材料亚表面/表面缺陷锁相红外热成像检测研究现状与趋势

材料亚表面/表面缺陷的有效检测是确保结构安全性和可靠性的重要保证。锁相红外热成像是主动红外热成像中的一个分支,因具有加热激励功率强度低、对不均匀加热和表面发射率变化不敏感等优点,被广泛用于材料亚表面分层、脱粘等缺陷检测。近年来随着研究的不断深入,锁相红外热成像在表面裂纹检测和深度量化上也提出了有效的表征方法。微小、深埋、不规则等缺陷检测以及非均质材料和复杂结构中的缺陷检测一直是热点和难点问题。国内外学者致力于提出新的缺陷表征方法,并减少噪声、横向热扩散等因素对缺陷检测的影响,提高缺陷定性检测和定量表征能力。本文从缺陷特征提取方法、检测影响因素等角度入手对国内外学者的研究进行总结,总结了锁相红外热成像在材料亚表面和表面缺陷检测的研究进展,并对锁相红外热成像的前景进行了展望。

基于红外热成像的变电站支柱绝缘子缺陷自动检测方法

为提升绝缘子维修效率和变电站运行的安全性,需要准确检测变电站支柱绝缘子缺陷,基于此,研究一种基于红外热成像的变电站支柱绝缘子缺陷自动检测方法。利用红外光学模块、红外探测模块等模块组成的红外热成像系统,依照斯蒂芬—玻尔兹曼定律采集变电站支柱绝缘子红外热图像;选取相对温差法确定变电站支柱绝缘子故障区域,并通过巴特沃斯带通滤波器对绝缘子红外热图像实施滤波处理,提升缺陷区域边缘显著性;针对所确定的缺陷区域,计算缺陷区域面积和缺陷区域质心,将两者作为缺陷特征输入神经网络内进行学习,输出缺陷类别。实验结果显示,该方法可准确检测变电站支柱绝缘子缺陷区域,缺陷识别精度达到96%以上。

压力管道内部裂纹缺陷的锁相红外热成像检测研究

为研究压力管道裂纹缺陷的锁相红外热成像检测技术,提升压力管道运行的安全性。针对具有大曲面结构的压力管道内部缺陷锁相红外热成像检测的难点问题,采用数值模拟方法研究分析加载热源频率对管道内部轴向裂纹、环形裂纹缺陷辨识的影响规律,提出以表面温度相位差峰值以及展宽为依据的裂纹缺陷检测最优频率的确定方法,讨论不同深度裂纹缺陷检测的温度相位差与热源频率的关联规律。研究结果表明:锁相红外热成像方法能够应用于大曲面结构压力管道内部裂纹缺陷检测,对于压力管道内特定深度的缺陷辨识存在最优的热源频率范围。研究成果可为锁相红外热成像技术在压力管道安全检测领域的应用提供参考。

钛合金蜂窝结构蒙皮脱焊缺陷锁相红外热成像检测

蒙皮脱焊是钛合金蜂窝结构制造和服役过程中最常见的缺陷类型。受钛合金材料热导率低的影响,钛合金蜂窝结构中蒙皮越厚,红外热成像检测时其表面反映脱焊缺陷信息的温度差异信号就越弱,检测难度就越大。针对这一问题,研究了不同蒙皮厚度钛合金蜂窝结构锁相红外热成像检测时调制频率的选取范围。建立了钛合金蜂窝结构锁相红外热成像检测有限元模型,分析了蒙皮表面温度在调制热流作用下的变化历程,基于相关算法提取了蒙皮表面对应缺陷区和非缺陷区的相位差,分析了相位差与调制频率、蒙皮厚度的关系。利用锁相红外热成像检测系统对预制脱焊缺陷的蜂窝试件进行了实验研究,获得了缺陷区与非缺陷区信号相位差与调制频率的关系。研究结果表明,针对蒙皮厚度为0.6-2.0 mm的钛合金蜂窝结构,采用0.04-0.10 Hz的调制频率能够获得最佳检测结果。研究结果为钛合金蜂窝结构实际检测提供了工艺指导。

油气管道聚乙烯层粘接缺陷的红外热成像检测方法和信号增强技术研究

为降低油气管道聚乙烯层粘接处的脱粘、粘接缝隙等面积型缺陷造成的安全事故发生概率,通过主动式红外热成像技术以及对不同深度的聚乙烯材料缺陷进行检测,采用主成分分析法和锁相技术对获取的原始红外图像进行处理,实现深度在5 mm处的粘接缺陷定量检测,该深度为油气管道聚乙烯层的标准尺寸大小。通过实验确定锁相频率与图像信噪比的关系,可为提高锁相检测效果提供依据。研究表明:激励频率在0.005~0.006 Hz范围内,锁相检测可以满足在役油气管道5 mm深的粘接缺陷检测,主成分分析法可以有效解决激励导致的温度分布不均匀带来的噪声干扰,弥补锁相检测方法的不足,提升缺陷可检测深度,该方法可以将原始温度分布图像的信噪比均值由0.637 dB提升至8.033 dB。

基于脉冲红外热成像的锂电池端盖焊接检测的可行性研究

锂电池的高能量密度可保证锂电池存储更多的电能,同时也带来了更高的危险系数,通常采用电池端盖保障安全。端盖不仅可以起到断路器作用,也可有效释放内部压力。端盖采用激光焊接,很容易造成焊穿孔、断焊、虚焊等现象,目前主要依靠目视检测、图像检测,但上述检测方式不能检测出断焊接、虚焊问题。本文使用脉冲红外热成像技术对激光焊接检测进行可行性研究,制作了焊接率为100%、50%、33%、25%的4个试件,设计了三种检测方案:透射式正面检测、反射式背面检测、反射式正面检测。结果表明脉冲红外热成像技术可用于锂电池端盖焊接质量的检测,并且反射式正面检测效果最佳,不仅可以分辨出焊接率不同的4种试件,而且图像边缘细节更加明显,透射式正面检测和反射式背面检测可分辨是否100%焊接,无法有效分辨出50%、33%、25%三种焊接率的试件。

红外热成像无损检测系统锁相热激励源的研制

近年来,我国航空航天、车辆工程及船舶制造业发展迅速,对产品加工工艺及性能指标的要求不断提高。无损检测(NDT)技术也因此越来越受到重视。其中,红外热成像(IRT)无损检测技术作为潜力巨大的无损检测与评估技术,正受到广泛关注。传统的锁相热激励源(ES)由于输出功率低、锁相频率不可调,导致红外热像仪采集不清晰、图像分析效果不理想,很多产品已不能满足后级系统对光照强度的要求。通过对光锁相热成像(LIT)需求的分析,从电力电子的角度入手,采用功率器件搭建创新型拓扑,设计了一种最大输出交流电压250 V、电流10 A的新型大功率红外热成像(ITI)检测热激励源。详细叙述了该锁相热成像激励源的构成、参数计算及工作过程、原理,并通过试验对其进行了测试和验证。将该大功率激励源应用于红外热成像无损检测领域,降低了后级系统对时序热波信号进行数据采集的难度,有利于对缺陷进行更精确的分析。后期将实现系统多级并联,使其输出更高功率,满足红外热成像无损检测系统对更大功率激励源的需求。

锁相红外热像检测缺陷的定量方法

为了满足锁相红外热像检测中缺陷定量的需求,提出了一种基于模糊C均值聚类的算法(Fuzzy C-means,FCM)和边缘检测算子(Edge Detectors)的缺陷尺寸定量评价方法。制备了圆形平底孔钢材料试样,通过有限元仿真研究了最佳激励频率的选择方案,建立了锁相红外热像检测系统,开展了区域划分下的FCM-边缘检测算子联合处理方法的缺陷定量评价试验。区域划分下的FCM-边缘检测算子联合处理方法取得了与广泛认可的切相位法相当的缺陷定量结果;所得特征图像能反映更多的缺陷特征边缘信息,利用适当的图像处理方法,能够实现缺陷面积定量评价。结果表明:区域划分下的FCM-边缘检测算子缺陷定量评价方法在锁相红外热像检测领域具有良好的应用前景。

脉冲红外热成像无损检测的物理检测机理

介绍了实验中采用的脉冲红外热成像无损检测系统的组成,通过黑体辐射理论和热传导理论研究了系统检测机理以及常用的反射和透射检测方法,提出了两种增强小发射系数试件热辐射的方法,并得到了反射法和透射法检测的适用范围。

基于红外热成像的电路板载器件故障检测

现有红外热成像电路故障检测方法一般需要与同型号电路的标准红外热图像进行参考比对,使用范围受到限制。为此提出一种无需标准红外热图像的电路板载器件故障情况自动检测算法。算法采用生长—消除法分割提取红外热图像中发热区域,采用最小二乘法四次多项式拟合计算发热器件表面温度,配合环境温度和器件封装计算发热器件内部PN结温,从而判定器件故障。在Ubuntu 16.04和Open CV 3.0环境下进行了实验测试,验证了所提算法的有效性。

红外锁相法热波检测技术及缺陷深度测量

研究了红外锁相法热波检测技术的原理、缺陷深度测量及在蜂窝夹层结构及焊接构件检测中的应用。建立了二维热传导有限差分模型,采用该模型计算了强度按正弦规律变化的热流引起试件表面温度变化的历程,基于锁相法提取了有缺陷与无缺陷处的准稳态温度变化,并计算了二者的相位差。然后,建立了热波在试件中传导的热-电等效模型,利用该模型对红外锁相法热波检测技术进行了仿真研究,得到了缺陷深度和反射热波与入射热波相位差之间的关系。最后,采用红外锁相法热波检测技术对模拟缺陷的蜂窝夹层结构试件和实际焊接构件进行了无损检测试验。结果显示,有限差分模型和热-电等效模型计算有缺陷与无缺陷处的相位差与试验结果基本一致,偏差<5%,表明采用红外锁相法热波检测技术能够快速、准确地获得缺陷大小、位置等,该技术也适用于有复杂曲面结构的构件。

锁相红外检测中相位检测方法

介绍了调制加热阶段的一维热波导热方程。为了减少图像序列采集数量,针对相位法红外热成像检测提出了获取热波信号相位信息的方法,即相关检测算法。利用噪声信号与参考信号不相关的原理,有效地提取微弱被测信号。通过对同一组图像序列的处理,将其与4点平均算法比较,证实该算法采集信息少,具有较高检测精度。同时也验证了相位信息对样品表面非均匀性不敏感,使得相位法红外热像技术在无损检测中有广泛应用。

红外热成像法在碳纤维粘贴质量检测中的应用

碳纤维施工质量的检测评估是保证其有效工况的一个重要手段。检测方法的有效性、覆盖性决定了对整体质量的评价。现有的国家验收规范在具体检测操作中,存在着一定的不足之处。本文提出了不同于现有规范的检测方法,将红外热像法引入到检测工作中,并验证了该方法的可操作性。

红外热成像技术在零件无损检测中的发展和应用现状

红外热成像技术是一种通过外加激励获得零件表面温度场分布,并从热像图中提取零件损伤信息的无损检测技术,它具有快速、实时、非接触等优点,研究和应用前景广阔。综述了红外热成像无损检测技术的发展现状和应用实例,通过对比3种常用的红外热成像技术:脉冲红外热成像、超声红外热成像和锁相红外热成像,认为超声锁相红外热成像技术具有其他几种技术无法比拟的优势,并从检测工艺和信号处理等方面提出了改进此技术的具体措施。

多模红外热成像检测碳纤维布加固混凝土粘结缺陷

采用表面粘贴碳纤维布（CFS）加固混凝土是最近十几年提出的新型加固技术,其界面粘结质量的检测和评价具有重要的意义。提出采用多模式红外热成像（IRT）对CFS加固混凝土界面粘结缺陷进行检测。采用实验与理论分析相结合的方法,分析了脉冲、锁相、脉冲相位等模式对检测效果的影响,采用了主成分分析（PCA）和独立成分分析（ICA）算法对红外热像图序列进行了处理,分析了这几种算法的检测效果,证明了IRT可以对CFS加固混凝土界面粘结缺陷进行有效检测。

锁相热成像无损检测系统激励源的设计

红外热成像技术是一种重要的无损检测(NDT)技术,已广泛应用于现代航空航天,可再生能源,核工业等领域。激励光源是红外热成像系统的关键器件,对检测结果起决定性作用。设计了一种新颖的激励源,介绍了其电路拓扑,工作原理和电路的设计过程。研制了一台频率范围为0.01Hz^100kHz的2kW样机。通过对铅-钢复合样品的内部缺陷检测,验证了所设计的无损检测激励源安全可靠。

碳纤维蜂窝结构的锁相红外自动化检测系统研制

碳纤维蜂窝结构广泛应用于航空航天领域,为确保碳纤维蜂窝结构在服役过程中的安全性,提高碳纤维蜂窝材料检测效率,设计开发了一套锁相红外自动化检测系统。该系统采用锁相红外无损检测技术,配置非制冷红外热像仪,热激励源采用LED(发光二极管)阵列方式,能实现LED高能量均匀加载与长时间连续工作。系统可完成对碳纤维蜂窝材料的自动检测,定位精度为0.1mm,单次检测面积为400mm×300mm(长×宽);采用14×7=98个子工程可最大支持尺寸为3 500mm×2 500mm的大型基板检测,并可实现对检测结果的98幅图像无缝拼接,提高检测效率。

粘钢加固结构钢板粘贴质量的检测新方法

研究采用红外热成像法对粘钢加固结构粘贴质量进行测试的技术,结果表明,红外热成像法能直观检测出钢板粘贴缺陷且结果可靠;与敲击法和目测法相比,红外热成像法对位置高、距离远的钢板粘贴质量的检测更方便、有效。

粘钢加固结构钢板粘贴质量的红外检测试验研究

通过两个粘钢试件试验,研究采用红外热成像法对粘钢加固工程粘贴质量进行检测的技术,试验结果表明,红外热成像法能直观检测出钢板粘贴缺陷的位置、形状和大小,且结果可靠;与目前较为常用的敲击法相比,红外热成像法具有较高的精度,不需接触检测物。对位置高、距离远的钢板粘贴质量的检测更方便、有效。此外,本文还对红外检测技术的主要影响因素进行了对比试验研究。

钢管混凝土内部常见缺陷及检测方法综述

目前,钢管混凝土结构在我国桥梁、单层或多层厂房、高层建筑和大型场馆中广泛应用,但因管内混凝土属隐蔽工程,钢管混凝土内部质量检测具有极大特殊性和难度。总结了钢管混凝土内部常见缺陷及其成因,对目前常用几种检测方法的优缺点进行了分析对比,并结合现有研究成果展望了钢管混凝土无损检测的发展。