蜂窝结构的红外热波无损检测

　　0 引言

　　在航空、航天领域对金属蜂窝胶结产品采用声阻抗检测的方法是一种较为常用的检测方法。但应用声阻抗法检测构件有一定的局限性, 超声发射法可作为声阻抗检测的补充[1]。X 射线照相检测方法可以发现蜂窝结构的气孔、多余物、疏松、断裂、蜂窝拼接缝脱开、蜂窝夹芯与边缘构件胶缝脱开( 空隙) 、蜂窝节点脱开等缺陷。但由于蒙皮薄, 相对于迅速、直观准确的红外热波无损检测技术, 蜂窝结构的各种缺陷检测是相对易于实现的。

　　1 红外热波无损检测原理

　　热波是随时间周期变化的温度场。例如, 昼夜气温变化就是以24 h 为周期( 10- 5 Hz) 的热波。热波理论描述变化温场与媒介之间的相互作用。在某些给定特殊热源函数和边界条件的前提下, 通过求解热传导方程, 可以得到表述热波在媒介中传播的函数[2]。

　　热源方程为f( x, t) =qδ( t) δ( x) , 一维脉冲情况下的一维热传导方程为:

　　式中α=к/ρc, 为材料的热扩散系数, 其中к为热导率, ρ为密度, c 为比热容。α越大, 通过物体的热扩散越快。

　　在两种媒介界面处,求解方程( 1) 所需满足的边界条件为温度连续条件:T1=T2 ( 2)

　　和能量守恒条件:

　　与均匀半无限大介质作用求解方程( 1) 得到表面温度:

　　式中, 为单位面积所加热能与体热容的比值。在对有限厚度的介质利用镜像法满足边界条件的情况下, 求解方程( 1) 得到表面温度为:

　　红外热波检测技术就是对试件进行主动式加热,利用热像仪连续监视试件表面的红外辐射, 记录试件表面温场变化, 若有缺陷造成热传导的不连续, 则热像图就可清晰地看出温度差异, 以此判断表面下的缺陷。

　　2 实验系统及实验过程

　　本实验用两个氙光闪光灯同时脉冲加热, 保证试件表面受热均匀, 最大能量为4.8 kJ。瑞典ThermaCAMTM SC3000 红外热像仪具有量子阱红外光子探测器和高可靠性的内循环制冷器, 320×240 的焦平面, 测温范围宽, 温度灵敏度为0.02 ℃, 图像分辨率高, 探测波长为8～9 μm。动态测量帧频可高达180帧/s。图像处理软件MOSAIQ 可进行现场处理和后期图像处理。系统由热激励系统、热像仪和计算机图像处理三部分组成, 原理示意图如图1 所示[3]。

　　下面是三种蜂窝结构人工模拟缺陷进行的红外热波检测结果。

　　实例1 玻璃钢纸蜂窝夹心板试件

　　由北京航空材料研究院提供的玻璃钢蒙皮纸蜂窝夹心结构长210 mm, 宽149 mm, 厚度21 mm。在试件上蒙皮与蜂窝芯之间, 人工预埋了两排( 共8 个) 方形聚四氟乙烯层压片模拟缺陷, 第三排楔形缺陷是不锈钢片抽出后形成的空气隙, 设计在试件的下蒙皮与蜂窝芯之间。实验条件为能量4.8 kJ, 图像采集时间30 s, 帧频60 Hz。实验开始对红外热像仪进行校正和调焦, 得到均匀温场和清晰的视场, 去除温场不均带来的噪声。实验所需的能量, 通常能量越高, 信噪比越高[4]。通过红外热波检测得到的原始热图序列如图2 所示。