國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀:

紅外熱成像無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用受益于20世紀(jì)熱成像設(shè)備的發(fā)展。1964年，二次世界大戰(zhàn)后，美國(guó)德克薩斯儀器公司首次研制成第一代軍用紅外熱像設(shè)備。1965年，瑞典開發(fā)研制了具有溫度測(cè)量功能的紅外成像裝置，稱為熱像儀。

1978年，美國(guó)德克薩斯儀器公司又研制成功世界上第一個(gè)非制冷紅外熱像系統(tǒng)。20世紀(jì)90年代中期，美國(guó)FSI公司研制出新一代焦平面熱像儀。隨著焦平面熱像儀的發(fā)展及應(yīng)用，紅外熱波技術(shù)進(jìn)入了快速發(fā)展的階段，在無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域中的重要性逐漸顯示出來(lái)。

美國(guó)韋恩州立大學(xué)是最早從事該項(xiàng)技術(shù)的研究單位之一，一直處于該領(lǐng)域的前沿，在光脈沖、超聲激勵(lì)紅外熱成像方面取得了很多實(shí)際有用的研究成果。此外，英國(guó)巴思（Bath）大學(xué)、英國(guó)無(wú)損檢測(cè)協(xié)會(huì)、德國(guó)斯圖加特大學(xué)、法國(guó)Cedip公司、加拿大Laval大學(xué)、俄羅斯、澳大利亞等國(guó)都在致力于該項(xiàng)技術(shù)的研究，并廣泛應(yīng)用于飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件內(nèi)部缺陷及膠接質(zhì)量的檢測(cè)、沖擊損傷檢測(cè)以及蒙皮鉚接質(zhì)量檢測(cè)等。

國(guó)內(nèi)，受熱像儀發(fā)展的限制，紅外熱波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的研究起步較晚。前期工作主要局限在傳統(tǒng)被動(dòng)式紅外熱成像檢測(cè)，掃描、非制冷熱像儀占據(jù)市場(chǎng)主導(dǎo)，其溫度分辨率和采集頻率無(wú)法滿足捕捉快速變化溫場(chǎng)的需要。

隨著焦平面制冷型熱像儀的發(fā)展和引進(jìn)，主動(dòng)式紅外熱成像無(wú)損檢測(cè)技術(shù)近十幾年才逐漸發(fā)展起來(lái)。主要研究單位有首都師范大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、北京理工大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、南京大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、航空材料研究院、中國(guó)民航科學(xué)技術(shù)研究院等各大高校和科研院所。在熱波檢測(cè)理論、熱激勵(lì)方法、缺陷尺寸和深度的定量研究等方面取得了一些進(jìn)步，逐漸將其應(yīng)用于航空航天、風(fēng)力發(fā)電、汽車制造等領(lǐng)域，并制定了相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，如，無(wú)損檢測(cè)－閃光燈激勵(lì)紅外熱像法。

發(fā)展概況:

自20世紀(jì)70年代中期光聲效應(yīng)研究復(fù)蘇以來(lái) , 隨著現(xiàn)代光聲學(xué)科的發(fā)展 , 光熱效應(yīng)研究相應(yīng)發(fā)展起來(lái), 因?yàn)楣饴曅?yīng)可以看作是光熱和熱聲兩個(gè)效應(yīng)組合的結(jié)果。光熱效應(yīng)檢測(cè)有多種方法 , Buse等提出利用強(qiáng)度調(diào)制的激光引起樣品溫度升高而產(chǎn)生紅外輻射, 利用紅外光電器件接收這紅外輻射 , 稱為光熱輻射技術(shù)。由于光束聚焦照射于樣品, 光束必須掃描才能檢測(cè)樣品的不均勻結(jié)構(gòu) (如亞表面的缺陷), 這是很初步的光熱檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。

另一方面 , K u等提出利用氛燈閃光光源作為激發(fā)源, 光束大面積照射在測(cè)試的樣品 (機(jī)件) 上 , 樣品吸收脈沖光能而產(chǎn)生熱波，并發(fā)出紅外輻射, 利用紅外視頻照相機(jī)接收樣品發(fā)出的紅外輻射, 可以使樣品表面(或亞表面)的溫度分布實(shí)時(shí)成像, 其成像裝置如圖l 所示。如果樣品結(jié)構(gòu)不均勻 , 則引起表面(或亞表面)的溫度分布不均勻, 因此可以檢測(cè)樣品的缺陷、雜質(zhì)或其他不均勻結(jié)構(gòu), 亦稱為光熱紅外成像技術(shù)。其優(yōu)點(diǎn)是可以非接觸式、實(shí)時(shí)地進(jìn)行較大面積的檢測(cè)。缺點(diǎn)是靈敏度和信噪比不是很 高, 因?yàn)槲⑿〉牟痪鶆蚪Y(jié)構(gòu)對(duì)光 的吸收、以及隨之產(chǎn)生的熱量與本底差異不是很大。為了提高靈敏度和信噪比, 必須使光源強(qiáng)度加大 , 所以常常需要用多個(gè)千瓦級(jí)的氛燈同時(shí)照射樣品，或者采用鎖相( Lock-in) 或積分平均(Boxcar)技術(shù), 以改善信噪比。但是這樣降低了成像速度，不利于實(shí)時(shí)成像。

進(jìn)一步，Buse等提出利用低頻調(diào)幅的超聲波作為激發(fā)源, 作用于樣品使樣品加熱，同時(shí)用紅外照相機(jī)檢測(cè)樣品表面的溫度分布，如圖2所示。如果樣品結(jié)構(gòu)不均勻, 引起超聲波的附加吸收，使表面溫度不均勻分布。由于超聲波能在樣品中傳播很遠(yuǎn)距離, 紅外照相機(jī)有相當(dāng)大的視場(chǎng)，可以比較方便地對(duì)樣品進(jìn)行實(shí)時(shí)無(wú)損檢測(cè)。其缺點(diǎn)是振幅調(diào)制的超聲波能量小，檢測(cè)靈敏度較低。

光熱紅外成像檢測(cè)系統(tǒng)和調(diào)幅超聲熱波紅外系統(tǒng)超聲紅外熱成像技術(shù)的檢測(cè)原理：超聲紅外熱像技術(shù)是超聲波發(fā)生器產(chǎn)生電信號(hào)傳送至超聲槍，超聲槍產(chǎn)生短脈沖( 50～200 ms) 、低頻率( 20～40 kHz)的超聲波作用于物體表面，超聲波經(jīng)過(guò)界面耦合在物體中傳播。遇到裂紋、分層等損傷時(shí)，在超聲波的激勵(lì)下介質(zhì)損傷兩界面間發(fā)生接觸碰撞，質(zhì)點(diǎn)間的摩擦作用使超聲波產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能，從而使損傷處及相鄰區(qū)域的溫度明顯升高，其對(duì)應(yīng)表面溫度場(chǎng)的變化可用紅外熱像儀觀察和記錄。

超聲波在損傷處的衰減生熱

在超聲波作用的過(guò)程中，材料內(nèi)部界面貼合型損傷的界面間發(fā)生接觸、滑移、分離等相互作用。

超聲紅外熱成像技術(shù)特點(diǎn)：超聲紅外熱成像無(wú)損評(píng)估綜合應(yīng)用超聲激勵(lì)和紅外熱成像技術(shù)來(lái)對(duì)材料或結(jié)構(gòu)的缺陷進(jìn)行鑒別，尤其對(duì)金屬材料和陶瓷材料的表面及近表面裂紋，復(fù)合材料的淺層分層或脫粘等的檢測(cè)非常有效。因此利用其超聲紅外熱成像特定的振動(dòng)激勵(lì)源來(lái)促使材料或結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)（彈性波傳播）, 使其缺陷部位（裂紋或分層）因熱彈效應(yīng)和滯后效應(yīng)等原因?qū)е侣暷芩p而產(chǎn)生釋放出熱能，最終引起材料局部溫度升高。通過(guò)紅外熱像儀對(duì)材料局部發(fā)熱過(guò)程進(jìn)行捕捉和采集，就可以借助于時(shí)序熱圖像對(duì)材料或結(jié)構(gòu)內(nèi)部的缺陷進(jìn)行判別。

熱效應(yīng)的產(chǎn)生是由于聲波在材料中傳播時(shí)在內(nèi)部缺陷兩個(gè)異質(zhì)界面上的振動(dòng)不一致所造成的，例如封閉裂紋將會(huì)由于裂紋內(nèi)表面的摩擦或者其他不可逆的相互作用而成為平面熱源。如果裂紋延伸方向與表面相交，在紅外熱像儀上熱源首先會(huì)形成一條線，隨后就會(huì)變得模糊不清而且熱區(qū)域會(huì)慢慢向外擴(kuò)散。當(dāng)超聲脈沖激勵(lì)源停止后，目標(biāo)區(qū)域的溫度將會(huì)像普通熱輻射過(guò)程一樣逐漸降低。

除了能夠?qū)ξ⑿×鸭y進(jìn)行檢測(cè)外，超聲紅外熱成像無(wú)損評(píng)估技術(shù)還能應(yīng)用于其他類型的缺陷測(cè)，如復(fù)合材料的內(nèi)部分層或脫粘等。該技術(shù)除了對(duì)裂紋的檢測(cè)速度非?？欤▋H需數(shù)秒）、信噪比好和靈敏度高外，對(duì)更深的內(nèi)部分層或裂紋的檢測(cè)方面優(yōu)于其他傳統(tǒng)技術(shù)如超聲波檢測(cè)和脈沖紅外熱成像檢測(cè)等方法。

超聲紅外成像技術(shù)與其他無(wú)損檢測(cè)技術(shù)比較：與其他無(wú)損檢測(cè)技術(shù)相比，超聲紅外熱像技術(shù)具有顯著的優(yōu)點(diǎn)：

1.檢測(cè)速度比較快，一般在熱激勵(lì)開始后1~2s以內(nèi)就能在熱圖中觀察到缺陷的存在；

2.熱激勵(lì)引起的溫升現(xiàn)象僅發(fā)生在缺陷存在的位置，因此紅外熱圖中缺陷與周圍的對(duì)比度較高而且檢測(cè)安全性相對(duì)較高；

3.檢測(cè)效果控制比較容易，調(diào)節(jié)超聲激勵(lì)信號(hào)參數(shù)（如信號(hào)頻率、信號(hào)幅值、波形等）就可以控制檢測(cè)效果?；谏鲜鰞?yōu)點(diǎn)，結(jié)合波動(dòng)傳播有限元分析理論，超聲紅外熱像技術(shù)結(jié)構(gòu)無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域成為研究熱點(diǎn)，在金屬材料表面缺陷檢測(cè)以及復(fù)合材料的內(nèi)部缺陷（如脫層）檢測(cè)中具有良好的應(yīng)用前景。

超聲紅外熱成像技術(shù)檢測(cè)金屬鋁板：

下圖顯示的是超聲紅外熱成像技術(shù)對(duì)金屬鋁板試件裂紋損傷的檢測(cè)結(jié)果。在鋁板試件上預(yù)制了三條不同方向的裂紋缺陷。檢測(cè)效果與超聲激勵(lì)信號(hào)的幅值成正比關(guān)系，在信號(hào)幅值超過(guò)±80V時(shí)即可在紅外熱圖中觀察到缺陷的明顯特征；當(dāng)幅值達(dá)到150V時(shí)檢測(cè)效果最佳，而此時(shí)激勵(lì)功率僅約為10W，因此本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)低功率超聲有效熱激勵(lì)，實(shí)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)非常小。