余逸聪

摘 要：结合主动加热方式差异，论述了主动红外热成像无损检测技术理论基础及技术特点。将主动红外热成像无损检测技术运用于飞机机体结构缺陷、复合材料缺陷、叶片裂纹等无损检测。根据主动红外热成像实验技术特点，对飞机检测技术进行了研究，以供参考。

关键词：民航飞机;红外热波成像;检测技术

最近几年，我国各研究机构都对主动红外热成像技术飞机检修进行了研究。对于理论研究，我国研究者与国外研究者相比，不甘落后。可是在实践中，国外已经实现了应用，国内仍旧处在研究中，造成此种差距的因素很多，硬件设备的差距是其中重要的因素。针对技术来讲，必须对目前的研究成果进行总结，使得新的主动红外热成像技术在飞机检测中得到更好的应用。

一、主动红外热成像无损检测理论基础与技术特点

主动式红外热成像技术就是通过外部热源实现物理的加热，通过红外热像仪对物体不同时段的温度进行确认，从而对其中存在的缺陷进行判断。所以，其就是对导热问题相关的微分方程的反问题进行求解，结合红外信号将缺陷信息进行重建。在求解此反问题时，输入材料参数、加热参数以及温度空间分布，温度随着时间发生变化，输出缺陷横向尺寸、深度以及缺陷厚度等[1]。主动红外成像需将外部加热条件作为依托，其是主动红外热成像和被动红外热成像的不同之处。其中主红外热成像需要根据测试材料的不同以及不同的缺陷等对外部热源进行相应的设计，如热风高能闪光灯、超声波灯，再利用计算机对外部热源的加热周期灯进行把控，利用不同种类的红外热像仪来采集检测物体表面的热波信号，再利用热成像软件对图像信号进行有效的处理，并将可视图像测试结果进行呈现。主动红外热成像技术作为飞机检测的重点研究，是因为其与其他检测技术存在着不同，新型非制冷红外热像仪相较于传统的热电测温要快数千倍。红外热像仪测温理论下限为热力学零度，并不存在理论上限，实际测温的上限可到达5000至6000C。进行一次红外热成像测量能够达到0.1平方米，针对大规模的检测对象可以实现自动拼图，能够进行更加充分的观测。有着广泛的适应面，不但对金属材料进行检测，还能对非金属材料进行测量。一般外部热源与红外热像对测量物体的同侧需要进行非接触式测量，对被侧物体的温度不造成影响，此项技术适用于测量运动中的物体以及存在危险的物体等[2]。红外热像仪所输出的图像信息更加直观容易理解，并且信息十分丰富。此外，主动红外热成像设备能够移动，利于携带，特别符合飞机无损检测以及在现场进行检测。

二、主动红外热成像无损检测技术与研究进展

1984年，脉冲加热红外线成像技术最先由英国的Milne提出，接下来美国和加拿大等也对此技术展开了研究，当前此项技术成为各个国家重点研究的红外热成像技术。可是在求解实际热传导模型的过程中局限于复杂的边界条件，造成其很难进行准确的解析，各大文献中显示的解析多数是实际边界条件的近似值，相较于实际测量结果存在着很大的差异，可是对研究被检测物体中存在的缺陷发挥着指导的作用[3]。1988年，Reynoldsol针对求解脉冲加热红外热成像提出了一个简便的指数模型，有待测试物体表面缺陷区域和完好区域的温度差，明确其温度差与缺陷在物体中深度的关系，如此了解到脉冲加热红外热成像技术能够对物体接近表面的缺陷进行检测。1988年，Milne通过有限元法测量受脉冲辐射加热的金属试件内近表缺陷深度，根据热传导理论进行二维近似研究。1991年， Lau基于脉冲加热辐射，对金属试件内近表缺陷深度的简单三维模型作出了近似分析，该模型充分地体现了缺陷对表面温度场分布的影响。结合此模型对缺陷大小、深度以及与表面温度分布间的关系进行探讨。1991年， Hobbs等人对金属表面各种涂层材料展开了研究，通过实验对材料进行研究。1998年，起薛书文等对脉冲红外热成像技术理论及试验进行了长时间研究，利用此技术对金属内部近表缺陷进行了检测，并且在理论方面提出评价脉冲红外热成像进行无损检测分辨力的凭证。2000年，梅林等对脉冲加热红外热成像技术进行了研究，并运用了有限元模拟，针对各种材料展开了深入研究以及进行了定量测量，并且提供了理论模型。2006年，张存林等对新型脉冲热源装置进行了研究，并且申请了专利。2006年，张存林等使用闪光灯脉冲热源对玻璃钢平底洞试件进行了加热，并对热图加以测试，对热波单向测厚的方式进行了研究。2008年，张存林、李艳红等给出了脉冲位相分析的处理数据的方法，使得红外热波无损检测能够测量出缺陷的深度，对图像相位频率信息进行获取，结合热波频率和传导深度存在的联系，来检测缺陷深度。从整体来讲，脉冲加热红外成像技术受到了广泛的应用，并且得到了大量的研究，可是此项技术依然有着缺陷，如测试试件的厚度十分有限，需要热源具备较高的均匀性，因为受到检测试件结构所影响，其只能对平板试件进行检测，无法检测形状较为复杂的试件。

三、将主动红外热成像无损检测技术应用于飞机检测中的进展

飞机机身和机翼是由铝蜂窝夹层结构制作而成，其缺陷体现为紧贴型缺陷、间隙型缺陷、弱胶接以及芯子缺陷等。当前在检测的过程中经常出现的缺陷为飞机蜂窝结构脱粘缺陷、焊接铆接损伤、腐蚀损伤等。采用红外热成像技术来检测脱粘缺陷，再对其损伤特征进行辨别，迅速的检测试件粘接质量。第一，关于飞机碳纤维增强多层符合材料试件缺陷检测中存在的問题，WangXun等进行了研究，通过脉冲加热红外热成像能够得到各个时间段所呈现的破损情况。李艳红等利用脉冲红外成像技术检测了航空的碳纤维层压板，得到的热图将被检测材料的内部缺陷充分的反映。对于检测飞机发动机涡轮叶片的故障在发动机安全检测中十分关键，包含热障涂层损伤、裂纹检测以及冷却通道堵塞等。在热风的作用下来比较正常叶片以及故障叶片，能够对热障涂层损伤情况进行判断。利用高能氙灯对叶片给予热刺激，热像仪会将叶片表面瞬间的温度变化进行记录，运用热图像对叶片内部温暖场进行重新构建，能够确认叶片内部通道的堵塞情况。利用低频高能锁相超声进行热激励，在运用红外热像仪来比较正常叶片以及故障叶片，对故障叶片的破损情况进行判断。第二，飞机的机身、起落架、机翼等裂纹检测对于主动红外热成像技术而言属于最为关键的应用。根据当前的应用状况，在飞机部件裂纹检测中可运用脉冲加热、微波加热以及锁相超声加热，将主动红外热成像技术应用于铸铝引擎外壳裂纹、铜焊裂纹、钢曲轴裂纹等都具有显著的效果。超声发射头具备合理的设计，并能够利用超声加热红外热成像技术在结构疲劳裂纹、应力裂纹等检测中进行提前报警，对于此，美国韦恩州立大学研究利用超声加热红外热成像技术取得了良好的研究成果[4]。

四、结束语

综上所述，针对飞机检测应用来讲，主动红外热成像技术不断的被广泛应用，并且具有高分辨率，能够进行定量测试，外部加热方式呈现多样化，正朝向破损缺陷测试自动化发展。在主动红外热成像飞机检测技术发展中，需要充分的总结经验，不断的对设备进行完善，所以对于外部主动加热方法和热图像影像质量的研究还需要进行各种实验。

参考文献：

[1]周家纬、李清英、郝路、周治荣、蔡铭.基于闪光脉冲红外热波检测技术的蒙皮外冰形分析[J].智能计算机与应用，2020，v.10（6）：141-144.

[2]周建民，陈超，涂文兵，等.红外热波技术，有限元与SVM相结合的复合材料分层缺陷检测方法[J].仪器仪表学报，2020，v.41（3）：31-40.

[3]李向东，殷晨波，陈曦，等.基于红外热波技术的起重机械金属气孔缺陷识别[J].机械工程与自动化，2020，No.219（2）：182-184.

[4]魏嘉呈，刘俊岩，何林，等.红外热成像无损检测技术研究发展现状[J].哈尔滨理工大学学报，2020，v.25（2）：68-76.