在实际应用方面和国外的差距还是很大。
主要原因之一在于国内的检测系统大多依靠进口设备，导致成本很高，很难进行推广应用［７－８］。
红外热波成像检测技术的两大关键技术为高能量、短脉冲热激励和高帧频红外图像采集，对于检测高导热率的材料和近表面缺陷十分重要。
目前国际上都是采用大功率闪光灯作为高功率短脉冲热激励，高帧频红外热像仪进行图像采集，该设备不仅功能有很多局限性，而且成本很高，同时高帧频热像仪的分辨率会随帧频的提高而大幅降低。
激光扫描热波成像技术可以有效地解决上述两个难题。
其利用线状连续激光束在样品表面进行扫描，形成高功率密度的脉冲热激励，再通过控制激光束与热像仪之间的扫描时序关系，达到快速检测的目的，可实现优质的热波层析成像。
该技术使得设备的功能得到大幅提升，而成本却大幅下降。
１ 方法论述１．１ 激光扫描热波成像系统红外热波成像技术采用热激励源对样品表面进行加热并形成向样品内部传播的热波，样品中的缺陷，如脱粘、裂纹、锈蚀、损伤等，会影响热波的扩散，从而引起材料表面温度场的变化，采用热像仪对样品表面的红外辐射进行检测便可以得到样品内部缺陷的信息。
如图１所示，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时，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。
图１ 激光扫描红外热波成像无损检测技术原理图２所示为激光扫描红外热波成像检测设备，其主要由控制系统、扫描检测单元、测试平台组成。
扫描检测单元由激光器及冷却系统、扫描振镜、热像仪及光路系统等组成，实现激光对样品表面的扫描。
热像仪完成红外图像的采集。
扫描控制系统用于控制热像仪和激光扫描振镜之间的同步。
控制系统用于硬件控制、系统监测、图像分析与处理等。
图２ 激光扫描红外热波成像检测设备激光扫描热波成像技术与目前国际上普遍采用的闪光灯激励热波技术相比，具有很多优势，它们的部分主要性能的比较如表１所示。
另外，由于激光扫描过程中热波会沿着样品表面传播，因此可以对近表面的垂直裂纹进行检测，这在工业界具有十分重要的应用。
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性能与参数激光异步扫描热波无损检测技术闪光灯激励热波无损检测技术热激励源大功率激光高能量闪光灯加热能量可通过扫描速度调整限于单次脉冲能量激励方式线扫描或点扫描单次触发光照均匀度好差脉冲宽度可调固定检测面积大小可变较固定、不大图像分辨率不随帧频提高变随帧频提高而下降光强调制可以不可以远距离检测可以不可以设备重量较低高系统造价低高１．２ 激光扫描热波成像系统理论模型的验证当线状激光束在样品表面扫描时，热波将沿着激光束前进方向ｘ和垂直样品表面方向ｚ传播，样品内部的温度场由２－Ｄ理论模型来描述［９］。
根据这个模型，推导出样品表面温度场分布为：Ｔ（ｘ，ｚ，ｔ）＝Ｉ８Ｌ·ｌ·πｋ· ｔ０α槡πｔ－槡τ·（１＋２ｅ）－ｄ２ａ（ｔ－τ）·［ｅｒｆ（τυ＋ｌ－ｘ４ａ（ｔ－τ槡））－ｅｒｆ（τυ－ｌ－ｘ４ａ（Ｔ－τ槡））］ｄτ（１）式中：Ｉ为激光功率；Ｌ为激光半长度；ｌ为激光半宽度；ｋ为样品热导率；ａ为样品热扩散速率；ｖ为激光扫描速度；ｄ为样品的厚度。
图３所示的是一组不同厚度的碳素钢样品测试结果和理论数值的比较（横坐标为对时间取自然对数，纵坐标为对温度取自然对象）。
选取了３，４，１２ｍｍ厚度的样品进行测试，激光扫描速度为３ｃｍ／ｓ。
１２ｍｍ的碳素钢对于热波，信号属于热学意义上的厚样品，即信号接近于半无限空间状况，温度－时间曲线在双对数坐标中，其斜率为－０．５的直线。
从图３看出，理论曲线与试验结果整体趋势相同，对于１２ｍｍ厚的样品，试验曲线斜率为－０．５左右，与理论基本一致。
对于３，４ｍｍ厚的样品，试验曲线和理论结果也非常相似，信号在加热后的某个时刻与无限厚的样品信号曲线发生分离，３ｍｍ缺陷约在１３５ｍｓ时刻出现分离，４ｍｍ约在１６５ｍｓ时刻出现分离，与理论值基本接近。
另外试验结果的温度衰减比理论曲线快，这是因为理论模型没有考虑样品表面的辐射与热传导等因素。
图３ 碳素钢样品的温度－时间的理论与试验曲线２ 试验与验证２．１ 试验方法———延迟校正与闪光灯系统同时进行热激励不同，激光扫描红外热波成像技术采用激光束对样品表面扫描的方式，样品表面并不是同时进行激励的，因此图像在处理和显示前需要进行延迟校正。
采用碳素钢样品为例，图４为其可见光背面图像，缺陷大小及深度在图中标明。
图５（ａ）与图５（ｂ）所示为激光扫描过程中采集的两帧红外图像，激光扫描速度为３ｃｍ／ｓ。
在第１３２帧时，刚扫描完第一排孔，所有孔清晰可见。
到第２９６帧时扫描完第二排孔，由于碳素钢热扩散速率相对较快，第一排孔已基本不清晰。
因此如果不经过延迟校正，其红外图像不能正确显示不同区域的缺陷，并且影响后续的图像处理。
通过延迟校正功能，图像中所有点的信号与该点热激励之间的延迟一致，相当于整个样品表面都是同一时刻受到热激励，如图５（ｃ）所示。
同样可从图５（ｃ）中看出，缺陷越深，信号越弱，这是因为热波在样品中的衰减较快。
对于同一深度缺陷，缺陷面积越小，信号也越弱，这是因为热波在传播过程中的横向扩散所引起。
图４ 碳素钢样品背面可见光图像图５ 激光扫描碳素钢样品表面红外图像２．２ 试验验证为了验证设备的性能，对某有机涂层和某特殊涂层的人工缺陷样品进行了测试。
有机涂层样品在１ｍｍ的涂层下有三排圆孔缺陷，分别为直径２ｍｍ，深度０．３５ｍｍ的缺陷；直径４ｍｍ，深度０．９ｍｍ的缺陷；直径６ｍｍ，深度１．４ｍｍ的缺陷，其可见光图像和红外图如图６所示。
从图６中可看出，这些缺陷都可以清晰地被检测出来。
图６ 有机涂层样品的可见光图像和红外图像特殊涂层样品的涂层厚度在０．６ｍｍ左右，下面有三排方形２～５ｍｍ的缺陷，其可见光图像和红外图像如图７所示，可看出，样品的缺陷都可以清晰地被检测出来。
图７ 特殊涂层样品的可见光图像和红外图像（下转第２７页）王 杜等：塑料热熔焊接接头的超声波检测图１０ 圆弧形Ⅲ型模拟试块测长Ｓ２Ｓ１＝ｒＲ＝Ｒ－ＴＲ（４）式中：Ｓ１为外圆弧面缺陷指示弧长；Ｓ２为内圆弧面缺陷真实弧长；ｒ为圆弧试块内半径；Ｒ为圆弧试块外半径，等于公称外径３５５ｍｍ的一半，即１７７．５ｍｍ；试块厚度Ｔ为２６ｍｍ。
５ 结论（１）采用设计的对比试块和纵波直探头分别对三种塑料进行声学特性分析，测出各自的纵波声速和衰减值μ。
（２）设计出满足校准仪器探头和确定检测灵敏度仪器的对比试块，采用研制的纵波斜角探头进行探头Ｋ值和前沿测定，取得较高精度。
（３）对模拟试块的人工缺陷进行检测试验，分别采用直射波和一次反射波进行检测，取得较好效果，缺陷的定位准确，测长精度也较好。
发现在热熔对接接头厚度较小、焊缝余高宽度较大时，应尽量采用短前沿、大Ｋ值探头，不具备条件时也可以采用一次反射波进行检测。
（４）为了提高调准速度及精度，更方便地测定探头前沿、调准零点、纵波扫描速度、检测范围、测定声速、测定Ｋ值及绘制ＤＡＣ曲线等，进一步的研究可以参照ＣＳＫ－ⅠＡ、ＣＳＫ－ⅢＡ钢试块来设计制作塑料超声专用试块。
考虑到衰减问题，可将ＣＳＫ－ⅠＡ的Ｒ１００和Ｒ５０圆弧减小为Ｒ４０和Ｒ２０，将ＣＳＫ－ⅢＡ试块的高度减小。
参考文献：［１］ 马娟．ＰＥ管超声检测技术的研究［Ｄ］．江西：南昌航空大学，２００８．［２］ 富阳．聚乙烯（ＰＥ）管纵波单斜探头超声波检测［Ｊ］．中国特种设备安全，２０１１（９）：２４－２６．［３］ 张兴森．ＰＥ管热熔对接焊缝超声检测［Ｄ］．江西：南昌航空大学，２００７．［４］ 黄辉，王杜，陈虎．２０１２年科技协作平台非金属压力管道检验检测技术研讨会论文集［Ｃ］．北京：（出版者不详），欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂２０１２．（上接第２２页）目前激光扫描红外热波成像检测设备已应用于各种类型的样品，包括复合材料、蜂窝材料及不同膜层厚度等的检测，取得了良好的结果。