超声红外热像技术在无损检测中的应用现状和发展

贺赟

摘  要：超声红外热像技术是一种新型的无损检测技术，是将超声波检测技术和红外线检测技术进行结合，采用超声波作为激励源，红外热像仪进行捕捉热图像，充分发挥了二者的长处，弥补了单独使用的不足。本文介绍了该技术的基本原理，以及优于其他主动式激励红外热像技术的特点，系统地归纳了超声红外热像技术在国内外的研究现状。最后展望了该技术在无损检测中应用的前景，并提出了一些建议和对策。

關键词：超声红外热像  热激励  混凝土  无损检测

中图分类号：TH878           文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2020）07（c）-0086-03

Abstract： The ultrasonic infrared thermal imaging technology is a new nondestructive testing technology， which combines ultrasonic detection technology and infrared detection technology， USES ultrasonic as the excitation source， infrared thermal imager to capture thermal image， gives full play to the advantages of the two， and makes up for the disadvantages of using them alone. The paper introduces the basic principle of this technology， and features better than other active excitation infrared imaging technology， and systematically summarizes the research status of ultrasonic infrared thermography technology at home and abroad. Finally， the prospect of application of the technique in the nondestructive detection of the prospect， and puts forward some suggestions and countermeasures.

Key Words： Ultrasound infrared thermal imagin;Thermal excitation;Concrete;Nondestructive testing

随着现代社会的发展，新的无损评价和无损检测技术如雨后春笋般地涌现。无损检测技术对于实际工作中的设备的安全检测，确保安全运行，发挥着举足轻重的作用。

超声红外热像技术作为一种新型的无损检测技术，是将超声波检测技术和红外线检测技术相结合，采用超声波作为激励源，利用红外热像仪捕捉热图像，充分发挥了二者的长处，弥补了单独使用的不足。

1  超声红外热像技术的原理

红外热像技术是将红外辐射承载的物体特征信息转化成人眼可见的温度热像图。与传统无损检测方法相比，红外热成像技术具有单次检测面积大、速度快、非接触、安全可靠及适于现场检测等优点。红外热成像技术主要分两种，一种是被动式红外热像检测法，是利用被测物体自身的温度变化来检测物体的缺陷;另一种是主动式红外热像检测法。在实际的工程应用中，由于绝大多数被检测试件在常态下不会引起试件表面温度差，必须采用一种加热的激励方式来保证被测试件内部缺陷或者表面微裂纹的温度变化能够反映在试件表面，这样才能更好地检测试件缺陷。

超声红外热像检测技术的依据是固体内耗的基本原理，把试件中的每一个缺陷视为一个内耗源，当试件振动的频率与内耗源的频率相同时该内耗源的内耗会快速地增大[1]。超声红外热像检测技术采用的激励源是超声波，超声波在构件缺陷处衰减从而选择性加热，提高了检测温度分辨率;用红外热像技术处理热像序列图，减少了被检测试件的结构因素、环境因素对检测结果的影响，提高了检测试件缺陷的灵敏能力;并且该检测技术与其他无损检测法相比具有检测时间短、效率高、激励能量偏低、检测缺陷深度大等优点。

2  超声红外热像技术的应用

2.1 国外方面

20世纪90年代，英国巴斯大学的D.P.Almond指出通过降低超声发射功率的措施可以有效地避免构件在超声红外热像法检测过程中被损伤;在计算激励生热方面，把微裂纹看作一个非均匀热源，通过间接测量激励过程中裂纹导致的附加阻尼来预测生热量，并通过试验证明了预测生热量算法的准确性。加拿大X.Maldague教授通过对航天用CFRP蒙皮蜂窝夹层结构和玻璃钢挡风板上存在的缺陷进行红外无损检测，探讨了脉冲、锁相和超声热像法三种主动式红外无损检测法各自的适用性，并指出超声红外热像法与光为激励源的红外无损检测法相比的优越性;通过大量的试验研究得出超声红外热像法对涂覆材料开口微裂纹类缺陷具有极强的检测能力;他们系统地开展了超声红外热像检测铝蒙皮蜂窝火层结构中不同深度不同类型缺陷的工作。美国爱荷华州立大学的S.D.Holland等人[2]通过滤波、空间一阶、二阶求导等步骤形成了一套图像处理算法，消除了热扩散对信息识别的影响并将热量进行提取生成相应的独立区域。Gian等提出了一种新的“非线性超声受激热像法”（NUST），该方法克服了传统线性超声/热像仪无损检测系统的一些局限性，为各向同性材料的疲劳损伤提供了一种可靠、快速、经济有效的检测方法，在损伤区域的热产生可以通过激发提供非线性响应的频率来放大，从而以一种快速和可重现的方式提高材料损伤的成像和NUST的可靠性。Tzer Yuan等人[3]提出了一种新的对比度增强方法——自适应三边对比度增强（ATCE）方法，在夜光环境下拍摄的一组红外热成像实验中，对ATCE进行了评价，并与现有的几种对比度增强方法进行了比较，结果表明在熵增强的度量上，ATCE明显优于现有的其他方法。

2.2 国内方面

超声红外热像检测技术的研究工作在国内的起步比较晚，涉及到的研究领域也比较有限。董丽虹等[4]在承压设备裂纹缺陷位置采用振动红外热像技术以及ABAQUS有限元模拟软件分别进行实验和模拟研究，验证了裂纹处能明显看到生热现象以及激励频率与裂纹的振动生热并不成正相关或负相关，当试件裂纹区域振动最剧烈时生热最多，如共振频率，且当激励时间超过2s时对检测效果影响不大。南京工业大学徐欢等[5]采用ANSYS和ABAQUS软件通过数值模拟、热力学第一理论以及声波传播理论，对裂纹微观界面的生热机理进行了研究，发现超声激励下裂纹生热的速率极快，近表面的裂纹处生热量大，温升高，进一步证明了超声红外检测的高效性和可行性，为科研实验和工程检测提供了相关的理论依据。福州大学唐长明等[6]基于ANSYS有限元软件模拟了焊缝裂纹在超声激励作用下的升温现象，定性分析了超声激励幅值、频率、方向和焊缝余高4个参数对裂纹升温的影响，验证了超声红外检测焊缝裂纹的可行性，并通过试验验证了有限元分析的准确性。冯辅周等[7]以金属平板疲劳裂纹为研究对象，搭建了超声红外锁相热像检测实验系统，分析了调制超声激励下裂纹生热及热信号频谱的规律。敬甫盛等[8]采用超声热波成像技术对机车钩舌部件进行裂纹检测，该技术对表面的形状、锈迹、粉尘及污染等不敏感，在裂纹等缺陷检测中有特殊的应用优势;米浩等[9]使用限制对比度自适应直方图均衡方法对超声激励后热图像进行对比度增强，用巴特沃斯滤波器进行降噪，根据图像的局部方差特征判断是否有缺陷，并通过形态学处理对缺陷中心进行定位;吴昊等[10]认为超声红外热波检测法能快速有效检测螺栓紧固件损伤，结合图像识别方法可以有效提取损伤信息。

3  结语

国内外学者们针对超声红外热像检测法的研究已经做了大量的工作，取得了可观的理论成果，在一些实际的工程中也得到了应用。综观超声红外热像无损检测技术在国内外的研究领域和研究成果来看，可以预测到该技术发展趋势将会在各个领域得到普及并越来越完善精确，具体体现为：

（1）研究方向：将针对该过程的理论以及温升过程的量化过程开展研究，所研究的领域将向复合材料领域扩展。

（2）热激励方式：可能会将激励源注入混凝土内部来更好的研究升温现象;对于不同的缺陷类型有针对性的选择合适的超声波频率，提高热图像信噪比;

（3）熱图像处理：可通过编制特制程序软件对热图像进行去噪、去背景、提取关键点等;

（4）超声激励系统：进一步开发新的激励系统应用到实际大型工程中，并研发广视角的红外热像仪;

（5）检测过程：向全自动化检测过程方向发展;

（6）三维建模：目前的热像技术还停步在二维研究，而热扩散是在三维空间中，所以对红外热图像三维建模，确定缺陷的空间特征信息将是个新的研究课题。

参考文献

[1] 吕事桂，刘学业.红外热像检测技术的发展和研究现状[J].红外技术，2018，40（3）：214-219.

[2] Artur Dyrwal，Michele Meo，Francesco Ciampa. Nonlinear air-coupled thermosonics for fatigue micro-damage detection and localisation[J]. NDT and E International，2018（97）：59-67.

[3] Tzer Yuan， Lo，Kok Swee，Sim，Chih Ping， Tso. Infrared image enhancement using adaptive trilateral contrast enhancement[J].Pattern Recognition Letters，2015（54）：103-108.

[4] 董丽虹，向明，王海斗，等.基于振动红外热像技术的承压材料裂纹检测[J].锻压技术，2019，44（6）：127-133.

[5] 徐欢，殷晨波，李向东，等.超声红外检测中裂纹微观界面生热的数值模拟[J].南京工业大学学报：自然科学版，2019，41（4）：493-500.

[6] 唐长明，钟舜聪，戴晨煜，等.奥氏体不锈钢焊缝裂纹的超声红外热像检测[J].无损检测，2019，41（5）：33-37，53.

[7] 闵庆旭，冯辅周，徐超，等.超声红外锁相热像技术用于金属平板疲劳裂纹的检测[J].红外技术，2018，40（1）：91-94.

[8] 敬甫盛，李朋，江海军，等.基于超声热波成像技术的机车钩舌的裂纹检测[J].红外技术，2020，42（2）：158-162.

[9] 米浩，杨明，于磊，安大伟，等.基于超声红外热成像的缺陷检测与定位研究[J].振动测试与诊断，2020，40（1）：101-106，205-206.

[10] 吴昊，刘志平，杜勇，等.超声红外热波成像在 CFRP 板螺栓孔损伤检测的研究[J].红外技术，2019，41（8）：786-794.