无损检测与评估在提高产品质量, 降低生产成本、保障在役设备的安全运行等方面具有十分重要的意义, 已经得到世界各国的高度重视。与超声、射线、涡流、磁粉、渗透等无损检测与评价方法相比, 红外热像无损检测技术以其响应速度快、非接触测量、检测结果直观形象、操作安全等诸多优点而受到广泛关注。
对红外热像无损检测技术的研究, 主要集中在激励源和激励方式的研究上。红外热像检测的激励源主要有光学激励源和机械激励源。光学激励是从外部对试件进行激励, 将光能转换为热能;机械式激励则是在试件内部通过机械振动在缺陷处将机械能转换为热能。本文重点介绍以电磁激励的方式对试件进行加热的红外热像无损检测技术。
1 红外热像检测技术的研究进展
自20世纪90年代以来, 国际上积极开展红外热像无损检测技术的研究。在红外热像无损检测技术的研究上美国、加拿大、法国、俄罗斯等国走在了前列。以加拿LAVAL大学的Xavier P.V教授为代表的一大批科研人员, 对红外热像无损检测技术进行了深入研究。美国韦恩州立大学在该技术的研究上一直得到政府机构和许多大公司科研基金的支持, 处在该领域研究的最前沿, 取得了很多实际的研究成果, 已广泛应用于飞机机身无损检测。国内对该技术的研究起步较晚, 在国家863项目“红外热波无损检测技术在复合材料研究中的应用”的基金支持下, 首都师范大学、北京维泰凯信新技术有限公司、北京航空材料研究院在首都师范大学物理系建立了一个红外热像无损检测实验室, 并开展了理论研究和实验研究, 获得了一些有实际意义的成果。该实验室自主创新研发的热激励装置在2006年获得国家实用新型专利, 目前该激励装置已投入使用, 在大量地基础性实验中发挥了重要作用。
2 电磁激励红外热像无损检测技术
电磁激励红外热像无损检测技术是近几年国际上刚刚出现的一种新型红外热像无损检测技术, 目前对该技术的研究报道还不多, 在国内更是空白。电磁激励红外热像无损检测技术是基于电磁感应原理和涡流效应提出的。该技术的创新之处在于采用电磁激励的方式对待测物体进行加热。由于电磁激励的灵活性很大, 可以选择不同的波形、频率, 且激励装置的功率可调, 这样, 可以根据检测对象的不同, 选择不同的参数, 从而到达最佳的检测效果。另外, 电磁激励因不需要使激励源与待测物体相接触, 属于非接触式激励方法, 故不存在激励源与试件因耦合不稳定而造成检测重复性差的问题。电磁激励可对试件进行局部的激励检测, 因而基本不用考虑激励的均匀性问题, 也不需要有无缺陷区域的温度场做参考。可见, 电磁激励的优势比较明显。
在国外, 研究学者已对该技术做了初步的研究。在第17届世界无损检测大会上, 德国的Udo Netzelmann博士对他们的初步研究情况及成果做了报告。Udo Netzelmann博士利用高频交变磁场对锻造部件进行加热, 检测铁素体钢表面和内部的裂纹, 其设计方案见图1。在测试对象旁边放置一个高频感应线圈, 将励磁电流作用于导电线圈中。根据电磁感应, 铸件内将产生涡流, 由于裂纹的存在, 造成局部涡流的损耗, 而对裂纹的检测正是根据作用于裂纹的涡流分布的改变来进行的。在裂纹的附近出现较高的热量分布, 可以用作热像检测。
Udo Netzelmann博士通过多个应用实例和系统研究, 指出该方法在检测复杂形状的铁素体钢结构上除具有响应速度快、检测灵敏度较涡流检测高的特点外, 还达到了高检出性和低误警率。
法国IREENA实验室的Madani Louaayou通过有限元分析的方法, 对试件和感应激励之间的关系进行了研究。他指出, 导电性能好的材料或处于高电磁频率的材料, 只有近表面的薄层被加热, 在这种情况下, 缺陷深度的检测范围取决于热扩散长度和诱导热波的频率;对于位于电磁测深以内的缺陷, 可以利用热波或被缺陷干扰的涡流来进行检测, 但如果电磁测深较小则只能用热波来对缺陷进行检测。
此外, 印度学者D.Biju等人对感应激励的最优频率问题进行了研究, 在该频率的激励作用下, 能够使给定厚度的测试对象产生一个最大的温度上升值。D.Biju该最优频率与材料的导电性能有关, 导电性能差的材料, 其最优频率的频率范围较宽, 而随着导电性能的提高, 其最优频率的频率范围变窄。
3 结语
国外学者对基于电磁激励的红外热像无损检测技术的研究现状, 作为一种全新的检测和科研手段, 对该技术进行系统的研究, 掌握其核心技术, 拓宽其应用领域, 对提高各种军、民用工业设备的安全可靠性具有重要意义。
摘要：重点介绍了依据电磁感应原理和涡流效应而提出的基于电磁激励的红外热像无损检测技术。通过分析国外学者的研究情况, 意在使读者对该技术有一个总体的认识, 促进对该技术的研究发展。
关键词：电磁激励,红外热像,无损检测
参考文献
[1] 李国华, 吴立新, 吴淼, 等.红外热像技术及其应用的研究进展[J].红外与激光工程, 2004, 33 (3) :227～230.