高清可复制 HB 8428-2014(2017) 航空复合材料闪光灯激励红外热成像检测方法

　　ICS 49.020 V 04

　　HB 8428-2014

　　航空复合材料闪光灯激励红外热成像

　　检测方法

　　Inspecting method for infrared flash thermography of composite materials for

　　aerospace

　　2014-05-19 发布 2014-10-01 实施

　　中华人民共和国工业和信息化部 发 布

　　前 言

　　本标准按 GB/T 1. 1-2009 给出的规则起草。

　　本标准由中国航空综合技术研究所归口。

　　本标准起草单位：中国航空综合技术研究所、首都师范大学。

　　本标准起草人：李慧娟、霍 雁、张存林。

　　本标准为首次发布。

　　航空复合材料闪光灯激励红外热成像检测方法

　　1 范围

　　本标准规定了闪光灯激励红外热成像检测方法的一般要求、系统构成、检测参数设置、检测程序及数据处理要求。

　　本标准适用于对航空行业所用碳纤维层压板、玻璃钢等复合材料内部分层、夹杂等缺陷进行检测，对夹层结构内部脱粘、积水、积油等缺陷进行检测， 适用于对产品进行外场及在役检测。其他材料的闪光灯激励红外热成像检测可参照使用。

　　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， 仅所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 12604.9 无损检测 术语 红外检测

　　GB/T 19870 工业检测型红外热像仪

　　GB/T 26643 无损检测 闪光灯激励红外热像法 导则

　　3 术语和定义

　　GB/T 12604.9 及 GB/T 26643 界定的术语和定义适用于本文件。

　　4 方法概述

　　闪光灯激励红外热成像检测方法通过闪光灯阵列对被测物表面进行加热，使用红外热像仪探测并记录被测物体在闪光灯激励前后的表面温度场分布及其变化。闪光灯发出的光脉冲在被测物体表面形成面热源，热波在被测物体内部进行热传导，被测物表面温度场随之发生变化，同时，在热传导的过程中被测物体内部的缺陷、损伤和结构造成的热属性差异会影响其相应表面区域的冷却过程。热像仪探测并记录被测物表面的温度场变化，经过数据分析和处理可获得被测物体内部的缺陷、损伤和结构信息。检测原理如图 1 所示。

　　图 1 闪光灯激励红外热成像检测原理图

　　5 一般要求

　　5.1 人员资格

　　从事红外热成像检测的人员应经过技术培训，并通过相应级别的资格鉴定与认证。

　　5.2 检测环境

　　5.2.1 检测环境中应避免存在干扰检测的热辐射源，宜在无风或微风条件下进行。

　　5.2.2 检测环境温度及湿度控制在仪器、设备及材料允许范围内。

　　5.3 检测安全

　　5.3.1 检测过程中应对激励闪光进行必要遮挡以避免对操作者眼睛造成伤害。

　　5.3.2 不允许在易燃、易爆的环境中进行。

　　6 仪器系统

　　6.1 系统组成

　　闪光灯激励红外热成像检测系统由红外热像仪、闪光灯阵列热激励系统、控制与数据采集系统、数据分析软件等部分构成。

　　6.2 红外热像仪

　　6.2.1 应能通过探测物体表面的热辐射量来测量被测物体表面的温度场变化，应能采集并记录检测全过程中被测物表面的温度场变化数据，应符合 GB/T 19870 的要求。

　　6.2.2 镜头及探测器组合应能满足所需检测最小缺陷在探测器上占有至少 9 个相邻像元。

　　6.2.3 应能在整个数据采集过程中连续工作，并能对采集到的信号进行实时数据输出。

　　6.2.4 在闪光灯加热后被测物体温度变化范围内，热像仪的输出信号响应近似线性。

　　6.2.5 波长范围应在 3μm～5μm或 8μm～14μm两个范围内。

　　6.2.6 应定期进行校准和维护。

　　6.3 闪光灯阵列热激励系统

　　6.3.1 对被测物表面进行热激励形成被测物表面的热源，应能对被测物表面均匀加热。

　　6.3.2 闪光灯脉冲宽度应小于或等于 5 ms，加热时应避免闪光直接照射热像仪镜头。

　　6.3.3 闪光灯宜被置于遮光罩内，并在闪光灯前方安装对可见光透明但对红外热像仪波段不透明的玻璃罩。

　　6.4 控制与数据采集系统

　　6.4.1 应能发出触发闪光灯和数据采集的指令，采集数据并实现数据存储。

　　6.4.2 应能保证闪光灯触发与热像仪数据采集的同步性。

　　6.4.3 应允许在闪光灯激励前、激励过程中与激励后持续工作。

　　6.5 数据分析软件

　　6.5.1 应能对采集到的数据序列进行分析。

　　6.5.2 应能实时显示热像仪采集到的数据序列，能对数据序列进行逐帧播放。

　　6.5.3 宜能获得任意点的温度-时间对数曲线，应能进行均值滤波，减背景，降噪，一阶微分和二阶微分处理等附加数据处理，以提高检测灵敏度。

　　7 参考试件

　　7.1 检测能力试件

　　7.1.1 为建立红外热成像系统中各仪器参数，确定其在特定条件下的检测能力而制造的含有已知缺陷的标准试件，能够用于对设备性能进行检验。

　　7.1.2 材料、结构和工艺应与被测物相同，已知缺陷可以是真实缺陷或人工缺陷，人工缺陷需能模拟待检测结构内部典型缺陷产生的热物理特性。

　　7.1.3 宜至少包括 5 个特定类型的已知缺陷，已知缺陷宽深比宜覆盖预期的缺陷宽深比范围，并应涵盖所需检测到的最小缺陷尺寸。

　　7.1.4 不对最小可检测缺陷尺寸作要求时，检测能力试件中宜至少包括一种类型的 5 个已知缺陷，宽深比应在 0.5～10 之间。

　　7.1.5 需检测不同类型缺陷时，宜针对不同缺陷分别制作 5 个不同宽深比缺陷。两相邻缺陷边缘间距应大于较大缺陷直径，每个缺陷边缘距试块边缘距离应大于缺陷直径。

　　7.1.6 两相邻缺陷边缘间距应大于两缺陷中较大缺陷的直径，缺陷边缘距试件边缘距离至少为一个缺陷的直径。

　　7.1.7 检测能力试件难以获取时，可利用在相同材料平板背面加工平底孔的方法制造试块。平底孔试件可被认为是最容易检测的缺陷，系统对实际缺陷的检测能力一般低于对平底孔试件的检测能力。

　　7.2 均匀性试件

　　7.2.1 均匀性试件是用以检测闪光灯阵列发出激励光均匀性的参考试件，可用铝板制作完成。

　　7.2.2 铝板厚度宜为 3 mm，铝板表面应能充满整个检测视场。

　　7.2.3 应对铝板检测表面喷黑漆或覆膜处理，使其具有较高的发射率，在其不受热激励时，热像仪检测铝板表面涂覆层应呈均匀状态。

　　8 检测程序

　　8.1 概述

　　检测过程主要包括被测物准备、热像仪调整、检测参数设置、激励加载、数据采集等部分。

　　8.2 被测物准备

　　8.2.1 检测前需要对被测物表面进行清洁，对目视可见并可能影响检测结果判定的表面显示或特征进行记录。

　　8.2.2 根据被测物表面红外发射率、可见光吸收率、表面形状等状况进行必要的表面处理。对于低发射率的被检表面可通过涂覆不影响表面质量的水溶性黑漆的方法增加光的吸收率和材料的发射率。

　　8.2.3 在热像仪的采集光谱范围内，被测物必须对红外不透明。

　　8.2.4 在特定检测距离下，被检测区域面积大于热像仪视场此时的覆盖面积时，可进行分区检测，保证分区之间有重叠，避免漏检。

　　8.2.5 被测物应放置在热像仪视野与闪光灯阵列范围内，被测物表面法线方向与检测方向间夹角宜小于 30˚。

　　8.3 热像仪调整

　　8.3.1 调焦至物体边缘能够清晰呈现，调整时需要在被测物体表面放置热反射物体。

　　8.3.2 对热像仪视场范围内单一像素所代表的实际长度进行测量。测量方法为：调整热像仪焦距后，将一已知尺寸物体放置在热像仪视野范围内，测量已知物体在长度、宽度上的像素数， 将其与实际尺寸进行对比，计算各像素点所代表的实际长度。

　　8.3.3 对于焦平面阵列探测器热成像系统，应按检测需求进行非均匀性校正。

　　8.4 检测参数设置

　　8.4.1 检测影响因素

　　8.4.1.1 影响检测结果的参数包括被测物表面发射率、对光的反射率，闪光灯能量、脉冲宽度、热像仪工作波段、空间分辨率及时间分辨率等。

　　8.4.1.2 缺陷的可检性与缺陷的类型、尺寸、深度、位置以及缺陷与基体间的热特性差异密切相关。探测缺陷大小的能力随深度增加而减小，越靠近产品表面的大缺陷越易检测，与被测物本身热特性差异越大的缺陷越易检测。

　　8.4.2 参数设置依据

　　8.4.2.1 检测前宜利用检测能力试块对检测工艺参数进行设置，随后利用相同检测工艺及程序对被测物进行检测。

　　8.4.2.2 工艺参数主要包括激励加载能量、加载距离、检测距离、采集时间、采集频率等，参数设置主要根据为被测物内部缺陷特性、表面状况、内部结构、缺陷的几何特性及热特性。

　　8.4.3 激励加载参数

　　8.4.3.1 根据材料热物理属性及缺陷类型确定闪光灯激励能量，对被测物表面进行热激励。缺陷越大、越接近检测表面、与基体热属性差异越明显，所需激励加载能量越小，反之越大。

　　8.4.3.2 闪光灯激励后的最初几帧，热像仪接收到由被测物表面及内部反射的红外热辐射过量，数据发生过饱和现象。可通过降低闪光灯能量或降低热像仪积分时间、调整闪光灯与热像仪的积分区间的方法减小数据饱和现象。

　　8.4.4 数据采集参数

　　8.4.4.1 应根据降温过程，确定闪光结束后热像仪对待测表面热辐射进行持续采集的时间。

　　8.4.4.2 为保证检测到更多缺陷，应保证数据序列至少包括闪光前 1 帧及闪光后 100 帧的数据。被测物材料热扩散率及待检板厚度已知时，采集时间应至少满足公式(1)：

　　T=2L2 / πα ………………………………………………(1)

　　式中：

　　L——待检板厚度，单位为毫米(mm);

　　α——热扩散率。

　　8.4.4.3 数据采集时间应足够长，使热扩散过程完整，采集到的温度信号足够强，可与背景噪声进行区分。

　　8.4.4.4 针对过薄或热传导过快的被测物，宜提高采集频率进行探测。

　　8.5 激励加载

　　将待测物放在热像仪视野范围内，触发闪光灯阵列对被测物表面进行热激励，热激励区域应大于检测区域。

　　8.6 数据采集

　　利用热像仪进行检测数据进行同步采集、记录与储存。

　　9 数据处理

　　9.1 数据处理方法

　　数据处理方法包括原始热图分析、微分热图分析及对数曲线分析方法。数据处理示例参见附录 A。

　　9.2 原始热图分析

　　9.2.1 原始热图反映特定时刻物体表面红外辐射亮度分布，原始热图序列为一组有时序关系的原始热图，热图的时序关系与被测物表面下的深度信息相对应，可以通过分析图像序列确定被检测区域的内部信息。

　　9.2.2 原始热图通过分析缺陷区域与完好区域的灰度差异对缺陷进行检测，原始热图分析适用于检测小于热像仪视场范围、大于最小可检缺陷尺寸的缺陷。

　　9.2.3 原始热图中，空气隙或分层等阻碍热传导的缺陷显现出高温度，而水或金属夹杂等有助于热消失的缺陷显现出低温度。

　　9.3 微分热图分析

　　9.3.1 微分数据序列是对原始数据序列进行对数一阶微分或二阶微分后的数据序列，可采用对比度分析及数值分析法对近表面缺陷进行识别。

　　9.3.2 对比度分析法时缺陷在图像序列出现，与完好区域相比具有较高或较低的幅值，通过分析幅值差异对缺陷进行识别。

　　9.3.3 数值分析法时单个及连续缺陷处数据进行微分计算后的数值与检测能力试件中参考完好区域进行微分计算后的数值有明显区别，通过比较微分后数值的差异对缺陷进行识别。

　　9.4 对数曲线分析

　　9.4.1 对数曲线分析是通过评价缺陷区域中具有代表性某点的温度-时间对数曲线，实现对缺陷的识

　　别。

　　9.4.2 需要对待测物表面上能够反映深度特征及反射界面信息的特征点进行温度-时间对数曲线分析。

　　9.4.3 检测点与检测能力试件中完好区域某点的温度-时间对数曲线产生明显差异时，代表检测点为缺陷位置。

　　9.4.4 均质材料的温度-时间对数曲线是一条斜率接近-0.5 的直线，热传导到达被测物背面或缺陷位置时，温度-时间对数曲线将发生偏离，偏离斜率可能向上或向下，这与异质材料的热物理特性密切相关。

　　9.4.5 如果温度-时间对数曲线没有发生偏离，需要延长数据采集时间并重新对数据进行分析，直至曲线发生偏离为止。

　　9.4.6 对数曲线发生偏离时刻的幅值应足以保证其能够与背景曲线进行分离，如果在偏离点附近的幅值过小而接近噪声，应加大闪光灯激励能量进行重新检测。

　　9.5 缺陷测量与记录

　　9.5.1 单个缺陷的横向尺寸测量取决于贯穿缺陷最宽处直线上各点的原始数据或微分数据曲线的半高宽。

　　9.5.2 能够同时在原始数据序列及微分数据序列中显示的缺陷，应对其位置、大小及特性进行详细记录。检测结果中有缺陷显示时， 需要对检测表面状况进行详细检查，以排除表面油污、记号等形成的伪缺陷显示。

　　10 检测报告

　　报告内容宜包括：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、检测条件、参数设置、结果分析;检测报告应包括被测物体必要的照片、热图、曲线等。

　　附 录 A (资料性附录)数据处理示例

　　A.1 模拟缺陷设计图

　　设计碳纤维平底孔试件，内设计四排五列不同大小、不同深度的平底孔， 距离探测表面的距离从右向左依次递增，缺陷设计图如图 A. 1 所示。

　　图 A.1 碳纤维被测件缺陷设计图

　　A.2 原始热图序列

　　利用闪光灯激励红外热成像方法对碳纤维平底孔试件进行检测，不同时刻检测结果如图 A.2 所示。

　　图 A.2 原始热图序列结果图

　　A.3 对数曲线分析

　　选择右上角两个不同深度缺陷进行分析，分别选择两缺陷中心点及参考区域作为参考点，绘制此三点的温度-时间对数曲线，如图 A.3 所示。

　　图 A.3 特定点温度-时间对数曲线

　　红色为参考区域的温度-时间对数曲线，绿色与蓝色分别为不同深度缺陷的温度-时间对数曲线，两条曲线与参考区域曲线的分离时间不同，根据正比关系公式可知缺陷埋深越深时此区域曲线与参考曲线分离时间越晚，这一结果与实际试件缺陷设置情况相符。

　　A.4 对数-温差二阶微分曲线

　　选择第一排后四个缺陷进行分析，绘制各中心点的对数-温差二阶微分曲线，四个缺陷从右至左排号分别为 1-4，对数-温差二阶微分缺陷验收分别为 1 号红色、2 号蓝色、3 号紫色、4 号绿色分别为绿色、紫色、蓝色、红外，如图 A.4 所示。

　　图 A.4 特定点对数-温差二阶微分曲线

　　从 1-4 各缺陷距检测表面深度逐渐增大，相对应的对数-温差二阶微分曲线峰值时刻依次增加。

　　A.5 缺陷尺寸测量

　　由于热扩散作用影响，缺陷在刚显现时刻的尺寸最能体现其真实性，对缺陷进行测量的时刻应选在缺陷刚刚显现的时刻。缺陷尺寸测量结果如图 A.5 所示。

　　图 A.5 缺陷尺寸测量结果

　　在缺陷显现时刻测量的缺陷尺寸与实际尺寸误差最小，缺陷尺寸大于 10mm 的缺陷，误差控制在10%以内，随着深度不断增加，误差逐渐增大，随着尺寸不断减小，误差逐渐增大。