锁相红外热成像技术在无损检测领域的应用

　　自20世纪70年代初,红外热成像就应用于材料和机械结构的无损检测及评估,随后发展起来的主动式红外热波无损检测技术具有探测面积大、速度快、非接触、安全、适用于外场检测的特点,该技术越来越引起人们的注意。然而,红外热波无损检测技术在定量检测缺陷的深度方面有一定局限性。锁相红外热成像技术在周期性的热源加热条件下,具有相位延迟、深度测量且相位图所含信息比振幅图多的特点,因此被逐步发展起来。

　　从20世纪90年代初开始,美国、德国、日本、法国和新加坡等国就把锁相技术和红外热成像技术结合起来,应用于航空器、飞机(碳纤维增强复合物(CFRP),玻璃纤维增强复合物(GFRP)等材料)、直升机机身,汽车、集成电路及太阳能电池板、瓷砖、人体血管成像等领域。

　　本文主要介绍了国外锁相红外热成像技术的基本原理及其技术特点。

　　1　锁相红外热成像的原理

　　锁相装置如图1所示[1]:硬件系统由一个热成像系统和锁相设备构成,热成像系统中计算机自控程序获得正弦调制(或其他调制)信号,同时控制热像仪和闪光灯。锁相红外热成像与光热光栅图像[1]点对点对比,如图2所示。常规方法利用激光束作为点光源,在试件局部产生热波,同时用红外探测器探测。红外热波信号分析的基本硬件是锁相放大器,它靠一点温度情况准确地提供相位和振幅信息,但光栅扫描时间很长,尤其对低频调制信号和大面积试件的检测,因此并不适合大规模应用。

　　锁相红外热成像用扩充热源(例如:闪光灯)代替点光源,红外热像仪采用热波探测阵列。为了获取温度调制的振幅和相位,必须对每个像素处的温度时间图像作傅立叶分析。

　　如果正弦热信号注入,从四组温度数据得到的温场也是一个重建的正弦信号。如图3所示,在光强的一个调制周期内,记录下四个等距的数据图像。如果Si(x1)(i= 1、……4)是在像素X1处的四个探测信号,那么振幅A和相位φ可由下式确定:

　　以上公式既适合单个像素点,也适用于整个图像。因此由某像素点的四组平均热图Si来计算振幅图A和相位图φ。由表达式(2)的比例关系可知,相位不受非均匀光强、光吸收引起局部变化或热辐射系数的影响。

　　实际上,人们感兴趣的是多种调制频率,并非仅仅是四组图像对应一个热源调制周期的那种频率,尤其对于低频,即图3中基频的1/n(n=1,2…),90°相位调制可以用n个数据点代替1个,即正弦调制信号可以利用n个点被平均到方程(1)(2)中Si的某一个点,如图4所示。

　　如图5和图6中所示的两个实验结果,显示出锁相热成像的特点。借助于频率可知道深度信息范围,且从相位图中得到的信息要比振幅图中多。