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红外热成像无损检测技术原理分析

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导读:

红外热成像无损检测技术可实现对金属、非金属及复合材料中存在的裂纹等缺陷进行检测,具有非接触、检测面积大、速度快、在线检测等优点。

通过介绍几种对红外检测诊断产生不利影响的因素,并对检测过程中如何减小这些不利影响进行简单说明,从理论上证明该项技术的可行性。


关键词

红外无损检测;表面温度;红外辐射;热传导


红外热成像无损检测技术是近年来应用逐渐广泛的一种新兴检测技术。

作为一种非接触的无损检测手段,广泛应用于航空航天、机械、医疗、石化等领域。

常规的无损检测技术例如:超声波探伤、射线探伤、磁粉和渗透探伤等的研究已经很成熟,但仍存在高空、地下架设等无法满足检测要求的情况,具有一定局限性。

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红外热成像无损检测技术的创新性在于使用红外测温的方式,不接触被测物体,不破坏温场,以热图像的形式直观准确的反映物体的二维温度场分布,使材料表面下的物理特性通过其表面温度变化反映出来。

近几年红外无损检测技术飞速发展,已经成为传统检测方式如激光、超声等技术的补充及替代,该技术也可以与其他检测方式相结合以提高检测的精确度及可靠性。

与传统的检测方式相比,该技术的特点如下:

(1)适用范围广,可检测金属及非金属材料;

(2)测量结果的可视性,可以通过图像显示测量结果;

(3)非接触式测量,不会对物体造成污染;

(4)检测面积广,可对大型设备进行整体观测;

(5)检测设备携带方便,适用于现场在线检测;

(6)检测速度快。

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一、 红外热成像无损检测原理

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基本原理

红外热成像无损检测技术是根据红外辐射的基本原理,通过红外辐射的分析方法对物体内部能量流动情况进行测量,使用红外热成像仪显示检测结果,对缺陷进行直观上的判定。

此方法以热传导理论和红外热成像理论为基础。当物体的温度与环境温度存在差异时,就会在物体内部产生热量的流动。

如果向该物体注入热量,其中一部分热流必然向内部扩散,使物体表面的温度分布发生变化。

  1、对于无缺陷的物体,当热流均匀注入时,热流能够均匀的向内部扩散或从表面扩散,因而表面的温度场分布也是均匀的;

  2、当物体内部存在隔热性缺陷时,热流会在缺陷处受阻,造成热量堆积,导致表面出现温度高的局部热区;

  3、当物体内部含有导热性缺陷时,物体表面就会出现温度较低的局部冷区。

由以上三种情况可看出,当物体内部存在缺陷时,就会在物体有缺陷区和无缺陷区形成温差。

且该温差除了取决于物体材料的热物理性质外,还与缺陷的尺寸、距表面的距离及它的热物理性质有关。

由于物体局部温差的存在,必然导致红外辐射强度的不同,利用红外热像仪即可检测出温度的变化状况,进而判断缺陷的情况。


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检测理论依据

1、红外热成像理论  

高于绝对温度零度的任何物体都会不停地向外界发射电磁波,红外热成像无损检测技术是建立在电磁辐射和热传导理论基础上的一门无损探伤技术。

根据物体辐射的特点可以将物体分为绝对黑体和灰体两类,被检测物体辐射都属于灰体辐射。

灰体辐射总辐射强度等于同一温度黑体的总辐射强度乘以灰体的发射系数,即灰体辐射满足斯蒂芬波尔兹曼定律。


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红外热成像无损检测技术正是利用这个公式,通过红外热像仪接收来自物体的辐射,从而测定物体表面的温度场分布,然后根据温度场的异常分布情况来识别物体内是否存在缺陷。

因此,物体具有不同的温度和发射系数,红外热像仪接受来自物体的辐射,便可测定物体表面的温度场分布。


2、热传导理论

热量从物体内温度较高的部位传递到温度较低的部位,或从温度较高的物体传递到与之接触的另一温度较低的物体,此热传递过程称为热传导。

物体内部产生导热的起因在于物体各部分之间具有温度差,所以只要确定物体内部温度场,根据傅里叶定律就能确定物体内的热流。


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上式揭示了热流量与温度之间的关系,对于稳态场和非稳态场都适用。

通常用热传导微分方程来描述温度场时空域的内在联系。


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在给定温度梯度的条件下,热流的大小正比于物体的导热系数。

因此,在热传导分析中,物体的导热系数是一个很重要的参数,它直接影响物体内热流的大小。

各种工程材料的导热系数相差悬殊,最大的是纯金属,最小的是气体和蒸汽,非结晶绝缘体和无机液体的导热系数介于两者之间。

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二、检测方式

01
主动式检测

为了使被测物体失去热平衡,在红外热成像无损检测时为被测物体注入热量。

被测物体内部温度不必达到稳定状态,内部温度不均匀时即可进行红外检测的方法即为主动式红外检测。

该种检测方式是人为给试样加载热源的同时或延迟一段时间后测量表面的温度场的分布。从而确定金属、非金属、复合材料内部是否存在孔洞、裂缝等缺陷。


02
被动式检测

被动式红外热成像无损检测利用周围环境的温度与物体温度差,在物体与环境进行热交换时,通过对物体表面发出的红外辐射进行检测缺陷的一种方式。

这种检测方法不需要加载热源,一般应用于定性化的检测。被测物本身的温度变化就能显示内部的缺陷。它经常被应用于在线检测电子元器件和科研器件及运行中设备的质量控制。图片


三、总结

红外热成像检测技术不同于常规的检测手段(如射线、磁粉、超声、涡流、渗透等),可以快速扫描,提高检测效率。

作为目前较为成熟的检测技术,脉冲红外热成像技术脉冲能量大,单次检测面积大,检测速度快。

锁相红外热成像技术所得的位相图不受物体的表面情况等影响。

对于深层缺陷,疲劳损伤和微小缺陷可以达到较好的检测深度,同时锁相红外热成像的位相延迟和物体的缺陷深度和锁相频率有关,当知道锁相频率和位相延迟就可以求出缺陷的深度。

在实际应用中,两种技术可以互补使用,对于具体的物体和具体的检测要求可选择不同方案。

由于被测物体温度场变化迅速,仪器精度和灵敏度受外界影响较大。

而且对仪器的设置、环境和被测物体表面等要求严格,这些因素决定了使用红外热成像无损检测方法后,可使用常规无损检测手段进行复检,以提高检测的正确性。


    文章来源:阿斯米

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