基于内部激励源的脉冲热成像探测深度提升新技术

《NDT & E International》：A novel technique for improving the probing depth of pulsed thermography with internal actuators

　　

研究人员提出一种新颖的脉冲热成像技术，通过使用内部激励源来提高红外热成像（IRT）的探测深度。该方法利用嵌入层合板内部的碳纤维织物作为电阻加热元件，从而克服了传统外部热源存在的反射、吸收及空气间隙加热等效率低下的问题。与锁相热成像（LIT）和脉冲相位热成像（PPT）相比，该技术简化了实验装置，降低了图像处理的计算负荷。在厚度达4.5 mm的玻璃纤维增强聚合物（GFRP）层合板上进行的实验表明，该方法能够有效检测位于2.25 mm深度的模拟损伤（聚四氟乙烯（PTFE）插入物）。采用光子探测器进行数据采集，并结合背景减除和高斯空间滤波等直接时域处理方法，即可获得清晰的缺陷指示，无需复杂的后处理算法。该研究证明了内部激励脉冲热成像在复合材料深层缺陷检测中的潜力，为工业现场快速、低成本的无损检测提供了新的解决方案。

研究背景与问题

复合材料行业预计在2021至2025年间保持年均9%的增长，其轻量化特性对成本控制、可持续性和性能提升至关重要。然而，复合材料在加工、制造及服役过程中易产生缺陷，尤其是低速冲击（LVI）导致的目视勉强可见冲击损伤（BVID），会显著降低材料的强度、刚度和疲劳寿命。无损检测（NDT）技术如脉冲热成像（PT）被广泛用于缺陷检测，但其面临一个核心挑战：复合材料的低热扩散率限制了热信号的穿透深度。传统的外部闪光灯加热方式存在诸多低效问题，例如表面反射、能量吸收以及加热空气间隙，导致深层缺陷难以被有效探测。虽然已有研究采用锁相热成像（LIT）结合内部激励源的方法实现了更深的探测，但这类技术通常需要复杂的实验设置和大量的计算资源。因此，开发一种既能实现深层探测又能简化实验流程和降低计算负担的新型热成像技术显得尤为迫切。

研究内容与结论

为解决上述问题，研究人员提出并验证了一种新颖的内部激励脉冲热成像方法。该方法的核心创新在于，利用嵌入复合材料层合板内部的碳纤维织物（OPTIVEIL）作为电阻加热元件（即内部激励源），而非传统的表面闪光灯。当电流通过该导电织物时，其在材料内部产生焦耳热，热量从内部向表面传导。这一策略从根本上改变了热源的物理位置，缩短了热量到达缺陷区域的传导距离，从而克服了外部加热的固有局限。

研究的主要结论包括：

1. 1.
   内部激励源能够有效提高热成像的探测深度。在实验中，该方法成功检测到了位于2.25 mm深度处的模拟缺陷（PTFE插入物），而传统的外部闪光脉冲热成像在同一条件下无法实现。
2. 2.
   该技术的实验设置相对简单。它仅需一个微控制器（Arduino）、一个电源和一个MOSFET开关来控制加热脉冲，无需复杂的光学对准或大功率闪光灯系统。
3. 3.
   数据处理流程简洁高效。仅通过背景减除和高斯空间滤波等基础时域处理方法，即可从原始热图像中清晰识别出深层缺陷，避免了LIT或PPT所需的复杂频域变换或信号重建，从而显著降低了计算负荷。
4. 4.
   该方法适用于不同厚度的层合板。研究表明，对于厚度达4.5 mm的玻璃纤维增强聚合物（GFRP）层合板，该技术依然能提供有效的检测结果，展现了良好的应用潜力。

关键技术方法

1. 1.
   内部激励源设计：采用嵌入复合材料层合板的OPTIVEIL碳纤维非织造织物作为电阻加热元件，通过施加直流电脉冲产生焦耳热，实现从材料内部加热。
2. 2.
   同步触发电路：搭建了一个基于Arduino微控制器和MOSFET的开源电子电路，用于精确同步热脉冲的施加与红外相机的图像采集，确保数据的时间一致性。
3. 3.
   高性能红外检测：选用Telops FAST IR M2K铟锑化物（InSb）光子探测器红外相机，因其高灵敏度、高帧率和宽光谱范围（1.5–5.4 μm），能够捕捉快速的温度变化。
4. 4.
   简易图像后处理：采用背景减除去除静态热噪声，再结合高斯空间滤波平滑图像，直接从时域热序列中提取缺陷信息，无需复杂的信号重建或相位分析。

研究结果

3.1 实验方法

研究人员搭建了包含内部激励源、同步触发电路和光子探测器的实验平台。通过Arduino控制加热脉冲时长和图像采集时序，确保了实验的可重复性。采用Telops FAST IR M2K相机记录样品表面的温度变化过程。

3.2 测试样品的制备

研究人员制造了两类玻璃纤维增强聚合物（GFRP）层合板样品。Mk1样品将OPTIVEIL激励层置于1.8 mm深度处，并在其上方0.45、0.9和1.35 mm处放置PTFE模拟缺陷。Mk2样品则改进了制造工艺，将OPTIVEIL层置于2.25 mm深度，并在其上方0.45、0.9、1.35和1.8 mm处放置PTFE缺陷，同时解决了Mk1样品中激励层外露脆弱的问题。所有样品均未涂覆黑色涂层，以避免影响热传导。

3.3 外部闪光脉冲热成像对比

在相同实验和处理参数下，研究人员使用外部闪光灯对无内部激励层的对照样品进行了脉冲热成像测试。结果表明，外部闪光法无法检测到超过一定深度的缺陷，而内部激励法则能清晰显示更深层的缺陷，这直接证明了内部加热在提升探测深度方面的优势。

3.4 后处理技术的发展

研究人员基于已有的外部加热脉冲热成像处理流程，针对内部激励的特点进行了调整，主要采用了信噪比分析、背景减除和高斯滤波。研究发现，由于内部激励产生的热信号特征与外部加热不同，简单的时域处理即可获得高质量图像，无需复杂的信号重建技术。

讨论与结论

讨论部分总结

研究人员指出，内部激励脉冲热成像的成功关键在于改变了热源的位置，使得热量必须穿过缺陷区域才能到达表面，从而增强了缺陷与完好区域之间的热对比度。这种方法的探测深度受限于材料的热扩散率（α）和激励源与表面之间的距离（L），其特征时间与L2/α成正比。与传统的外部加热技术相比，内部激励避免了表面反射和空气加热的能量损失，提高了能量利用效率。此外，研究还讨论了样品结构（如Mk1和Mk2的设计差异）和实验参数（如加热功率和持续时间）对检测效果的影响。尽管PTFE插入物不能完全模拟真实冲击损伤的所有特征，但它为评估方法的探测能力提供了可控的基准。与文献中报道的锁相热成像（LIT）和脉冲相位热成像（PPT）相比，本方法在达到相似甚至更优探测深度的同时，显著简化了实验装置和数据处理流程。

研究结论部分翻译

本研究引入了一种新颖的脉冲热成像方法，该方法采用内部激励源来克服传统外部加热技术在复合材料深层缺陷检测中的局限性。通过在玻璃纤维增强聚合物（GFRP）层合板内嵌入OPTIVEIL碳纤维织物作为电阻加热器，研究人员成功检测到了位于2.25 mm深度的模拟损伤，这是传统外部闪光脉冲热成像在同等条件下难以实现的。该方法不仅简化了实验设置——仅需一个微控制器、电源和MOSFET开关——而且通过直接的时域处理（背景减除和高斯滤波）即可获得清晰的缺陷指示，从而大幅降低了计算负荷。研究结果表明，内部激励脉冲热成像是一种有前景的复合材料深层缺陷无损检测技术，尤其适用于那些本身已集成功能性导电层（如用于防冰或电磁屏蔽）的多功能复合材料结构。