GB/T 26643-2011 无损检测 闪光灯激励红外热像法 导则

　　ICS 19. 100 J 04

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 26643—2011

　　无损检测

　　闪光灯激励红外热像法 导则

　　Non-destructivetesting—Infrared flash thermography—Guideline

　　2011-06-16发布 2012-03-01实施

　　中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局中 国 国 家 标 准 化 管 理 委 员 会

　　

　　发

　　

　　布

　　GB/T 26643—2011

　　目 次

　　前言 Ⅰ

　　1 范围 1

　　2 规范性引用文件 1

　　3 术语和定义 1

　　4 方法概要 1

　　5 检测系统 2

　　6 试件 3

　　7 检测工艺规程 4

　　8 数据处理和缺陷分析 6

　　9 安全性 10

　　附录 A (资料性附录) 缺陷的热图分析示例 11

　　附录 B (资料性附录) 微分热图的应用示例 12

　　附录 C (资料性附录) 缺陷的曲线分析示例 13

　　GB/T 26643—2011

　　前 言

　　本标准按照 GB/T 1. 1—2009给出的规则起草 。

　　本标准由全国无损检测标准化技术委员会(SAC/TC56)归 口 。

　　本标准起草单位 :北京维泰凯信新技术有限公司 、首都师范大学 、中国航空工业集团公司北京航空材料研究院 、北京理工大学 、航天材料及工艺研究所 、北京航空航天大学 、上海泰司检测科技有限公司 、上海材料研究所 。

　　本标准主要起草人 : 陶宁 、王 迅 、郭 广 平 、李 艳 红 、朱 军 辉 、曾 智 、金 万 平 、张 存 林 、伍 耐 明 、刘 颖 韬 、金宇飞 。

　　Ⅰ

　　GB/T 26643—2011

　　无损检测

　　闪光灯激励红外热像法 导则

　　1 范围

　　本标准规定了闪光灯激励红外热像法无损检测的一般原则 ,适用于材料和结构的表面及近表面缺陷检测 。

　　2 规范性引用文件

　　下列文件对于本文件的应用是必不可少的 。凡是注 日期的引用文件 ,仅注 日期的版本适用于本文件 。凡是不注日期的引用文件 ,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件 。

　　GB/T 5616 无损检测 应用导则

　　GB/T 12604. 9 无损检测 术语 红外检测

　　GB/T 20737 无损检测 通用术语和定义(ISO/TS18173)

　　3 术语和定义

　　GB/T 12604. 9 和 GB/T 20737界定的以及下列术语和定义适用于本文件 。

　　3. 1

　　闪光灯阵列 flash lamp array

　　由 n(n≥1)个按一定规则排列的闪光灯构成的热激励装置 。

　　3. 2

　　闪光灯激励红外热像法 infrared flash thermography

　　利用闪光灯阵列作为热激励源的一种脉冲热像法 。

　　3. 3

　　闪光灯脉冲半高宽 flash pulsewidth atthehalfpeak intensity

　　闪光灯光强度为最大值的一半时的脉冲宽度(时域) 。

　　3. 4

　　温差-时间对数曲线 logarithmic temperature-timeplot

　　Y 轴为脉冲热激励前后温度差值的自然对数 ,X 轴为时间 自然对数的曲线 。

　　3. 5

　　一阶微分热图 thermogram offirstderivative

　　像元值为所对应被测物区域在该时刻的温度随时间的一阶变化率所构成的图像 。

　　3. 6

　　二阶微分热图 thermogram ofsecond derivative

　　像元值为所对应被测物区域在该时刻的温度随时间的二阶变化率所构成的图像 。

　　4 方法概要

　　4. 1 技术原理

　　闪光灯激励红外热像法采用闪光灯阵列对被测物体表面进行脉冲加热,使用红外热像仪探测并记

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　　录被测物体在闪光灯激励前后的表面温度1) 分布及其变化 。 闪光灯发出的光脉冲在被测物体表面形成面热源 ,在热传导的过程中 ,被测物体表面的温度随之下降 。通常情况下 ,被测物体内部的缺陷 、损伤和结构造成的热物理属性差异会影响其相应表面区域的冷却过程,热像仪探测并记录与之相应的表面温度变化 ,经过数据分析和处理可获得被测物体内部的缺陷 、损伤和非均匀信息 ,见图 1。

　　图 1 检测原理示意图

　　4. 2 技术特点

　　4. 2. 1 本方法通常不受被测物体材料类别的限制 ,尤其适合复合材料的检测 。

　　4. 2. 2 本方法是一种非接触检测方法 。

　　4. 2. 3 通常不受被测物体的大小 、形状限制 ,单次检测面积大 ,速度快 ,检测效率高 。

　　4. 2. 4 检测结果能以图像形式显示 。

　　4. 2. 5 特别适用于物体的分层 、脱粘 、蜂窝结构积水 、蒙皮锈蚀等类型缺陷的检测 。

　　4. 2. 6 能用于航空 、航天产品大型构件的现场检测 。

　　4. 2. 7 能用于缺陷形状 、大小 、深度 、涂覆层厚度的测量 。

　　5 检测系统

　　5. 1 系统构成

　　5. 1. 1 闪光灯激励红外热成像检测系统应包括闪光灯阵列热激励系统 、红外热像仪 、控制和数据处理系统 。

　　5. 1. 2 检测系统及各组成部分在使用前应该进行必要调试和测试 ,例如 ,校准 、标定和参数设置 。

　　5. 2 闪光灯阵列热激励系统

　　5. 2. 1 闪光灯阵列热激励系统应满足 :

　　— 在被测物表面上加热均匀 ;

　　1) 热像仪接收的是其工作波段的辐射能量 ,实际应用中通常用温度近似表示 。

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　　— 闪光灯的脉冲半高宽一般应小于或等于 5 ms;

　　— 避免所安置的闪光灯阵列直接照射到热像仪的镜头 。

　　5. 2. 2 宜在闪光灯的后面安装反光罩 ;宜在闪光灯的前方安装对可见光透明同时对在所用热像仪工作波段不透明的玻璃罩 ;宜将闪光灯阵列置于遮光罩内 。

　　5. 3 红外热像仪

　　5. 3. 1 应满足如下要求 :

　　— 在整个数据采集过程中能连续工作 ;

　　— 能实时输出采集到的图像序列 ;

　　— 在闪光灯加热后被测物体的温度变化范围内,热像仪的响应近似线性 ;

　　— 光学镜头和探测器组合能满足所希望检测到的最小缺陷在热像仪探测器上至少占有 9个相邻像元 。

　　5. 3. 2 性能指标应能满足检测要求 ,例如工作波段 、工作距离 、帧频 、最小温度分辨力 、空间分辨力 、镜头视场等 。

　　5. 4 控制和数据处理系统

　　5. 4. 1 能发出触发闪光灯闪光和数据采集的指令 ,采集闪光前后的数据 ,并实现数据存储 。

　　5. 4. 2 能实时显示热像仪采集到的信号 ;能存 、取 、连续播放 、逐帧播放检测所获得的热图序列 。

　　5. 4. 3 宜具有如下功能 :能观察任意像素点的温差-时间对数曲线 ,数据处理系统宜能够对原始的热图序列进行相关的图像处理运算 ,例如 ,均值滤波 ,减背景 , 降噪 ,一阶微分和二阶微分处理等 。

　　6 试件

　　6. 1 检测能力试件

　　6. 1. 1 检测能力试件是一种预埋有各种已知缺陷的参考试件 ,用于设定检测仪器的参数 ; 能够确定设备在给定应用条件下的极限检测能力 ;可用于定期检查设备状态 。

　　6. 1. 2 宜对一种类型的缺陷制作 5个以上不同宽深比的缺陷 ;宽深比范围应覆盖实际需检测缺陷的宽深比范围 ,并且要包括 1个以上由客户要求检出的最小缺陷 。如果无法预知最小可检测缺陷的宽深比 ,设计的参考试件中的这五种缺陷的宽深比宜覆盖 0. 5~ 10。

　　6. 1. 3 如果需要检测不同缺陷类型 ,宜在试件中对每种类型设计 5个不同宽深比的缺陷 。

　　6. 1. 4 试件中的各种已知缺陷既可以是实际缺陷 ,也可以是人工缺陷 ;人工缺陷的制作应该考虑到它对热激励的响应 ,及相对于感兴趣区域的热特性 。

　　6. 1. 5 设计人工缺陷时 ,两相邻缺陷边缘的间距应大于两者中较大缺陷的直径 ;缺陷边缘距试件边缘的距离应大于缺陷的直径 。

　　6. 1. 6 如果无法得到上述标准参考试件 ,可以考虑利用相同材料制作平底孔试件 ,但须了解由于没有热损失 ,平底孔缺陷是最易检测的 ,对实际缺陷检测的能力一般会低于对平底孔的检测能力 。

　　6. 2 热激励均匀性试件

　　闪光灯阵列加热的均匀性可用一块铝板制作的参考试件检测 :

　　— 铝板的厚度建议为 3 mm;

　　— 铝板的大小宜充满整个检测视场 ;

　　— 铝板的检测面应经过表面处理使其具有较高的发射率 ,例如 ,均匀喷涂哑光黑漆 。在不加热的情况下,热像仪观察到的漆层应是均匀的 。

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　　6. 3 对比试件

　　6. 3. 1 针对不同种类的被测物体中的某类或某几类缺陷 ,设计模拟方法 ,制作对比试件 。对比试件的材料 、制作工艺 、结构形式应尽可能与被测物体相同 。

　　6. 3. 2 制作的对比试件宜采用红外检测以外的其他检测方法或抽样解剖方法进行验证 。

　　6. 3. 3 通过对对比试件进行检测 ,优化检测条件和参数设置 ,记录设备参数 、检测条件 、检测步骤 、检测数据及分析结果 ,用于将来实际检测的对比 。在相同的条件下对被测物体进行实际检测分析 ,并将处理后的结果与已有的对比试件进行对比分析作出检测判断 。

　　6. 4 试件管理

　　应对试件的保管 、使用 、报废进行规范管理 ,注意保护试件表面 , 防止表面污损 。

　　7 检测工艺规程

　　7. 1 检测流程

　　检测流程参见图 2。

　　图 2 检测流程图

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　　7. 2 检测目的和要求

　　应向客户了解被测物体的材料 、结构特征 、缺陷类型和表面状况 , 明确检测目的和具体要求 。

　　7. 3 检测方案

　　7. 3. 1 应考虑被测物体 、检测要求 、设备 、环境等各种影响检测的因素 ,通过设计检测方案 ,进行对比验证试验 ,优化检测工艺 ,应根据 GB/T 5616编制检测作业文件 。

　　7. 3. 2 采用本方法能否检出缺陷主要取决于缺陷的大小 、所在深度以及其热物理属性与周围的本体材料的差异程度 。缺陷越大 ,越接近于物体表面 ,缺陷与本体材料的热物理属性区别越明显 ,就越容易检测到 。一般来说 ,缺陷的宽深比小于 1,不建议采用本方法 。

　　7. 3. 3 对于被测物体材料热扩散率过低 ,或者需探测的缺陷位置过深情况 ,不建议采用本方法 。

　　7. 3. 4 应根据被测物体表面红外发射率 、可见光吸收率 、表面光洁度 、表面形状等表面状况 ,对其进行必要的表面处理 。被测物体表面需要有高的可见光吸收率和红外热像仪工作波段的红外发射率 ,应对低发射率的检测面(如大部分金属的表面)进行表面处理 ,可在被测物体表面喷涂水溶性黑漆 。

　　7. 3. 5 应根据降温过程的快慢来确定数据采集时间和频率 ,完整地记录检测数据 。应记录被测物体闪光灯激励前的初始温度分布以及激励后的表面降温过程的变化温度分布 。

　　7. 3. 6 应根据检测需要设置闪光灯能量 。

　　7. 3. 7 在特定检测距离下 , 当感兴趣检测区域面积大于热像仪视场覆盖面积时 ,应进行分区检测 ,并采用作标记的方法 ,便于检测结果的拼接处理及确定缺陷的相对位置 。

　　7. 3. 8 应尽可能排除环境背景干扰 ,例如 ,移除被测物体周围的热源 。

　　7. 4 检测准备

　　7. 4. 1 根据所确定的检测工艺进行被测物准备 ,例如 ,表面处理 、分区准备等 ;参考试件准备(可选) ;检测设备准备 ,例如 ,仪器调试 、校准 、标定 、参数设置等 。

　　7. 4. 2 重复检测同样产品,可省略 7. 3,直接从步骤 7. 4 开始进行 。

　　7. 5 检测实施

　　应按照本检测方法以及具体的检测作业文件实施检测 。

　　7. 6 数据分析和处理

　　7. 6. 1 根据检测要求 、检测方法和检测作业文件的规定 ,在 8. 1 规定的数据处理方法中选择一种或综合采用几种方法进行数据处理 ,也可采用其他数据处理方法 。

　　7. 6. 2 根据检测要求 、检测方法和检测作业文件的规定 ,在 8. 2 规定的缺陷分析方法中选择一种或综合采用几种方法进行缺陷分析及判定 ,也可采用其他缺陷分析及判定方法 。

　　7. 6. 3 应该根据需要 ,对同种被测物体建立红外检测档案 ,并对每一次检测的结果进行存档 ,用于对被测物体的状态评定与质量跟踪 。

　　7. 6. 4 应完整保存原始热图数据 、处理过程的数据以及分析数据的电子文件 ,并做好电子文件的归档与管理 。

　　7. 7 检测报告

　　报告内容应至少包括 :检测时间 、检测人员 、被测物体描述 、检测 目 的和要求 、检测设备 、数据分析 、检测结果及结论 ;检测报告应包括被测物体必要的照片 、热图 、曲线等 。

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　　8 数据处理和缺陷分析

　　8. 1 数据处理方法

　　8. 1. 1 热图

　　8. 1. 1. 1 对于给定的热像仪视场及工作波段,热图中的灰度或色彩代表各像元所对应的物空间区域红外辐射能量的大小 。 图 3 为玻璃钢平底孔试件示意图 , 内部人工设计 6 个不同深度的孔径相同的平底孔模拟缺陷 , 区域 1~ 6分别对应距离表面深度依次为 1 mm、2 mm、3 mm、4 mm、5 mm、6 mm , 区域 7为参考区域 。

　　图 3 玻璃钢平底孔试件示意图

　　8. 1. 1. 2 以灰度表示的热图中 ,通常亮度越高温度越高 。 图 4所示热图可以直观看出平底孔模拟的内部缺陷 。

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　　图 4 用灰度显示的热图

　　8. 1. 1. 3 以伪彩色表示的热图见图 5。

　　图 5 用伪彩色显示的热图

　　8. 1. 2 热图序列

　　8. 1. 2. 1 热图序列中起始热图的任一像元点与相应物空间区域的对应关系在热图序列中应保持固定不变 。通常热图序列中热图的时序关系与被测物表面下的深度信息相对应 。

　　8. 1. 2. 2 热图序列是判读和测量缺陷的手段 ,可用于测量缺陷的形状 、位置 、大小和深度 ,示例参见附录 B。如图 6所示玻璃钢平底孔试件 ,离表面越浅的缺陷在热图序列中越早显现 。

　　8. 1. 2. 3 通过热图序列可获得被测物体指定区域的表面降温曲线 , 即 :温度-时间曲线 ,如图 7 所示 , 图中曲线分别为图 6 中深度不同的 6个平底孔及参考区域的温度-时间曲线 。

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　　图 6 玻璃钢平底孔试件热图序列

　　图 7 平底孔试件温度-时间曲线示意图

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　　8. 1. 2. 4 对两个区域的温度-时间曲线求差可以获得对比温度-时间曲线 。该曲线的峰值时间带有这两个区域间的深度差信息,热图序列中该峰值时间所对应热图为这两个区域温度对比度最大的热图 。如图 8所示 ,对比温度-时间曲线由图 7 中曲线 1~ 曲线 6分别减去参考区域曲线后得到 。

　　图 8 平底孔试件对比温度-时间曲线示意图

　　图 9 平底孔试件温差-时间对数曲线示意图

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　　8. 1. 2. 5 温度-时间曲线的温度值减去该区域激励前的初始值后取自然对数与时间的 自然对数可绘制出温差-时间对数曲线 。对内部无缺陷各向同性均匀物质该曲线应为一条斜率为 -1/2的直线 。 实际检测中 ,在不连续界面处温差-时间对数曲线会发生偏离 ,偏离位置带有此不连续界面深度信息 ,偏离的斜率带有此不连续界面另一侧物质热物理属性信息 ,如图 9所示 。

　　8. 1. 3 微分热图

　　微分热图通常是帮助分析和判读缺陷的有效工具 。使用微分热图可以去掉某些影响检测的干扰信号 ,示例参见附录 B。微分热图有一阶微分热图和二阶微分热图 。

　　8. 2 缺陷分析方法

　　8. 2. 1 图像分析

　　对热图 、热图序列 、微分热图序列进行分析和处理 , 可以判读出被测物体的热异常区域的形状 、位置 、大小和深度 ,这些热异常通常表示存在缺陷或者被测物材料或结构在此处的物理属性有差别 ,示例参见附录 A。

　　8. 2. 2 曲线分析

　　利用温度-时间 、温差-时间对数等曲线可获取缺陷深度 、缺陷类型及尺寸等信息 ,示例参见附录 C。

　　8. 2. 3 对比分析

　　8. 2. 3. 1 建立对应检测物体缺陷判读的参考标准 ,通过对比 ,判读缺陷 。

　　8. 2. 3. 2 实践中 ,有时还可以通过对被测物体自身正反面分别检测 ,通过对应位置的对比 ,验证检测结果 ,示例参见附录 A。

　　8. 2. 3. 3 对被测物体不同工序后的检测 ,通过对比可以判读缺陷及缺陷的修复或发展 。

　　9 安全性

　　9. 1 设备安全

　　闪光灯激励热像法涉及加热装置和电力装备的安全使用 。

　　9. 2 人员安全

　　检测人员应在与闪光灯隔离的工作区操作仪器 ,应对闪光灯工作区域设置明显的安全警告标志 , 防止检测现场的工作人员直接暴露在闪光中 。

　　9. 3 环境安全

　　不允许在易燃 、易爆的环境中操作闪光灯 。

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　　附 录 A

　　(资料性附录)

　　缺陷的热图分析示例

　　在图 A. 1 中的热图中直观显示出缺陷的形状 、定量标出缺陷或热异常的尺寸 、位置 。

　　图 A. 1 热图结果分析示例一

　　图 A. 2 中通过对被测物体自身正反面分别检测 ,通过对应位置的比较 ,验证检测结果 。

　　图 A. 2 热图结果分析示例二

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　　附 录 B

　　(资料性附录)

　　微分热图的应用示例

　　微分热图排除直流成分的影响 。

　　图 B. 1左所示碳纤维层压 板 试 件 原 始 热 图 的 中 间 黑 色 圆 圈 区 域 为 热 像 仪 镜 头 , 并 非 内 部 设 计 缺陷 。 图 B. 1 右所示的一阶微分曲线排除了该镜头的干扰 。

　　图 B. 1 微分热图的应用示例

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　　附 录 C

　　(资料性附录)

　　缺陷的曲线分析示例

　　C. 1 用曲线分离特征时间标记缺陷深度示例

　　图 C. 1左中示例为 8. 1. 1. 1 的平底孔试件 ,1~ 6 平底孔在不同的时间与参考区域曲线分离 , 图右中给出分离时间与缺陷深度的平方的关系曲线 。

　　图 C. 1 用曲线分离特征时间标记缺陷深度示意图

　　C. 2 用二阶微分曲线峰值标记缺陷深度或涂层厚度示例

　　图 C. 2 中所示的为 4块厚度不同的涂层试件 , 1~ 4 号试件涂层厚度依次增加 ,得到的二阶微分曲线的峰值时间依次增加 。

　　图 C. 2 用二阶微分曲线峰值标记涂层厚度示意图

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　　C. 3 用曲线识别缺陷类型示例

　　图 C. 3 中所示为黑塑料平底孔试件 , 四个孔径相同 ,深度为 2 mm 的平底孔内填充不同的物质 ,1~ 4分别为空气 、泥 、油和水 , 得 到 对 应 区 域 表 面 的 温 差-时 间 对 数 曲 线 中 四 个 区 域 与 基 底 在 相 同 时 间 分离 ,分离时刻的曲线斜率不同 。

　　图 C. 3 用曲线识别缺陷类型示意图

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