Бесконтактные методы теплового контроля основаны на использовании инфракрасного излучения, испускаемого всеми нагретыми телами. Инфракрасное излучение занимает широкий диапазон длин волн от 0,76 до 1000 мкм. На практике преимущественно используются два спектральных диапазона 3.5 и 8.14 мкм, совпадающие с окнами максимальной прозрачности атмосферы и являющиеся наиболее информативными. Спектр, мощность и пространственные характеристики этого излучения зависят от температуры тела и его излучательной способности, обусловленной, в основном, его материалом и микроструктурными характеристиками излучающей поверхности. Например, шероховатые поверхности излучают сильнее, чем зеркальные. При повышении температуры мощность излучения быстро растет, а ее максимум сдвигается в область более коротких длин волн. Эта закономерность характеризуется законом смещения Вина.

Объект (в том числе и кожный покров человека) с температурой около 300 К (30°С) имеет максимум излучения на длине волны 10 мкм, солнце - 0,5 мкм, а жидкий азот с Тот = 77 К - 38 мкм. Спектр излучения может быть непрерывным или дискретным.

Характер спектра зависит, в основном, от агрегатного состояния вещества. Для твердых и жидких тел, как правило, характерны непрерывные спектры излучения, а для газообразных - линейчатые, которые при больших давлениях или больших толщинах чаще переходят в непрерывный.

Для характеристики теплового излучения удобным оказалось понятие абсолютного черного тела (АЧТ), т е тела, поглощающего все падающее на него излучение. Излучение АЧТ описывается аналитически, оно является функцией только его температуры. Физической моделью АЧТ может служить замкнутая полость с отверстием значительно меньшим ее габаритов.

Законы изучения АЧТ могут применяться с известной поправкой для большинства реальных тел, что определяет их значение.

Суммарную плотность потока излучения АЧТ в зависимости от его температуры определяет закон Стефана-Больцмана (получаемый интегрированием закона Планка).

Физические основы измерения температур

В основу принципа действия тепловизионных приборов положено двухмерное преобразование собственного теплового излучения от объектов и местности, ил фона, в видимое изображение, что является одной из высших форм преобразования и хранения информации. Наличие в поле зрения регистрируемого теплового контраста позволяет визуализировать на мониторе полутоновые черно-белые, или адекватные им "псевдоцветные", тепловизионные изображения.

Тепловизионная техника обладает рядом достоинств и присущих только ей возможностей: обнаружение удаленных только теплоизлучаюших объектов (или целей) независимо от уровня естественной освещенности, а также до определенной степени - тепловых и других помех (дождя, тумана, снегопада, пыли, дыма и др.).

Начало развития тепловизионной техники было положено в конце 60-х годов исследованиями по двум основным направлениям: с использованием дискретных приемников излучения совместно с системами сканирования (развертки) изображения и приборов без механического сканирования на базе двухмерных ИК-приемников.

При этом можно условно выделить четыре поколения их развития.

Нулевое поколение - основано на применении единичных охлаждаемых приемников и двухмерной (строчной и кадровой) развертки с помощью сканирующей оптико-механической системы; первое поколение - на применении строчных линеек приемников и упрощенной кадровой развертки; второе поколение - на использовании сгруппированных нескольких линеек (с временной задержкой и накоплением) и более низкоскоростной системой развертки. Ко второму поколению можно также отнести вакуумные приборы с электронным сканированием приемной мишени - пироконы.

Принципиально новое третье направление основано на применении "одновременно смотрящих", т.е. фокально-плоскостных, твердотельных многоэлементных матриц без использования вообще оптико-механических систем развертки изображения. При этом, для обеспечения высокой температурной чувствительности матрицы на квантовых приемниках должны иметь криогенное охлаждение. При использовании пироэлектрических матриц исключаются вакуумная электронная оптика и фокусирующе-отклоняющая система.

Преобразователи с оптико-механическим сканированием (ПОМС) использовались главным образом на участке ИК-спектра 13.15 мкм для анализа собственного теплового излучения объектов, пока не были созданы эффективные многоэлементные преобразователи

В приборах этого типа сканирование происходит перемещением объекта относительно неподвижного детектора излучения либо изменением направления оптической оси объектива с помощью системы вращающихся или колеблющихся зеркал.

Структурная схема тепловизора с оптико-механическим сканированием включает приемную оптическую систему 1, детектор ИК-лучей 2, сканирующую систему 3, обеспечивающую последовательный просмотр объекта по заданному закону, усилитель 4, систему развертки и синхронизации 5 и кинескоп 6 (рис.1).

Принцип действия тепловизора заключается в просмотре по заданному закону движения поверхности объекта узким оптическим лучом с угловым размером 8, сформированным системой объектив - приемник. Обзор происходит в пределах угла поля зрения (углы б и в) за время Т, которое принято называть временем кадра. Угол д носит название мгновенного угла поля зрения.

Тепловизор позволяет выделять на тепловом изображении объекта области одинаковых температур с помощью изотерм, высвечивающихся на кинескопе. В нижней части кадра формируется серая шкала, которая используется для измерения температуры. При этом яркость отдельных участков изображения объекта сравнивают с яркостью элементов шкалы, для которой при калибровке прибора определяют температурный перепад, соответствующий переходу от белого до черного.

Применение в тепловизорах узкополосных фильтров, прозрачных на длине волны 3,39 мкм, где имеется окно прозрачности газа СО₂, позволяет фиксировать ИК-излучение через пламя.

Наличие линзовой оптики позволяет легко изменять увеличение системы сменой объективов.

Тепловизоры обычно имеют черно-белые или цветные видеомониторы и устройства аналоговой и цифровой обработки изображения (выделение изотерм, обращение контраста, представление в псевдоцветах, термопрофильное квазиобъемное представление теплового поля и т.п.).

В последнее время широко применяют тепловизионные системы с блоками цифровой памяти, имеющие интерфейс и работающие в комплексе с мини-ЭВМ.

Перспектива развития тепловизионных систем заключается в создании спектральных цифровых камер, в том числе, стереоскопических, а также разработке радиотепловизионных приборов для диапазона длин 0,1.1 мм, в котором многие диэлектрики прозрачны, и представляется возможность измерять их внутреннюю температуру.

Рис. 1. Структурная схема сканирующего тепловизора с охлаждаемым одноэлементным приемником излучения: 1 - оптическая система; 2 - приемник излучения; 3 - сканирующее устройство; 4 - усилитель; 5 - система развертки и синхронизации; 6 - электронно-лучевая трубка

В усилительном устройстве обеспечена линейная зависимость выходного напряжения от измеряемой температуры, что позволяет измерять температуру изделий.

В 1980 - 90-е года были разработаны и широко пользовались тепловизионные приборы, используют". пироконы. Они обеспечивают телевизионный стандарт изображения: 625 строк при частоте кадров 50 Гц. Применен способ обработки сигнала, исключающий мерцание. Синхронный двигатель приводит во вращение обтюратор, который перекрывает падающее тепловое излучение с частотой 25 Гц. Сигнал от предусилителя поступает в процессор кадров, в котором запоминаются и вычитаются чередующиеся поля (полукадры), в результате полезная составляющая сигнала удваивается, а неравномерности фона и шумы мишени, имеющие постоянную полярность, значительно уменьшаются. Далее чередующиеся поля инвертируются и формируется сигнал изображения постоянной полярности. Сигналы с усилителей "привязываются" к стандартному уровню черного в выходном сигнале. После выведения сигналов синхронизации и гашения полный сигнал, содержащий восемь градаций серого, может быть подан на любой монитор. Достигнуто температурное разрешение 0,3°С при 50 линиях на диаметре мишени и относительном отверстии объектива 1: 1.

Достоинством тепловизионных приборов с пироконом является возможность создания компактных малогабаритных приборов.

Тепловые приборы на пироконах занимали значительное место в мобильных средствах контроля и обзора окружающей среды. Поскольку прибор не требует специального охлаждения, он хорошо подходит для длительного наблюдения и контроля в сложных условиях.

Возможные методы и средства теплового неразрушающего контроля

Вибротепловизионный метод

Вибротепловизионный метод особенно перспективен для анализа изделий, работающих в условиях вибрации. В материалах с дефектами структуры под воздействием вибрации возникают температурные поля, что обусловлено рассеянием энергии колебаний на дефектах и превращением ее в теплоту за счет внутреннего перегрева в материале. В областях нарушения гомогенности структуры возникают локальные зоны перегрева объекта. На термограммах вибрирующих пластин и других объектов четко выявляются дефекты типа расслоений, несплошностей и т.п.

При температурной чувствительности тепловизора 0,1 К в полимерных материалах дефекты типа расслоений размером порядка 5 х 6 мм2 выявляются на глубинах залегания до 2.3 мм.

В "слабых" (дефектных) зонах объекта амплитуды колебаний больше соответствующих значений для бездефектных участков материала. Разность температур растет с увеличением частоты колебаний, достигая 0,8 К при частоте 100 Гц и t ~ 50 с для образцов из стали. Вибрация изделий на частотах, соответствующих резонансным колебаниям дефектных участков, дополнительно повышает чувствительность метода.

Вибрационное возбуждение объектов можно реализовать с помощью пьезоакустических и других стандартных средств. Наиболее информативный диапазон частот выбирают либо расчетным путем, либо экспериментально на имитаторах дефектов. Каждому дефекту соответствует своя характерная частота, поэтому контроль целесообразно проводить на нескольких частотах.

Метод тепловой томографии

Тепловая томография (ТТ) - метод визуализации внутренних сечений объекта с помощью тепловых эффектов. Его можно реализовать импульсным облучением объекта плоским равномерным пучком излучения и последовательной регистрацией "тепловых отпечатков" дефектов или неоднородностей теплофизических пап метров контролируемой структуры на противоположной стороне изделия с помощью быстродействующего тепловизора.

Один из вариантов ТТ основан на регистрации на термограммах в различные моменты времени тепловых изображений дефектов, расположенных на различной глубине. Записывая эти изображения, например в цифровое ОЗУ, можно затем последовательно просматривать строение слоев изделия на различной глубине. Этот метод получил название метода хронологических термограмм (ХТГ) или динамической тепловой термографии (ДТТ). Исходной зависимостью теории ДТТ является зависимость температурного перепада над дефектом от времени. Количество различимых слоев достигает n = 15 для углепластика, n = 6 - для бетона.

Другой вариант ТТ основан на использовании алгоритмов реконструкции изображений, используемых в традиционной технике томографа. Например, система трехмерного контроля внутренних тепловых неоднородностей объекта может быть основана на использовании "эффекта миража". С помощью цилиндрической линзы на поверхности изделия фокусируется лазерное излучение в виде узкой полоски. Вспомогательный лазерный луч направляется вдоль этой полоски над поверхностью изделия (например, полированной кремниевой пластинки и т.п.). Объект последовательно перемешается в направлении, перпендикулярном освещаемой полоске, а после каждого цикла перемещения поворачивается относительно оси, совпадающей с направлением излучения. С помощью позиционно-чувствительного фотоприемника получают матрицу "проекций" для всех положений объекта, а затем восстанавливают изображение по стандартным алгоритмам. Для трехмерного контроля используют второй пробный луч, направляемый параллельно первому над обратной стороной объекта.

Для получения изображения форматом 18 х 18 точек достаточно выполнить 36 измерений (18 х 2 с поворотом на 90°). Увеличение количества проекций улучшает качество изображения, но резко повышает длительность обработки. В настоящее время есть перспектива создания методов ТТ, работающих в реальном времени.

Тепловизионный метод контроля влажности

Наличие влаги в объектах, особенно пористых, с развитой поверхностью обусловливает интенсивный процесс испарения за счет инфильтрации воды из подповерхностных областей материала. Процесс испарения сопровождается уменьшением температуры поверхности объекта. Тепловизионные методы позволяют дистанционно наглядно и оперативно определять места скопления влаги в объектах по термографическому изображению на котором зоны с повышенной интенсивностью испарения выглядят как менее нагретые.

Такие методы применимы в естественных условиях при наличии градиентов температуры между объектом и окружающей средой. Использование каких-либо источников искусственного нагрева изделий (например, мощных ИК-лазеров, СВЧ генераторов и т.п.), стимулирующих повышение скорости испарения, дополнительно увеличивает информативность метода.

Методы отличаются оперативностью и простоте процедур контроля. Однако количественная интерпретация результатов контроля достаточно трудна, что обусловлено сложностью анализа процесса массо- и тепло переноса, особенно в сложных метеоусловиях В этим елесообразно использовать тепловизионные методы в сочетании с каким-либо традиционным методов измерения влажности, используемым для получения калибровочных оценок влажности материала в некоторых опорных, реперных точках объекта. Например, эффективно сочетание тепловизионного метода с инфракрасной рефлектометрией, реализуемой, например, с помощью ИК лазеров или других источников. Метод инфракрасной рефлексометрии основан на сильной зависимости интенсивности поглощения излучения в некоторых характерных линиях ИК-спектра от влагосодержания вещества. Для исключения мешающих факторов (колебания отражательной способности, обусловленные локальными изменениями шероховатости, цветности и подобными свойствами материала) применяют дифференциальный метод, который основан на сравнении коэффициентов отражения объекта в двух участках спектра. В одном участке отражение не зависит от влажности материала, но изменяется в соответствии с упомянутыми факторами, а в другом - зависит от этих факторов, и от влажности.

Вихретокотепловой метод

Вихретокотепловой (ВТТ) метод основан на радиоимпульсном возбуждении металлических объектов полем индуктора, приеме теплового отклика приповерхностным преобразователем во время и после теплового воздействия и анализе амплитудно-временной информации. Ход теплового процесса определяется теплофизическими и одновременно электромагнитными параметрами объекта, что позволяет в одном эксперименте проводить исследования как тепловыми, так и вихретоковыми методами. В частности, коэффициент температуропроводности чувствителен к химическому составу, тепловому" старению, термообработке, размерам зерна сплавов. С помощью метода ВТТ возможна также (при фиксированных прочих параметрах) тепловая толщинометрия I ферромагнитных и тонкостенных изделий, изделии грубой поверхностью и др.

Характерные значения параметров приборов, реализующих метод ВТТ: рабочая частота 30.100 кГц, время нагрева 1.3 с, вводимая от индуктора мощность 100.150 Вт, диапазон контролируемых толщин 0,2.2 мм, радиус индуктора 10 мм, чувствительность пирометра на базе пироэлектрического детектора 0,05.0,1 К.

Радио тепловой метод

В процессе ТНК необходимо регистрировать объемное распределение температуры в объектах. Одним из методов измерения температуры приповерхностных и глубинных слоев изделий из диэлектриков, прозрачных в радиодиапазоне (диапазон длин волн от 1 до 100.150 мм), может быть СВЧ термометрии (СВЧТ).

Большинство материалов непрозрачны в ИК-диапазоне спектра, но хорошо пропускают СВЧ излучение. Глубина проникновения сильно зависит от длины волны и химического состава вещества. Для длин волн X = 100 мм она составляет до 200 мм и более (например, для биологических объектов), для волн с X = 1 мм - порядка 0,5.2 мм. С ростом длины волны разрешающая способность падает.

Созданы средства локальной СВЧТ и системы радио-тепловидения. Следует отметить малую интенсивность потока теплового излучения от слабонагретых объектов в СВЧ диапазоне. Например, при Т= 30°С излучение с длиной волны X = 10 см в 10s раз слабее, чем излучение с X = Хмах = 10 мкм. Это требует применения сверхчувствительных детекторов (обычно сверхпроводящих болометров, охлаждаемых до гелиевых температур) с чувствительностью порядка 0,01.0,65 К. Кроме того, в СВЧТ велико время накопления сигнала (г > 10 с и более). СВЧТ реализуется в контактном и бесконтактном вариантах. Контактная СВЧТ реализуется с помощью антенны-зонда, например рупорного типа, которая накладывается на объект. При этом возможен как дифференциальный, так и абсолютный методы измерения. Бесконтактная СВЧТ реализуется в основном в диапазоне длин волн 1.10 мм. Радиотепловое излучение объектов фокусируется на приемник с помощью радиооптических систем

Метод СВЧТ находится в стадии интенсивного развития и уже сегодня используется в медицинских исследованиях.

Теплоголографический ТНК композитов

Контроль тонкостенных оболочек из полимерных композиционных материалов, прочность которых существенно зависит от дефектов типа воздушных расслоений, "слипнутых" отслоений и т.д., эффективен с помощью комбинированного теплоголографического метода.

Он заключается в нагреве (тепловом нагружении) изделия и совместной регистрации термограмм и голографических интерферограмм нагретой поверхности. При этом обнаружение дефектов производится по наличию аномалий интерференционных полос, а их протяженность и глубина залегания на основании анализа термограмм контролируемой зоны изделия при его нагреве галогенными лампами. Оператор с помощью голографического интерферометра с термопластической системой записи изображений и телевизионной системой практически в реальном масштабе времени наблюдает интерферограмму. В случае обнаружения аномалий (дефектных участков) на интерферограмме дальнейшая обработка дефектоскопической информации производится с помощью программного анализа термограмм, записанных в памяти ПЭВМ. Дефектоскопические процедуры реализуются на основе физико-математической модели процесса контроля (двухмерная обратная задача нестационарной теплопроводности).

Фототермоакустические методы ТНК

В методе фототермоакустики лазерное (в общем случае оптическое) излучение проходит через оптическую систему и попадает на поверхность исследуемого образца, в котором под воздействием излучения возникают температурные и акустические поля, по которым можно судить о структуре и параметрах изделия.