文件摄像仪(红外热成像在无损检测应用中的发展史)

红外热成像

直至20世纪60年代后期，红外热成像在无损检测中还极少被使用，只是作为“其他”或“特殊”的技术加以讨论。进行红外热成像需要热敏感涂料或录像带，以及探针或复杂的测量表面温度的光学方案（McGonnagle,1961）。当然，随着60年代中期红外照相机的引入，无损检测业界立刻意识到红外热成像因其无触点且检测面积大而具有的潜力，一切随之发生了变化。

早期的红外摄像仪是大型的、昂贵的光学扫描仪器，而空间分辨率和速度极其有限，并且需要液态的氮来进行冷却。然而尽管有这些制约，它们还是提供了前所未有的能力，能提供一个即时生成的本地图像文件，而不是来自一个点的测量装置上孤立的数字、一个图标记录器上的图像或一条示波器的轨迹，并且无需做成胶片。红外摄像仪与热源（例如灯或热空气）结合，形成热像图的基本系统。在这个系统中，当样品冷却时，摄像仪对其进行监控，揭示表面以下热流被破坏的异常现象（Milne和Reynolds, 1985; Vavilvo和Marineti, 1999）。

之后的红外摄像仪发展速度惊人，焦平面像素大体遵循集成电路的摩尔定律。个人电脑同样发展很快，并且摄像仪和个人电脑之间数据高速传输的发展和标准化，使得捕捉高质量的红外数据序列并在几秒内让它们执行广泛的数学处理成为可能。综上所述，这些技术进步已经对红外热成像无损检测（TNDT）产生了深远的影响。今天，许多简单的应用程序可以通过一个电池供电的、重量不到0.5公斤（1磅）的手持红外摄像仪来进行操作，这种摄像仪可以放在检测员的外衣口袋里。不过，基于先进的相机技术，几年前在TNDT常规检测中还不可能做到的全域定量红外热成像，如今已经实现了（Cramer和Winfree, 2011; Shepard等,2005）。因此，红外热成像已经成为如检测异物碎片、检测复合结构中的水分、评估热障涂层以及检测飞机涡轮叶片内部堵塞等情况的首选技术。

有效的热成像

当样品表面的热能扩散进入样品内部，并因内部热性能（热导率、热容及密度）的变化而受阻时，红外热成像能检测样品表面以下的特征，如图1所示（Carslaw and Jaeger, 1986）。受到热刺激后，样品在冷却过程中，红外热像图中的热（或冷）斑点表示阻塞附近表面冷却行为的变化。尽管有很多方法可以进行TNDT，但所有技术至少涉及三种不同的操作：激发、温度测量和解释，如图2所示。每个操作都有许多硬件、软件和程序可以选择。这些元素组合起来形成一个红外热成像的系统，这个系统可以简单如液晶板和热风枪，也可复杂如航空航天制造业中全自动化的闪光热成像系统。具体选择哪一种红外热成像系统，需要考虑到应用程序（定量检测材料表征和定性检测缺陷）的目标，具体检测要求（最小裂纹尺寸、分辨率、面积范围）、工作环境（产品、实验室、户外）以及可能导致异常冷却行为的情况。

图1.样品表面红外辐射热能扩散到样品内部。由于内部存在的不连续性产生了不规则辐射图案

图2.热成像无损检测方法的基本元素

图像与信号

人眼是一种强大的探测器，因此当样品冷却时，直接观察红外图像序列是解释红外热成像数据最简单的方法。检测人员从红外摄像监控仪中观察其冷却过程，从图像显示的表面以下潜在的不连续中识别正常的、无缺陷的背景和局部热或冷的区域。使用这种基于对比的方法，一位训练有素的检测人员往往可以检测到近表面的缺陷，例如复合材料中的分层、严重的金属壁变薄或复合夹板结构中明显的锁水浓度变化等。

通常，一个表面下的缺陷会在图像序列中逐渐显现出来，然后消失，因此一段时间内，在目标和背景之间会出现对比度的最大值。这个对比最大的时间取决于主材的热扩散率和缺陷部分材料的深度和缺陷大小。不连续部分的最大对比振幅也将取决于这些因素，还有对表面激发所使用的总能量、表面的红外辐射率和红外摄像仪的敏感性与设置。信号-背景对比可以表示为：

其中，Tdiscontinuity和Tbkgd分别表示不连续上的表面温度和样品正常无缺陷点上的温度。

然而，上面的描述是有局限性的，因为它有可能每天都发生变化，甚至随着实验条件变化，每次的拍摄都不一样，并且无法与其他技术进行比较。它也无法提供任何关于图像质量的信息，也就是说，不能确定是粗颗粒状的还是外观光滑的。关于对比更完整的描述需要考虑图像的噪声。

图像噪声和空间噪声

许多无损检测技术以信号-噪声比（SNR）来表示，这里的噪声指信号偏离无间断参照物标准。对于任何无损检测系统，噪声相对检测信号来说是随机的。噪声出现在所有真实的电子仪器中，特别是在红外摄像仪中，因为进行温度测量的原子层面具有固有的波动。对于红外摄像仪这样一个成像设备来说，它会有空间噪声，反映出每个检测器的不同响应。这样，在一个固定的温度之下，会出现一个完全统一的目标，产生一些温度分布。红外热像图的空间噪声可以通过图像中的无间断区域来识别并测量其标准偏差。空间信号-噪声比可以用下式来表示：

噪声信号和时间

摄像仪和计算机技术的进步已经使红外热成像数据分析方式有了重要的转变。虽然早期红外热成像是基于人类对一系列图像中对比的视觉评估，而现代红外热成像系统采用一种基于信号的方法。这种方法中，每个像素代表一个独立的时间历史（类似于它所包含的单一的C扫描图像和独立的A扫描结果之间的关系）。分别对每个像素进行处理和分析，最终形成一个图像，而不是原先的一个步骤。

运用先进的信号处理技术，现代红外热成像系统能够检测到从序列影像中无法看到的表面以下的特征。这些系统能测量无不连续性样品的热性能（例如：深度和热扩散率）。通过对整个像素时间历史的处理得出结论，而不是依据单一的图像。然而，在这种情况下，早期给出的信噪比定义就不适用了，因为Tdiscontinuity和Tbkgd之间没有明显区别。而在后一种情况下，评估不出缺陷。相反的，必须考虑每个像素中的时变噪声，就像超声波探伤仪会考虑时变噪声一样。通过查看固定温度下的目标，并监控红外摄像仪对给定像素的信号变化，可以计算噪声的平方根。模拟超声指标的简单检测中，信号必须是噪声的2-3倍。不过，现代信号处理技术允许检测信号被噪声淹没。

处理能力

用基于信号的方法来分析时，单独评估每个像素的时间历史，以便提取一个单独的像素，而不是查看一个图像。对红外热成像信号重建（TSR）技术来说尤其如此，这一技术被广泛运用于测量应用中，以及用对比技术无法检测表面以下的特征时（Baalageas, 2012; Shepard等, 2003）。在某些方面，TNDT信号是可以预测的，TSR利用了这个事实。对无不连续性的样品瞬时加热（例如一次闪光灯脉冲），显示的是一条斜率为-0.5的直线，表明样品冷却正常（Maldague, 2001）。同一材质的一块板，其后壁完全阻碍了热量流动，板的反应是一条渐渐趋于水平的直线，显示出完整的冷却过程。事实上，这两种情况都是理想状态，而大多数实际检测情况是介于两者之间的，或接近这两种情况的一种。

当考虑变化与时间之比（一阶导数）和变化与变化速度之比（二阶导数）时，TSR技术的优势变得越发明显。

例如一个12.7mm（0.5in）厚的钢板，后钻孔直径为12.7mm（0.5in），深度为2.5和5.1mm（0.1和0.2in）。如图3所示，尽管没有显示板后壁的迹象，但对比曲线显示出它们的相对深度。并且，可以通过导数曲线和物理学基本扩散特性的得出二阶导数最大值出现时，每个特性所对应的确切的间隔时间t＊：

其中：L是特征的深度或厚度， α是热扩散率。

图3.钢板反射加热响应： (a)随时间变化的表面温度； (b)一阶导数；(c)二阶导数；（d）对比曲线图

图像是由特定时间内导数值或导数特性组成的，如：间隔时间t＊，与样品的物理特性相关。例如：一个图像代表测量图像序列中每个像素的t＊，可以根据深度和热扩散率特性之间的关系转换为一张图（图4）。

图4.反差图像和钢平底孔样品的热成像信号重建（TSR）深度图的对比图：(a) 在0.37秒的反差图像，其中振幅取决于深度和直径，并且没有检测到更小的高宽比特征；(b)基于TSR衍生传送时间的深度图。D为直径；d为深度；AR为长宽比

这样衍生出来的图像是基于时间，而不是幅度的，不太容易加热变化和受到噪音和背景污染，并且在区分锁水和复合夹板，以及在复合层压板中检测异物碎片等应用中，提供了比对比分析效果更好的不连续性检测技术，见图5和图6。

图5.复合锁水飞机扰流板的闪存热成像： (a)由于水和多余的粘合剂，在反射11秒后原始的热影像才会显示黑斑；(b)热成像信号重建一阶导数图像识别水截留点（以红色突出显示）

图6.一个蜂窝铝芯五层石墨环氧树脂层压板在（a）0.3秒 ，(b)0.64秒和（C）1.28秒的热成像图；以及在(d）0.3秒，（E）0.64秒和（F）1.28秒的热成像信号重构一阶导数图像

发射和背景辐射

无论是分析图像还是分析信号，构成红外热成像的基本假定是，样品受热冷却时，摄像仪检测到其表面发出的红外线。理想情况下，表面是一个完美的红外线发射器，所以任何表面温度的变化都会导致一个可预测的红外线发射迹象。然而，真实的材料一般不是完美的发射器；它们也反射、吸收和传输红外能量。当物体所处的背景发射出的能量被摄像仪检测到，或者从样品表面反射进入摄像镜头时，这就成为一个问题了。事实上，所有物体，当温度高于绝对零度时都会发出红外辐射，但是当背景辐射来自例如检验区域的人员身上、直接或间接的阳光（来自天空的背景辐射是很重要的，即使是阴天）时，这可能掩盖了本应关注的样品表面特征。对许多户外和工厂环境下的应用来说，背景辐射的问题比相机噪音更严重。

相机的问题和机会

从电池供电的手持微型热辐射测量仪，到拥有一百多万个探测器元素的实验室摄像仪，现代红外摄像仪在成本、性能和特点等方面跨度很大。选择合适的相机进行TNDT检测，要仔细考虑具体的需求。相机规格通常描述静态性能，然而TNDT检测中，目标通常被视为正在冷却，温度是不断变化的。因此，相机最理想的是用于医学或家庭调查等应用，可能不适合TNDT所需要的动态温度测量。虽然有很多相机性能优越，或者对于特定的应用是有效的，但实际中必须考虑相机的敏感性、速度和分辨率。

• 敏感性：检测器必须能够在实际检验环境中检测到一个真实样品关注点的不连续性。微型红外摄像仪可以在对复合夹板结构的水分检测中提供优质的检测结果，但是在发现复合铺层中聚合物碎片的检测效果就差得多。同样重要的是相机波长要与应用程序相匹配。波长2-5μm的高速摄像仪在测量镍超合金涡轮片和陶瓷基复合材料的壁厚中性能表现出色，但是长波相机更适用于测量涡轮片上厚度稳定的氧化锆热障涂层。
• 速度：数据采集必须足够快，以便捕获显示关注点变化的鲜明特征。如检测热扩散率相对较低的材料，例如铝，这一点变得尤为重要。但需注意，对于一些热扩散率低的材料，例如玻璃纤维和比较厚的结构，高速相机可能不是最好的选择。
• 分辨率：在给定的检测中，为了检测到最小的不连续性，相机拥有足够的像素是至关重要的。通常，发现最小的不连续性需要至少9个像素，且分辨率是越高越好。同时，对不连续部分的大小和面积的精确测量随着像素数量的增加而增强。

选择一个相机往往需要做一些权衡。较便宜的或较小的相机可能像素不够，覆盖不到，或捕捉速度不够快，无法达到应用的需求。不过，并不是用最快、最贵的相机或像素最多的相机才能最好地完成任务。事实证明，速度、灵敏度和分辨率是互相影响的。例如，许多相机通过使用非常小的探测器达到很高的像素或很快的速度。但减少了探测器面积，也就减少了收集辐射的面积，并且增加了为保持合理信噪比所需的时间，使得高像素相机的时间和/或动态范围可能受到影响。

激发源

TNDT中热激发的技术范围包括辐射加热（例如光、红外、微波、电磁感应）、机械刺激（声波/超声波、循环应力、对流、直接接触热/冷源），以及化学（复合粘胶剂的放热反应）和电（电阻加热）。激发可以应用于样品表面（例如光或直接接触激发）或内部（感应、声波或化学加热）。红外热成像可以表现为单面或双面激发技术，取决于激发源和相机在样品的同一面还是相反面。实际上，单面测试往往是首选，因为复杂结构的两个面可能无法全部覆盖。

目前，光激发技术在航空制造和TNDT维护中运用最广。用光来加热表面提供无触点、广域操作，与很多应用中的超声检测效果不相上下，尤其在测试大型结构中，光激发是非常有吸引力的替代选择。在大多数情况下，光激发系统不需要关键的调整和定位，因此，实现大规模的红外热成像系统相对与超声波扫描系统来说，不那么复杂，也相对便宜。

光激发通常使用疝气闪光灯或卤素加热灯。产生的激发可能是一个脉冲、一步、调制（分/合或正弦）序列，或对样品表面扫描产生的移动线源。尽管它们涉及不同的硬件，并且往往信号处理方法不同，但是基本的热扩散在内部发生时遇到热阻都是一样的。

在选择激发技术时，考虑应用和材料的特性是至关重要的。例如：

来自激发源的能量必须有效耦合到样品上。光不是加热金属的有效方法，就像电磁感应不是加热聚合物复合材料的有效方法一样。

来源必须释放足够的能量，以使相机克服噪音和背景辐射，检测到表面以下发生的红外辐射。尽管来自闪光灯的短暂脉冲为许多航空航天复合应用提供了足够的能量，但它并不足以穿透巨大的混凝土结构，一般会使用加热灯、阳光直射或火焰喷射器，以产生更多能量，持续更长时间。

激发能量在时间尺度上必须考虑应用对象。闪光灯是专为TNDT设计的，能够在100毫秒中释放几千焦能量，在测量飞机涡轮叶片壁厚中是十分有用的，但是在评价复合材料接合板的空隙厚度时没什么优势，可能几秒钟的卤素灯更有效。

红外热成像

检测能力的局限性

表层以下不连续性的空间离散对表面温度的影响由不连续性的几何形状和热特性与周围材料的对比来决定。不连续性的关键几何性质可用长宽比表示。

长宽比=不连续直径/不连续深度

当隔热样品中存在不连续的情况下，来自样品表面的热量到达不连续部分并被完全阻隔，尽管附近区域继续正常冷却。随着时间推移，不连续部分侧面泄漏的影响变得更加明显，而不连续部分的边缘附近也一样。然而，随着不连续部分长宽比减少，几何效应越来越明显，最终达到一定程度，而无法发现不连续部分。这种检测能力的几何限制可以归纳为下式：

不连续直径/不连续深度>～2

在实践中，这一限制取决于相机光学、灵敏度、激发能量大小、信号使用、图像处理等因素。

展望

一直以来，利用复杂的信号处理软件获取TNDT的先进功能成为了实验室级别相机和精密励磁设备所追求的目标。然而，实际工作中使用相对简单和便宜的相机和激发源来执行复杂的TNDT检测才能体现出更好的市场应用价值。例如，可置于手提包中的基于TSR的系统可以执行先进的检测任务，目前已在商业领域推广，并且随着该装置变得更简单、更便宜，在TNDT的维护中有着更广泛的应用。在另一层面上，用于质量保证的完全自动化工业系统，长期以来被认为是TNDT的尖端技术，但最近，在包括对飞机涡轮叶片评估在内的检测中有了现实的应用。最新的情况是，应用于复合应用程序中的红外热成像系统设计，可以使目标和TNDT系统之间的工作距离达到15.2m（50ft）之大。