红外检测在材料测试中的应用实例

1.红外检测原理 红外辐射是波长介于可见光与微波（毫米波）之间的光波。任何物体的温度高于绝对零度时都会产生红外辐射。红外辐射能量大小取决于物体温度，温度愈高辐射能量愈大。

被检物有缺陷处热传导、热扩散或热容量变化将导致被检物表面温度（分布）异常。红外检测就是通过对被检物在空间和时间上红外辐射功率的变化测定得知被检物表面温度的分布状态，以检测被检物内部缺陷或结构异常的方法。

表达黑体辐射功率密度与温度关系的普朗克公式为

P_λ=c₁/{λ⁵[exp（c₂/λT）-1]}

式中 P_λ——光谱辐射功率密度（10¹⁰W/m³）；

λ——辐射波长（10^-6m）；

T——绝对温度（K）；

c₁——常数，c₁=3.74×10^-8（W/m²）；

c₂——常数，c₂=1.438×10^-2（m·K）。

物体（灰体）单位面积发出的红外辐射功率（P）符合斯特藩—波尔兹曼定律：

P=εσT⁴（W/m²）

式中 ε——比辐射率；

σ——斯特藩—波尔兹曼常数，σ=5.6697×

10^-8W/（m²·K⁴）。(www.xing528.com)

2.红外检测仪器、方法与应用 红外检测仪器可分为辐射计和红外热像仪两类。

辐射计指视场固定的红外点探测仪。辐射计能提供被检物表面一点或一条线的温度（分布）状态。

红外热像仪（红外成像系统、红外相机）是将来自被检物表面的温度分布信息转化为可视图像（以灰度或色彩显示红外辐射亮度变化的图像）的装置。热像仪分为光机扫描型与非光机扫描型两类，其中光机扫描型技术较成熟。

红外检测按检测方式分为主动式与被动式两类。主动式检测一般采用非接触式加热法对被检物注入热流，在加热的同时观察或用红外检测仪器扫描记录被检物表面的温度分布。主动式检测又分为单面法和双面法。单面法是指加热和探测均在被检物同侧进行，反之则为双面法。单面法能确定缺陷的深度（位置），而双面法检测灵敏度较高。被动式是指对无需注入热流的有自身“热源”的被检物的检测，在有“热源”被检物与周围环境的热交换过程中检测其内部缺陷或结构异常。

红外检测按加热状态可分为稳态加热和非稳态加热检测。稳态加热是指将被检物加热到内部温度均匀、恒定状态；非稳态加热是指被检物内部温度不均匀、还有热传导存在的状态。主动式检测通常在非稳态加热状态下进行。非稳态检测灵敏度较高。

红外检测具有非接触，操作简单，检测范围广，检测速度快（几毫秒即可测出检测温度），检测距离可近可远（以至于飞机遥测），显示方式多样、直观，易于实现实时检测与检测自动化等特点。

主动式检测主要应用于钢、铬等有较高导热率的金属材料内部缺陷检测、复合材料夹层缺陷与蜂窝结构检测等。

被动式检测应用于高温、高压或高速运转状态设备质量（安全）或产品生产过程（质量）的在线实时检测（监测或监控），如列车热轴、热轧机轧辊、热网管道泄漏、高温炉耐火材料烧蚀磨损、发电机与输变电装置及线路运行等的监测，轧钢坯料凝固冷速、零件热处理冷速监控等。

材料形变和断裂（裂纹及其扩展）过程及疲劳损伤过程中产生的能量变化将导致材料表面温度分布状态发生变化，因而可以非接触、实时地实现材料受力过程的红外无损监控和材料力学性能的红外无损检测。图7-116所示为红外检测应用于低碳钢拉伸过程的实例。图7-117所示为铁基高温合金疲劳过程中的温度变化（红外检测）。

图7-116 低碳钢应力、温度与应变的关系（红外检测）

图7-117 GH135合金疲劳试样的温度变化曲线