红外无损检测中热激励研究

　　1　前言

　　红外无损检测是一种非接触式的无损检测手段,它是利用红外辐射原理对工件表面进行检测,扫描记录被检测工件表面上由于构件内部的损伤、缺陷与材料不同的热性能所引起的温度变化,并通过温度场的分析,判断构件内部的缺陷与损伤的位置、大小和性质。在复合材料结构检测中具有广阔的应用前景。

　　在主动红外无损检测中,热源所激励的温度场的特性,将会直接影响到检测缺陷的效果。目前常用的热激励方式有等离子喷注、直接火焰、热空气喷注、红外灯、激光器等。本文对利用红外灯照射如何在试样表面处形成均匀的温度场,进行了一些研究工作,并用该激励方法对复合材料积水进行检测,得到了理想的实验效果。

　　2　热激励研究

　　2.1　单灯激励规律

　　通过实验发现,空间梯度小、时间梯度大的热源有助于结构内部缺陷与损伤的检测。红外灯能在一个较大的空间内产生较高的温升且热源与被测物体的距离可在较大的范围内变化。但是,红外灯所产生的温度场的空间梯度较大,其不均匀性直接影响构件的检测。所以,本文首先对单个红外灯的热激励规律进行了分析、测试,结果如图1所示。由该结果可知,红外灯可在一个较大的区域内迅速产生温升,但温度场的均匀性较差。在红外灯的有效辐照距离内,其灯丝的形状、尺寸不能简化成一个点,同时红外灯产生的热量能迅速加热周围的空气,成为次级热源。热气团的密度小于周围空气,使该热源呈现上升趋势,从而使等温线近似为一个以垂直方向为长轴,水平方向为短轴的椭圆,这使得直接应用红外灯加热被测物所得的温度场的空间梯度增大,影响对被测物体的表面温度场的测试。

　　2.2　热源的改进

　　以红外灯作为热源,虽然有空间梯度大的缺点,但它也有响应快、作用距离大、单项检测区域大的优点。因此,如何利用红外灯的优点,减小甚至避免其不足成为本文研究的重点。

　　单个红外灯在被测物体上产生的温度场具有以热源对应点为中心,向外围递减的特点。因此如以双灯并列同时加热,被测物体上一点的温升为两个红外灯在此产生的温升之和。被测物体对应于两个红外灯之间一点,如果距红外灯A的热源中心对应点较远,则必然距红外灯B点热源中心对应点较近,反之亦然。因此在整个有效辐射区域内,各红外灯辐射叠加,使温度场的空间梯度减小,同时还会提高温升。同样,如果采用四个红外灯或六个红外灯成上下左右对称布置,则不仅会有效地扩大辐射区域,提高温升的时间梯度,还能更好地减小空间梯度,有利于物体内部损伤和缺陷的红外检测效果。图2,图3,图4分别是双灯、四灯、六灯所形成的等温线图,由图可以看出,依据被测物体实际尺寸大小,只要合理调整各个对称灯之间的间距,完全可以在被测物体表面形成均匀温度场,有效减小空间梯度,进而使红外热像仪能检测到真实的由于物体内部缺陷与损伤引起的物体表面温差。