民航飛機(jī)主動紅外熱波成像檢測技術(shù)進(jìn)展研究

余逸聰

摘 要：結(jié)合主動加熱方式差異，論述了主動紅外熱成像無損檢測技術(shù)理論基礎(chǔ)及技術(shù)特點(diǎn)。將主動紅外熱成像無損檢測技術(shù)運(yùn)用于飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)缺陷、復(fù)合材料缺陷、葉片裂紋等無損檢測。根據(jù)主動紅外熱成像實(shí)驗(yàn)技術(shù)特點(diǎn)，對飛機(jī)檢測技術(shù)進(jìn)行了研究，以供參考。

關(guān)鍵詞：民航飛機(jī);紅外熱波成像;檢測技術(shù)

最近幾年，我國各研究機(jī)構(gòu)都對主動紅外熱成像技術(shù)飛機(jī)檢修進(jìn)行了研究。對于理論研究，我國研究者與國外研究者相比，不甘落后?？墒窃趯?shí)踐中，國外已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用，國內(nèi)仍舊處在研究中，造成此種差距的因素很多，硬件設(shè)備的差距是其中重要的因素。針對技術(shù)來講，必須對目前的研究成果進(jìn)行總結(jié)，使得新的主動紅外熱成像技術(shù)在飛機(jī)檢測中得到更好的應(yīng)用。

一、主動紅外熱成像無損檢測理論基礎(chǔ)與技術(shù)特點(diǎn)

主動式紅外熱成像技術(shù)就是通過外部熱源實(shí)現(xiàn)物理的加熱，通過紅外熱像儀對物體不同時(shí)段的溫度進(jìn)行確認(rèn)，從而對其中存在的缺陷進(jìn)行判斷。所以，其就是對導(dǎo)熱問題相關(guān)的微分方程的反問題進(jìn)行求解，結(jié)合紅外信號將缺陷信息進(jìn)行重建。在求解此反問題時(shí)，輸入材料參數(shù)、加熱參數(shù)以及溫度空間分布，溫度隨著時(shí)間發(fā)生變化，輸出缺陷橫向尺寸、深度以及缺陷厚度等[1]。主動紅外成像需將外部加熱條件作為依托，其是主動紅外熱成像和被動紅外熱成像的不同之處。其中主紅外熱成像需要根據(jù)測試材料的不同以及不同的缺陷等對外部熱源進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)，如熱風(fēng)高能閃光燈、超聲波燈，再利用計(jì)算機(jī)對外部熱源的加熱周期燈進(jìn)行把控，利用不同種類的紅外熱像儀來采集檢測物體表面的熱波信號，再利用熱成像軟件對圖像信號進(jìn)行有效的處理，并將可視圖像測試結(jié)果進(jìn)行呈現(xiàn)。主動紅外熱成像技術(shù)作為飛機(jī)檢測的重點(diǎn)研究，是因?yàn)槠渑c其他檢測技術(shù)存在著不同，新型非制冷紅外熱像儀相較于傳統(tǒng)的熱電測溫要快數(shù)千倍。紅外熱像儀測溫理論下限為熱力學(xué)零度，并不存在理論上限，實(shí)際測溫的上限可到達(dá)5000至6000C。進(jìn)行一次紅外熱成像測量能夠達(dá)到0.1平方米，針對大規(guī)模的檢測對象可以實(shí)現(xiàn)自動拼圖，能夠進(jìn)行更加充分的觀測。有著廣泛的適應(yīng)面，不但對金屬材料進(jìn)行檢測，還能對非金屬材料進(jìn)行測量。一般外部熱源與紅外熱像對測量物體的同側(cè)需要進(jìn)行非接觸式測量，對被側(cè)物體的溫度不造成影響，此項(xiàng)技術(shù)適用于測量運(yùn)動中的物體以及存在危險(xiǎn)的物體等[2]。紅外熱像儀所輸出的圖像信息更加直觀容易理解，并且信息十分豐富。此外，主動紅外熱成像設(shè)備能夠移動，利于攜帶，特別符合飛機(jī)無損檢測以及在現(xiàn)場進(jìn)行檢測。

二、主動紅外熱成像無損檢測技術(shù)與研究進(jìn)展

1984年，脈沖加熱紅外線成像技術(shù)最先由英國的Milne提出，接下來美國和加拿大等也對此技術(shù)展開了研究，當(dāng)前此項(xiàng)技術(shù)成為各個國家重點(diǎn)研究的紅外熱成像技術(shù)?？墒窃谇蠼鈱?shí)際熱傳導(dǎo)模型的過程中局限于復(fù)雜的邊界條件，造成其很難進(jìn)行準(zhǔn)確的解析，各大文獻(xiàn)中顯示的解析多數(shù)是實(shí)際邊界條件的近似值，相較于實(shí)際測量結(jié)果存在著很大的差異，可是對研究被檢測物體中存在的缺陷發(fā)揮著指導(dǎo)的作用[3]。1988年，Reynoldsol針對求解脈沖加熱紅外熱成像提出了一個簡便的指數(shù)模型，有待測試物體表面缺陷區(qū)域和完好區(qū)域的溫度差，明確其溫度差與缺陷在物體中深度的關(guān)系，如此了解到脈沖加熱紅外熱成像技術(shù)能夠?qū)ξ矬w接近表面的缺陷進(jìn)行檢測。1988年，Milne通過有限元法測量受脈沖輻射加熱的金屬試件內(nèi)近表缺陷深度，根據(jù)熱傳導(dǎo)理論進(jìn)行二維近似研究。1991年， Lau基于脈沖加熱輻射，對金屬試件內(nèi)近表缺陷深度的簡單三維模型作出了近似分析，該模型充分地體現(xiàn)了缺陷對表面溫度場分布的影響。結(jié)合此模型對缺陷大小、深度以及與表面溫度分布間的關(guān)系進(jìn)行探討。1991年， Hobbs等人對金屬表面各種涂層材料展開了研究，通過實(shí)驗(yàn)對材料進(jìn)行研究。1998年，起薛書文等對脈沖紅外熱成像技術(shù)理論及試驗(yàn)進(jìn)行了長時(shí)間研究，利用此技術(shù)對金屬內(nèi)部近表缺陷進(jìn)行了檢測，并且在理論方面提出評價(jià)脈沖紅外熱成像進(jìn)行無損檢測分辨力的憑證。2000年，梅林等對脈沖加熱紅外熱成像技術(shù)進(jìn)行了研究，并運(yùn)用了有限元模擬，針對各種材料展開了深入研究以及進(jìn)行了定量測量，并且提供了理論模型。2006年，張存林等對新型脈沖熱源裝置進(jìn)行了研究，并且申請了專利。2006年，張存林等使用閃光燈脈沖熱源對玻璃鋼平底洞試件進(jìn)行了加熱，并對熱圖加以測試，對熱波單向測厚的方式進(jìn)行了研究。2008年，張存林、李艷紅等給出了脈沖位相分析的處理數(shù)據(jù)的方法，使得紅外熱波無損檢測能夠測量出缺陷的深度，對圖像相位頻率信息進(jìn)行獲取，結(jié)合熱波頻率和傳導(dǎo)深度存在的聯(lián)系，來檢測缺陷深度。從整體來講，脈沖加熱紅外成像技術(shù)受到了廣泛的應(yīng)用，并且得到了大量的研究，可是此項(xiàng)技術(shù)依然有著缺陷，如測試試件的厚度十分有限，需要熱源具備較高的均勻性，因?yàn)槭艿綑z測試件結(jié)構(gòu)所影響，其只能對平板試件進(jìn)行檢測，無法檢測形狀較為復(fù)雜的試件。

三、將主動紅外熱成像無損檢測技術(shù)應(yīng)用于飛機(jī)檢測中的進(jìn)展

飛機(jī)機(jī)身和機(jī)翼是由鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)制作而成，其缺陷體現(xiàn)為緊貼型缺陷、間隙型缺陷、弱膠接以及芯子缺陷等。當(dāng)前在檢測的過程中經(jīng)常出現(xiàn)的缺陷為飛機(jī)蜂窩結(jié)構(gòu)脫粘缺陷、焊接鉚接損傷、腐蝕損傷等。采用紅外熱成像技術(shù)來檢測脫粘缺陷，再對其損傷特征進(jìn)行辨別，迅速的檢測試件粘接質(zhì)量。第一，關(guān)于飛機(jī)碳纖維增強(qiáng)多層符合材料試件缺陷檢測中存在的問題，WangXun等進(jìn)行了研究，通過脈沖加熱紅外熱成像能夠得到各個時(shí)間段所呈現(xiàn)的破損情況。李艷紅等利用脈沖紅外成像技術(shù)檢測了航空的碳纖維層壓板，得到的熱圖將被檢測材料的內(nèi)部缺陷充分的反映。對于檢測飛機(jī)發(fā)動機(jī)渦輪葉片的故障在發(fā)動機(jī)安全檢測中十分關(guān)鍵，包含熱障涂層損傷、裂紋檢測以及冷卻通道堵塞等。在熱風(fēng)的作用下來比較正常葉片以及故障葉片，能夠?qū)嵴贤繉訐p傷情況進(jìn)行判斷。利用高能氙燈對葉片給予熱刺激，熱像儀會將葉片表面瞬間的溫度變化進(jìn)行記錄，運(yùn)用熱圖像對葉片內(nèi)部溫暖場進(jìn)行重新構(gòu)建，能夠確認(rèn)葉片內(nèi)部通道的堵塞情況。利用低頻高能鎖相超聲進(jìn)行熱激勵，在運(yùn)用紅外熱像儀來比較正常葉片以及故障葉片，對故障葉片的破損情況進(jìn)行判斷。第二，飛機(jī)的機(jī)身、起落架、機(jī)翼等裂紋檢測對于主動紅外熱成像技術(shù)而言屬于最為關(guān)鍵的應(yīng)用。根據(jù)當(dāng)前的應(yīng)用狀況，在飛機(jī)部件裂紋檢測中可運(yùn)用脈沖加熱、微波加熱以及鎖相超聲加熱，將主動紅外熱成像技術(shù)應(yīng)用于鑄鋁引擎外殼裂紋、銅焊裂紋、鋼曲軸裂紋等都具有顯著的效果。超聲發(fā)射頭具備合理的設(shè)計(jì)，并能夠利用超聲加熱紅外熱成像技術(shù)在結(jié)構(gòu)疲勞裂紋、應(yīng)力裂紋等檢測中進(jìn)行提前報(bào)警，對于此，美國韋恩州立大學(xué)研究利用超聲加熱紅外熱成像技術(shù)取得了良好的研究成果[4]。

四、結(jié)束語

綜上所述，針對飛機(jī)檢測應(yīng)用來講，主動紅外熱成像技術(shù)不斷的被廣泛應(yīng)用，并且具有高分辨率，能夠進(jìn)行定量測試，外部加熱方式呈現(xiàn)多樣化，正朝向破損缺陷測試自動化發(fā)展。在主動紅外熱成像飛機(jī)檢測技術(shù)發(fā)展中，需要充分的總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，不斷的對設(shè)備進(jìn)行完善，所以對于外部主動加熱方法和熱圖像影像質(zhì)量的研究還需要進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]周家緯、李清英、郝路、周治榮、蔡銘.基于閃光脈沖紅外熱波檢測技術(shù)的蒙皮外冰形分析[J].智能計(jì)算機(jī)與應(yīng)用，2020，v.10（6）：141-144.

[2]周建民，陳超，涂文兵，等.紅外熱波技術(shù)，有限元與SVM相結(jié)合的復(fù)合材料分層缺陷檢測方法[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2020，v.41（3）：31-40.

[3]李向東，殷晨波，陳曦，等.基于紅外熱波技術(shù)的起重機(jī)械金屬氣孔缺陷識別[J].機(jī)械工程與自動化，2020，No.219（2）：182-184.

[4]魏嘉呈，劉俊巖，何林，等.紅外熱成像無損檢測技術(shù)研究發(fā)展現(xiàn)狀[J].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2020，v.25（2）：68-76.