基于红外热成像技术实现陶瓷容器的无损检测*

谢 晋 周建弟 曹雪静 李嘉举陈非宇 马海平 程 雪 魏天放 张维加

(1 绍兴文理学院数理信息学院 浙江 绍兴 312000)

(2 浙江古越龙山绍兴酒股份有限公司 浙江 绍兴 312000)

陶瓷酒瓶是一种常见容器,通常用于盛装液体或需要密封的固体。因此,陶瓷酒瓶的密封性对其性能至关重要,直接影响酒的品质。酒瓶不仅易于研究,同时还具有极高研究价值。

在传统陶瓷缺陷检测方法中,包括目视检查和手触检测等。目视检查是通过仔细观察酒瓶的外观,尤其是底部和侧面,来查找可见的裂纹或损坏。有时候,利用光线照射酒瓶,裂纹在特定角度下更加明显可见。手触检测则是用手轻轻摩擦或滑动在酒瓶表面,特别是在疑似存在裂纹的区域。如存在裂纹,你可能会感觉到表面不平滑或微小凹陷。然而,这些传统的检测方法需要大量的人力和时间成本。对于大规模生产线来说,依赖人工检测可能既不高效,也成本过高。此外,长时间的检测也可能导致疲劳和注意力不集中,从而错过或错误地判断一些缺陷。因此,运用科技手段辅助陶瓷酒瓶缺陷检测非常必要,既能提高生产效率,降低人工成本,又能发现人眼无法察觉的裂纹。

目前,采用科技手段进行酒瓶缺陷检测的方法有超声波检测、红外热成像、声发射、激光超声和X 射线等。超声波和声发射检测方法对于分层、密度缺陷、裂纹和焊缝等缺陷非常敏感、效率高、缺陷定位准确,但难以检测到材料内部缺陷,存在一定的检测盲区。激光检测成本较高,不适合大批量检测。使用X 射线检测陶瓷缺陷的成本相对较高,大型陶瓷产品的检测效率也较低,甚至难以检测。相比之下,红外热成像检测技术适用性广、非接触、操作简单,可在线检测等特点,同时检测效率高,检测信息也更加丰富完整,更适合工业生产自动化和大批量检测。因此,笔者将采用红外热成像技术来探索酒瓶缺陷。

1 材料和方法

1.1 红外无损检测原理

红外热成像技术是指利用红外摄像机将样品表面不可见的红外热辐射特定波段信号转换为人眼可直观识别、非接触、实时的快速检测方法的图像,进一步计算温度值,从而观察物体的温度分布。因为物体自身的辐射是各个方向的,其红外辐射能量大小按其波长的分布与其表面温度有着十分密切的关系。该检测技术主要基于红外光波的理论,运用斯蒂芬-波尔兹曼定律,该定律描述了黑体红外辐射的能量与黑体本身的温度之间关系,即:

式中:σ——斯蒂芬-波尔兹曼常数;T——待测物体表面面元的温度;ω——物体表面总辐射度。

通过公式(1)可以得知,黑体辐射的功率与黑体本身的热力学温度的4次方成正比。这意味着即使物体的温度变化非常小,也会引起较大的热效应变化。因此,红外热成像技术可以通过检测非常小的温度变化来实现对物体表面缺陷的高效检测,而不会超出其测量范围。这一点对于陶瓷酒瓶等易受损物体的检测尤为重要。通过红外热成像技术的应用,可以实现对大批量酒瓶的高效无损检测,从而提高生产效率和质量控制水平。

在主动式红外热成像技术中,通过对被检测物体施加热激励来获取高质量的热图像。在本研究中,我们采用主动式红外无损检测技术来探测酒瓶的裂缝。该方法通过施加可控的热激励,使内部的缺陷在表面温度场中显示出差异,从而实现无损检测。具体而言,我们通过加热酒瓶来产生温度梯度,以便检测其中的裂缝。根据热量在物体中的传导原理,热量会在材料周围传递。当热量传播到内部时,由于裂缝阻碍,热量会积聚并在表面形成高温区域。通常情况下,被测物体和缺陷之间的密度和热容量差异会导致有关表面和内部缺陷的信息。我们可以利用红外热像仪连续观察和记录物体表面的温度场变化,从而定性和定量地描述物体内部异质结构。

在使用主动式红外技术进行酒瓶无损检测的实际过程中,如果被检测的酒瓶存在裂缝,则裂缝区域中间存在空气介质,而空气的比热容比陶瓷大得多。由于物体比热容越大,物体的降温速度越慢,因此裂缝区域相对于其他陶瓷区域的温度下降速度更慢,产生存在温差的图像。通过比较呈现的酒瓶温度图像分布情况和实际上观察到的酒瓶裂缝,可以验证红外热成像技术在酒瓶无损检测方面的可行性。

1.2 实验仪器

本课题使用一款由FLIR(菲力尔)公司研制的红外热成像系统FLIR X8501sc,如图1所示。该系统可以收集和分析物体发出红外辐射能量,并将其转换为可见光图像形式表达,从而检测物体变形和损伤。红外热成像系统组成如表1所示,它具有增强的红外图像分辨率功能,能够进行在线控制和实时测量分析。此外,它还能自动追踪并显示整体和选定测量区域最高/最低温度位置,并具备自定义温度曲线和自动逐像素辐射率值修正模块等分析能力。

表1 红外热成像系统组成

图1 红外热成像系统FLIR X8501sc

1.3 实验方法

1.3.1 实验准备

本实验选用了由浙江古越龙山绍兴股份有限公司提供的5个样品,其中1#～4#样品均含有细微裂缝,作为实验组;5#样品完好无裂缝,作为对照组,详见表2和图2。

表2 样品介绍

图2 本次实验使用的样品实物

本实验所用到的实验仪器有:①加热仪器:热风枪;②检测仪器:红外热成像系统(菲力尔公司)。

在实验开始前,需要将红外热成像系统的主机调整到合适的高度(放置在三脚架上,高度约为85 c m),并将样品容器放置在距离地面65 c m 左右的桌面上,并用记号笔在桌上做好标记,以确保每次测试时样品都处于同一水平位置。在使用红外热成像系统检测前,需要设定设备为自动调整测温范围,并且手动调整焦距。

1.3.2 样品加热处理

将电源插头插入插座上,打开热风枪电源,并将风量、温度调节至1～2档。加温人员将风枪垂直对准样品,使风嘴距样品约2～3 c m 左右,均匀移动加热样品。待样品温度加热至90℃后,关闭热风枪,并将样品静置于26℃房间内,使其冷却至62℃。

1.3.3 热红外图像采集

将样品放置在桌子上的标记处,并尽量使红外热成像主机与样品保持水平一致。一边转动调焦轮,一边观测显示屏上实时变化的红外热图像。当样品到达焦点时,热图像变得清晰。记下当前图像位置的编号,并捕获图像。为了保证实验数据的完整性,本研究将对同一样品进行不间断的测量,直到样品冷却到室温为止。

1.3.4 图像数据的导出

在检查图像过程中,如果对结果满意,可以将图形按所需不同图片格式保存到存储位置上。图片上标注设备的温度跨度,并对图像做出相应的编辑,这可用于撰写分析报告时分析使用。此外,还可按更改热像视图的方法,选用温度计来输出样本的温度数据。该文件可以直接在无安装仪器操作分析软件的Windows电脑上打开、播放、数据分析与处理等。

2 结果与讨论

2.1 实验结果

在样品冷却至室温的过程中,研究团队总共采集了数千张热红外图像。在1#样品的实验中,采集到的第1张热红外图像的最高温度在47.4℃以上,如图3所示。

图3 1#样品的第1张热红外图像

随着样品温度下降,最高温度也逐渐降低。在本次实验中,当1#样品接近室温时,也就是在第1 456张红外图像时,得到热红外图像的最高温度为27.7℃左右。如图4所示。

图4 1#样品的第1 456张热红外图像

为了证明哪张热红外图像更具有代表性,研究团队还拍摄了1#样品的照片,如图5所示。通过将两张热红外图像与实物图进行对比,很容易发现,温度更高时的热红外图像有1个明显的孔洞和1条不是非常明晰的裂缝,分别与实物相对应。

图5 1#样品裂缝及孔洞拍摄

通过对比分析数千张热红外图像,研究团队发现随着陶瓷温度的升高,孔洞区域更加明显,这意味着陶瓷温度越高,红外检测的精准度越高。这个发现对于选择温度较高的热红外图像具有重要意义。此外,根据斯蒂芬-波尔兹曼定律,物体黑体辐射的功率与其绝对温度的4次方成正比。因此,高温物体具有更强的黑体辐射功率。这为选择温度较高的热红外图像提供了理论依据。

在本实验中,研究团队在排除了每个样品的第1张图像与之后的几张图像几乎没有差异的情况下,选择了每个样品的第一张热红外图像作为代表性图像进行进一步的分析和讨论。

2.2 讨论

2#样品的实物图和热红外图像如图6 所示。在图6(a)实物图可以观察到一条竖直的裂缝,同时上方的裂缝相对于下方的裂缝多而密。而图6(b)热红外图像显示,在裂缝多而密的区域是温度最高的白色区域。同时观察到仅次于白色区域的橙红色区域,其疏密正好形与实物相符合的一条线。

图6 2#样品裂缝拍摄(a)及2#样品的第1张热红外图像(b)

3#样品的实物图与热红外图像分别如图7所示。根据图7(a)的实物图,可以观察到右下方有一小块白色的弧形带状区域,其形成的原因是黄酒在通过裂缝渗透出来后发生变质,有白色霉菌产生。图7(b)的热红外图像显示:在渗透黄酒的区域是温度最高的红色区域。同时观察到在上方同样处于凹陷的“国”字所在的区域,温度明显不如右下角渗透部位所在的区域。说明热红外检测对裂缝的敏感性要大于酒瓶形状上的一般差异所带来的影响。

图7 3#样品裂缝拍摄(a)及3#样品的第1张热红外图像(b)

4#样品的实物图与热红外图像分别如图8所示。根据图8(a)的实物图,可以观察到一条左下方到右上方的裂缝。图8(b)的热红外图像显示:右上角的裂缝所在的区域温度最高,左下的区域温度相对较低,但仍高于没有裂缝的区域。经过仔细观

图8 4#样品裂缝拍摄(a)及4#样品的第1张热红外图像(b)

5#样品的实物图与热红外图像分别如图9所示。5#样品是本次实验中的对照组,是没有裂缝的完好陶瓷酒瓶。通过5#样品的热红外图像,只能观察到由于结构带来的温度差异,非常均匀、规律,没有裂缝存在时那样的不规则区域产生,与上方有裂缝的1#、2#、3#、4#样品形成对比。证明了热红外检测陶瓷裂缝的可行性。

图9 5#样品裂缝拍摄(a)及5#样品的第1张热红外图像(b)

3 结论

本实验使用FLIR X8501sc红外热成像系统对陶瓷酒瓶进行了温度场的测量,并将其转换为可见热红外图像,进行了实时的连续测量。通过对比样品的热红外图像和实际裂缝的位置和形状,得出以下结论:

(1)随着陶瓷酒瓶的温度越高,红外检测越精确,温度差异的分布也越明显。这意味着在高温下,热红外图像能更准确地显示出裂缝的形状和位置。

(2)热红外检测会受到酒瓶本身形状的影响,热分布与酒瓶形状有关。然而,这并不会影响到裂缝的检测,因为裂缝的存在会形成额外的热分布区域,与完好的酒瓶区分开来。同时,热红外检测对裂缝的敏感性大于酒瓶形状上的影响。在酒瓶的同一区域,具有裂缝的区域温度比没有裂缝的区域温度更高。

(3)热红外检测同样能够检测裂缝的相对深度,在一条裂缝中,更深的位置热传导更慢,因此在热红外图像中表现出来的温度更高。