利用红外热像仪测量材料的缺陷
利用外热像仪检测材料内部脱粘、空洞等缺陷是一种十分简便、行之有效的方法。红外热像仪解决了超声波和X射线无法解决的问题。操作简便、安全可靠，易于实时观察和记录。对非金属材料和多层胶接材料及复合材料的检测，更能显示出它的特点。采用主动式检测，可实现非接触、大面积、快速有效的扫描检查。 当然，红外热像仪检测材料内部缺陷还有不足之处。例如，检测受工件表面发射率不均匀和背景辐射的影响，对一些发射率很低的金属表面，检测前要在被测工件表面喷涂高发射率的涂层，利用滤光片滤去不必要的光谱段，使用隔板遮挡杂散光和背景辐射，增大热源聚焦系数。这样，消除工件表面发射率不同带来的干扰，便于加热工件，有利于缺陷的判别。
1 前 言
利用红外热像仪检测材料内部缺陷，是一种非接触的检测方法。它能扫描记录或观察被测试工件表面由于缺陷和材料本底不同的传热特性而引起的温度变化。 利用红外热像仪检测缺陷，这是一种建立在传热学基础上的方法。如果对被检测样品注入恒定热流，当样品存在缺陷时，由于缺陷区和无缺陷区的热扩散系数不同，样品表面相应位置的温度就会有差异。利用样品表面的温度异常就可以确定样品内部缺陷的情况。 用这种方法可以来检测峰窝材料或多层复合材料的分层，裂缝、汽泡、灰杂以及一些材料内部的空洞等缺陷。在航空、宇航工业中应用于检测火箭发动机的机体及火箭壳体、航空发动机的喷管、涡轮叶片以及飞机蜂窝状结构等部件。
2 传热学原理
利用热像仪对材料内缺陷进行检测时，一般采用非接触加热法对样品注入热源。热流可分为三类：①点状热源，②带状热源，③脉冲热源。热源的选择应根据样品的材料性质和结构酌情而定。 为便于分析，将样品分成两个区域。区域1表示本底材料的无缺陷区，区域2表示有缺陷区。这两个区域的温度分布分别为T1(q1、t)、T2(q2、t)、，qi为空间坐标轴(i=1、2、3)。 当样品加热时，根据付里叶定律，样品内部的温度场可用下列方程表示［1］：
(1)
式中，αj——材料的热扩散系数 j——层次 边界条件为：
(2)
式中，Kj——热导率 ε——材料的发射率 σ——斯蒂芬一玻尔兹曼常数 h——热交换常数 热注入时间和空间的条件为：
由于边界条件是非线性的，因此要求出导热方程(1)的分析解是很困难的，通常采用二维温度场进行分析不会引起很大的误差，其几何模型如图1所示：
图1 传热学分析的物理模型
采用二维温度场分析时的热传导方程为：
(3)
利用数值法［2］求解方程(3)，并代入相应的边界条件就能得到缺陷区与非缺陷区表面的温度差：
△Ts=T1s-T2s
将算出的有缺陷的表面温度，作出它沿q1方向的分布。取缺陷有最好显示的温度分布，并作出相应的温度梯度。我们以二氧化硅为试样材料，可画出图2：
图2 1.表面温度分布；2.温度梯度缺陷深度l=9mm，厚度d=2mm
理论和实践都证明，决定缺陷大小的尺度为沿表面q1方向的温度梯度这是由于表面温度最大的点总是发生在缺陷边缘在表面的投影位置，而且不随材料的热特性，几何结构以及缺陷的深度，厚度而变化。 根据图2中曲线2所示，由表面温度沿q1方向的变化率，可以确定二氧化硅材料中缺陷的宽度为6mm，这为我们用热像仪测量含缺陷表面样品各点的温度和记录缺陷的位置和尺寸提供了理论依据。
3 实 验
红外热像仪检测缺陷的方法可分为两大类［4］：主动式和被动式。主动式是在人工加热样品的同时经过一段时间延迟后，观察或记录样品表面的温度分布。被动式则是利用样品自身的温度与周围环境温度差，显示出样品的内部缺陷。 主动式又可分单面法和双面法。单面法是指加热和探测在样品同一面进行。双面法是指在样品的一个表面加热，而在其背面进行观察和记录。 例1，以键合硅片为例，利用红外热像仪以双面法对其键合质量进行无损检测。 在键合过程中由于操作不慎、尘埃、抛光不均匀等可能造成键合区内部产生空隙、脱粘等现象。从而造成器件漏电、剥落等，使成品率大大降低。及时检测出键合硅片的脱粘、合理改善工艺条件，对提高成品率大大有利。 我们用AGA780热像仪，以双面法对键合硅片的脱粘进行检测，测量装置如图3所示。
图3 双面法实验装置
将键合硅片紧贴在加热器的等温面上。调节热像仪扫描器与样品之间距离，使待测样品在热像仪上清晰成像。图4是键合质量较差的片子，中间发亮部分表示键合好的，周围较暗的部分是脱粘区。因为未键合好的脱粘区的热阻较非脱粘区更大一些，因此利用双面法测量时，非脱粘区温度比脱粘区的表面温度更高。
图4 含有脱粘区的键合硅片热图
例2，对含空洞的水泥板以单面法进行检测。
图5 单面法实验装置1.加热器；2.扫描器；3.显示器
如图5所示安装好测量装置。采有远红外辐射源作为加热源。将加热好的待测样品的加热面正对热像仪扫描器。调节好热像仪焦距，使样品在热像仪上清晰成像，得到图6所示的热图像。
图6 含有空槽的水泥板热图
与双面法测量键合硅片相反的是图6中发亮区域表示水泥板空槽的缺陷区，而较暗区域则是无缺陷区。这是由于用单面法测量时被测面和加热面是同一表面。由于有缺陷区比无缺陷区的热阻大，所以有缺陷区的待测表面温度反而比无缺陷区为高。
4 结束语
利用外热像仪检测材料内部脱粘、空洞等缺陷是一种十分简便、行之有效的方法。它解决了超声波和X射线无法解决的问题。操作简便、安全可靠，易于实时观察和记录。对非金属材料和多层胶接材料及复合材料的检测，更能显示出它的特点。采用主动式检测，可实现非接触、大面积、快速有效的扫描检查。 当然，红外热像仪检测材料内部缺陷还有不足之处。例如，检测受工件表面发射率不均匀和背景辐射的影响，对一些发射率很低的金属表面，检测前要在被测工件表面喷涂高发射率的涂层，利用滤光片滤去不必要的光谱段，使用隔板遮挡杂散光和背景辐射，增大热源聚焦系数。这样，消除工件表面发射率不同带来的干扰，便于加热工件，有利于缺陷的判别。
作者简介：陈珏 (1945)女，副教授，东南大学电子工程系光纤通信与红外技术教研室副主任，除担任“红外物理与技术”，“光电子学”等教学工作以外，还从事红外热成像，红外探伤方面的研究工作，取得一定成果。在国内外杂志发表十几篇论文。编写的“红外物理与技术”一书正式出版并获电子部二等奖。陈珏（东南大学电子工程系，南京 210096）