红外热像检测的数值优化

　　1　引言

　　红外无损检测就是采用红外点温仪、红外热像仪、红外热电视等检测设备,测取被检对象表面的红外辐射能,并将其转换为电信号,以彩色图或灰度图的方式显示出来。它是通过观察物体表面的温度场是否均匀来推断被检物表面或内部是否存在缺陷的一种无损检测新技术。由于红外热像仪的价格昂贵且寿命有限,使用费用很高,因此,最大限度地缩短检测时热像仪的使用时间很有意义。采用有限元方法对红外热像检测过程进行数值仿真研究,是优化检测条件、缩短检测时间的有效途径。

　　2　红外热像无损检测的基本问题

　　红外热像无损检测的基本问题是:检测方式、激励源和检测时机。

　　(1)根据检测时是否需要外加激励,可将红外热像无损检测分为主动式检测(需外加激励)和被动式检测(不需外加激励)。在主动式检测中,根据检测时激励源、检测设备(热像仪等)和被检对象三者的相互位置关系,又可将红外无损检测分为反射式检测和穿透式检测2种基本方式。

　　(2)激励源的功能是给被检件一个瞬态扰动,以获得被检件在此激励作用下瞬态响应。根据激励源的温度高低(相对于稳定的环境温度而言),可将激励源分为热源和冷源。其中,热源是指温度高于环境温度的激励,冷源则是指温度低于环境温度的激励。它们都可通过多种方式获取,如热风、冷风等。

　　(3)检测时机是指获取最佳检测效果的时刻或时段。就主动式检测而言,缺陷的显现不是永久存在的,而是有一个最佳显现时机(缺陷与周围完好部位的温度对比度最高),在此最佳时机之外,缺陷显现减弱直至完全消失。因此,检测时机是否得当,关系到红外检测的成败。为了不错过最佳检测时机,希望能以最高的采样速率,对整个检测过程进行图像采集。由于受热像仪有限内存的制约,采样速率与采样时间成为红外热像检测实践中的一对主要矛盾,特别是对导热快的金属材料的无损检测而言,*这对矛盾更加突出。因此,如何优化采样速率与采样时机是红外热像检测实践中迫切需要解决的一个基本问题。在不降低采样速率的前提下,对瞬态响应下的红外热像图进行有选择地采集,是缓解前述矛盾的有效办法之一。

　　3　数值仿真方案

　　本文以结构钢试件中的内部缺陷检测为研究对象,采用有限元方法,对红外无损检测过程进行了数值仿真研究。假定被检件为圆饼状结构钢试件,其厚度为H、半径为R(简记为R×H,单位mm)。与被检件同轴的内部缺陷(以干空气模拟)亦为圆饼状,厚度为h,半径为r,距加热面深d1,距加热面的对面深d2(简记为r×h×d1×d2,单位mm)。假定试件四周绝热,B面设为自然对流换热条件,对流换热系数hf和周围气体的温度T∞统一设为10 W/m2.℃和20℃。为检测试件中的内部缺陷,在A面对试件施加一定强度的均匀热激励(热流率q,单位W/m2)。利用模型结构和载荷的轴对称性,可将三维(3D)问题简化为二维(2D)模型,进行数值仿真计算,以降低计算的复杂度。仿真方案的3D原型和2D简化模型如图1所示。试件和缺陷的热物性数据如表1所示。