國內外研究現(xiàn)狀:

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

1978年，美國德克薩斯儀器公司又研制成功世界上第一個非制冷紅外熱像系統(tǒng)。20世紀90年代中期，美國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)展及應用，紅外熱波技術進入了快速發(fā)展的階段，在無損檢測領域中的重要性逐漸顯示出來。

美國韋恩州立大學是最早從事該項技術的研究單位之一，一直處于該領域的前沿，在光脈沖、超聲激勵紅外熱成像方面取得了很多實際有用的研究成果。此外，英國巴思（Bath）大學、英國無損檢測協(xié)會、德國斯圖加特大學、法國Cedip公司、加拿大Laval大學、俄羅斯、澳大利亞等國都在致力于該項技術的研究，并廣泛應用于飛機復合材料構件內部缺陷及膠接質量的檢測、沖擊損傷檢測以及蒙皮鉚接質量檢測等。

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

隨著焦平面制冷型熱像儀的發(fā)展和引進，主動式紅外熱成像無損檢測技術近十幾年才逐漸發(fā)展起來。主要研究單位有首都師范大學、北京航空航天大學、北京理工大學、哈爾濱工業(yè)大學、西北工業(yè)大學、南京大學、南京航空航天大學、航空材料研究院、中國民航科學技術研究院等各大高校和科研院所。在熱波檢測理論、熱激勵方法、缺陷尺寸和深度的定量研究等方面取得了一些進步，逐漸將其應用于航空航天、風力發(fā)電、汽車制造等領域，并制定了相關的國家標準，如，無損檢測－閃光燈激勵紅外熱像法。

發(fā)展概況:

自20世紀70年代中期光聲效應研究復蘇以來 , 隨著現(xiàn)代光聲學科的發(fā)展 , 光熱效應研究相應發(fā)展起來, 因為光聲效應可以看作是光熱和熱聲兩個效應組合的結果。光熱效應檢測有多種方法 , Buse等提出利用強度調制的激光引起樣品溫度升高而產生紅外輻射, 利用紅外光電器件接收這紅外輻射 , 稱為光熱輻射技術。由于光束聚焦照射于樣品, 光束必須掃描才能檢測樣品的不均勻結構 (如亞表面的缺陷), 這是很初步的光熱檢測實驗。

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試的樣品 (機件) 上 , 樣品吸收脈沖光能而產生熱波，并發(fā)出紅外輻射, 利用紅外視頻照相機接收樣品發(fā)出的紅外輻射, 可以使樣品表面(或亞表面)的溫度分布實時成像, 其成像裝置如圖l 所示。如果樣品結構不均勻 , 則引起表面(或亞表面)的溫度分布不均勻, 因此可以檢測樣品的缺陷、雜質或其他不均勻結構, 亦稱為光熱紅外成像技術。其優(yōu)點是可以非接觸式、實時地進行較大面積的檢測。缺點是靈敏度和信噪比不是很 高, 因為微小的不均勻結構對光 的吸收、以及隨之產生的熱量與本底差異不是很大。為了提高靈敏度和信噪比, 必須使光源強度加大 , 所以常常需要用多個千瓦級的氛燈同時照射樣品，或者采用鎖相( Lock-in) 或積分平均(Boxcar)技術, 以改善信噪比。但是這樣降低了成像速度，不利于實時成像。

進一步，Buse等提出利用低頻調幅的超聲波作為激發(fā)源, 作用于樣品使樣品加熱，同時用紅外照相機檢測樣品表面的溫度分布，如圖2所示。如果樣品結構不均勻, 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距離, 紅外照相機有相當大的視場，可以比較方便地對樣品進行實時無損檢測。其缺點是振幅調制的超聲波能量小，檢測靈敏度較低。

光熱紅外成像檢測系統(tǒng)和調幅超聲熱波紅外系統(tǒng)超聲紅外熱成像技術的檢測原理：超聲紅外熱像技術是超聲波發(fā)生器產生電信號傳送至超聲槍，超聲槍產生短脈沖( 50～200 ms) 、低頻率( 20～40 kHz)的超聲波作用于物體表面，超聲波經過界面耦合在物體中傳播。遇到裂紋、分層等損傷時，在超聲波的激勵下介質損傷兩界面間發(fā)生接觸碰撞，質點間的摩擦作用使超聲波產生的機械能轉化為熱能，從而使損傷處及相鄰區(qū)域的溫度明顯升高，其對應表面溫度場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

在超聲波作用的過程中，材料內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特點：超聲紅外熱成像無損評估綜合應用超聲激勵和紅外熱成像技術來對材料或結構的缺陷進行鑒別，尤其對金屬材料和陶瓷材料的表面及近表面裂紋，復合材料的淺層分層或脫粘等的檢測非常有效。因此利用其超聲紅外熱成像特定的振動激勵源來促使材料或結構內部產生機械振動（彈性波傳播）, 使其缺陷部位（裂紋或分層）因熱彈效應和滯后效應等原因導致聲能衰減而產生釋放出熱能，最終引起材料局部溫度升高。通過紅外熱像儀對材料局部發(fā)熱過程進行捕捉和采集，就可以借助于時序熱圖像對材料或結構內部的缺陷進行判別。

熱效應的產生是由于聲波在材料中傳播時在內部缺陷兩個異質界面上的振動不一致所造成的，例如封閉裂紋將會由于裂紋內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形成一條線，隨后就會變得模糊不清而且熱區(qū)域會慢慢向外擴散。當超聲脈沖激勵源停止后，目標區(qū)域的溫度將會像普通熱輻射過程一樣逐漸降低。

除了能夠對微小裂紋進行檢測外，超聲紅外熱成像無損評估技術還能應用于其他類型的缺陷測，如復合材料的內部分層或脫粘等。該技術除了對裂紋的檢測速度非?？欤▋H需數(shù)秒）、信噪比好和靈敏度高外，對更深的內部分層或裂紋的檢測方面優(yōu)于其他傳統(tǒng)技術如超聲波檢測和脈沖紅外熱成像檢測等方法。

超聲紅外成像技術與其他無損檢測技術比較：與其他無損檢測技術相比，超聲紅外熱像技術具有顯著的優(yōu)點：

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

2.熱激勵引起的溫升現(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比度較高而且檢測安全性相對較高；

3.檢測效果控制比較容易，調節(jié)超聲激勵信號參數(shù)（如信號頻率、信號幅值、波形等）就可以控制檢測效果?；谏鲜鰞?yōu)點，結合波動傳播有限元分析理論，超聲紅外熱像技術結構無損檢測領域成為研究熱點，在金屬材料表面缺陷檢測以及復合材料的內部缺陷（如脫層）檢測中具有良好的應用前景。

超聲紅外熱成像技術檢測金屬鋁板：

下圖顯示的是超聲紅外熱成像技術對金屬鋁板試件裂紋損傷的檢測結果。在鋁板試件上預制了三條不同方向的裂紋缺陷。檢測效果與超聲激勵信號的幅值成正比關系，在信號幅值超過±80V時即可在紅外熱圖中觀察到缺陷的明顯特征；當幅值達到150V時檢測效果最佳，而此時激勵功率僅約為10W，因此本實驗系統(tǒng)能夠實現(xiàn)低功率超聲有效熱激勵，實驗風險非常小。