红外热波无损检测法测量缺陷深度分析

　　1　引　言

　　脉冲式红外热波无损检测以热传导理论为基础,在一维传导模型下,脉冲面热源施加于被检测物表面,在试件表面以热波形式向试件内部纵向传播,并随 时间和穿透深度指数衰减,遇到不同介质,在介质界面处按边界条件继续传播。红外热像仪实时接收被检物表面辐射的红外信号,即通过热图直观得到被检材料或结 构内部状况;其中热波传导到被检物内部界面的时间t、表面到此界面深度d、热扩散系数α(与材料热传导性、密度和比热容相关,α=k/ρc)之间存在 t~d2/α的关系,找到异常界面传导时间t,即可定量计算被检物的材料结构内部异常深度信息。脉冲式红外热波检测过程方便快捷[1],检测结果直观可 靠,但此方法以辐射信号强度信息为基础,热波传导的指数衰减使可探测的深度有限,若材料表面的红外发射率低,反射率高也会影响检测性能。

　　锁相方法是采用单一频率的周期热源加热被检物表面,红外热像仪采集红外参考信号和输出信号周期内的数字信号,由计算机处理得到振幅和位相热图。 其中位相与信号的时间延迟有关[2],得到的位相热图与表面光学特性无关,从而部分解决脉冲式检测的被检物表面影响问题。进一步从频域考虑,由单一频率热 图发展到多频热图,即为脉冲位相法(Pulse Phase Ther-mography,PPT)。

　　2　脉冲位相法原理

　　对脉冲式检测加载的时域脉冲信号δ(t)进行傅立叶变换(FFT)得到频域上的无限频谱,可产生丰富的谐波成分,不同频率的热波在被检物内的传播深度不同。定义传播深度为热扩散长度μ=,其中ω为热波角频率。由不同频率的信号,就可以得到被检物材料或结构内部不同深度缺陷信息。

　　在脉冲位相法中,红外热像仪采样频率(时间间隔为Δt)下接收的每个像素点(x,y)对应的N个离散温度时间信号T(x,y)(t),做傅里叶变换:

　　提取不同频率下的幅值图和相位图[3]。其中频率f范围从0到1/Δt,这里实验提供采样频率60Hz,Δt=0.016 7 s,频率增量Δf为Δf=1/NΔt(N为数据长度)。

　　当采样频率f大于信号中最高频率fmax的2倍时,即f≥2fmax,则采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息。金属铝的热扩散系数α为(热导率为2.26 W/(cm·K),密度为2.698 g/cm3,质量热容为921 J/(kg·K)),在探测深度为1 cm时,由热扩散深度知,实验采集频率(60 Hz)满足采样定理[4]。

　　3　实验与结果

　　3.1　实验设备及试件

　　本文中的脉冲位相法使用红外热波无损检测系统,该系统由热激励系统、红外热像仪和计算机组成。热激励系统两个高能氙灯,最大能量可达10 kJ,脉冲宽度为2 ms。红外热像仪是瑞典的ThermaCAMTMSC3000,制冷型量子阱焦平面红外光子探测器,探测波段为8~9μm,320 pixel×240 pixel,室温下最小温度分辨率为0.02℃。整个检测过程的热激励和信号采集时间较短,依材料热属性及结构性质不同,从几十秒到几分钟内即可完成。采 集到的信号通过电缆线传送到计算机,由图像处理软件进行实时处理或后期对比分析处理。