摘 要

红外无损检测技术是通过红外成像技术检测试样表面温度分布，从而判定试样内部缺陷情况的技术。本文基于热传导理论和红外无损检测原理，利用Gambit建立二维、三维模型，ANSYS分析，完成仿真模拟过程。对于二维模型模拟，建立缺陷半径大小不同的模型，利用ANSYS分析得到材料表面温度，且计算其温度梯度。通过二维模拟所得数据，分析温度梯度与缺陷半径的关系，提出确定缺陷边界的方法。通过三维模拟以及基于Canny边缘检测算法所编写的缺陷边界识别算法所得出的结果，验证二维模拟所得确定缺陷边界方法的可行性。完成了红外无损检测实验平台的搭建，制备相关实验试样，开展验证性实验。对实验得到的试样表面红外热像图进行处理，得到式样表面温度数据，利用已编写的算法对数据进行分析，验证所编写算法的可行性。

关键词：红外无损检测；仿真模拟；边界检测算法；

Abstract

Infrared nondestructive testing is a technique to determine the internal defects of samples by detecting the surface temperature distribution of samples through infrared imaging technology. Based on the theory of heat conduction and the principle of infrared nondestructive testing, this paper uses Gambit to build two-dimensional and three-dimensional models, analyze ANSYS, and complete the simulation process. For 2D model simulation, a model with different defect radius size was established, and ANSYS was used to obtain the material surface temperature and calculate its temperature gradient. The relationship between the temperature gradient and the defect radius is analyzed through the two-dimensional simulation data, and a method to determine the defect boundary is proposed. The results obtained by 3D simulation and the defect boundary recognition algorithm written by Canny edge detection algorithm verify the feasibility of the method for determining the defect boundary obtained by two-dimensional simulation. The establishment of the infrared nondestructive testing experimental platform was completed, relevant experimental samples were prepared, and confirmatory experiments were carried out. The infrared thermal image of the sample surface obtained from the experiment is processed to obtain the data of the sample surface temperature.

Keywords: Infrared nondestructive testing; Simulation; Boundary detection algorit

目录

第一章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.3红外无损检测技术 3

1.4研究内容、方法及章节安排 4

第二章 非金属材料脱粘缺陷红外无损检测的数值模拟 6

2.1二维模拟 6

2.2三维模拟 9

2.3本章小结 15

第三章 红外无损检测非金属材料脱粘缺陷实验 16

3.1实验平台及实验设备 16

3.2实验试件 17

3.3实验结果分析 17

3.4本章小结 19

第四章 缺陷边界检测算法的改进 20

4.1传统Canny算法的不足 20

4.2算法改进及改进后算法的识别结果 20

4.3本章小结 22

第五章 结论与展望 23

参考文献 24

致谢 26

绪论

1.1研究背景及意义

随着科学技术的发展，非金属材料在建筑行业、国防装备、工业生产等领域被广泛应用。在建筑领域中，岩棉，硅藻土等材料因具有良好的耐热性，而被用与建筑物表面保温^[1]；在国防装备生产领域中，陶瓷因具有质量较轻，硬度较高的优势，因此用于飞机骑车及防弹衣的制造^[2]；在工业生产领域中，非金属材料常被作为防腐材料粘贴在金属设备（如管道）的外表面，既能满足对设备防腐性能的要求，对设备起到保护作用，又能避免设备直接暴露在环境中，受到大气环境的腐蚀和破坏^[3]。但是由于设备表面存在缺陷、粘接剂在使用过程中产生气泡等原因，在粘贴过程可能导致粘贴质量不合格，从而导致非金属材料脱粘，使非金属材料失去其应有的功能，从而引发一系列的问题。

非金属材料的粘贴质量，目前通常采用粘贴力来表示，即将粘贴材料通过破坏性剥离所需的力的大小。由于破坏性剥离会给粘贴材料带来不可逆性损坏，所以对于粘贴质量的检测可采用无损检测的方法。^[4]。无损检测有多种方式，如红外检测、射线检测、磁粉检测、超声检测，液体渗透检测等。通过国内外许多研究者们利用各种无损检测方式对非金属材料脱粘缺陷进行的数值仿真模拟与实验发现，与其他无损检测技术相比，红外无损检测具有适用范围广、不污染试件、检测结果具有可视性，观测面积大，速度快等优势^[5-8]。因此，更多的研究者更倾向于利用红外无损检测来进行非金属脱粘缺陷检测。

本文基于红外无损检测技术，通过数值模拟与实验验证结合的方法来研究含有粘贴缺陷的试件表面的温度分布，分析缺陷边界特征，结合传统Canny边缘检测算法，并基于传统算法做进一步的改进，得到完整且符合实际的识别结果，完成对脱粘缺陷的边界检测以及缺陷区域的标识。实现非金属材料脱粘缺陷的定量检测并将缺陷区域可视化，为红外无损检测提供理论技术指导。

1.2国内外研究现状

1.2.1国外研究现状

自上世纪60年代开始，国外学者们开始了在红外无损检测方面的研究。1964年，二战之后，美国的德克萨斯公司成功开发出首代红外热像设备。在当时的时代背景下，由于受到设备元件成本、技术发展不成熟等因素的限制，该技术主要在军工领域运用。直到上世纪70年代，研究者们在红外无损检测技术的研究基础上，结合热传导理论来进行更深一步的研究。Favro等人^[9]对缺陷的深度进行研究，确定了通过热波成像技术检测缺陷深度的方法；Almond^[10]等人根据缺陷的边界效应提出了确定缺陷大小的方法。这些理论为红外无损检测的发展提供了基础理论依据。

随着红外无损检测技术的不断成熟，研究学者们开始尝试缺陷的定性定量分析。加拿大的Mabrouki^[11]利用光激励及热成像的方式进行了复合材料（铝-碳纤维-铝夹杂结构）的缺陷检测的研究，分析了所用激励能量大小与缺陷尺寸和检测深度的关系，结果发现使用的使用能量越大所检测到的缺陷的尺寸越小且检测深度越深。Vladimir^[12]利用脉冲激励法，完成了对碳纤维复合材料内部缺陷深度的检测，并建立其热传导的三维模型得出一种适用于反求碳纤维复合材料中缺陷深度的数值算法。2017年，M.Barus^[13]等人对复合材料内部脱粘缺陷进行了仿真模拟和实验研究，通过对试件表面温度分布数据的处理分析，验证了对于复合材料脱粘缺陷的检测，使用红外无损检测是可行的。

1.2.2国内研究现状

相对于国外而言，我国在红外无损检测上的研究起步较晚。但是经过研究学者们的不懈钻研，我国在该方面的研究也有着突飞猛进的发展。

1994年，西安交大从国外了引进红外热像仪，首先开始了与红外无损检测技术相关的实验，是国内较早进行该方面研究的单位之一。自此，国内众多研究学者也开始将目光聚集到红外无损检测技术的研究上。

范春利^[14-15]等通过对船用保温层缺陷及管道泄漏的实验研究，验证了红外热成像技术在船只保温层缺陷及输热管道泄漏检测中是可行的；并使用有限元法对自身发热型缺陷的二维模型进行求解，从而验证共轭梯度法提出的对确定自身发热型内部缺陷边界方法的有效性。

梅林^[16]等利用解析法解算热传导正问题得出的结论,从而提出基于遗传算法优化求解的红外无损检测缺陷信息的新方法,此方法使用浮点数编码、多遗传算子并行的操作,所得结果较为理想。

王黎明^[17]等利用脉冲激励法，基于红外热像仪所采集到红外热图，并通过红外热像图序列来识别绝缘子的缺陷，利用温度-时间对数曲线与温差-时间对数曲线的二阶导的峰值来完成对缺陷的识别，所识别出的缺陷精确度为0.4mm。

许鑫^[18]完成了脉冲热像检测法对高硅氧层压和玻璃纤维板两种材料的脱粘缺陷进行检测的数值模拟，分析缺陷半径对最大对比度及最大温差的影响，得出最大对比度和最大温差与缺陷的直径都是正非线性关系的结论。

华浩然^[19]等采用脉冲激励方式对PC胶所制且内部含有缺陷的薄板进行加热，采用红外热像仪对薄板表面温度进行监测，再把所得的红外热图进行直方图均衡化处理以达到增强图像对比度的效果，成功识别出薄板中缺陷尺寸大小。

徐义广^[20]把复合加载工艺运用于红外无损检测领域，主要针对复合材料的软粘接、微脱粘等这类缺陷。通过对碳纤维中脱模剂夹层中缺陷的检测实验，证明复合加载技术能在缺陷检测效果方面起到一定的加强作用。

郑恩辉^[21]等采用闪光灯激励脉冲热像法对复合材料表面缺陷进行无损检测，通过对比实验和模拟结果，表明缺陷尺寸、深度对试件表面温度分度的影响存在差异。

郭兴旺^[22]等利用红外层析检测法对缺陷的深度和大小进行定量检测，得出采用红外层析检测法的关键参数；同时，使用有限元分析软件ANSYS对热障涂层进行模拟分析，为实际热障涂层缺陷红外无损检测分析及检测条件优化提供了可靠的理论依据。

陈珏^[23]在材料内部脱粘红外无损检测的研究中，利用带状热源加热，采用瞬态法进行测量的红外热像，得出试样表面温差与缺陷的深度、厚度和试件加热时间之间的关系。

经过几十年的研究发展，我国在红外无损检测技术方面有着许多实质性的进展。国内的许多单位企业也都已经将该技术运用于实际生产，并且企业数量还有着增长势头，可以看出红外无损检测技术在我的发展前景十分广阔。

1.3红外无损检测技术

红外无损检测技术是一种新型无损检测技术。该技术弥补了其他传统无损检测技术的短板。本文的数值模拟与实验研究都是基于红外无损检测方法，因此了解其基本原理对本研究的进行具有一定的帮助。

红外无损检测基于物质的热辐射原理，包括热传导原理、红外热成像检测原理等。

1.3.1热传导理论

根据热传导理论，可以知道物体内部或物体接触面之间的热量传递，是由于微观粒子的热运动。例如，对铁棒一端进行加热，在手接触铁棒另一端时也能感觉到烫手，这种热量传递现象便是由热传导引起的。对于金属材料来说，主要是通过自由电子的移动来实现热传导；对于流体来说特别是气体，由分子的不规则热运动来完成热传导；对于非金属材料，则是通过相邻分子在碰撞时传递振动能来实现热传导 ^[24]。

据热力学的观点，温度是物质微观粒子热运动强度的宏观标志。当物体内部或接触的物体表面之间存在温差，热量便会通过微观粒子的热运动或碰撞从高温初传向低温处。传热是一种随处可见的自然现象。热量的传递取决于是否存在误差。当有热量输出（入）时，定会引起温度响应，从而致使温度分布不均。对于固体而言，其内部的热量传递只能依靠热传导的方式来实现，但在边界上还可以有对流传热、辐射传热或两者同时存在。热力学第二定律指出，热能总是自发地、不可逆地从高温处传向低温处，在此过程中传递热能的数量常称为热量。当物体内部存在温度差，或相接触的物体温度不同，就会出现高温区与低温区，进而出现热量的转移，这便是热能的传递^[25-26]。

1.3.2红外热成像检测原理

红外热成像是以黑体辐射理论为基础。其原理是在自然界中，只要物体的温度高于绝对零度，都会向外发出红外热辐射。因此在我们周围，红外热辐射现象十分普遍，只是我们的肉眼无法直接观察到。被测物体发出的红外辐射，到达热成像系统后，在热成像系统内经过光学系统聚焦成像，然后到达红外探测器，形成电信号，这一阶段为辐射信号转换为电信号的过程^[27-28]。信号处理器将探测器产生的电信号转化为像素值，由像素值组成初始红外图像即灰度图，为了便于观察，对图像进行伪彩色处理，通过显示系统显示出来，这一阶段为电信号转换为图像信号的过程。经过以上两个阶段，最终得到人眼可识别的物体表面温度分布的可视图像，即红外图像。红外热成像的过程，见图2-1。

图2-1红外热成像过程

1.4研究内容、方法及章节安排

本研究基于红外无损检测，通过数值模拟与实验相结合的方法，对非金属材料脱粘缺陷进行研究，分析材料表面温度分布，得到确定缺陷边界的方法，并编写检测算法，然后通过验证性实验对所编写算法的可行性进行验证。

文章各章主要内容如下：

第一章：绪论部分主要阐述了本研究的研究背景及意义。对红外无损检测技术在定量分析和识别技术的国内外发展现状进行调研分析以及对红外无损检测技术的介绍以及明确研究内容以及研究方法。

第二章：进行数值模拟研究。在持续热激励的条件下，利用有限元分析软件ANSYS完成二维模拟仿真，初步提出确定非金属材料脱粘缺陷边界的方法。再通过三维模拟仿真结合Canny边缘检测算法，完成对所提出确定缺陷边界方法的验证。

第三章：进行实验研究。根据数值模拟研究所得到的结果进行验证性实验研究。完成实验平台搭建，实验试件制备等准备工作。使用持续热激励的方法进行实验，分析实验结果，并与模拟结果比较。验证初步提出的算法，并发现算法不足之处。

第四章：完成对检测算法的改进。结合传统Canny算法与实验结果，找出所的算法在进行缺陷边界检测过程中的不足之处，并完成算法的改进。

第五章：结论与展望。总结本文的研究成果和所存在的不足，并提出对今后研究的几点展望。

第二章 非金属材料脱粘缺陷红外无损检测的数值模拟

2.1二维模拟

2.1.1二维模型建立

假设粘贴缺陷是由于粘贴时胶水中含有气泡导致，则非金属材料表面在激励辐射热流作用下温度上升，而缺陷部位（空气）的导热系数要远小于胶水，导致该部分热量扩散比没有缺陷的部位缓慢，引起该部位对应的表面温度比周围温度较高。本文采用有限元分析软件ANSYS来研究非金属材料脱粘缺陷边界的温度分布特征。假设基体材料为铁，非金属材料为PE，使用胶水粘贴两种材料，胶水的厚度处处相等，气泡假设由空气填满并且位于试样的中心，空气气泡即为缺陷部位。则可问题将简化为如图2-1的二维轴对称导热模型。由于ANSYS默认X轴为对称轴，所以建立模型时顺时针旋转90°，如图2-2。

图2-1粘贴缺陷二维模型示意图 图2-2实际建立模型

本文为确定缺陷边界检测算法，分别建立缺陷半径为5mm、10mm、20mm、30mm的模型。假设缺陷部位的介质为空气，但由于空气位于缺陷狭缝内，便忽略流动性作固体处理。

2.1.2模拟数据分析

利用ANSYS软件对模型进行数值模拟，得到材料表面温度数据，并绘制出温度曲线，如图2-3。可以看出，缺陷部位呈现高温区域。这是由于在缺陷的边界处，空气的导热系数相对于胶水来说较小，热流在缺陷处受到阻碍，从而造成热量的堆积，表现在材料表面就是缺陷区域所对应的的表面温度高于其他区域，因此空气的温度要高于胶水。虽然缺陷部位的温度要高于周边，但温度分布在缺陷边界处是逐渐降低的，无法准确确定缺陷边界。

R=5mm R=10mm

R=20mm R=30mm

图2-3 材料表面温度曲线