红外热像检测技术综述.docx

1、红外热像检测技术综述作业一 红外热像检测技术综述院（系） 名 称 机械工程及自动化学院 科 目 现代无损检测技术 学 生 姓 名 X X学 号 XXXXXXXX 2016 年 1X 月 1X 日目 录1 红外热像检测技术的原理介绍 12 红外热像检测技术的应用 22.1材料的内部制造缺陷的红外热像检测 22.3结构内部损伤及材料强度的检测 32.4在建筑节能检测中的应用 32.5建筑外外墙面饰面层粘贴质的检测 42.6在建筑物渗漏检测中的应用13 43 红外热像检测技术国内外发展现状 53.1红外热像检测技术国外发展现状 53.2红外热像检测技术国内发展现状 74 参考文献 101 红外热像检

2、测技术的原理介绍红外热成像检测技术采用主动式控制加热激发被检物内部缺陷，通过快速热图像采集和基于热波理论图像处理技术实现缺陷检测。它通过光学机械扫描系统，将物体发出的红外线辐射汇聚在红外探测器上，形成红外热图像，由此来分辨被测物体的表面温度。该技术具有检测速度快、非接触、范围广、精度高、易于实现自动化和实时观测等诸多优点，适合于裂缝、分层、积水、冲击损伤等问题的诊断。红外线和可见光及无线电波一样是一种电磁波，红外线的波长比可见光长，比无线波短，为，可分为近红外、中红外和远红外。任何物体只要不是绝对零度，都会因为分子的东转和振动而发出“辐射能量”，红外辐射是其中一种。如果把物体看成是黑体，吸收所

3、有的人射能量，则根据斯蒂芬玻尔兹曼定律，在全波长范围内积分可得到黑体的总辐射度为: 式中: 为黑体的光谱辐射度;，为辐射常数，为斯蒂芬玻尔兹曼常数，实际的大部分人工或天然材料都是灰体而不是黑体材料，与黑体不同，灰体材料的发射率，灰体表面能反射一部分入射的长波辐射，因此灰体表面的辐射由自身发射的和环境反射的两部分组成，用红外探测器可直接测量灰体发射和反射的总和，但无法确定各自的份额。通常假设物体表面为黑体，将称为表观辐射度，为便于理解，一般将其转换为人们较熟悉的温度单位，称为表观温度，即: 上述的表观温度，即为红外探测器测量所得温度。在无损检测中测量距离一般较近，可以忽瞬大气的影响，故被测物体的

4、表面发射率。的取值是否准确是影响测量精度的关键因素。2 红外热像检测技术的应用红外成像技术的最初应用是在军事领域，但目前该技术已广泛地应用于电力设备检测、石化管道泄漏的检查、冶炼温度和炉衬损伤检测、航空胶结材料质量的检测、山体滑坡的监测预报，医疗诊断等领域，下面分别从材料内部缺陷检测、材料热物性参数的识别、结构内部损伤检测、建筑节能杉:测、房屋质量检测等几方面介绍红外热像技术在无损检测中的应用及研究进展情况。2.1材料的内部制造缺陷的红外热像检测 材料内部缺陷的检测是无损检测中的重要内容，目前有东南大学、北京航空航天大学、清华大学等单位的研究人员分别对玻璃钢内部脱粘、复合材料内部分层缺陷、炭纤

5、维混凝土基体界面层缺陷等多种材料内部缺陷进行了红外检测试验研究1-4。这些试验研究了缺陷的大小、深度、厚度与红外热图像特征之间的关系，并得出了一些关于缺陷深度和大小计算的方法。对缺陷深度的测量，文献仁2提出了根据缺陷表面温差到达峰值时间与缺陷深度之间的关系计算缺陷深度的一维传热模型，文献3提出在热脉冲作用下通过人工神经网络计算缺陷深度的方法3。对混凝土内部缺陷深度和大小的检测，同济大学的研究人员从实际与模拟相结合的角度佳发，采取红外热图像与数值模拟相结合的手段，采用LM神经网络算法，实现对混凝土板内部缺陷的三维重构，即称红外CT模拟。这种方法不仅可以获得构件表面每一点的缺陷深度与厚度，并且用于

6、任意形状的缺陷5。在材料缺陷检测中，为了区分由表面混乱和内部缺陷引起的表面温度异常，美国的劳伦斯立夫莫尔实验室(Lawrence Livermore national lab)开发了双频红外热像检测系统，将波长热像匡和波长热像图进行对比处理，去除由于表面混乱引起的温度异常，从而得出真实的缺陷位置形状、大小和深度等参数。目前在材料内部缺陷的检测研究中，计算模型多为一维传热模型，与实际试件的二维或三准传热出人较大，定量研究成果还比较少，进行试验的材料多属匀质材料，试件的缺陷深度都较浅。要把研究成果应用于实际工程中，建立实用的计算模型，加强定量化研究是今后研究工作的重点。2.2材料热物性参数的检测

7、与其它的测温技术相比，红外摄像仪能迅速、准确地测量大面积的温度值，且测温范围宽，因此，当需要准确测量较大范围的温度边界条件时，红外摄像仪具有其它测温仪器不可比拟的优越性。哈尔滨工业大学的研究人员针对焊接温度场中材料的传热系数随温度升高而变化的情况进行了研究，证明了焊接过程热传导系数反演算法的可行性，结合红外热像法与热电偶测量了LY2铝合金固定TIG点焊过程的焊接温度场，通过计算分别获得了加热和冷却过程的热传导系数随温度变化的曲线6。 热传导反问题的研究，具有广泛的工程应用前景，近年来在热物性参数的识别、边界形状的识别、边界条件的识别、热源的识别等多方面已经取得了很多研究成果。在进行传热反问题研

8、究时，采用红外热像技术测量研究对象的温度7。可以方便快捷地解决温度边界的测量问题，该方法在热传导反问题的研究中己被广泛采用。2.3结构内部损伤及材料强度的检测 目前利用红外热像技术进行的结构损伤研究有混凝土内部损伤检测、混凝土火灾损伤研究、焊缝疲劳裂纹检测、碳纤维增强混凝土内部裂纹检测等。由于损伤部位的导热系数的变化，导致红外热图像中损伤位置温度异常。与常规的探伤方法如X射线、超声波等相比，红外热像技术具有不需要物理接触或祸合剂，操作简单方便，无放射性危害等优点。 2.4在建筑节能检测中的应用 在建筑物节能检测方面，瑞典早在1966年就开始采用红外热像技术检测建筑物节能保温。生能，美国、德国等

9、许多国家的研究人员也都进行过这方面的研究工作8。在我国随着对建筑节能要求的提高，建筑物的节能检测势在必行。目前我国对建筑围护结构传热系数的检测多采用建筑热工法现场测量，红外热像技术只作为辅助手段，通过检测围护结构的传热缺陷综合评价建筑物的保温性能9。北京科技大学的研究人员以对流传热法为基础，对一焦化加热炉进行红外热像监测，并通过自己编制的软件计算出该焦化加热炉的散热损失10。该方法对进行建筑物隔热保温性能的评价有很大的借鉴意义。目前我国红外热像技术在节能检测领域的研究尚属于起步阶段，还没有确定的指标对建筑物的红外热像图进行节能定量评价。由于建筑物立面形式和饰面材料的多样性，编制专用的图像分析与

10、处理软件和建立墙体内外饰面材料的发射率基础数据库成为该项研究中一个重要环节。 2.5建筑外外墙面饰面层粘贴质的检测 当建筑物的饰面层与墙体的粘贴有剥离、空鼓时，因空气的导热系数较低，经墙体传递的热量会在缺陷处堆积，使得缺陷的温度与正常部位的温度不一致，通过红外热像图可得知缺陷的位置与大小。同济大学与上海房地产科学研究院对建筑外墙面饰面砖损伤红外热像检测进行了系统的试验l1。试验结果表明，利用红外热像技术进行外墙面砖损伤检测，得出的空鼓面积率与现场锤击法检测结果一致12。 2.6在建筑物渗漏检测中的应用13 建筑物的渗漏有由供水管道引起的渗漏和屋顶或外墙开裂引起的雨水渗漏等。由于渗漏部位的含水率

11、和正常部位不一样，造成在进行热传导的过程中二者温度有差异，因而可以用红外热像仪拍摄湿度异常部位墙面的红外热图像，与现场直接观察结果进行对比分析，可以找出渗漏源的位置。3 红外热像检测技术国内外发展现状3.1红外热像检测技术国外发展现状 在1960年，美国为了解决固体火箭发动机界面的脱粘，而进行了红外检测技术研究。1965年，将红外检测技术利用在北极星A5固体火箭发动机上。随后美国将红外检测技术应用到航天飞机零部件、多层结构、金属疲劳裂纹、蜂窝结构等的检测。六十年代末期，苏联对于非金属材料、金属与非金属材料的多层胶接件、蜂窝结构、钎焊及焊接质量的检测进行了研究，利用红外检测技术检测取得了较好的成

12、果。 二十世纪九十年代以来，各国在提高红外无损检测精度方面进行了不懈努力。红外无损检测技术越来越受到重视。根据加载方式不同可分为: 1) 脉冲热成像红外技术(PT)脉冲热成像法是研究最早的检测方法，这种检测方法是研究最多的，相对于其他的红外检测方法是最成熟，也是使用最广泛的。它的原理是采用短时的高能量脉冲注入被检测物体，随后观察物体表面的温度变化。 2002年，意人利N.Ludwig对脉冲热成像检测进行了分析研究，针对热传导模型做了三维热扩散的分析14 2004年，加拿大学者P.V.Xavie针对探测深度受一次低能量脉冲限制的问题进行了研究，提出了利用两次热脉冲红外检测理论，通过实验对比，证实

13、了两次脉冲可以提高低热导率材料探测深度15 2005年，法国J.C.Krapez对复合材料进行红外检测，研究了低能量对红外热像图的影响，并研究了光源频率对红外热像图及热图的信噪比的影响16 2006年，法国Loth Toubal利用红外检测技术对复合材料的疲劳进行了检测。通过试验的方式研究复合材料内部缺陷的生长过程与温度关系17。 2009年，加拿大的M.Genest,M.Martinez等采用红外热像检测法对含有脱粘缺陷的复合材料进行检测。采用相减法对实验所得到的图像序列进行处理，提高了检测图像的质量18。 2010-2012年，Grzegorz Ptaszek等对热障涂层进行了脉冲红外热像

14、无损检测数值仿真分析19。美国加利福尼亚大学A. Manohar F. Lanza di Scalea 20。针对脉冲红外热波无损检测法更准确的确定缺陷深度作了深入研究，为了充分考虑缺陷周围的热扰动，采用二维热传导模型进行了缺陷的定量化研究。美国Bath大学21D.P.Almond and S.GPickering针对低碳钢的脉冲热像法进行了理论与仿真研究，得出缺陷对比度不仅与缺陷长宽比有关，还受热流强度和缺陷深度的影响。2011年，印度学者Chatterjee22，通过实验比较分析了脉冲加载、锁相加载和调制频率加载三种加载方式对碳纤维复合材料平板试件的无损检测结果。锁相加载会因为盲频的存在而

15、检测不到缺陷，配合调制频率加载技术就可以克服这个缺点，讨论了三种加载方式下检测结果的信噪比。现在红外热像检测技术己广泛应用于航天产品的检测中，ASTM制定了闪光灯激励红外热像检测标准23和航空航天复合材料无损检测导则24。 2) 锁相热成像红外技术(LT) 1992年，德国斯图加特大学G Busse教授提出发展红外锁相法检测技术25 2003年，波兰学者Waldemar Swiderski研究了热波模型的理论，在这些理论基础上，将红外锁相技术应用于复合材料缺陷区域快速评价中26。 2006年，新德里大学Ravibabu Mulaveesala采用方波的热加载方式，通过不增加峰值的情况下，提高平

16、均能量。同时得出调制频率决定探测深度27。 2007年，美国德州研究室David S. Forsyth利用红外热像检测技术检测金属内部腐蚀28。 2009年，X. Maldague教授分别采用了光脉冲相位法、光锁相热像法、以及超声红外锁相热像法对含有典型缺陷的蜂窝夹层结构做了对比试验分析，结果显示了三种方法各自不同的优势。 2010年，意大利学者Montanini29对比分析了脉冲相位法和锁相热成像法对近表面缺陷定量检测的优缺点，实验采用预埋不同深度缺陷的树脂玻璃平板试件，脉冲加载和调制加载都可以检测出缺陷的存在，基于一维热传导理论讨论了二者的优点和局限性，并对相关影响因素进行了彻底的讨论。

17、2011年，印度学者Chatterjee30，通过实验比较分析了脉冲加载、锁相加载和调制频率加载三种加载方式对碳纤维复合材料平板试件的无损检测结果。锁相加载会因为盲频的存在而检测不到缺陷，配合调制频率加载技术就可以克服这个缺点，讨论了三种加载方式下检测结果的信噪比。 3) 脉冲相位热成像技术(PPT) 1996年，加拿大Laval大学Maldague教授提出脉冲相位热像技术31。 2002年，德国学者Alexander Dillenz对试验材料与缺陷不明的情况下，对较小试样进行了超声激励的红外热像检测试验，取得成功32。 2005年，Maldague教授的学生C. Ibarra-Castane

18、do研究了利用红外无损检测技术对材料检测检测时缺陷大小和深度对探测准确性的影响33。 2006年，G Busse教授采用超声激励的脉冲相位法，对预设有不同深度分层的缺陷的CFRP板材进行试验分析，可以通过相位图判断出缺陷深度位置。同年，加拿大的D.A.Gonzalez33等人采用相位差算法对脉冲序列热图进行处理分析，得出通过相位与深度的关系可以提取缺陷的深度信息。 2008年，美国核工程实验室J.G Sun搭建了脉冲红外热波无损检测系统，对多层涂层材料进行了三维有限元仿真分析，并将仿真结果与试验结果进行了对比分析。研究了各层厚度的反演计算。 2009年，Steven M.Shepard34利用

19、一维传热模型分析了红外热像仪采样频率和探测深度的灵敏度。3.2红外热像检测技术国内发展现状 相较于国外，国内开展红外无损检测的研究较晚，最早，西安交通大学为代表的单位引进国外的红外无损检测装置加以使用并实验。1994年，机械系王祥林35瑞典AGEMA公司生产的AGA780红外热像仪进行了大量的红外热像检测试验。经过不断的探索研究，直到2000年开始有了自己的成果，王裕文教授及梅林36使热加载成为了现实并实现了加载方式的选择。 首都师范大学张存林与北京维泰凯信新技术有限公司金万平、北京航空材料研究院郭广平在2003-2005年期间合作，开展了针对脉冲法红外热波无损检测技术多方面的实验继而三方建立

20、了联合实验室。采用最大加热能量为2.4KJ，脉冲时间为2ms的氛灯作为光源，波长为的SC3000红外热像仪对预设缺陷的多种材料进行了检测研究，取得了良好的效果。 2005年，海军工程大学孙丰瑞等人37采用分析软件ANSYS及Matlab仿真的方法对高能脉冲激励下的含缺陷试件表面温度场进行了大量的研究，分析了不同的缺陷特征(尺寸、形状)与表面温度分布的关系。并建立了二维、三维理论模型，采用共扼梯度法等算法作了一些缺陷识别的研究工作。 同年，北京航空航天大学刘颖韬等人对光激励脉冲相位法红外热波检测技术进行了研究，对模拟分层或脱粘缺陷试件(埋入聚四氟乙烯圆形薄膜片的Carbon Fibre Rein

21、forced Plastic板)进行了检测试验。试验表明，脉冲相位法受光照加热不均的影响甚微，能较好地抑制环境中的随机噪声，相位图的信噪比较高38。 2005-2006年期间，郭兴旺等人39采用红外热波无损检测法对飞行器板壳结构的传热等基础理论进行了研究，编制了图像序列和多种图像的处理算法40。之后，利用ANSYS9.0进行二次开发得到了专有的参数化建模模块。 2006年，南京航空航天大学田裕鹏等对脉冲相位红外检测法在复合材料的蜂窝积水上的应用做了实验研究。研究表明脉冲位相法具有改善图像质量、增强抗干扰能力的作用41。 2007年，徐川等成功地使用周期方波进行热激励，实现了锁相热像法红外无损检

22、测42，并在仿真分析、图像分割等算法方面进行了相关探讨研究。 同年，哈尔滨工业大学刘俊岩43开始研究红外锁相法热波检测的基础理论并做了相关的试验研究工作，引进了法国CEDIP锁相热像系统，利用该系统对金属及非金属等构件进行了试验研究，结果表明锁相法能够较准确的判定缺陷。 北京航空材料研究院刘颖韬等人在2009年开展了光激励脉冲相位法在复合材料层析检测中应用的可行性研究。试验得到的试件脉冲热像法最佳图像和不同频率下的相位。结果证明，PPT技术一次激励可同时检测不同深度的缺陷，根据相位图分析可知较浅缺陷需要较高频率，较深缺陷需要较低的频率，可以利用缺陷深浅与热波频率之间的对应关系进行缺陷深度检测，

23、证实脉冲位相法适用于复合材料层析检测44。 2009年，北京理工大学霍雁等人对脉冲法与锁相法检测进行了对比性研究，分别对平底洞、电路板进行了检测研究得到了两种技术各自的优缺点。脉冲含较少的低频分量不能检测较浅的缺陷而锁相热成像后续的数据处理时间长45。中国航空综合技术研究所李旭东等人46利用有限元仿真深入研究分析了缺陷深度与大小对试件表面最大温差时刻的影响，并指出一维柱坐标传热模型只适用于缺陷大小相差不多的情况。同年，北京理工大学李艳红等人采用红外热波检测法对碳纤维涂层厚度进行了检测试验研究。分析结果得到:对于涂层厚度在0.35-2mm的试件，其检测精度可达到0.1mm。 2010年，北京航空

24、航天大学郭兴旺等47针对涂层厚度不均材料建立在柱坐标系下轴对称的传热模型及有限元模型。分析了检测参数最大温差与厚度的关系。同年，北京航空航天大学王成亮等人针对复合材料冲击损伤的超声脉冲红外热像法进行了检测试验，采用非高斯核函数LBF模型对缺陷边缘进行检测，奠定了缺陷定量化分析的基础47-48。 2010-2012年，哈尔滨工业大学主要采用锁相法对复合材料及复合材料涂层板材进行着相关理论与试验研究，研究表明采用红外锁相法热波检测技术对防隔热及涂层材料缺陷进行检测，能够实现大面积、深缺陷及多层缺陷的快速可靠检测，进一步解决防隔热及涂层材料缺陷的检测问题。 2011-2012年，北京航空航天大学采用

25、红外脉冲热波无损检测技术对风电机叶片的几种缺陷进行了试验研究，成功的将该技术引入风电机叶片检测领域 2011年武翠翠等研究固体火箭发动机中的玻璃纤维复合材料壳体绝热层试件的脱粘缺陷。得出:红外热像检测方法能够检测出深度5 mm以内、直径10 mm以上的脱粘缺陷49。 2012年，北京航空材料研究院刘颖韬等人对闪光灯激励脉冲热像法中影响检测的主要参数进行了分析研究。结果表明:脉冲热像法适于检测较薄的层合板构件50。 2013年，陈林等通过对锁相检测方法研究，建立了一个二维瞬态导热模型;并在正弦热流激励条件下对建立的模型利用有限体积法进行温度场模拟计算。在此基础上对锁相检测法进行了数值模拟实现51

26、。 2013年，余轶等，采用有限元方法对夹层结构分别进行了稳态、瞬态下的参数分析，并与红外热像检测结果做了对比，得出了红外方法对夹层结构的缺陷精度的识别能力，并且分析了部分检测结果影响的因素，给出了使用红外热像检测检测的建议52。 2013年，王浩等对微孔丝网复合材料进行了研究，结果表明:红外热像检测技术能够确定材料缺陷的位置和形状，通过破坏性的人工验证发现红外检测技术检出的最小分层开裂宽度为。实验证明对于微孔材料红外热像检测技术是一种新型有效的检测方法53。 2013年，郑恩辉等对复合材料的表面缺陷问题进行了研究，主要针对检测优化问题。利用红外无损检测技术对近表面的缺陷进行检测与评价。并利用

27、ANSAYS仿真，获取了缺陷的近表面温度场分部。得出:在加热后的不同阶段内，缺陷大小、深度对温度场的影响不同。通过选取合理的阶段，并对该阶段进行分析，可以对缺陷做出定性与半定量判断54。 2013年李托雅将传统的感应涡流和红外检测技术相结合，利用电涡流效应，对内含分层缺陷的碳纤维复合材料等进行了实验，并通过红外图像处理来识别材料缺陷。证明了感应激励红外热像检测可以成功的应用于碳纤维复合材料分层缺陷的检测55。 2014年，陈名华等对飞机复合材料层压板平底孔和蜂窝结构利用红外热成像检测技术进行了研究，主要研究了层压板平底孔和蜂窝结构的分层和积水。该研究表明红外热成像检测技术对检测分层和脱粘是适用

28、的，同时该检测方法还可检测蜂窝积水(油)、塌陷等损伤。还得出红外检测方法不仅能定性分析，还可进行深度和面积等定量分析56。4 参考文献1 陈汪.红外无损检测技术的传热学分析J.红外与毫米波学报，2000. 19(4): 285-288.2 王永茂，郭兴旺，李日华，等.缺陷大小和深度的红外检J.无损检测，2003 , 25 (9) : 458 461.3 Maldague Xivaer, Iargouet Yves. Couturier Jean-Pierre. A study of defect depth using neural networks in pulsed phase therm

29、ography: modeling, noise, experimentsJ. Rev Gen Therm，1998(37):704-717.4 孙格靓，王厚亮，李建保.碳纤维增强混凝土构件的内部缺陷的红外热像检测技术J.碳素技术，2000(4): 5-31.5 赵鸣，赵鸿，李杰，等.数据融合技术在混凝土结构检测中的应用研究R.住宅建筑体系与工程质量保障关键技术报告之四, 2005.6 陶军，李冬青，王明是，等、焊接过程传热系数反演法J.焊接学报，2004. 25 (9): 5-10.7 Lcfevre Fredereic, Niliot Christophic Le.Multiple tra

30、nsient point heat sources identification in heat diffusion: application to experimental 2D problemsJ. International journal of heat and mass transfer, 2002(45):1951-1964. 8 Minh Phong Huong. Fatigue limit evaluation of metals using a infrared thermographic techniques J. Mechanics of Materials, 1998;

31、(28):155-163.9 杨红，刘加平，黄振利，等.墙体传热系数现场检侧及热工缺陷红外热像技术红外检测研究J，保温材料与建筑节能，2004(5): 38-40.10 付冬梅，李晓刚，王欣.用红外热像技术监测设备的保温效果J.无损检测，2001, 23(2): 51-54.11 上海市房地产科学研究院建筑学科保护中心.建筑物外墙面砖饰面损伤红外热像检测技术研究总结报告R . 2003 .12 赵鸿，冯平，周云,等.红外热像技术检测建筑物外墙J.结构工程师，2003(增刊):15-23.13 赵为民.赵鸿，赵鸣.红外热像技术在检测建筑物渗漏中的应用J.住宅科技，2004 ( 5) : 38 -40 . 14 Ludwig, N. Teruzzi, P. Heat losses and 3D diffusion phenomena for defect sizingprocedures in video pulse Therm ography. Infrared Physics&Technology. 2002,43:297-301.15 X. Maldague, A. Ziadi, M. Klein Double p