红外热成像技术在碳纤维加固构件冲击探伤中的应用*

刘丽娜，郑步生

(南京航空航天大学 金城学院，江苏 南京 211156)

红外热成像技术在碳纤维加固构件冲击探伤中的应用*

刘丽娜，郑步生

(南京航空航天大学 金城学院，江苏 南京 211156)

摘要：碳纤维加固的建筑结构遭受车辆、船舶等冲击破坏，对于其损坏程度是否会影响碳纤维布的粘贴效果和质量，需要进行量化分析。采用无损检测技术对碳纤维加固构件进行检测和分析是保证其质量的必要手段，可使用不同程度的吸收能量作用于构件表面形成不同缺陷类型的试验件。介绍了利用红外热波无损检测技术对碳纤维加固构件冲击损伤试件检测的结果，并将不同热激励方式下的检测结果进行比较。结果表明，2种热源激励方法各具优势，进一步验证了红外检测方法的可行性，为土木结构的纤维布加固、维护和修缮提供了相关的方法参考。

关键词：碳纤维加固构件；红外热成像；冲击损伤；热激励源

碳纤维增强复合材料具有质量轻、强度大、模量高、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变和热膨胀系数小等优异性能，是一种理想的修复和加固材料，己被广泛应用到各类工程结构补强加固领域之中[1]。冲击是一定能量的载荷短时间内作用于局部结构的过程[2]，冲击分为高能量冲击和低能量冲击，不同能量冲击通常引发复合加固材料的损伤，甚至是穿透损伤，同时伴随有一定范围的分层[3]。近年来，碳纤维加固的建筑结构遭受车辆、船舶等冲击破坏的事件频频发生，这类损伤一般可目视检查，但损伤深度是否会影响碳纤维布的粘贴效果和质量，是否需要对碳纤维加固材料进行维护和修缮，需要量化分析，因此，及时确定这些内部损伤的存在和发展，对于保证复合材料结构的安全可靠性具有极为重要的意义。

本文对碳纤维加固混凝土构件进行人为冲击产生的缺陷开展研究，利用红外检测方法，采用不同的热源激励方式和激励时间，利用数字图像处理技术对红外图像进行分析，进一步验证红外检测方法的可行性，为土木结构的纤维布加固、维护和修缮提供相关方法的参考。

1红外热波无损检测技术原理

红外热波检测技术是采用主动控制的光、热等方式激励被检物缺陷的方法，把被检物用作能量传输的导体和通道，热像仪记录的是物体在外界热激励情况下发出的红外辐射[4]。不同材料表面及表面下的物理特性都将影响热波的传输，并以某种方式在材料表面的温度场变化上反应出来，通过控制热激励方法和记录材料表面的红外辐射，将其转化为可见的温度图像，即可获取材料的非均匀性信息以及其表面下的结构信息，从而达到检测和探伤的目的。红外热波无损检测技术由于其非接触式的特性，不会破坏被测物体，目前已经成为国内外无损检测技术的重要分支，特别是它具有对不同温度场、广视域的快速扫测和遥感检测功能；因而，已经广泛应用于各类工程检测应用中[5]。

2试验

2.1试件描述

1)试件名称为碳纤维加固混凝土冲击损伤试件。

2)试验采用强度等级为C30的混凝土，试件截面尺寸为100 mm×100 mm，试件高度为100 mm。试件采用覆盖粘贴一层碳纤维布的约束形式，且在碳纤维布与混凝土试件之间含有约1 mm厚的环氧胶介质，碳纤维布的厚度为0.167 mm。

3)模拟缺陷。锤头是由高强钢材40Cr钢制作而成的，总质量为7.655 kg，直径为0.123 m，而高度的确定和对中由试件上方的激光测距仪完成。为了能将锤头的重力势能最大程度地作用于试件表面，试验中采用剪断牵拉铁丝，使锤头自由落体冲击试件表面，通过调节其与试件之间的距离改变冲击能量。试件1的冲击能量为60 J，锤头的冲击高度为0.8 m(见图1)；试件2的冲击能量为180 J，锤头的冲击高度为2.4 m(见图2)。冲击加载装置如图3所示。

图1　低能量冲击试件1　　图2　高能量冲击试件2　(冲击面)　(冲击面)

图3　冲击加载装置

2.2检测试验过程

本试验采用的红外热成像检测试验系统如图4所示。试验系统主要包括ImageIR高端红外成像系统、激励源、时间控制器、试验台、计算机处理系统和待测试件等部分。热像仪用于热像图的采集、处理和保存等，被测物体中如果存在缺陷，可在热像图上观察到，该系统不仅可以捕捉到清晰的热像图，还可以对图像进行基本分析，以初步判定缺陷所在部位及区域大小。激励源为试验提供热源。时间控制器用来精确控制激励源的加热时长。

图4　红外热成像检测试验系统

在试验中，对具有冲击损伤的碳纤维加固混凝土试件进行表面加热。每次加热的激励强度由人工设置，并通过时间控制器自动控制开始和结束。热激励方式有2种：1)采用Photo Light—1000W型加热灯进行整体表面均匀加热，然后翻转试件，红外视频的采集从加热结束时开始；2)采用Type 2000型可控热风机对损伤部位集中加热至设置温度，然后移开热源，红外视频的采集从散热时刻开始。

试验时的注意事项如下：1)加热时间和强度根据试验目的、试件材料和缺陷情况来确定；2)为了避免上一次加热过程对下一次的影响，每次加热过程后的冷却时间应足够长；3)采集红外视频时，操作人员尽可能不要随意走动，以免人体散发出的热对试验结果产生干扰，因而，将试验环境设置在玻璃房内[6]。

3试验结果

3.1数据处理算法

通过分析试验所得的动态热图序列，可以直观地看到不同深度损伤或缺陷的显现过程。目前，针对热像图数据的处理算法应用较为广泛的有脉冲红外热成像(Pulse Phase Thermography)与锁相热成像技术(Lock-In Thermography)[7]。应用于红外锁相热成像技术的数据处理算法主要包括傅里叶变换法、Lock-In算法、相关检测算法及四点平均算法等，但Lock-In算法、相关检测算法及4点平均算法均是基于稳态正弦信号处理的，对于瞬态过程处理精度很低，甚至无法获得材料或构件的缺陷信息。对于红外锁相热承像技术，其激励源为按正弦规律变化的调制激励源，采集频率一般较低(<3 Hz)，材料或构件表面形成的热波信号为慢变化的信号且易受随机噪声的干扰，因此，根据本次试验的结果，选择脉冲红外热成像技术作为数据处理算法。

3.2均匀加热试验方法

对试件进行灯照方式均匀加热，加热时间为10 s，随后使用热像仪进行散热过程的红外视频采集，并对动态热图序列进行脉冲红外热成像技术的数据处理(见图5和图6)。

图5　试件1红外热像图

图6　试件2红外热像图

从图5和图6可以看出，损伤缺陷越明显，红外热图像越明显。对于试件1，由于损伤缺陷较浅，未对碳纤维粘贴层造成损伤，均匀加热后，缺陷部位的散热速度与无缺陷部位的散热速度基本一致，因此，红外热像图并不明显。对于试件2，由于损伤缺陷较深，在均匀加热方式之下，已经可以得到清楚的缺陷热像图，因此，通过上述热像图的显示，也可区分出哪些损伤已经伤及内部，并需要进一步维护。

3.3集中加热试验方法

对试件的缺陷部位采取可控热风机集中加热的方法，加热时间为15 s，设置温度为80 ℃，出风口与试件距离设置为20 cm，随后使用热像仪进行散热过程的红外视频采集，并对动态热图序列进行脉冲红外热成像技术的数据处理(见图7和图8)。

图7　试件1红外热像图

图8　试件2红外热像图

从图7和图8可以看出，与平均加热方式相同，损伤缺陷越明显，红外热图像越明显；但针对试件1，使用集中加热后，由于突显了缺陷部位温度，因此，能得到较为真实准确的红外热像图。

4结语

红外热波无损检测通过热波在冲击损伤区域的传播和作用过程，可发现疑似的缺陷类型。对于不同深度的缺陷，应采用不同的热激励方式才能获得良好的红外热像图。通过试验发现，明显的大缺陷使用均匀加热即可获得良好的温度梯度，而细微的小缺陷由于散热较快应使用集中加热方可获得较好的热像图；同时，进一步确定了红外热波无损检测适用于碳纤维加固混凝土缺陷的检测。

参考文献

[1] 邵长军.FRP加固结构剥离损伤的声-光纤无损检测试验研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学, 2013.

[2] 李晓霞,等.碳纤维层合板低速冲击后的红外热波检测分析[J].复合材料学报,2010,27(6):88-93.

[3] 段向胜,杨洪林,李建民. 红外热像检测技术检测碳纤维施工质量[J].质量检测,2007,10(A):16-20.

[4] 蔡毅,王岭雪.红外成像技术中的9个问题[J].红外技术, 2013,35(11): 671-682.

[5] 杨燕萍,齐明,闰鑫,等.红外热成像及图像处理技术在建筇物缺陷裣测方面的应用[J].新型建筑材料，2011,38(12):83-86.

[6] 蒋淑芳,等.碳纤维层压板冲击损伤的红外热波检测[J].红外与激光工程,2006,35(3)：265-270.

[7] 孙希婕,胡威伟.基于均值漂移的红外舰船图像分割算法[J].新技术新工艺, 2014(5)：16-18.

* 江苏省高校自然基金面上项目(15KJB590001)

责任编辑郑练

Infrared Thermal Imaging Technology in the Application of the Impact

of Carbon Fiber Reinforced Plastics Components Inspection

LIU Lina, ZHENG Busheng

(Jincheng College, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 211156, China)

Abstract：When carbon fiber building structures have vehicles, ships and other impact damage, the extent of damage will affect the carbon fiber cloth paste effect and its quality, the nondestructive testing technology of carbon fiber reinforced plastics component testing and analysis is the essential means to ensure the quality, use different degrees of impact energy on the component surface to form different defect types of test piece. Introduces the use of infrared thermal wave nondestructive testing technology to the testing results of the impact of carbon fiber strengthened specimens and the test results of different thermal excitation modes are compared, the results show that two kinds of heat source excitation method each has its advantages, further verify the feasibility of the infrared detection method, for civil structure of the fiber cloth strengthening, maintenance, repairing methods provide relevant reference.

Key words:carbon fiber reinforcement components, infrared thermal imaging, impact damage, thermal excitation source

收稿日期：2015-08-04

作者简介：刘丽娜(1981-)，女，讲师，主要从事无损检测及图像分析等方面的研究。

中图分类号：TU 528.58；TP 751.1

文献标志码:A