材料的外场检测条件，本文通过分析选择了连续脉冲加热技术，试制了采用该技术的红外热激励装置，验证了设计方案的可行性。
【关键词】红外热波；热激励；连续脉冲
1 研究意义
红外热波检测技术作为一门新兴的学科，因其快速直观、可测面积大、检测距离远等优点，在航空器铝蒙皮加强筋开裂与锈蚀，机身蜂窝结构材料、碳纤维和玻璃纤维增强多层复合材料缺陷的检测、表征、损伤判别与评估领域中具有广阔的应用前景。该技术通过红外热成像技术记录材料表面的红外辐射，测量和记录物体表面的温度分布，根据这些信息获取材料的均匀性信息和材料表面下的结构信息，进而对其内部是否存在缺陷，运行状态是否正常作出判断，这就是红外热波检测的基本原理。2003年，主动红外热成像技术飞机检测应用研究列入国家“863”计划；2005年，首都师范大学主动红外热成像无损检测联合实验室在西安飞机公司测试中心安排下对国产运七型民航运输机进行了外场检测试验，这是国内首次将主动红外热成像技术用于外场真飞机检测，表明该技术逐步走向民航飞机检测实际应用[1]。
热波无损检测采用主动式控制加热来激发被检物的内部损伤和缺陷，通过快速热图采集和基于热波理论的图像处理技术实现损伤探测。由于采用主动加热技术，从理论上讲，只要能够使被检对象中的各种缺陷或损伤与基体材料的温度差值达到了热成像仪的捕捉范围（热灵敏度），就能发现该缺陷或损伤[2]。有效的、可控的热激励方式是主动红外检测成功的关键因素之一。
2 主动式热激励方法
主动式热激励（加热）能使被检测材料由于内部缺陷在表面产生不同的温度场分布，再通过热像仪成像，从而可以比较直观地看清内部缺陷。同时经过后期的缺陷识别，可对缺陷进行定量研究。因此，热激励方法的选择直接影响最终检测结果的可靠性。在主动式热激励中由于被测物体的材质密度、热传导率、比热等物理参数不同因而其热传递和扩散方式也不同[3]。采用外部加热方法应满足两个基本条件：（1）通过加热能使被检测件内部材质差异所导致热传递过程中在表面产生的温差变化超过热像仪的热灵敏度；（2）表面温差的持续时间应大于热像仪的相应输出时间。
主动红外加热方法主要有热风法、红外辐射灯照射法、脉冲闪光法、超声激励法、微波加热法等。影响加热的因素有（1）加热能量：加热能量越大，被检测得材料与外部环境相对温差越大，检测灵敏度越高；（2）加热时间：加热时间太短，由于温度滞后，不能及时反映到输出上；加热时间太长，表面温度过高，不利于产生温差，导致漏检；（3）加热可控性：主动加热源最好具有较好的可控性，以适应不同检测对象的加热需求；（4）环境条件和仪器操作：在外场要考虑周围环境温度及自然光线对检测的影响，设备应该具备体积小、重量轻、可移动等特点。
3 热激励方法的选择
根据上述要求并考虑飞机外场检测实际条件，对飞机复合材料宜采用以光热辐射致热机理为主的热激励方法。其中脉冲闪光和连续辐射热激励两种方法易于实现、成本较低且可控性好[4]。前者是利用脉冲氮灯或其它高能气体放电灯进行高能放电时所发出的强光辐射，对材料进行瞬时热激励，可用于较薄的复合材料层合板、壁板和蜂窝夹芯结构等。后者是利用卤素灯、高压钠灯等连续工作时所发出的热辐射对材料进行热激励，该法可利用其激励能量大和持续时间长的优点，作为前者的一种补充，解决较厚复合材料结构的热激励。
单点脉冲加热方式采用的是高能的氙灯或氖灯对物体进行短时间的照射，又称为闪光加热。通过高能脉冲热源的加热，被检测体表面温度差与脉冲热源施加的脉冲能量密度成正比关系，因此在检测中适当的提高脉冲加热源的峰值功率，在一定程度上能提高系统的探伤能力。脉冲闪光加热，输出能量为6000J，闪光时间为2ms；或1500J，脉冲宽度0.6ms，触发电压15kv，工作电压大于1kV，峰值热功率为106 W。连续脉冲加热方式一般采用卤素灯进行加热操作，要求输出总功率为1200W，加热时间为5s。
通过比较可以发现在时间要求不高的场合，单点脉冲加热对红外成像仪的灵敏度有较高的要求，并且加热并不充分，对表面下较为深得部分探测能力较弱。因此本实验选用连续脉冲加热的方式来进行，加热温度在被测材料上的有效时间相对较长，成像效果也较好。
4 试制方案
本实验通过时间继电器控制多个卤素灯对被测器件进行加热，最后选择了4*4的卤素灯阵列分布，合理安排卤素灯间距，尽可能形成与脉冲加热的材料表面平行的平面热源，并且在被检测物体表面形成均匀的温度场，满足热波瞬间激励薄层被检物体热均匀特性。热激励均匀性是指施加于被检测面的能量均匀或者通过热激励在被检测面激发出均匀分布的能量（热量），且尽可能使热量（热波）只沿着被测材料厚度方向传播。
图1 卤素灯布局设计
在实验中，把这些卤素灯作为整体阵列热激励源可对大面积试件物体加热，尽量保证照射区域匀光、防扩散。总能量可根据实际条件调节用时间继电器控制16个100W的卤素灯（带灯杯），卤素灯采用220V/100W的型号，省去了变压环节。时间继电器工作在220V电压的环境下，容量是5A，可以满足实验要求。
通过对热源进行现场测试，所制作的主动热激励源工作在连续辐射脉冲加热时输出峰值热功率可达1200W，时间继电器设置连续加热时间为5s，能够很快对复合材料飞机构件进行加热。
5 结语
主动热激励方法的研究和选择在红外热成像检测中是重要环节，在保证热激励有效的前提下，还应考虑热激励方案实施的便捷性、外场实际测试条件和光源材料的易损耗性。热激励硬件的设计开发中要综合考虑到产生有效温差和热激励均匀性的要求，从而红外热波检测图像采集的顺利实施。
【参考文献】
[1]B Liu.The study and application of pulsed excitation-de-vice with flashing lamps array based on infrared thermal wave nondestructive testing system[D].Beijing：Capital Normal University，2006：8-9.（in Chinese）.
[2]魏敦军. 军用飞机红外热波无损检测[D].武汉：武汉理工大学，2007.
[3]杨小林，杜来林，冯立春.红外热成像检测中的主动加热方法研究[J].激光与红外，2007，37（11）：1188-1191.
[4]杨小林，吕伯平，先明乐.飞机复合材料红外检测中的热激励方法[J].无损检测，2008，30（6）：369-371.
[责任编辑：曹明明]