红外检测技术

在焊接过程中很多场合都会应用到红外检测技术，例如采 用红外点温仪在焊接过程中实时检测焊缝或热影响区某点或多 点温度，进行焊接参数的实时修正。采用红外热像仪检测焊接 过程中的熔池及其附近区域的红外图像，经过分析处理， 获
得焊缝宽度、焊道的熔透情况等信息，实现焊接过程的质量与
焊缝尺寸的实时控制。在自动焊管生产线上采用红外线阵CCD 实时检测焊接区的一维温度分布，通过控制焊接电流的大小， 保证获得均匀的焊缝成形。
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2 红外无损检测仪器
1． 红外测温仪
红外测温仪是用来测量设备、结构、工件等表面某一局部 区域的平均温度的。通过特殊的光学系统，可以将目标区域限 制在1 mm以内甚至更小，因此有时也将其称为红外点温仪。 它主要是通过测定目标在某一波段内所辐射的红外辐射能量的 总和， 来确定目标的表面温度。其响应时间可小于1 s， 测 温范围可达0～3000℃。 下图为红外测温仪的结构原理图。它由光学系统、调制器、 红外探测器、放大器、显示器等部分组成。红外测温仪的主要 技术参数有温度范围、工作波段、响应时间、目标尺寸、 距离 系数和辐射率范围等。
142 Biblioteka 外无损检测仪器红外测温仪的结构原理图
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2 红外无损检测仪器
2． 红外热像仪 红外检测的主要设备是红外热像仪。
红外辐射符合几何光学的一些定律，利用红外辐射进行物 体成像不需要外加光源。红外成像时需要特殊的光学系统——红 外光学系统。红外测温仪所显示的是被测物体的某一局部的平 均温度；红外热像仪则显示的是一幅热图， 是物体红外辐射 能量密度的二维分布图。
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2 红外无损检测技术的应用
3） 压力容器衬套检测
利用红外成像技术进行压力容器衬里脱落或缺陷检测的
方法是，利用红外热像仪从容器表面温度场数据的传热理论
分析和用计算机程序的实例计算，推算出容器内衬里层的变
化， 从而达到对容器内衬里缺陷的定量诊断。
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2 红外无损检测技术的应用
4） 焊接过程检测
其被分割成三个波段，即2～2.5 μ m、 3～5 μ m和8～14
μ m， 统称为“大气窗口”。 这三个大气窗口对红外技术应 用特别重要， 因此一般红外仪器都工作在这三个窗口之内。
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1 红外无损检测基础
红外辐射通过1海里长度大气的透过率曲线
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1 红外无损检测基础
2． 红外探测器 红外探测器是能将红外辐射能转换成电能的光敏元件，
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2 红外无损检测技术的应用
5） 轴承质量检测 被测轴瓦是由两层金属压碾而成的，可能存在中间层或 大的体积状、面状缺陷。由于内部有缺陷处与无缺陷部分传 热速度不同，采用对工件反面加热，导致有缺陷处温度低于 无缺陷处的表面温度，通过红外摄像可获得缺陷的图像和尺 寸。用类似方法也可进行轴承滚子表面裂纹的检测。
热状态的变化和异常，往往是确定被测对象的实际工作状态和
判断其可靠性的重要依据。红外检测按其检测方式分为主动式 和被动式两类。 前者是在人工加热工件的同时或加热后经过
延迟扫描记录和观察工件表面的温度分布，适用于静态件检测；
后者是利用工件自身的温度不同于周围环境的温度，在两者的 热交换过程中显示工件内部的缺陷，适用于运行中设备的质量 控制。
（1) 快速有效， 结果直观。 热像仪能显示物体的表面
温度场， 并以图像的形式显示。
（2） 分辨力强。 现代热像仪可以分辨0.1℃甚至更小 的温差。 （3） 显示方式灵活多样。温度场的图像可以采用伪彩色 显示，也可以通过数字化处理，采用数字显示各点的温度值。 (4) 能与计算机进行数据交换， 便于存储和处理。
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2 红外无损检测技术的应用
点焊质量红外检测示意图
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2 红外无损检测技术的应用
2） 铸模检测
用红外热像仪测定压铸过程中压铸模外表面温度分布及
其变化，并进行计算机图像处理，得到热像图中任意分割线 上各像素元点的温度值，然后结合有限元或有限差分方法， 用计算机数值模拟压铸模内部的温度场，可给出直观的压铸 过程温度场的动态图像。
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2 红外无损检测技术的应用
探测疲劳裂纹示意图 (a) 对样品扫描示意图； (b) 表面温度分布曲线
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2 红外无损检测技术的应用
5. 红外无损检测技术的发展 红外理论的实际应用是从军事方面开始的。应用红外物理 理论和红外技术成果对材料、装置和工程结构等进行无损检测 与诊断，首先是从电力部门开始的。20世纪60年代中期，瑞典 国家电力局和AGA公司合作，把红外前视系统加以改进，用于 运行中电力设备热状态的诊断，开发出了第一代工业用红外热 像仪。与此同时，各种各样的用于无损检测与诊断的红外测温 装置也相继出现。这些红外测温仪不仅可以进行温度测量， 更重要的是可以应用于设备与构件等的热状态诊断。目前红外 无损检测技术正在和计算机技术、图像处理技术相结合，以期 在设备、 结构等的无损检测中发挥更大的作用。 28
择性探测器， 而光电型探测器为有选择性探测器。一般将响
应率最大的值所对应的波长称为峰值波长，而把响应率下降到 响应值的一半所对应的波长称为截止波长。响应波长范围也表
示红外探测器使用的波长范围。
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1 红外无损检测基础
(3) 噪声等效功率。红外探测器的输出电压较低，外界 噪声对它的影响很大，因此要用噪声等效功率参数来衡量红外 探测器的性能。噪声等效功率是输出信噪比为1时所对应的红 外入射功率值， 也即红外探测到的最小辐射功率， 该值越小，
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2 红外无损检测技术的应用
1． 红外无损检测在热加工中的应用
在热加工中应用红外无损检测技术的场合比较多。
1） 点焊焊点质量的无损检测 采用外部热源给焊点加热，利用红外热像仪检测焊点的红 外热图及其变化情况来判断焊点的质量。无缺陷的焊点，其温 度分布是比较均匀的，而有缺陷的焊点则不然，并且移开热源 后其温度分布的变化过程与无缺陷焊点将产生较大差异。上述 信息可以用来进行焊点质量的无损检测。图6-87是点焊质量的 红外无损检测示意图。
断中，应用热像仪检测发电机、变压器、开关、接头、压接
管等， 能有效地发现不正常的发热点，及时进行处理和检修， 防止可能发生的停电事故。此外，在电厂，也将该项技术用 于水冷壁管的检测， 判断是否存在堵塞现象。
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2 红外无损检测技术的应用
3．红外泄漏检测 在实际生产中，管束振动、腐蚀、疲劳、断裂等原因将导 致换热器壳内或管内介质发生泄漏，从而降低产品质量和生产 能力，影响生产的正常运行。换热器泄漏的发生及程度的判定， 对于保证换热器安全运转、节约能源、充分发挥其传热性能及 提高经济效益具有重要意义。除了可根据生产工艺参数进行工 况分析外，还可以采用红外测温技术监测换热器的运行情况， 及时发现其泄漏的性质和部位。
1 红外无损检测基础
1． 红外辐射及传输 1） 红外辐射 红外辐射是位于可见光中红光以外的光线，故又称红外线， 它是一种人眼看不见的光线。其波长范围大致在0.75～1000 μm的频谱范围之内，相对应的频率大致在4×1014 ～3×1011 Hz之间。任何物体，只要其温度高于绝对零度就有红外线向 周围空间辐射。
如某化工总厂在生产过程中发现一换热器出现高温报警， 遂采用热像仪进行温度测试，获得了换热器的温度分布状况。 检测中发现局部温度不正常，通过分析证实了换热器壳侧的氨 气已漏入了管侧的冷却水中，造成气液混合，降低了冷却效果， 25 使出口温度不断升高。
2 红外无损检测技术的应用
4． 红外无损检测的特殊应用
红外检测技术
机电工程学院测控系 魏 莉 Weili@
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1 红外无损检测基础
红外无损检测技术的特点决定了它的适用范围。
红外无损检测的优点为操作安全、灵敏度高、检测效率高。 由于进行红外无损检测时不需要与被检对象直接接触，所以操 作十分安全。这个优点在带电设备、转动设备及高空设备的无 损检测中非常突出。现代红外探测器对红外辐射的探测灵敏度 很高，目前的红外无损检测设备可以检测出0.1℃的温度差， 因此能检测出设备或结构件等热状态的细微变化。由于红外探 测器的响应速度高达纳秒级，所以可迅速采集、处理和显示被 检对象的红外辐射，提高检测效率。一些新型的红外无损检测 仪器还可与计算机相连或自身带有微处理器，实现数字化图像 处理， 扩大了其功能和应用范围。另外，红外辐射不受可见光 的影响，可昼夜进行测量。大气对某些特定波长范围内的红外 线吸收甚少， 适用于遥感和遥测。 2
用来监测物体辐射的红外线。它是红外检测系统中最重要的
器件之一。 这里简单介绍它的分类和性能参数。
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1 红外无损检测基础
1） 常用红外探测器的分类 红外探测器分热电型和光电型两类。这两类探测器不仅在 性能上有差异，而且在工作原理上也不相同。 热电型红外探测器是利用热电元件、热敏电阻或热电偶等 元件的热效应进行工作的。它们一般灵敏度低、响应慢，但有 较宽的红外波长响应范围，且价廉，常用于温度的测量及自动 控制。
火车车轮轴承座如果出现缺陷(例如轴承中有裂纹或润滑 不足等)，在列车运行中其相关部位的温度会迅速升高而过热， 如不能及时发现，可能导致车轮卡住或轴承损坏，有可能使列
车出轨。
对于上述问题可采用红外辐射检测方法解决。在指定地点 的钢轨两侧安装红外辐射探测器，使过往列车车轮轴承发射的 红外辐射恰好入射至红外探测器的物镜上，监测轮轴超过规定 温度标准的过热情况。
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1 红外无损检测基础
2）红外辐射的传输 和所有电磁波一样，红外辐射是以波的形式在空间直线传
播的。它在真空中的传播速度等于光在真空中的传播速度， 即
C f
式中： 为红外辐射的波长；f 为红外辐射的频率；C为光 在真空中的传播速度。
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1 红外无损检测基础
红外辐射在大气中传播时，由于大气中的气体分子、水蒸 气以及固体微粒、尘埃等物质的散射、吸收作用，使辐射在传 输过程中逐渐衰减。通过红外辐射通过1海里长度大气的透过 率曲线，可以看出它在通过大气层时由于大气有选择的吸收使