利用调制激光激励技术，对轴承滚道上的局部烧伤损伤进行主动红外热波检测

《Infrared Physics & Technology》：Active infrared thermal wave detection of localized burn damage on bearing raceways using modulated laser excitation

　　**摘要：** 轴承滚道上的局部烧蚀损伤会改变近表面微观结构和热物理性能，从而降低轴承的使用寿命。然而，这种缺陷通常具有较弱的视觉特征，使得快速可靠的识别变得困难。为了解决这个问题，本研究提出了一种基于调制激光激励的主动红外热波检测方法。首先，将轴承滚道上的烧蚀区域视为由表面烧蚀层和健康基底组成的双层结构。建立了一维多层热传导模型，以分析烧蚀层厚度、基底厚度、热物理性能、激励强度和调制频率对光热振幅和相位响应的影响。然后，开发了一种调制激光红外热成像系统，从轴承滚道的四个圆周方向获取数据。通过使用四阶多项式进行去趋势处理和锁相解调，获得了不同调制频率下的振幅和相位图。实验结果表明，烧蚀区域在时间域温度曲线、锁相振幅和相位特征上表现出更强的周期性热响应。基于信噪比的选择显示，在目前的实验条件下，0.2 Hz能够很好地平衡振幅对比度和相位稳定性。不同特征提取方法的比较表明，锁相振幅和FFT振幅具有良好的稳定性和明确的物理解释能力，而相位、PCA和PLSR特征可以作为烧蚀识别的辅助标准。这些结果验证了调制激光主动红外热波方法用于检测轴承滚道局部烧蚀损伤的可行性。

**引言：** 滚动轴承是航空发动机、计算机数控机床、高速主轴和各种类型旋转机械中的关键部件。它们的滚道表面在长时间运行过程中受到交变接触应力、摩擦热和复杂服务载荷的影响。在制造或使用过程中，如果磨削、热处理、润滑或冷却条件控制不当，可能会导致轴承滚道出现局部热损伤，从而产生类似二次回火的烧蚀损伤或微观结构变化。这些缺陷通常会改变近表面微观结构、残余应力及热物理性能，进而降低滚道表面完整性，并进一步引发疲劳剥落、裂纹扩展甚至轴承失效[10][11][12][13][14]。因此，快速、无损和可靠地检测轴承滚道上的局部烧蚀损伤对于提高高端轴承的服务安全性非常重要。

目前，常用的轴承烧蚀检测方法包括目视检查、硝酸蚀刻、磁粉检测、巴克豪森噪声检测和涡流检测[15][10][11][12]。这些方法已在工业检测中得到应用，但在识别轴承滚道上的局部烧蚀损伤和支持自动化检测方面仍存在局限性。目视检查和传统光学成像依赖于表面颜色或反射率的差异，对于表面对比度较低的局部烧蚀损伤可能敏感度较低。硝酸蚀刻可以揭示磨削烧蚀，但它具有破坏性或半破坏性，不适合快速在线检测。磁性和电磁方法对材料微观结构和应力的变化敏感，但其结果容易受到探针耦合、lift-off距离、表面曲率以及检测姿势的影响。此外，轴承滚道是一个环形曲面，特别是轴承外圈的内滚道和轴承内圈的外滚道在空间上受到限制。因此，传统的基于点或线的检测方法难以同时确保检测效率、覆盖范围和缺陷可视化。因此，需要开发一种非接触式、全场覆盖且高度灵敏的无损检测方法，适用于曲面轴承滚道区域。

主动红外热成像是一种基于外部热激励和红外温度场响应的无损检测方法[1][7][8][9]。与被动红外检测不同，主动红外检测通过施加可控的热通量来激发试样内部的瞬态或周期性热扩散，并使用红外相机记录表面温度场[24][25]。当材料表面存在缺陷、微观结构退化或热物理性能差异时，热波传播和热量积累的过程会发生变化，导致红外图像中的温度振幅或相位差异[26][27][28][29]。在主动热成像方法中，锁相热成像使用正弦调制热源进行周期性激励，并以激励信号为参考同步解调红外温度序列，从而获得与调制频率对应的振幅和相位特征[2][3][5]。振幅反映了材料表面对周期性热输入的响应强度，而相位反映了热波传播过程中的时间延迟。对于轴承滚道上的局部烧蚀损伤，近表面微观结构的变化可能会改变热导率、热扩散率和热量积累能力，从而在锁相振幅和相位图中产生可检测的差异。

然而，在将主动红外热波方法应用于轴承滚道烧蚀检测时仍存在几个挑战。首先，轴承滚道是一个环形曲面，单个红外采集的视野通常只覆盖部分滚道[6]，因此需要分段采集以实现圆周覆盖。其次，不均匀的激光加热、表面曲率、背景温度升高和环境热扰动会导致原始红外序列同时包含缺陷响应和非缺陷背景变化，增加了特征提取的难度。第三，调制频率直接影响热扩散长度和信噪比。当频率过低时，整体热响应较强，但背景影响也显著[31][32]；当频率过高时，热响应仅限于近表面区域，信号严重衰减[2][5]。因此，必须结合理论分析和实验数据来系统研究轴承烧蚀区域的热波响应机制、适当的调制频率和有效的特征提取方法。

本研究提出了一种基于调制激光激励和红外锁相热成像的主动热波检测方法，用于检测轴承滚道上的局部烧蚀损伤。首先，将轴承滚道上的烧蚀区域视为由表面烧蚀层和健康基底组成的双层结构。建立了一维多层热传导模型，以分析烧蚀层厚度、基底厚度、热物理性能、边界热传递条件和激励参数对光热振幅和相位响应的影响。然后，开发了一种调制激光主动红外热成像系统。在轴承滚道的四个圆周方向进行分段采集，并通过去趋势和锁相解调处理红外温度序列，以获得不同频率下的振幅和相位特征图。在此基础上，选择烧蚀区和健康区进行时间域响应分析、频率响应分析和信噪比评估，确定适合当前实验条件的调制频率。最后，通过对不同特征提取方法进行视觉和定量评估，为识别轴承滚道上的烧蚀区域提供依据。

**主要贡献如下：** 首先，建立了轴承滚道上局部烧蚀损伤的等效双层热传导模型，并从热波扩散的角度解释了烧蚀层几何形状和热物理性能变化对红外振幅和相位响应的影响。其次，构建了一种基于调制激光和红外相机的主动热波检测系统，实现了四个圆周方向的分段采集。第三，分析了不同调制频率下烧蚀区和健康区之间的锁相振幅和相位差异，并根据信噪比进行了频率选择。第四，通过基于图像和统计的评估比较了多种特征提取算法，明确了不同特征用于烧蚀识别的适用性。

本文的其余部分组织如下：第2节介绍了轴承滚道的一维多层热传导理论，并对局部烧蚀损伤的等效双层模型进行了仿真分析。第3节描述了试样、实验设置和数据采集方法。第4节展示了实验结果和讨论，包括锁相重建、频率响应分析、调制频率选择以及不同特征提取方法的比较。第5节总结了主要结论。

**一维热传导理论** 在主动红外热波检测中，调制激光作用于轴承滚道表面后，近表面材料吸收光能并产生周期性温度扰动[1][2][4][7]。这种温度扰动以热波的形式在材料中传播，其传播受到材料热物理性能、表面热传递条件和内部层状结构的影响。

**试样** 本研究使用的试样是一个轴承外圈，其滚道表面有二次回火烧蚀损伤。如图7所示，该轴承试样的厚度为15.96 mm，内径为51.50 mm，外径为61.96 mm。由于红外热成像系统的视野有限，无法一次性检查整个内滚道，因此将滚道划分为四个圆周检测区域。

**锁相重建和频率依赖的热波成像** 为了验证调制激光主动红外热波方法识别轴承滚道上烧蚀区域的能力，首先对采集到的红外图像序列进行了锁相重建。图9展示了0.20 Hz调制下的典型数据处理过程和重建的振幅及相位结果。在处理过程中，首先从中间帧中选取包含滚道区域的感兴趣区域（ROI）。然后，

**结论** 本研究提出了一种基于调制激光激励的主动红外热波检测方法，以解决直接识别轴承滚道上局部烧蚀损伤的难题。首先建立了轴承滚道上局部烧蚀损伤的等效双层热传导模型，分析了烧蚀层厚度、基底厚度、热物理性能和激励条件对光热振幅和相位响应的影响。

**作者贡献声明**：
- 崇军孙：研究、数据整理。
- 冯阳：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、方法论、概念化。
- 顾颖明：可视化。
- 孙慧琳：可视化。
- 张晶晶：资源准备。
- 曹娜娜：验证。
- 刘金玲：形式分析。
- 林杰：方法论。

**利益冲突声明** 作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。

**致谢** 本研究得到了中国航空发动机集团创新基金（编号CXPT-2023-039, 2024）、黑龙江省青年科技人才支持项目（编号2024QNTJ007）、国家自然科学基金（编号U2570237, 62201173, 51173034）、JSZL（JSZL2020204A002）、博士后创新人才支持计划（编号BX2021092）、国家重点实验室机器人系统（HIT）自主规划任务（编号SKLRS202304C）以及中央财政基础研究基金的支持。