導讀：紅外熱成像無損檢測技術可實現對金屬、非金屬及復合材料中存在的裂紋等缺陷進行檢測，具有非接觸、檢測面積大、速度快、在線檢測等優點。通過介紹幾種對紅外檢測診斷產生不利影響的因素，并對檢測過程中如何減小這些不利影響進行簡單說明，從理論上證明該項技術的可行性。

關鍵詞 紅外無損檢測；表面溫度；紅外輻射；熱傳導

紅外熱成像無損檢測技術是近年來應用逐漸廣泛的一種新興檢測技術。

作為一種非接觸的無損檢測手段，廣泛應用于航空航天、機械、醫療、石化等領域。

常規的無損檢測技術例如：超聲波探傷、射線探傷、磁粉和滲透探傷等的研究已經很成熟，但仍存在高空、地下架設等無法滿足檢測要求的情況，具有一定局限性。

紅外熱成像無損檢測技術的創新性在于使用紅外測溫的方式，不接觸被測物體，不破壞溫場，以熱圖像的形式直觀準確的反映物體的二維溫度場分布，使材料表面下的物理特性通過其表面溫度變化反映出來。

近幾年紅外無損檢測技術飛速發展，已經成為傳統檢測方式如激光、超聲等技術的補充及替代，該技術也可以與其他檢測方式相結合以提高檢測的精確度及可靠性。

與傳統的檢測方式相比，該技術的特點如下：

（1）適用范圍廣，可檢測金屬及非金屬材料； 

（2）測量結果的可視性，可以通過圖像顯示測量結果； 

（3）非接觸式測量，不會對物體造成污染； 

（4）檢測面積廣，可對大型設備進行整體觀測；

（5）檢測設備攜帶方便，適用于現場在線檢測； 

（6）檢測速度快。

一、 紅外熱成像無損檢測原理 

（一）基本原理 

紅外熱成像無損檢測技術是根據紅外輻射的基本原理，通過紅外輻射的分析方法對物體內部能量流動情況進行測量，使用紅外熱成像儀顯示檢測結果，對缺陷進行直觀上的判定。

此方法以熱傳導理論和紅外熱成像理論為基礎。當物體的溫度與環境溫度存在差異時，就會在物體內部產生熱量的流動。

如果向該物體注入熱量，其中一部分熱流必然向內部擴散，使物體表面的溫度分布發生變化。 

1、對于無缺陷的物體，當熱流均勻注入時，熱流能夠均勻的向內部擴散或從表面擴散，因而表面的溫度場分布也是均勻的； 

2、當物體內部存在隔熱性缺陷時，熱流會在缺陷處受阻，造成熱量堆積，導致表面出現溫度高的局部熱區； 

3、當物體內部含有導熱性缺陷時，物體表面就會出現溫度較低的局部冷區。 

由以上三種情況可看出，當物體內部存在缺陷時，就會在物體有缺陷區和無缺陷區形成溫差。

且該溫差除了取決于物體材料的熱物理性質外，還與缺陷的尺寸、距表面的距離及它的熱物理性質有關。

由于物體局部溫差的存在，必然導致紅外輻射強度的不同，利用紅外熱像儀即可檢測出溫度的變化狀況，進而判斷缺陷的情況。

（二）檢測理論依據 

1、紅外熱成像理論 

高于絕對溫度零度的任何物體都會不停地向外界發射電磁波，紅外熱成像無損檢測技術是建立在電磁輻射和熱傳導理論基礎上的一門無損探傷技術。

根據物體輻射的特點可以將物體分為絕對黑體和灰體兩類，被檢測物體輻射都屬于灰體輻射。

灰體輻射總輻射強度等于同一溫度黑體的總輻射強度乘以灰體的發射系數，即灰體輻射滿足斯蒂芬波爾茲曼定律。 

紅外熱成像無損檢測技術正是利用這個公式，通過紅外熱像儀接收來自物體的輻射，從而測定物體表面的溫度場分布，然后根據溫度場的異常分布情況來識別物體內是否存在缺陷。

因此，物體具有不同的溫度和發射系數，紅外熱像儀接受來自物體的輻射，便可測定物體表面的溫度場分布。

2、熱傳導理論 

熱量從物體內溫度較高的部位傳遞到溫度較低的部位，或從溫度較高的物體傳遞到與之接觸的另一溫度較低的物體，此熱傳遞過程稱為熱傳導。

物體內部產生導熱的起因在于物體各部分之間具有溫度差，所以只要確定物體內部溫度場，根據傅里葉定律就能確定物體內的熱流。 

上式揭示了熱流量與溫度之間的關系，對于穩態場和非穩態場都適用。

通常用熱傳導微分方程來描述溫度場時空域的內在聯系。 

在給定溫度梯度的條件下，熱流的大小正比于物體的導熱系數。

因此，在熱傳導分析中，物體的導熱系數是一個很重要的參數，它直接影響物體內熱流的大小。

各種工程材料的導熱系數相差懸殊，最大的是純金屬，最小的是氣體和蒸汽，非結晶絕緣體和無機液體的導熱系數介于兩者之間。

二、檢測方式

（一）主動式檢測 

為了使被測物體失去熱平衡，在紅外熱成像無損檢測時為被測物體注入熱量。

被測物體內部溫度不必達到穩定狀態，內部溫度不均勻時即可進行紅外檢測的方法即為主動式紅外檢測。

該種檢測方式是人為給試樣加載熱源的同時或延遲一段時間后測量表面的溫度場的分布。從而確定金屬、非金屬、復合材料內部是否存在孔洞、裂縫等缺陷。

（二）被動式檢測 

被動式紅外熱成像無損檢測利用周圍環境的溫度與物體溫度差，在物體與環境進行熱交換時，通過對物體表面發出的紅外輻射進行檢測缺陷的一種方式。

這種檢測方法不需要加載熱源，一般應用于定性化的檢測。

被測物本身的溫度變化就能顯示內部的缺陷。它經常被應用于在線檢測電子元器件和科研器件及運行中設備的質量控制。 

三、總結

紅外熱成像檢測技術不同于常規的檢測手段（如射線、磁粉、超聲、渦流、滲透等），可以快速掃描，提高檢測效率。

作為目前較為成熟的檢測技術，脈沖紅外熱成像技術脈沖能量大，單次檢測面積大，檢測速度快。

鎖相紅外熱成像技術所得的位相圖不受物體的表面情況等影響。

對于深層缺陷，疲勞損傷和微小缺陷可以達到較好的檢測深度，同時鎖相紅外熱成像的位相延遲和物體的缺陷深度和鎖相頻率有關，當知道鎖相頻率和位相延遲就可以求出缺陷的深度。

在實際應用中，兩種技術可以互補使用，對于具體的物體和具體的檢測要求可選擇不同方案。

由于被測物體溫度場變化迅速，儀器精度和靈敏度受外界影響較大。

而且對儀器的設置、環境和被測物體表面等要求嚴格，這些因素決定了使用紅外熱成像無損檢測方法后，可使用常規無損檢測手段進行復檢，以提高檢測的正確性。