红外热波成像技术在复合材料无损检测中的应用

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(南京诺威尔光电系统有限公司，南京210046)

复合材料是多种不同性质的材料通过物理或化学的方法，在宏观上组成的具有新性能的材料。不同材料在性能上相互取长补短，产生协同效应，使得复合材料的综合性能优于原组成材料的。复合材料已广泛应用于航空航天、军工、船舶、体育用品、工业等领域[1-3]。由于复合材料的非均质性和各项异性，受生产工艺、环境控制和一些随机因素的影响，复合材料中会不可避免地存在一些缺陷，而复合材料在制造、装配和服役的过程中，又可能因机械加工、外力冲击、碰撞和刮擦等而出现损伤。复合材料产生的缺陷很大一部分都在材料内部，属于内部缺陷。这些缺陷和损伤很难通过目视的方法发现，对结构的承载能力有很大的影响，成为威胁结构安全性的主要隐患。

为了能够有效地发现缺陷并及时排除隐患，工程技术人员通常需要选用合适的无损检测技术对特定类型的缺陷进行安全有效的检测，以保证复合材料构件的安全服役，因而发展了多种无损检测手段对这些缺陷进行检测，目前影响比较大的有射线检测技术、超声检测技术、涡流检测技术、红外热波成像检测技术等[4-7]。

红外热波成像技术是一种新型的无损检测技术，近年来取得了快速发展[8-12]。1994年，美国韦恩州立大学工业制造研究所的FAVRO等[13]使用红外热波成像技术对碳纤维增强环氧薄板中的冲击损伤进行了检测。杨小林等[14]使用闪光灯激励红外热波成像技术对飞机雷达罩复合材料、新型战机垂尾结构玻璃纤维复合材料进行检测，检测出了试件的缺陷面积和深度；张剑等[15]采用闪光灯激励红外无损检测技术对固体火箭发动机玻璃纤维复合材料进行检测，该检测方法能够快速、直观、准确地检测出复合材料中的分层、脱黏、夹杂等缺陷；王扬等[16]采用红外热波成像检测方法对CFRP(碳纤维增强复合材料)层板缺陷进行检测，采用POD(检测概率)曲线完成了对红外锁相热波成像技术检测能力的评价。以上几例检测结果表明，红外热波成像技术不仅具有检测复合材料缺陷的能力，还能够给出缺陷深度方面的信息。笔者主要介绍了脉冲红外热波成像技术和锁相红外热波成像技术，并采用上述两种技术对多种类型的复合材料进行了缺陷检测。

1 红外热波成像技术原理

红外热波成像技术是随着热成像技术的发展而出现的一种新型无损检测技术，其利用红外热像仪将物体不可见的红外辐射信息转换成可见热图像。该技术具有检测速度快、非接触、非破坏、检测面积大、便于在线在役检测、结果直观易懂等优点，可对金属、非金属、复合材料中存在的脱黏、裂纹、锈蚀、疲劳、损伤等缺陷进行检测。

1.1 脉冲红外热波成像技术原理

脉冲红外热波成像技术采用脉冲激励对试件表面进行热激励，形成的热波向试件内部传播，试件内部的缺陷，如脱黏、裂纹、锈蚀、疲劳、损伤等会影响热波的传播，从而引起试件表面温度场的变化，这种温度变化由红外热像仪记录存储，并通过对红外热图序列的分析处理实现对缺陷的检测和评估。因此，该技术结合了红外成像、调制激励、信号检测、图像处理等多方面的技术。

脉冲激励红外热波成像检测系统一般由3部分组成：闪光灯激励系统、红外成像系统、红外图像序列处理系统等。图1为脉冲红外热波成像系统示意。

图1 脉冲红外热波成像系统示意

1.2 锁相红外热波成像技术原理

锁相红外热波成像技术与脉冲红外热波成像技术最大的区别是锁相技术中使用的是周期性热源。锁相红外热波成像技术采用周期性调制热源激励被测材料表面，通过红外热像仪记录材料表面周期性变化的温度场，对红外图像序列进行锁相处理得到振幅与相位图像，通过分析振幅与相位图像可以得到材料内部的缺陷信息，包括脱黏、损伤等缺陷信息；振幅图像包括热激励源信号的不均匀性信息，相位图像消除了热激励源不均匀性的影响,包含缺陷更多的信息。锁相法所使用的热激励源包括卤素灯/红外灯、激光、超声、电磁等。图像处理方式主要包括傅里叶变换法、相关函数法、四点法等，最后得到热波振幅和相位图像。由于锁相技术采用周期性热激励，所以可以通过增加采集周期来提高热波图像的信噪比，以达到较高的检测灵敏度。图2为锁相红外热波成像系统示意。

图2 锁相红外热波成像系统示意

2 试验系统

2.1 脉冲红外热波成像检测系统

脉冲红外热波无损检测所采用的系统外观如图3所示，其配置了10.4 in (1 in=2.54 cm)触摸显示屏，操作方便，系统采用锂电池供电，便于携带，适合外场检测。闪光灯最大能量为6 000 J，热像仪分辨率为384像素×288像素，工作波长为8～14 μm，采集帧频最高为100 Hz，室温下温度灵敏度小于0.04 ℃，配置短焦距红外镜头，检测视场范围为(长×宽)300 mm×225 mm。软件系统可以完成闪光灯激励能量、同步触发、热像仪采集时间、采集帧频、采集背景灯试验条件控制及对红外图像的处理、分析等。

图3 脉冲红外热波成像系统外观

系统采用一体便携式设计，集热激励、图像采集、信号处理于一身，具有重量轻、便携、易操作、非接触、非破坏、检测速度快、检测面积大、便于在役检测等优点。

2.2 锁相红外热波成像检测系统

锁相红外热波成像系统采用LED光源作为热激励源，总功率为600 W，采用非制冷热像仪，室温下温度灵敏度小于0.04 ℃，采集帧频在10～100 Hz之间可调，检测视场范围为300 mm×225 mm。

锁相红外热波成像系统具有热激励能量小,检测灵敏度高，对物体表面发射率均匀性要求低，特别适合于分层缺陷、微小缺陷等优点。

图4 锁相红外热波成像系统外观

3 检测结果

3.1 玻璃纤维蜂窝夹层的检测

图5 玻璃纤维蜂窝夹层试件外观

玻璃纤维蜂窝夹层试件如图5所示，试件尺寸(长×宽×高)为390 mm×390 mm×11 mm，最上一层是厚度为0.7 mm的玻璃纤维，中间一层是厚度为9.8 mm的纸蜂窝，最下面一层是厚度为0.5 mm的玻璃纤维。在试件的制作过程中，在最上一层和纸蜂窝夹层中的斜对角处预埋了3个方形胶带，同时涂胶存在不均匀性。采用脉冲红外成像系统检测试件，由于试件面积比单次检测面积大，因而分成4次进行检测，分别是左上、右上、左下、右下，检测结果如图6所示。通过图像无缝拼接技术把4次检测的图像拼接成一张整图(见图7)，涂胶不均匀的地方和斜对角处有3个方形胶带清晰可见。

图6 玻璃纤维蜂窝夹层试件检测结果(拼接前)

图7 玻璃纤维蜂窝夹层试件检测结果(拼接后)

3.2 碳纤维复合材料试件的检测

复合材料在冲击作用下会产生变形、断裂、分层、开裂和破碎等缺陷。冲击一般分为高能冲击和低能冲击，高能冲击一般指采用高速冲击(例如子弹)造成复合材料穿透损伤；低能冲击一般指受到重物的撞击，产生不可目视检查的内部大范围损伤。碳纤维复合材料试件尺寸(长×宽×高)为60 mm×110 mm×2 mm，采用低能冲击对3个碳纤维复合材料人工试件造成损伤，采用脉冲红外无损检测系统对冲击损伤试件进行检测，其可见光图像与脉冲红外检测图像如图8所示，从图8可以看出撞击的位置和撞击力的大小。

图8 碳纤维复合材料冲击损伤试件可见光和脉冲红外检测图像

图9 无人机机翼碳纤维蜂窝试件可见光图像与脉冲红外检测图像

3.3 无人机机翼碳纤维蜂窝的检测

无人机机翼碳纤维蜂窝试件尺寸(长×宽×高)为200 mm×280 mm×15 mm，在圈中区域背面打有一直径为8 mm的孔，在里面注入水并封住。采用脉冲红外无损检测系统对无人机机翼碳纤维蜂窝试件进行检测，其可见光图像与脉冲红外检测图像如图9所示，从图9(b)可以看到背面注水处的缺陷位置，并可以看到试件的横梁位置。

3.4 碳纤维蜂窝夹层网格面板脱黏检测

网格面板碳纤维试件尺寸(长×宽×高)为140 mm×100 mm×20 mm，其中碳纤维条宽度为1.4 mm，网格宽度为2.5 mm，网格正交铺设且相交区域通过胶黏在一起，采用美工刀在某些碳纤维条正交铺设的地方挑开，但其物理结构还是交织在一起并依然紧贴；另一方面碳纤维条宽度小，网格宽度小，同时要求能检测出单个网格脱黏情况，因而增加了检测的实际难度。

采用锁相红外热波无损检测系统对网格面板碳纤维试件进行检测，热像仪采集频率为50 Hz，通过多次试验，不断调整锁相频率，在锁相频率为0.8 Hz的情况下，可以检测出碳纤维面板之间的脱黏缺陷。网格面板碳纤维检测图像如图10所示，正交铺设的碳纤维条脱黏后会阻碍热量向内部传播，因此脱黏区域温度会变高，图中白色部分为脱黏区域。

图10 网格面板碳纤维检测图像

3.5 太阳能电池的检测

太阳能电池以硅半导体材料集成，通过吸收太阳光并转换成电荷进行发电。在使用过程中，由于转换效率不能很高，会有很多热能产生，因此电池片与背板的粘接质量直接影响太阳能电池的发电效率与寿命。图11为太阳能电池板外观，包括4片小硅太阳能电池，编号分别为3，4，5，6。由于硅太阳能电池板厚度大约为0.2 mm，采用锁相红外热波成像系统对太阳能电池板进行检测，热像仪频率设为50 Hz，锁相频率为1 Hz。

图11 太阳能电池板外观

图12 太阳能电池检测结果

图12为太阳能电池板检测结果，图12(a)为振幅图像，图12(b)为相位图像。从振幅图像和相位图像都可以看出太阳能电池板的黏接质量信息，但振幅图像会包含热激励的不均匀性信息，振幅图像清晰度比相位图像清晰度稍差。从相位图中可以看出，编号为5的硅太阳能电池中间有一大片面积黏接质量差的区域，编号为3，6，硅太阳能电池黏接质量良好；编号为4的硅太阳能电池左边出现类似圆环区域为黏接质量差的区域。相位图比振幅图能提供更多的内部缺陷信息。

4 结语

描述了红外热波成像检测技术的原理，主要对脉冲红外热波成像技术和锁相红外热波成像技术的原理、系统组成等方面进行了论述。通过脉冲红外热波成像技术与锁相红外热波成像技术对玻璃纤维蜂窝夹层、铝蜂窝夹层、碳纤维复合材料、无人机机翼碳纤维蜂窝、碳纤维蜂窝夹层网格面板、太阳能电池等共6种试件进行了检测，取得了良好的检测效果，展示了该技术对复合材料缺陷的检测能力。