李晓丽，金万平，张存林，沈京玲

（1.北京理工大学光电学院，北京 100081；2.北京维泰凯信新技术有限公司，北京 100085；3.首都师范大学太赫兹光电子学教育部重点实验室，北京 100048）

红外热波无损检测技术由于其非接触、检测速度快、受曲率影响小，适用于大部分材料，特别是复合材料的检测，故成为一项非常有发展前景的无损检测新技术。但由于前期缺乏国产设备，而进口设备昂贵，加上缺少应用标准，红外热波技术的推广应用受到了一定的限制，用户基本都在航空、航天等高端领域［1－2］。近年来，随着相关国家标准GB／T 26643－2011《无损检测 闪光灯激励红外热像法导则》的发布，红外无损检测人员资质培训中心的成立，极大地推动了该技术应用的发展，解决了航空、航天以及风电、文物等领域内一些常规无损检测技术难以解决的问题，还涌现了大量新的应用需求。

1 应用案例

1.1 航空航天检测应用

（1）一种含有微孔的多层金属丝网复合材料分层缺陷的检测。对于该结构的分层缺陷，经生产和应用部门的反复调研，尝试多种常规无损检测，接触类的检测方法均不能满足完全无污损的检测要求，而射线对于分层缺陷的检测灵敏度较低，因此常规的无损检测方法均不适用于此复合材料检测［3］。通过研发自主知识产权的抗反射工艺，红外无损检测法满足了用户对于检测条件和分辨率的要求。如图1所示为该复合材料半成品分层缺陷红外检测结果。

图1 复合材料半成品分层缺陷正反两面红外成像图

（2）复合材料基体的涂覆层检测和测厚。涂层广泛应用于航空航天等诸多领域，在工程技术领域中占有越来越重要的地位。涂层厚度、涂层内部缺陷以及涂层与基体间粘接质量［4－6］情况均能反应涂层涂覆质量。涡流、超声是常见的检测方法，但均受到一定条件的限制，无法满足大面积、非接触等要求，特别是检测复合材料基底的涂层件，更加困难。如图2为红外热波检测涂层材料热图结果。

图2 某预制缺陷特种涂层粘接质量热成像图及特种涂层厚度测量曲线

（3）碳碳材料、碳碳化硅材料红外检测。碳碳材料、碳碳化硅材料是航天产品中常用材料，但由于其制造工艺与结构的特殊性，常会出现密度不均等问题，常规的无损检测方法受到检测条件限制，无法满足检测要求，试验证明红外热波无损检测方法可以应用于解决某些制造缺陷的检测问题［7－8］。如图3所示，利用红外热波检测可以发现局部密度不均。

图3 碳碳材料密度均匀性检测红外热成像图

（4）蜂窝结构红外检测。蜂窝夹层结构复合材料是飞机制造中大量使用的材料，常见的缺陷有积水、积油缺陷。飞机机身蜂窝结构材料中存在少量凝结水通常是允许的，但当尾舵、机翼等关键部位的蜂窝材料中出现渗漏液压油时，却可能意味着严重的机械故障。当然，蜂窝结构中的大量积水也会增加结构重量，腐蚀蒙皮与蜂窝核之间的胶层，危及飞行安全。红外无损检测方法可以对蜂窝积水、积油识别，在积液量不多的情况下可以对积水量进行测算［9－11］。图4 为蜂窝积水红外热成像图及蜂窝积油、积水识别曲线。

图4 蜂窝积水红外热成像图与积油识别曲线

（5）超声热激励红外检测。利用摩擦生热的原理，用超声作为红外热波检测的激励热源，是国际红外无损检测领域的一个研究热点［12－13］。这种方法对于裂纹，特别是闭合裂纹，检测效果良好。如图5所示，缺陷为一微孔，由于微孔尺寸过小，尝试了很多方法均未检出，超声热激励红外检测的效果非常明显。

图5 某高压金属容器微孔超声热激励红外热成像图

超声热激励红外检测还可以用于裂纹、腐蚀、分层等缺陷的检测［14－15］，检测结果如图6所示。

图6 超声热激励红外检测应用示例

1.2 风力电机叶片

随着风力发电机单台功率的不断提高，风电叶片的体积也越来越大，对于材料、工艺水平和质量的可靠性要求也越来越高。国际上尝试用于风电叶片的无损检测方法有红外、超声、声发射、射线等，这些方法目前均处于实验室研究阶段［16－21］，没有成熟的检测工艺、规程和标准。在国内，大部分叶片厂是通过静力试验、外形检测、目视、敲击等方法来进行质量控制［22－23］。首都师范大学、北京维泰凯信新技术有限公司红外热波联合实验室对该领域跟踪多年，有一些初步的研究成果，如图7所示。此外，“模具电加热丝断点红外检测方法和系统”正在申报发明专利；《风力发电机组 风轮叶片红外热像检测指南》已作为国家标准项目正式立项，将于2016年完成；相关专用设备也正在研制中。

1.3 文物保护检测应用

图7 风电叶片常见缺陷红外检测结果

全国文物保护单位上千家，以故宫博物院为代表的文物单位馆藏不计其数，但是目前文物的保护主要依赖人的经验，不仅存在可能的鉴定漏洞，同时无法满足对文物鉴定、检测、修复等工作的需求，迫切需要引入更多的现代科技手段［24］。图8 所示为某巨幅壁画检测的初步结果，可为后期维护及修复提供有价值的信息。

图8 巨幅壁画热红外成像图

2 红外热波无损检测系统开发

目前，国内自主研发的成套的红外热波无损检测设备还较少，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红外热波联合实验室致力于红外研究十多年，有的专家甚至在红外领域研究工作三十余年，对于主动式红外检测的激励、控制、数据处理形成自己独特的方法，积累了系统设计和研制的大量经验。图9是自主研制红外无损检测系统及其检测结果示例。

图9 自主研制红外无损检测系统及检测示例

设备选用了非制冷热像仪，注重低成本化和便携的特点，运用了自主知识产权的处理算法。经过试验分析，设备检测结果达到了较为理想的状态。集成化更高的二代机正在研制中。

3 红外热波检测标准研制

自2003年以来首都师范大学、北京维泰凯信新技术有限公司、北京航空材料研究院红外热波联合实验室在红外热波无损检测方面做了大量的工作，积累了丰富的经验。2008年7月，课题组提交了“闪光灯激励红外热成像无损检测方法”标准化公益项目申请，针对“闪光灯激励红外热成像无损检测方法”的设备要求、操作规程等一系列问题进行研究，建立标准体系。项目组最终申报了导则、检测系统、试块、检测规范、应用等在内的8项标准的研究。

国家标准化管理委员会分别在2009年和2012年下达了［2009］59号文和［2012］13号文，由北京维泰凯信公司、首都师范大学、北京航空材料研究院等单位牵头起草导则、检测系统、试块、检测规范四项标准。截止目前，1项已正式发布，其他3项已报批。此后，还将针对一些能体现红外检测特点与优势，且相对成熟的应用，比如蜂窝夹层结构、复合材料基体涂层等提出通用的技术条件和技术要求，并提供应用范例。除闪光灯激励红外检测标准外，课题组也将在超声激励、电磁激励、锁相等技术方面开展工作。

4 资质认证

根据《GB／T 9445／ISO 9712 无损检测 人员资格鉴定与认证》要求，红外热成像检测需要对检测人员进行资格鉴定与认证，而认证实施的前提是有相应的国家标准、师资力量、培训教材、标准试块，考试题库等。在准备过程，中国机械工业学会无损检测学会给予了大力支持，最终在2012年建立了第一个红外培训中心，并于8月份成功举办了第一期红外无损检测资质认证培训。红外无损检测技术是第一个纳入中国机械工业学会无损检测资质认证培训的非常规技术，开创了无损检测新技术资质认证常规化的先河，具有里程碑意义。但由于红外无损检测作为一项新技术，使用人群相对较小，因此暂定2015年8月份举办第二期培训，并自此隔年举办培训班，使培训工作常态化。

5 结论

近年来，国内红外无损检测技术取得了长足的进步，在应用与推广方面也取得了不少成绩，特别是发布了闪光灯激励红外无损检测系列国家标准，建立了首个红外资质认证培训中心，开发了自主研发的设备，为红外热波技术在国内推广应用提供了初步条件。相信在未来十年，红外无损检测技术将会更好地发挥优势，与其他无损检测方法形成互补，为制造业的发展提供强有力的支撑。

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