红外热波脉冲位相法无损检测缺陷深度方法研究

红外热波无损检测技术已广泛用于航空航天、电力等行业,用于改进材料的产品质量、产品设计、加工制造、成品检验以及在役检测.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和反射.红外热像仪实时接收被检物表面辐射的红外信号,即通过直观热图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之间存在t∝d2/α的关系(α=κ/ρc,式中:κ为材料热导率;ρ为密度;c为比热容),找到界面传导时间,即可定量计算被检物的材料结构内部深度信息[1].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[2].其中位相与信号的时间延迟有关,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,由单一频率热图到多频热图,即脉冲位相法(pulse phase thermography).它结合了脉冲和锁相的优点,实验证明,脉冲位相的数据处理方法有其独特优势,可有效对缺陷深度进行测量.

1　红外热波脉冲位相法原理(PPT)

脉冲式检测加载的时域脉冲信号δ(t)进行傅里叶(FFT)变换得到频域上的无限频谱,即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.热扩散深度为

式中f为热波频率.由不同频率的信号,可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(i,j)对应N个离散温度时域信号T(t).一般采用快速傅里叶变换得到频域上的信号

    式中:n为离散值的序列号;Re(f),Im(f)分别为频域信号的实部和虚部.幅值和相位的表达式为

式中频率范围从0到1/Δt,实验采样频率为60Hz,时间间隔Δt=0·016 7 s;频率增量Δf=1/NΔt.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[3-4].示意图如图1所示.

2　实验与结果

2·1　实验设备及试件

采用的红外热波无损检测系统由热激励系统、红外热像仪和计算机组成.热激励系统的两个高能氙灯,最大能量可达10 kJ,脉冲宽度为2 ms.红外热像仪为瑞典的ThermaCAMTMSC3000,制冷型量子阱焦平面红外光子探测器的探测波段为8~9μm,(320×240)像素,室温下可分辨的最小温差为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.