热波成像技术及其在材料科学中的应用

本文简要介绍了热波成像检测技术的基本概念,热波成像的物理过程、特点,综述了热波成像技术的开发和在材料科学中的应用.

基于光声光热检测的反演技术在热波成像及缺陷分析方面的应用

从样品表面光声光热信号出发,利用一种类似Newton迭代的反演算法和正则算法对内含缺陷的样品的热学参数予以深度剖面重构。引入一种简单且行之有效的数据处理方法对重构数据进行处理,最终实现对试样的热波成像和缺陷分析。数值模拟的结果证明了该方法的有效性及在噪声扰动下的稳定性和实用性。

碳环氧蒙皮铝蜂窝夹心结构缺陷红外热波成像检测研究

针对人造卫星碳环氧蒙皮铝蜂窝夹心结构承力筒典型缺陷对无损检测技术的迫切需求,提出采用正弦调制热流激励的红外锁相热波成像检测技术对该类型材料开展检测试验研究。建立了调制热流作用于材料的三维热波扩散模型,并采用有限元方法分析了缺陷尺度对热波特征的影响。研制了红外锁相热波成像检测系统,针对预制平顶孔模拟脱粘缺陷的碳环氧蒙皮铝蜂窝夹心结构开展试验研究。分析了调制参数与缺陷尺度对热波幅频-相频特性的影响。制定了红外锁相热波成像针对于碳环氧蒙皮蜂窝夹心结构缺陷识别判据,根据判据可得,锁相热波成像检测方法的相位特征可以准确识别大于等于Φ10mm的预制缺陷,同时当环氧板蒙皮厚度小于1.0mm时,可以识别Φ5mm的脱粘缺陷。

热波成像频域分析

从频域角度运用相干传递函数阐明了热波成像系统的成像特征，用热波成像方法测量了样品内部结构缺陷的低频信息．研究表明缩小泵浦光斑在一定程度上有利于提高空间分辨率．系统的通频带随着缺陷趋近于表层而增大，从而解释了热波成像对亚表面结构极为敏感．

锁相热波成像技术对涂层厚度的测量

针对锁相热波成像技术在涂层厚度检测上的应用,简介了锁相热波成像技术基本原理,通过理论曲线分析了涂层厚度与相位的关系,结果表明采用锁相热波成像技术可有效测量涂层厚度。介绍了自行设计开发的锁相热波成像涂层检测系统,利用该系统对涂层试件进行了检测试验。结果表明:锁相频率为0.17Hz时,对于20~150μm涂层厚度的检测的重复性好,相对标准误差在2.5%以内,对红外热像技术在涂层测量领域的应用具有指导意义。

红外热波成像法测量固体材料热扩散率

本文通过采用连续激光调制对试样周期加热产生稳定的温度波动和红外扫描动态测温的红外热波成像法获得温度波动的相位和幅值分布，测量固体材料热扩散率。介绍了红外热波成像法的测量原理和实验系统，推导了热扩散率测量的相位法、幅值法和相位－幅值复合法。对不锈钢和纯镍试样的热扩散率进行了测试。测量结果表明，该方法具有较高的精度。

激光扫描红外热波成像技术在无损检测中的应用

对激光扫描热波成像技术与传统的闪光灯激励热波技术进行了比较,介绍了一种基于激光扫描热波成像技术的新型红外无损检测设备,通过试验对所建立的2-D理论模型进行验证,试验结果表明,当激光扫描速度在一定范围内,样品表面温度场的变化服从一维热传导模式,主要表现为厚样品的温度-时间曲线在双对数坐标中为斜率-0.5的直线,与理论模型的结果相符合。并对两种特殊涂层的人工样品进行检测,验证了激光扫描红外热波成像设备的有效性。

红外热波成像法测量薄板局部换热系数

通过连续激光调制对薄板试样进行局部周期加热，采用红外扫描测温技术记录动态温度分布。利用博里叶变换分析温度基波相位和幅值变化，进而推算壁面的局部换热系数。介绍了该方法的测量原理，在风洞中对两种不同厚度的薄板进行了实验研究，并对实验结果进行了分析和讨论。

基于超声热波成像技术的机车钩舌的裂纹检测

铁路机车钩舌部件长期受到挤压、弯曲、冲击,造成材料疲劳,产生细微裂纹,裂纹在铁路机车长期运行过程中会逐渐扩张,容易造成重大事故,因而对铁路机车钩舌裂纹检测十分重要。但铁路机车钩舌部件表面布满铁锈、灰尘、油污等,常规无损检测技术手段无法直接应用,本文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。通过该系统对机车钩舌的裂纹检测,成功检测出钩舌裂纹缺陷,验证了该技术对机车钩舌裂纹的检测能力。

GFRP层压板脱黏缺陷的红外脉冲热波成像检测

针对玻璃纤维增强塑料层压板脱黏缺陷的红外无损检测问题,首先制备了一种人工脱黏缺陷试样,采用红外脉冲热波成像检测技术对脱黏缺陷进行检测,分析了层压板脱黏区和非脱黏区的表面热信号瞬态响应过程,以图像信噪比和标准化对比度作为评价指标,定量对比了热信号重构、复调制Zoom-FFT、改进的独立分量分析和主分量分析4种热图重构算法在脱黏缺陷识别中的作用。在此基础上,提出基于热信号重构增强的主分量分析算法,并验证了该算法在脱黏缺陷识别中的作用。研究表明:4种热图重构算法均可提高层压板脱黏缺陷定量识别能力,其中以热信号重构对提高缺陷区与非缺陷区对比度最为显著,主分量分析对热图噪声的抑制能力最强,基于热信号重构增强的主分量分析能够显著提高深度分别为0.5 mm、1.0 mm、1.5 mm的脱黏缺陷定量识别能力。

激光扫描热波成像技术及在航空领域的应用

介绍了一种新型的激光扫描热波成像无损检测技术,阐述了该技术的基本原理及特点,并与传统采用闪光灯进行热激励的热波无损检测技术进行了比较。简要介绍了适合于激光线扫描热激励的2-D温度场理论模型,并通过实验结果进行了验证。采用该技术对航空领域常见的几种试件进行了测试,验证了该项技术的有效性。根据激光扫描热激励所产生的热波具有二维热传导的特性,开展了对垂直于试件表面的裂纹进行检测的实验。同时利用激光扫描的特性,介绍了一种新颖的涂层厚度的测量方法,并对不同厚度的涂层模拟样品进行了检测,展示了该项新技术对航空领域多种常见缺陷的检测能力。

应用热波成像技术检测飞机结构隐蔽腐蚀的实验研究

利用热波成像技术,对加速腐蚀试样和实际飞机结构腐蚀件进行了隐蔽腐蚀检测的实验研究。结果表明:这一技术可以很好地检测出隐蔽腐蚀,不受腐蚀产物残留与否以及表面漆层的影响,对于剥层腐蚀特别有效;该方法获得的腐蚀坑的图像细节丰富、直观易懂;同时,该技术能够检测胶结缝内部的缺胶和脱胶。

闪光灯热激励红外热波成像无损检测设备及应用

介绍了基于闪光灯热激励的红外热波无损检测设备,该系统采用自主研制的非制冷型热像仪,通过灯管对称排列与反光灯罩设计使得闪光灯能量的均匀性得到提高,通过红外图像降噪处理和数据重建使得红外图像信噪比得到提高。研制的热激励电源包括多种脉冲宽度控制方式,系统的控制软件可对热波图像进行采集及数字处理,增强了图像质量;操作界面采用触屏控制,使用方便。该台式系统具有高能量和完整的图像处理能力,设备便携、结构紧凑,利于在役及原位检测。

基于光学斩波的锁相热波成像技术

由于大功率热源通常具有启动慢和热惯性大等特点,很难实现高频周期性的调制。提出了采用红外卤素灯阵列结合光学斩波器的方法,实现对热激励源的高频率周期性调制。在此基础上,研制了一款新型的基于卤素灯阵列的锁相热波成像系统。该系统既可以对热源进行宽频率范围的周期性调制,从而进行锁相热波成像,也可以实现长周期的单脉冲热波成像检测。进行了几种样品的锁相热波成像试验,结果表明:采用4Hz的锁相频率可以检测太阳能电池片的黏接质量;而采用0.01Hz的锁相频率可以检测出碳纤维复合材料中深度为4.7mm处的缺陷。

热波成像的线性平移不变性研究

运用微扰理论证明了热波成像在一定条件下具有线性平移不变性。

CFRP层压板脱黏缺陷红外脉冲热波层析成像检测

为实现基于红外脉冲热波成像检测碳纤维增强塑料(CFRP)层压板脱黏缺陷的三维层析成像,完善外场定量检测保障体系,提高层压板在服役过程中的安全性和可靠性,开展了红外脉冲热波层析成像方法与检测技术研究。制备了一种人工脱粘缺陷试样,采用红外脉冲热波层析成像检测技术对脱粘缺陷进行检测,分析了脱粘区和非脱粘区的表面热信号瞬态响应过程及红外脉冲热波层析成像对脱粘缺陷的检测能力。通过脱粘区与非脱粘区基于对数多项式拟合的重构热信号差,计算得到热信号极值时间图像,分析了脱粘区极值时间变化规律及缺陷状态;采用核函数模糊C均值聚类对相同缺陷深度对应的极值时间数组进行二分类,由此计算数组平均值作为缺陷对应极值时间;将该时间与脱粘区极值时间数组建立统计关系来构造断层图像序列,并计算其对应的缺陷深度;在此基础上,利用等值面绘制方法实现层压板脱粘缺陷三维可视化。研究表明,红外脉冲热波层析成像能够定量检测CFRP层压板脱粘缺陷,准确可靠显示层压板内部缺陷的分布和形貌,检测缺陷深度与实际缺陷深度的最大相对偏差低于15%,对工程应用具有一定指导意义。

热波检测及热波成像系统的实验研究

介绍制成的热波检测及成像系统的原理、结构和实验结果。这种系统的基本特征是能对试件材料热性质（例如热传导系数）的差异作出响应，并能将扫描过程中逐点测得的结果表现为一幅反映热性质分布的高分辨率图像。因此，凡引起试件热性质发生变化的因素均可用这种系统来发现和评估。这种以热过程为基础的方法是对光学、声学、电磁、辐射等材料检测评估方法的重要补充，并在某些情况下有其独特的优点。

非接触热波层析成像检测内部缺陷的研究

将非接触热波测试系统与计算机层析技术结合，成功检测出铜样品内部缺陷的分布。在层析成像代数模型基础上，根据热波传输的物理实质及所用实验装置的特点，分别引入几何因子消除探测器有限尺寸效应，引入透射率因子表征孤立缺陷边界对热波的作用，从而建立薪的层析重建模型，实验结果表明，对热性质突变的缺陷，该方法是成功的，带有人为空洞的样品，其内部缺陷的形状和位置得以相当精确的复现，在深度方向重迭的缺陷也得以分辨。实际样品的检测结果也证明了该模型的正确性。最后据实验结果讨论了该模型的局限性。

CFRP层板缺陷红外热波雷达成像检测概率研究

建立了Chirp调制激光激励的红外热波雷达成像检测系统,提出了基于分数阶傅里叶变换的Chirp锁相算法和基于希尔伯特变换时域积分的HT算法,实现了对CFRP层板缺陷的检测;合理设计了模拟缺陷的尺寸分布范围与缺陷判定准则,采用Hit/miss法分析了信号提取算法对检测概率的影响;给出了不同检测参数与判定阈值情况下,相关算法、Chirp锁相算法和HT算法提取结果的检测概率数据,确定了红外热波雷达成像系统对CFRP层板缺陷的检测概率水平。

蜂窝结构的红外热波无损检测

蜂窝结构是常规无损检测方法难以检测的对象。红外热波无损检测技术利用脉冲主动加热,采用红外热像仪实时监视表面温场,通过计算机完成图像采集,针对不同试件材料特点采用不同的图像处理方法进行处理。红外热波无损检测方法对蜂窝结构实现了快速、灵敏检测及动态演示,为进一步分析判断提供了依据。