紅外熱像檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀研究

任國(guó)仲 張中興 趙冠宗

摘 要：紅外熱像檢測(cè)技術(shù)在軍事以及工業(yè)方面有廣泛的應(yīng)用，在生產(chǎn)過程中具有重要的地位，本文對(duì)紅外熱成像技術(shù)進(jìn)行了介紹，并對(duì)技術(shù)的發(fā)展歷史和國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行了概括。

關(guān)鍵詞：紅外熱像；檢測(cè)技術(shù)；發(fā)展；研究現(xiàn)狀

1 引言

紅外熱成像技術(shù)本質(zhì)上是一種波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換技術(shù)，可將紅外輻射圖像轉(zhuǎn)換為視圖。通過光學(xué)機(jī)械掃描系統(tǒng)，將來自物體的紅外輻射會(huì)聚到紅外探測(cè)器，形成紅外熱像，以區(qū)分被測(cè)物體的表面溫度。該技術(shù)具有檢測(cè)速度快，無接觸，范圍寬，精度高，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和實(shí)時(shí)觀察等優(yōu)點(diǎn)，從20世紀(jì)80年代初開始從軍事領(lǐng)域引入并逐步引入民用工業(yè)。此后，隨著紅外熱像儀性能的不斷提高和相應(yīng)圖像分析處理軟件的發(fā)展，該技術(shù)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人們生活等各個(gè)領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。從中華人民共和國(guó)成立初期開始，紅外熱像技術(shù)的研究已經(jīng)開始，一部分已經(jīng)啟動(dòng)。例如，我們自己開發(fā)了許多類型的紅外熱像儀。但由于國(guó)外關(guān)鍵技術(shù)的封鎖，中國(guó)在這一領(lǐng)域的研究與發(fā)達(dá)國(guó)家之間仍存在一定的差距。相對(duì)于傳統(tǒng)的常規(guī)檢測(cè)技術(shù)而言紅外熱成像技術(shù)具有如下特點(diǎn)：

①?gòu)V泛的適用性：溫度是物體的基本狀態(tài)參數(shù)之一，而采集到的紅外熱像實(shí)質(zhì)是物體表面的溫度云圖，因此，紅外熱像檢測(cè)技術(shù)可以對(duì)任何物體進(jìn)行檢測(cè)，具有廣泛的適用性；

②非接觸性：這是紅外熱像檢測(cè)獨(dú)特優(yōu)勢(shì)所在。紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)通過捕捉物體熱輻射產(chǎn)生的信號(hào)，經(jīng)處理后呈像，無需接觸待測(cè)物體，因此，可以對(duì)一些特殊物體進(jìn)行檢測(cè)，例如高危險(xiǎn)物體或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的物體。這對(duì)于溫度檢測(cè)水平的提高具有重要意義；

③測(cè)試溫度范圍廣：凡是溫度高于絕對(duì)零度的物體都會(huì)產(chǎn)生紅外輻射能，因此可以說紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)可以對(duì)目前已知的一切物體進(jìn)行檢測(cè)；

④無測(cè)溫?zé)釕T性，紅外熱像檢測(cè)可以對(duì)熱容量過導(dǎo)熱系數(shù)極小的材質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)；

⑤紅外熱成像通常以灰色或彩色云圖像的形式輸出。因此，測(cè)試結(jié)果更加直觀，每個(gè)點(diǎn)的溫度值讀取更加方便，并且在熱圖像中還有大量與測(cè)量設(shè)備相關(guān)的其他信息；

⑥它可以進(jìn)行較快速的實(shí)時(shí)測(cè)量，同時(shí)，可以對(duì)較大范圍的唯獨(dú)變化進(jìn)行快速響應(yīng)，對(duì)于溫度變化的瞬態(tài)研究具有重要意義；

⑦數(shù)字輸出信號(hào)便于計(jì)算機(jī)處理和自動(dòng)化。

基于紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)的諸多優(yōu)勢(shì)，紅外熱像儀得以廣泛應(yīng)用并迅速發(fā)展，得到了諸多領(lǐng)域的認(rèn)可，被認(rèn)為是發(fā)展前景最廣闊的無損檢測(cè)技術(shù)之一，其主要發(fā)展方向?yàn)槲⑿突?，便捷化和?jīng)濟(jì)化。在上世紀(jì)末，紅外熱像檢測(cè)技術(shù)以其鮮明的特點(diǎn)在飛機(jī)機(jī)身無損檢測(cè)中挫敗超聲檢測(cè)等諸多檢測(cè)技術(shù)。此后，紅外熱像檢測(cè)技術(shù)更是被應(yīng)用到航空航天領(lǐng)域，美國(guó)NASA將其作為航天飛機(jī)的監(jiān)控檢測(cè)技術(shù)。

2 國(guó)內(nèi)紅外熱像檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展

由于紅外熱成像技術(shù)在測(cè)量溫度相關(guān)變化方面具有非常大的優(yōu)勢(shì)，在紅外熱像技術(shù)被發(fā)明的時(shí)候就引起了國(guó)內(nèi)外研究人員的密切注意，并對(duì)其進(jìn)行了深入的研究。國(guó)內(nèi)外的科研人員對(duì)紅外熱成像技術(shù)的研究呈現(xiàn)逐年穩(wěn)步增長(zhǎng)的趨勢(shì)。根據(jù)論文發(fā)表數(shù)量分析其具體原因發(fā)現(xiàn)，由于很多高新技術(shù)會(huì)議如第九屆全國(guó)光伏技術(shù)學(xué)術(shù)交流會(huì)，第二屆中國(guó)科學(xué)院博士后學(xué)術(shù)會(huì)議和高新技術(shù)與發(fā)展迎接無損檢測(cè)新技術(shù)等促進(jìn)了學(xué)者之間的交流溝通，進(jìn)一步激發(fā)了科研人員對(duì)紅外熱像技術(shù)研究的熱情。從國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀還可以發(fā)現(xiàn)，紅外熱像技術(shù)在安全科學(xué)和防災(zāi)控制領(lǐng)域的應(yīng)用研究雖然起步很早，但是由于種種原因研究的卻很少，主要還是對(duì)安全科學(xué)和研究這個(gè)領(lǐng)域的專業(yè)人才和機(jī)構(gòu)缺乏一定的重視。對(duì)于紅外熱成像技術(shù)最突出的研究是電力工業(yè)，電力是人類開展項(xiàng)目的生命線，由于電力領(lǐng)域紅外熱像探測(cè)技術(shù)關(guān)乎每個(gè)項(xiàng)目的正常運(yùn)行，所以，我國(guó)在紅外成像技術(shù)方面的研究有很大的資金投入。

到目前為止，我國(guó)的各行各業(yè)對(duì)紅外熱像檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)有了成熟的應(yīng)用，比如在電力電子、石油冶金等方面。電力行業(yè)是我國(guó)對(duì)紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用最早、研究最深的行業(yè)領(lǐng)域，紅外熱成像技術(shù)主要應(yīng)用在電力設(shè)備接頭以及裸露載流導(dǎo)體熱狀態(tài)的不停機(jī)檢測(cè)。

另外，紅外熱像檢測(cè)技術(shù)也應(yīng)用在其他領(lǐng)域。例如電子領(lǐng)域，檢測(cè)電子線路；建筑領(lǐng)域，房屋的保溫效果評(píng)價(jià)等方面。并且，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)于新型紅外熱像檢測(cè)方法同時(shí)進(jìn)行了研究。湯慧君首先研究脈沖紅外熱像法的機(jī)理，基于不同因素對(duì)熱流傳播作用，尤其是對(duì)缺口位置（包括其深度及尺寸）、試件的尺寸等參數(shù)對(duì)熱流傳播的作用機(jī)理，導(dǎo)出檢測(cè)靈敏度的最適概念，武翠琴等根據(jù)閃光燈對(duì)玻璃纖維夾雜試件進(jìn)行不同方式的加熱，并且對(duì)缺口進(jìn)行了分析探討；郭杏林等對(duì)鎖相紅外熱像檢測(cè)過程進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，結(jié)果揭示了頻率對(duì)檢測(cè)的作用機(jī)理，此外并對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了證明；趙延廣等對(duì)復(fù)合材料網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)的幾種典型缺口進(jìn)行分析研究，根據(jù)鎖相紅外熱像檢測(cè)的方法，揭露了主要的影響因素是加載頻率、輸出電壓偏移量及兩者之間的關(guān)系；田裕鵬等根據(jù)鋁合金和聚合物兩種典型的金屬和非金屬試件的特性，利用脈沖相位熱成像檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)，研究其亞表面缺陷；面臨的超聲熱像檢測(cè)法存在的問題，徐維超通過理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)裂紋缺陷檢測(cè)的影響因素，主要包括超聲發(fā)射器與試件間的壓力、超聲波能量（對(duì)應(yīng)超聲波振幅）和超聲波激勵(lì)時(shí)間等因素進(jìn)行討論。現(xiàn)在，更多的學(xué)者和單位對(duì)新型紅外熱像檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行分析探討，據(jù)此發(fā)表多篇文獻(xiàn)，對(duì)該方法進(jìn)行說明闡述。

3 國(guó)外紅外熱像檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展

最早應(yīng)用紅外技術(shù)的行業(yè)是軍事行業(yè)。二戰(zhàn)中德國(guó)軍隊(duì)首先為士兵配備多種設(shè)備，包括紅外通訊和夜視等。但是紅外技術(shù)在全球成功應(yīng)用并普及的標(biāo)志是瑞典AGA 公司在1964年進(jìn)行的無損檢測(cè)技術(shù)。發(fā)達(dá)國(guó)家經(jīng)濟(jì)充足，對(duì)此領(lǐng)域投入較大，故發(fā)展較為迅猛，尤其是美國(guó)等國(guó)。這些國(guó)家研究出的紅外技術(shù)廣泛應(yīng)用于航空航天、電力電子、石化冶煉等行業(yè)。目前美國(guó)是紅外技術(shù)研究領(lǐng)頭的國(guó)家，它包含了全球很多紅外設(shè)備的供應(yīng)廠，而且以很快的速度研究了紅外熱像檢測(cè)技術(shù)，并加以應(yīng)用在各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域中。此外還對(duì)ASNT、ASTM 等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)定以及制備各種紅外操作說明書和人員訓(xùn)練體系。按紅外熱像檢測(cè)技術(shù)的檢測(cè)方式來說，分為兩類，主動(dòng)式（Active thermographic testing）和被動(dòng)式（Passivethermographic testing）。在1930年，最基本的檢測(cè)思想輪廓就已經(jīng)成型，知道20 世紀(jì)60 年代Green 和Alzofon第一次針對(duì)主動(dòng)式紅外熱像檢測(cè)技術(shù)提出該方向的研究理論和概念。而根據(jù)他們的研究，后來世界上各國(guó)的研究學(xué)者對(duì)紅外熱像無損檢測(cè)與評(píng)估技術(shù)進(jìn)行深入的探討與研究。但是檢測(cè)成本、檢測(cè)精度等方面的缺點(diǎn)，導(dǎo)致了紅外熱像無損檢測(cè)早先主要應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，例如檢驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)噴管膠接質(zhì)量，以及通油管道的泄露檢查等。

在此部分主要分析研究了紅外技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)應(yīng)用在其他領(lǐng)域方面的可能性，相對(duì)于其他檢測(cè)方法（如超聲、X 射線檢測(cè)等）來說，并沒有從根本上揭露紅外熱像檢測(cè)技術(shù)的先進(jìn)性，因?yàn)槟菚r(shí)候的發(fā)展比較緩慢，紅外熱像檢測(cè)技術(shù)還不成熟。在1970年以后，國(guó)外學(xué)者對(duì)于紅外熱成像技術(shù)的研究逐漸與其他領(lǐng)域的理論相結(jié)合，Carlslaw做的工作非常典型，他首次將熱傳導(dǎo)理論引入到了紅外成像技術(shù)的研究當(dāng)中。在這個(gè)時(shí)期，學(xué)者們對(duì)于這項(xiàng)技術(shù)的研究?jī)?nèi)容主要是圍繞均質(zhì)體進(jìn)行熱傳導(dǎo)研究，比較典型的學(xué)者有Maldague、Vavilov、D.P.Alomond、Favro等，這些學(xué)者在政府相關(guān)獎(jiǎng)勵(lì)政策下相繼對(duì)一維、二維的熱傳導(dǎo)模型進(jìn)行了構(gòu)建并計(jì)算出了相關(guān)數(shù)值解。這些研究成果為紅外熱像技術(shù)上升到理論層次奠定了基礎(chǔ)。到了1988左右，隨著紅外熱像儀攝像速度、像素以及靈敏度等的提高，這些技術(shù)主要朝著更高的方向發(fā)展。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用，在20世紀(jì)80年代后期涌現(xiàn)出了各種新型紅外熱像技術(shù)，在軍事和工業(yè)方面得到了廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]呂事桂，劉學(xué)業(yè).紅外熱像檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展和研究現(xiàn)狀[J].紅外技術(shù)，2018，40（03）：214-219.

[2]陳金法.絕緣子紅外熱像檢測(cè)及診斷技術(shù)研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2011.