基于红外热像技术的木材内部缺陷检测的研究

孟宪静，孙天用，王立海，2

(1.东北林业大学工程技术学院，哈尔滨150040;2.黑龙江省森林持续经营与微生物工程重点实验室东北林业大学，哈尔滨150040)

红外热像技术是20世纪发展起来的新兴应用技术［1－7］，它被广泛应用在医学、遥感、地球资源探测和工业探伤等方面，被检测的材料涉及金属、合金、塑料、陶瓷以及复合材料等。红外热像仪、红外摄像机、红外通讯和红外光谱仪等都是红外热像技术的应用实例。本文使用的红外热像仪是一个发展前景非常广阔的新兴高科技产品，也是红外应用产品中市场份额最大的一块，在军民两个领域都有广泛的应用［8］。随着非制冷红外热成像技术的生产成本大幅度降低，该产品的应用已延伸到了电力、消防、工业、医疗和安防等国民经济各个部门，已在材料缺陷的检测与评价、建筑节能评价、设备状态热诊断和减灾防灾等诸多方面获得了应用，并显示出越来越强大的生命力［2］。本文将运用红外热像仪对加工有孔洞的两个毛赤扬方材作内部缺陷无损检测，通过实验探讨红外热像技术用于木材内部缺陷无损检测的可行性，并在可行的情况下确定准确检测的条件。

1 实验材料、仪器和方法

实验材料是两个毛赤杨方材，分别记为方材A和方材B，尺寸均为42cm×6cm×6cm，方材A在中部有一个孔洞，方材B在靠近一端有一个孔洞，孔洞直径均为4cm。所用实验仪器为FLIR B250系列红外热像仪和红外灯。实验步骤如下:

(1)分别使用单面法和双面法两种热源模式对方材A进行检测，通过比较图像效果，确定较好的热源模式。

(2)首先选定一个加热灯距被测物的距离，然后用红外灯对方材B加热，并在不同的时间段用红外热像仪采集试样红外热像图并编号存储，最后比较不同时间段的图像中测得的缺陷尺寸的准确度，据此确定准确检测所需的最佳加热时间。

(3)运用以上两步所确定的热源模式、加热距离和加热时间对两个方材分别进行11次检测，并利用检测结果验证以前相关研究得出的准确反映缺陷尺寸的温度范围。

2 实验结果和分析

(1)确定热源模式。用红外灯照射试样加热分为单面法和双面法。单面法是指用红外灯加热和用红外热像仪探测在试样的同一面进行。双面法是指在试样的一个表面进行加热，而在其背面 (另一个表面)进行红外热像仪探测。分别用单面法和双面法对方材A进行检测 (红外灯距试样A 25cm)，所得结果如下:

由图1和图2中的图像可以看出，用单面法(反射式)由于光的强度很大只能看到两个热源的照射点，并不能反映出孔洞缺陷的位置和大小;而用双面法 (透射式)则可以反应出孔洞缺陷的位置和大小，缺陷部位明显比其他部位亮，所以采用双面法 (透射式)热源模式更好一些。

图1 单面法所得图像 (加热时间:30min)Fig.1 Image from single side method

图2 双面法所得图像 (加热时间:10min)Fig.2 Image from double sides method

(2)确定加热灯距被测物的距离、时间。参考相关实验结论，加热灯距被测物的距离选定为25cm，下面确定加热时间。

用红外灯给试样B加热，加热的同时用红外热像仪采集试样红外热像图并编号存储。部分红外热像如图3(a)所示。

图3 加热20min时的红外热像图 (a)和红外分析软件Quikreport处理后的图像 (b)Fig.3 Infrared thermal image heated for 20 minutes(a)and the image processed after infrared analysis software(b)

在红外分析软件处理后的彩色图像，如图3(b)所示，彩色区域是一个等温区域，表示方材上温度介于最高温度和最高温度以下0.5℃的区域。大量实验表明，若缺陷在一侧，则这个温度范围最能准确地反映出缺陷的实际尺寸［1，9］。在软件处理后的彩色图像里，中心线被彩色区域所截的部分长度就表示缺陷的尺寸。加热不同时间所测得的缺陷孔直径见表1。

表1 加热不同时间所测得的缺陷孔直径Tab.1 Defect diameter of different heating time

由表1可以看出，在给试样加热20min时，红外热像图反映的缺陷孔直径 (4.02cm)最接近试样真实的缺陷孔直径 (4cm)。

由以上可得准确检测木材内部缺陷的条件:①采用双面法进行检测;②在热源与方材试样间的距离为25cm时，加热20min左右图像效果最佳。

(3)检测方材内部缺陷，验证准确反映缺陷尺寸的温度范围。方材试样距红外灯25cm，照射20min，采用双面法进行红外热像图的采集，分别对方材A和方材B进行11次检测。

①试样A的检测结果。由大量实验表明，当缺陷在中间时，中央标识线上最高温度以下0.4℃范围最能准确地反映出缺陷的真实值［1，10］，利用这个温度范围分析处理后 (分析处理方法与第 (2)步相同)的检测结果见表2。?

表2 试样A的检测结果Tab.2 Testing results of sample A cm

②试样B的检测结果。由大量实验表明，当缺陷靠近一边时，中央标识线上最高温度以下0.5℃范围最能准确地反映出缺陷的真实值［1］，利用这个温度范围分析处理后 (分析处理方法与第(2)步相同)的检测结果见表3。

表3 试样B的检测结果Tab.3 Testing results of sample B cm

由表2和表3可以看出，用红外热像仪检测该方材缺陷的误差范围在±5mm之间，相对误差(相对误差=绝对误差/真值)为12.5%，精度较为理想，从而验证了若缺陷在中间，则试样中央标识线上最高温度以下0.4℃范围可以准确反映出缺陷的大小;若在一侧则最高温度以下0.5℃范围可以准确反映出缺陷的大小。

3 结论

本文应用红外热像技术对方材内部孔洞缺陷进行检测，误差范围为 ±5mm，相对误差12.5%(相对误差=绝对误差/真值)，说明使用红外热像技术对木材内部缺陷进行检测是可行的。在研究过程中，得出了准确检测该方材内部缺陷的条件:①采用双面法进行检测;②当热源距试样25cm左右时，加热20min左右图像效果最佳;③若缺陷在中间，则试样中央标识线上最高温度以下0.4℃范围可以准确反映出缺陷的大小;若在一侧则最高温度以下0.5℃范围可以准确反映出缺陷的大小。

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