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紅外熱像檢測是一種無損檢測新技術(shù)，具有檢測速度快、非接觸、無污染、對構(gòu)件近表面缺陷和特征敏感的特點(diǎn)。

 

1、紅外熱像無損檢測發(fā)展歷程

 

早在1930年，就有人提出最初的主動法紅外無損檢測的思想。20 世紀(jì)60年代，Green和Alzofon首次闡述了主動紅外無損檢測的基本理論和應(yīng)用。從此，世界各國的學(xué)者對紅外無損檢測與評價(jià)開展了廣泛的研究。早期的紅外無損檢測由于檢測成本、檢測精度等原因，主要應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，如發(fā)動機(jī)的檢測，管子或容器的泄漏檢查等。

 

應(yīng)用紅外物理理論、紅外技術(shù)成果和傳熱學(xué)理論對材料、裝置和工程結(jié)構(gòu)等進(jìn)行無損檢測與診斷，民用方面首先是從電力部門開始的。20世紀(jì)60年代中期，瑞典國家電力局和AGA 公司合作，對紅外前視系統(tǒng)加以改進(jìn)，并使用其對運(yùn)行中的電力設(shè)備的熱狀態(tài)進(jìn)行診斷，開發(fā)出第一代工業(yè)用紅外熱像儀。美國、加拿大、英國、瑞典和丹麥等國逐漸將紅外熱像無損檢測技術(shù)應(yīng)用于高壓輸電線路的航檢，并在后來引入了自動跟蹤系統(tǒng)。

 

建筑方面，瑞典在1966年開始采用紅外熱像技術(shù)檢測建筑物節(jié)能保溫性能，隨后美國、德國等許多國家的研究人員也在這個(gè)方面進(jìn)行了研究。

 

缺陷檢測方面，20世紀(jì)60年代國外開始采用紅外技術(shù)對缺陷進(jìn)行檢測，主要用于金屬、陶瓷、玻璃、塑料、橡膠和發(fā)動機(jī)噴管膠接質(zhì)量的檢測。美國A3火箭曾采用紅外檢測；美國洛克希德公司用TIRIS紅外橫移檢驗(yàn)儀檢查C5飛機(jī)的膠接結(jié)構(gòu)；俄羅斯也積極開展了膠接結(jié)構(gòu)脫粘缺陷的檢測研究。

 

20世紀(jì)70年代以后許多研究者開始將紅外無損檢測和熱傳導(dǎo)理論聯(lián)系起來，隨后開展了非均質(zhì)體的熱傳導(dǎo)研究，研究了不同激勵條件下的一維、二維熱傳導(dǎo)模型及其解析解和數(shù)值解，為紅外熱像檢測提供了理論基礎(chǔ)。

 

20世紀(jì)80年代后期，隨著具有高采集速率、高像元、高靈敏度的紅外熱像儀的出現(xiàn)和計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展，各國專家不斷提出新的檢測方法和信號處理技術(shù)以提高紅外檢測的能力。瑞典AGA公司于1995年前后開發(fā)了一種全新的加熱方式———調(diào)制加熱法(Modulated Thermograph, MT)。在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生了鎖相紅外技術(shù)(Lock-in Thermograph, LT)。1996年MALDAGUEX等提出了一種新的信號處理技術(shù)———脈沖相位法(Pulse Phase Infrared Thermography, PPT)。隨后，各種新方法和新的信號處理技術(shù)不斷涌現(xiàn)。

 

在國內(nèi)，電力系統(tǒng)是研究開發(fā)與應(yīng)用紅外無損檢測技術(shù)較早的行業(yè)。

 

早在20世紀(jì)70年代初，我國就在電力設(shè)備的故障診斷中應(yīng)用了該項(xiàng)技術(shù)。中國石油化工集團(tuán)公司于1986年同時(shí)引進(jìn)了6臺紅外熱像儀，分別在下屬子公司進(jìn)行使用。利用這些熱像儀分別對大化肥裝置熱交換器、離心壓縮機(jī)、鉑重整裝置冷壁反應(yīng)器、合成氨裝置二段轉(zhuǎn)化爐管、催化裂化反應(yīng)器、再生器和提升器等設(shè)備進(jìn)行了檢測，獲得了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，并取得了很大的經(jīng)濟(jì)效益。但是，此時(shí)的紅外無損檢測技術(shù)是被動式的無損檢測方法。

 

后來，紅外無損檢測技術(shù)又逐漸被應(yīng)用到電子、建筑和臨床醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，如電網(wǎng)絕緣子的無損檢測、太陽能電池和太陽能電池板的檢測、印刷電路板和集成電路的檢測、焊接缺陷檢測、建材質(zhì)量檢測、建筑工程質(zhì)量檢測、火災(zāi)混凝土結(jié)構(gòu)損傷檢測、膠片缺陷在線檢測、高溫壓力管道檢測、太陽能熱水器保溫桶檢測、壓力容器安全檢測等，這一階段主動式檢測方法逐漸出現(xiàn)。

 

20世紀(jì)90年代中期，北方交通大學(xué)在國內(nèi)首次使用閃光燈作為脈沖熱源進(jìn)行主動式的紅外無損檢測的嘗試，取得了初步成果，后由于主要研究人員離去，研究未能繼續(xù)。近年來，北京航空材料研究院、首都師范大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、航天703所、北京衛(wèi)星制造廠、南京大學(xué)、中國礦業(yè)大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、西安交通大學(xué)、海軍工程大學(xué)等多所大學(xué)及研究機(jī)構(gòu)都進(jìn)行了一些主動式紅外檢測方面的理論和實(shí)驗(yàn)研究。

 

2003年5月由歸國留學(xué)生發(fā)起，首都師范大學(xué)、北京維泰凱信公司和北京航空材料研究院共同組建了專門從事紅外無損檢測與評估技術(shù)研究的聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，該實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)在熱波理論、基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用實(shí)驗(yàn)研究領(lǐng)域取得了許多成果。

 

2、紅外熱像無損檢測發(fā)展現(xiàn)狀

 

國外

 

目前開展紅外檢測研究的國家有幾十個(gè)，其中美國、加拿大、俄羅斯、德國、瑞典、法國和意大利等國的技術(shù)發(fā)展較快，主要應(yīng)用于航空航天、電力、電子、冶金、石油化工、材料、建筑工業(yè)和醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域。很多知名大公司，如西屋-西門子、洛克西得、波音、空客、諾頓、羅依斯羅爾斯、通用汽車、福特汽車、通用電氣、英特爾等也紛紛建立了紅外無損檢測實(shí)驗(yàn)室，用于解決各自的無損檢測問題。此外NASA、TWIInc．、加拿大LavalUniv．、德國Stuttgart Univ．等都在該領(lǐng)域的理論和實(shí)驗(yàn)方面進(jìn)行了富有成效的研究，極大地拓展了紅外檢測技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，發(fā)明了諸如脈沖加熱、脈沖相位、超聲紅外等無損檢測方法和技術(shù)。

 

紅外檢測技術(shù)在對各類飛機(jī)機(jī)身的檢測，如在復(fù)合材料的層析探傷，機(jī)身表面下蜂窩材料結(jié)構(gòu)中的積水、液壓油滲漏及其他類型損傷的識別，鋁蒙皮疲勞裂紋的檢測，機(jī)身銹蝕的定量測量等方面，都得到了成功的應(yīng)用，并制定了相關(guān)的檢測標(biāo)準(zhǔn)和操作手冊。波音、空客公司均制定了紅外檢測標(biāo)準(zhǔn)。ASTM（美國材料與試驗(yàn)協(xié)會）也制定了閃光加熱紅外熱像檢測標(biāo)準(zhǔn)。

 

紅外熱波無損檢測技術(shù)在美軍裝備維修中有許多成功的應(yīng)用。應(yīng)用的機(jī)型有F-22、F-18、F-16、F-15、B-2、AV-8、V-22“魚鷹”、P-3、E-2C、JSF、F-14、EA-8B、C-130、C-40A 等飛機(jī)以及CH-46、HH/UH-1N、CH-53、MH-53、SH-60、TH-57等直升機(jī)。

 

紅外熱像檢測技術(shù)在建筑節(jié)能監(jiān)測、建筑物飾面層粘貼質(zhì)量的檢測和建筑物滲漏檢測等方面均有研究和應(yīng)用。在電力、電子、機(jī)械設(shè)備、文物保護(hù)和醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用也很廣泛。

 

國內(nèi)

 

現(xiàn)階段，我國紅外無損檢測技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，主要應(yīng)用于電力工業(yè)、石油化工、鋼鐵工業(yè)、建筑、電子工業(yè)、文物保護(hù)、航空航天和醫(yī)療等領(lǐng)域。

 

在電力方面，主要用來檢測發(fā)電機(jī)組裝置、輸電線接頭、絕緣部件等；

 

在石油化工方面，對高溫高壓狀況下的設(shè)備進(jìn)行在線檢測、監(jiān)測異常熱區(qū)的出現(xiàn)，為設(shè)備的維修和養(yǎng)護(hù)提供支持；

 

在鋼鐵工業(yè)方面，紅外檢測技術(shù)可用于冶煉到軋鋼的各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)，例如熱風(fēng)爐的破損診斷、鋼錠溫度的測定、高爐殘缺口位置的確定等；

 

在建筑方面，主要用于建筑節(jié)能監(jiān)測和建筑物飾面層粘貼質(zhì)量的檢測，在建筑物滲漏和建筑結(jié)構(gòu)混凝土火災(zāi)受損、受凍融等檢測方面也有研究；

 

在電子工業(yè)方面，實(shí)現(xiàn)了印刷板電路的自動檢測；

 

在文物保護(hù)方面，國內(nèi)多家相關(guān)單位將紅外熱像檢測技術(shù)運(yùn)用在病害探測和修復(fù)保護(hù)效果評價(jià)方面，如空鼓探測、內(nèi)部裂隙探測和水份分布分析等；

 

在航空航天方面，北京航空材料研究院、航空623所、北京衛(wèi)星制造廠和航天703所等單位在材料與構(gòu)件的紅外檢測方面開展了大量的研究與工程應(yīng)用工作，如夾層結(jié)構(gòu)件的脫粘缺陷檢測、在役飛機(jī)的蜂窩積水檢測、吸波涂層的缺陷檢測與厚度測量、熱障涂層的缺陷檢測等，其中北京航空材料研究院和北京衛(wèi)星制造廠已將紅外檢測技術(shù)用于某些具體產(chǎn)品的質(zhì)量檢測上。

 

除了上述領(lǐng)域的企業(yè)和研究所進(jìn)行的紅外檢測研究與應(yīng)用外，很多高校對紅外檢測的基礎(chǔ)理論進(jìn)行了研究，如北京航空航天大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、首都師范大學(xué)、中國礦業(yè)大學(xué)等在建模分析、信號處理、圖像處理和定量分析等方面進(jìn)行了多年、大量的研究，取得了很多寶貴成果。

 

除了企業(yè)、科研院所和高校的自主研究外，國內(nèi)還出現(xiàn)了與國外公司合作、提供紅外熱像檢測服務(wù)的公司，為用戶電器設(shè)備的在役檢測和維修提供服務(wù)?；蛘呤菄獾臋z測公司直接在中國設(shè)立分公司，提供先進(jìn)的、成熟的檢測服務(wù)。

 

近兩年，我國在紅外熱像檢測的人員資格鑒定與認(rèn)證方面，取得了突破性的進(jìn)步。在中國機(jī)械工程學(xué)會無損檢測分會的大力支持下，由首都師范大學(xué)和北京維泰凱信新技術(shù)有限公司牽頭，于2012年建立了國內(nèi)第一個(gè)紅外培訓(xùn)中心，首都師范大學(xué)聯(lián)合熱波實(shí)驗(yàn)室的老師編寫了培訓(xùn)教材，并于同年8月份在首都師范大學(xué)成功舉辦了第一期紅外無損檢測資質(zhì)認(rèn)證與培訓(xùn)，使得紅外無損檢測技術(shù)成為第一種納入到中國機(jī)械工程學(xué)會無損檢測資質(zhì)認(rèn)證的新技術(shù)。

 

3、紅外熱像無損檢測應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)

 

雖然紅外熱像檢測技術(shù)具有檢測速度快、非接觸、無污染和檢測結(jié)果直觀的特點(diǎn)，但是在檢測靈敏度、可靠性方面與一些傳統(tǒng)無損檢測方法（如超聲檢測）相比并沒有優(yōu)勢，所以在對檢測要求高的產(chǎn)品上難以替代原有檢測技術(shù)，除非某些產(chǎn)品無有效檢測方法，而恰好紅外熱像檢測方法適用，才可能被應(yīng)用上。譬如，某些航空航天產(chǎn)品不允許使用耦合劑，或形狀復(fù)雜，或內(nèi)部存在多個(gè)界面，或蒙皮厚度非常薄，此時(shí)才有可能應(yīng)用上該技術(shù)。而在外場在役檢測方面，紅外熱像檢測技術(shù)應(yīng)用的舞臺更大一些，但是傳統(tǒng)方法也在不斷的進(jìn)步，各種新技術(shù)，如空氣耦合超聲、超聲相控陣、陣列探頭掃描裝置（以提高掃查速度和實(shí)現(xiàn)成像）等不斷涌現(xiàn)出來。因此，在掌握紅外熱像檢測技術(shù)及其特點(diǎn)的前提下，找到合適的工程應(yīng)用切入點(diǎn)很重要。

 

由于紅外熱像檢測技術(shù)本身工程應(yīng)用不多，與傳統(tǒng)方法相比，其發(fā)展和實(shí)踐的時(shí)間較短，技術(shù)成熟度不夠，國內(nèi)、外尚缺乏普遍接受的缺陷判定方法、定量分析方法，雖然國家標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)在這個(gè)方面邁出了重要一步，但是還需要通過大量工程實(shí)踐來進(jìn)行檢驗(yàn)和完善。

 

所以，在線檢測、自動化檢測和便攜式檢測設(shè)備的研發(fā)，以及缺陷判定與定量分析，是需要著重發(fā)展的兩個(gè)方面。