脈沖式紅外熱波無損檢測(cè)的熱激勵(lì)均勻性

張 煒,王 焰,楊正偉,宋遠(yuǎn)佳,孟獻(xiàn)策

(1.第二炮兵工程學(xué)院203室,西安 710025;2.第二炮兵駐211廠軍事代表室,北京 100000)

熱激勵(lì)源優(yōu)化設(shè)計(jì)是紅外無損檢測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)之一。主動(dòng)式熱激勵(lì)(加熱)能使被檢測(cè)材料由于內(nèi)部缺陷在表面產(chǎn)生不同的溫度場(chǎng)分布,再通過熱像儀成像,從而可以比較直觀地看清內(nèi)部缺陷。同時(shí)經(jīng)過后期的缺陷識(shí)別,可對(duì)缺陷進(jìn)行定量研究。因此,熱激勵(lì)方法直接影響最終檢測(cè)結(jié)果的可靠性。

常用的熱激勵(lì)方式有等離子噴注、直接火焰、高能脈沖加熱、紅外燈和熱超聲等,其中最常用的是高能脈沖閃光燈加熱方法,它是利用脈沖氙燈或其他高能氣體放電燈進(jìn)行高能放電時(shí)所發(fā)出的強(qiáng)光輻射,瞬時(shí)放出熱能,對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行瞬時(shí)激勵(lì)[1]。

熱激勵(lì)均勻性是指施加于被測(cè)面的能量均勻或者通過熱激勵(lì)在被檢測(cè)面激發(fā)出均勻分布的能量(熱量),且盡可能使熱量只沿著被測(cè)材料厚度方向傳播[2]。均勻的熱激勵(lì)不僅可以降低背景干擾信號(hào),有助于紅外熱圖更準(zhǔn)確反映表面溫差的變化,而且還可以提高紅外熱圖的清晰度,從而保證缺陷定量識(shí)別的計(jì)算精度。TracePro軟件是一種集光學(xué)分析和照明設(shè)計(jì)為一體的軟件,能夠方便快捷地進(jìn)行實(shí)體建模仿真分析,同時(shí)由于脈沖閃光燈加熱方式是最常用的熱激勵(lì)方法,因此,筆者利用該軟件對(duì)脈沖熱激勵(lì)源加熱燈具的光學(xué)特性以及布局進(jìn)行仿真與分析,為實(shí)際檢測(cè)過程提供指導(dǎo)。

1 基本原理

1.1 光(輻)照度[3]

光照度指物體被照亮的程度,采用單位面積所接受的光通量來表示。

通常發(fā)光管所照射的目標(biāo)距離比發(fā)光管本身大得多,在這種情況下可將發(fā)光管簡(jiǎn)化成一個(gè)有一定空間光強(qiáng)分布的點(diǎn)光源。點(diǎn)光源的特點(diǎn)是能以4π立體角向周圍空間發(fā)出相同發(fā)光強(qiáng)度的光輻射。

如圖1所示,面元dS接受點(diǎn)光源P的光照,設(shè)點(diǎn)光源P到面元的距離為r,并且點(diǎn)光源發(fā)出的元光束的光軸與面元的法線N之間的夾角為θ。

圖1 點(diǎn)光源的照度模型

則面元dS對(duì)點(diǎn)光源P所張的立體角為：

在此立體角內(nèi),由點(diǎn)光源發(fā)出的光通量為：

而此光通量全部投射到面元dS上,則面元上的光照度為：

式中E為光照度;I為發(fā)光強(qiáng)度;φ為光通量。

由上式可知,點(diǎn)光源P在面元dS上所產(chǎn)生的光照度與光源的發(fā)光強(qiáng)度成正比,與距離的平方成反比,并且與面元相對(duì)于光束的傾角有關(guān)。

1.2 照度均勻性的表征

為了考慮光源射出光的均勻程度,可用照度最大值與最小值的比值來表示,比值越大說明均勻性越好：

在考慮光照均勻性的同時(shí),必須保證總光通量和光效在許可的范圍內(nèi)。

2 仿真與分析

2.1 單燈的光照度仿真與分析

通常用照度計(jì)測(cè)量的是某一個(gè)區(qū)域的光照度,該區(qū)域大小和照度計(jì)的探頭大小有關(guān)。當(dāng)在TracePro中模擬一個(gè)平面上的照度分布時(shí),通常將該平面劃分成若干個(gè)面積相同的網(wǎng)格區(qū)域,入射到每個(gè)網(wǎng)格區(qū)域的光線數(shù)量不同,即光通量不同,也就是照度不同,再經(jīng)過高斯和平滑處理,可得到照度分布圖。

圖2 光源模型

在加熱燈的輻射發(fā)光過程中,在有效輻射區(qū)域內(nèi),不能將其視為點(diǎn)光源,如圖2所示,實(shí)際發(fā)光體截面為φ20 mm,長(zhǎng)5 mm的柱體,功率為50 W。

2.1.1 光(輻)照度與參考平面的關(guān)系

針對(duì)單燈模型,經(jīng)過仿真,模擬出距離光源40 cm的30 cm×30 cm照射面上的光照度分布(圖3)。

從圖3中獲得的具體數(shù)據(jù)如表1。

表1 單燈具體仿真結(jié)果數(shù)據(jù)

從圖3和表1中可清晰地看出,單燈光源的空間梯度較大,輻(光)照度均勻性隨著參考面積的減小而增大;同時(shí)由于物體發(fā)射光能的方式有熱輻射和發(fā)光兩種,但從本質(zhì)上都是電磁輻射,所以該圖也反映出了光源輻射到照射面的能量分布從中心區(qū)域到邊緣依次遞減。

因此,在紅外熱波檢測(cè)應(yīng)用中,可以通過疊加原理來增加加熱光源的數(shù)量,從而擴(kuò)大光照度均勻性高的區(qū)域,提高檢測(cè)速度和精度。

2.1.2 輻照度與照射距離的關(guān)系

選取參考面積為10 cm×10 cm,計(jì)算距離分別為20,30,40和50 cm處的照度均勻程度,計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 單燈仿真數(shù)據(jù)

從表2可看出,隨著光源到照射面的距離增大,在相同的參考面積下,不僅輻照度分布的均勻程度變化很小,而且照度均勻程度都比較高;但輻照度卻隨著距離的增大而減小,且變化幅度較大,可見能量損失較多。因此,在實(shí)際加熱過程中,尤其是高能脈沖閃光燈加熱過程中,仍需要選取合適的加熱距離。

2.2 多燈陣列的輻(光)照度仿真與分析

由單燈的輻照度分析可知,單燈具有空間梯度大的缺點(diǎn),以及從能量、照射面積上都無法滿足實(shí)際檢測(cè)的需要,因此在實(shí)際檢測(cè)中多是采用面陣列的形式,以提供足夠的能量和較大且均勻性高的照射面,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)物體的快速、高效、大面積的檢測(cè)。以下進(jìn)行仿真雙燈、四燈面陣列的照度分析,仿真結(jié)果如圖4所示。顯然,多燈陣列效果優(yōu)于單燈,不僅空間梯度得到了改善,而且參考面積內(nèi)照度分布也均勻。

2.3 遮罩

由于在檢測(cè)過程中,熱激勵(lì)的核心作用就是通過給被測(cè)物體表面進(jìn)行均勻加熱以獲取精準(zhǔn)的溫差分布。為此,在加熱光源不變的情況下,通過采用在加熱燈周圍裝上遮罩的方法,不僅可以有聚光效果,收集更多的光能,防光擴(kuò)散,而且使箱內(nèi)形成勻光環(huán)境,尤其在高能脈沖加熱方法中,還可以保護(hù)人的眼睛,防止強(qiáng)光直接照射[4]。

圖4 照度等高線分布圖

遮罩的尺寸根據(jù)熱像儀的廣角鏡頭和實(shí)際檢測(cè)面積的需求而定。以 FLIR ThermaCAMTMSC3000紅外熱像儀為例,其采用320×240像元的焦平面探測(cè)器,熱像儀鏡頭為40的廣角鏡頭,在固定檢測(cè)工作距離42 cm時(shí)的檢測(cè)面積為24 cm×32 cm。遮罩的尺寸為30 cm×40 cm×45 cm。圖5為加上遮罩后光源仿真模型與陣列模型。

以照射距離為 42 cm,照射面積為 30 cm×40 cm進(jìn)行仿真,結(jié)果如圖6所示。

將圖6與圖3進(jìn)行對(duì)比,可直觀地看出,光源中心區(qū)域擴(kuò)大,右邊的照度曲線分布中峰值域較寬,可見中心區(qū)域照度均勻性得到增強(qiáng)。在熱像儀的檢測(cè)面積24 cm×32 cm內(nèi),照度均勻度為94.13%;而且照射到照射面上的總光通量也增加了,光能利用率為67.2%。

3 結(jié)語

對(duì)單燈的照度分布等光學(xué)特性、多燈陣列分布的照度以及遮罩結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值仿真分析,取得了較好的效果,并得出以下結(jié)論：

(1)熱激勵(lì)光源輻照度的均勻程度主要受所選取參考面積大小的影響,照射距離影響很小,但隨著照射距離的增大,輻照度卻急劇減小。

(2)在紅外熱波檢測(cè)中,可以通過使用雙燈、四燈等多燈陣列光源和遮罩等方法來增強(qiáng)光源照度分布的均勻性,從而提高被測(cè)物體表面的均勻受熱程度,有利于紅外熱像儀準(zhǔn)確捕捉到物體表面溫度差,從而提高檢測(cè)精度,同時(shí)還可增大一次性檢測(cè)面積,降低外界的干擾。

[1]呂中產(chǎn),田裕鵬,周克印.紅外無損檢測(cè)中熱激勵(lì)研究[J].無損探傷,2005,29(6)：44-45.

[2]楊小林,呂伯平,先明樂.飛機(jī)復(fù)合材料紅外熱像檢測(cè)中的熱激勵(lì)方法[J].無損檢測(cè),2008,30(6)：369-371.

[3]霍彥明,吳淑梅,譚俊廷,等.基于 Matlab的 LED陣列的研究與仿真[J].應(yīng)用光學(xué),2009,30(2)：191-194.

[4]劉波.紅外熱波無損檢測(cè)系統(tǒng)中閃光燈陣列脈沖熱激勵(lì)裝置的研制和應(yīng)用[D].湖北：武漢理工大學(xué),2007.