3.3 超声红外热成像检测技术

超声红外热成像检测技术是一种近年来出现的新型裂纹检测方法，它是利用超声脉冲作用于试件，试件内部的缺陷在热弹效应、滞后效应或者裂纹表面相互摩擦过程中会产生热能[31]，使缺陷处产生局部温升，然后通过红外热像仪获得材料表面热图像，进行计算机分析和处理，从而获取有效的裂纹信息。由于超声可在试件内部传播较远的距离，并且红外成像设备可大面积地摄取热图像，该检测技术可大范围快速检测缺陷和裂纹。超声在试件内只对缺陷部位加热，故该检测技术灵敏度较高，特别是对于金属以及陶瓷材料的表面型裂纹检测非常有效[32]。

国内外的研究目前还主要停留在理论研究和实验室试验阶段，更多的侧重于数学模型的推导以及检测可行性的验证，在工程应用方面的研究相对欠缺，特别是在一些新型材料和特殊环境下的应用研究相对较少。在数学模型的建立方面，缪鹏程等人[33]对超声激励下的缺陷发热过程建立了数学模型，并进行了有限元仿真，仿真结果与实验室试验符合，并且得出了高能的超声脉冲不会助长缺陷本身的扩展；英国的Morbidini M等[34]研究了裂纹的形态与其振动阻尼的关系，并推导了温升和能量衰减的相关公式；陈大鹏等人[35]同时对T型接头的碳纤维板、存在内部裂纹的有机玻璃和激光焊接的钢板进行了试验，验证了超声红外热成像检测在多种材料检测中均有较高的灵敏度；在热图像的处理方法上，冯辅周等人[36]提出了采用基于控制标识符的分水岭分割和骨架描述法实现超声红外热像技术中裂纹信息的识别与重构，最后得到了与裂纹实际分布形状高度吻合的计算机重构图像。

随着热像仪性能的逐渐完善，未来一段时间内，超声红外热成像检测技术主要发展将更侧重于超声激励能耗的降低，脉冲频率的调制以及热图像的后处理算法的改进及裂纹的自动识别。

超声红外热成像裂纹检测系统图如图3所示。

图3 超声红外热成像裂纹检测系统图

3.4 脉冲涡流及涡流阵列检测技术

涡流检测技术主要原理是处于变化磁场中的金属材料内部会激发出电涡流，涡流在内部阻抗作用下出现损耗并形成反磁通，与原激发线圈的磁场耦合形成反馈。当检测过程中遇到裂纹，检测件表面的反磁通会明显产生变化。通过分析回路中谐振频率及幅频特性信息即可获得裂纹的相关信息。涡流检测可有效地用于多层金属结构内部裂纹的检测。

按信号频率特征来分，以往的涡流检测技术主要以单频和多频为主。近年来出现的脉冲涡流检测技术（pulsed eddy current，PEC）的激励信号以宽带方波脉冲的型式作用于激发线圈，线圈的脉冲磁场迅速衰变，检测件上感应的瞬态电涡流也能更快地反馈至回路中。宽带脉冲式的激励信号不仅提高了整个检测系统的响应速度，同时能给检测系统提供更丰富的反馈信息，便于裂纹的量化计算。脉冲涡流检测系统的成本远低于多频涡流检测设备，而且具有更深的穿透能力，利于检测深埋型裂纹。

国内外学者对于脉冲涡流信号的分析和提取研究较为广泛，普遍采用提取时域特征对缺陷定量。比如盛永生[37]在对脉冲涡流检测裂纹时的反馈信号便采用了时域分析，提取反馈信号峰值时间点的信息，完成了裂纹的识别和定位；脉冲涡流信号的频域信息同样丰富，若能结合时域和频域的信息特征，对裂纹能更好地定量分析[38]，在检测仪器的研制上，美国的爱荷华州立科技大学（Iowa State University）对脉冲涡流检测技术的研究较早，早在21世纪初就为美国空军研制了检测飞机内部腐蚀等缺陷的脉冲涡流检测设备[39]，并有相关专利；国内的爱德森电子有限公司在多频、多通道的涡流检测仪有系列成熟的产品。在脉冲涡流检测设备方面的研发国内仍相对空缺。

对于表面积较大、形状相对复杂的构件，单探头涡流检测效率低下的弊端愈加明显，从多探头、多通道技术发展而来的涡流阵列（eddy current array，ECA）检测技术应运而生。

涡流阵列检测技术是把一系列涡流探头按一定的形式逐个布置于特定的平面或者空间曲面，构成一个阵列。工作时，各个探头按特定的时间顺序进行切换，同时将各自的信号传输至处理系统进行计算分析。阵列式涡流传感器完成单次扫描的过程大大缩短了检测的时间，其单次扫描的过程同等于以往单个探头进行往返步进扫描的过程。探头的布置方式灵活多变，可快速检测外形轮廓较复杂的零部件，大幅提高检测效率。近几年涡流阵列检测技术无论在传感器的设计或者信号的后处理算法的研究上均得到了进一步的发展。丁华等人[40]在建立有限元模型的基础上具体分析了涡流阵列探头在检测裂纹时输出信号特征；焦胜博等人[41]则设计出一种可用于柔性平面检测的涡流阵列传感器，并且能用于实时在线监测；罗飞路等人[42]针对涡流阵列多激励场的理论计算问题推导了传感器的磁场分布，得到了阵列传感器的阻抗变化解析式，提出了阵列传感器线圈单元近似互感的计算式。

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