主动式红外热成像无损检测系统探测能力和可靠性的定量评估

The capability and reliability of a nondestructive testing (NDT) technique is one of the most concerns in the industrial application. Probability of Detection (POD) analysis as a quantitative measure to evaluate the inspection capability and reliability of a NDT technique has been established for decades. It is widely used in the traditional NDE techniques, including ultrasonic testing (UT), radiographic testing (RT), eddy-current testing (ET), fluorescent penetrant inspection (FPI) and magnetic particle inspection (MPI). However, contrary to classical NDT techniques for which a significant amount of research have been carried out; a rather limited number of studies on capability and reliability assessment involving active infrared thermography have been published. In this project, we will design and manufacture a set of carbon fiber reinforced polymer (CFRP) specimen which contain common defects (delaminations) and damages (impact damages). Quantitative comparison of the inspection reliability and capability for active infrared thermography and ultrasonic C-scanning techniques through the POD curves will be carried out. The impact of different surface geometries on POD curves will be studied. The method to extract defects automatically by image segmentation will also be presented, and the POD analysis and false positive analysis will be implemented on the basis of image segmentation. We hope this research will advance the wide acceptation of active infrared thermography NDT technique out of laboratory, especially in the aerospace industry, since the reliability and capability of infrared thermography NDT system is quantitatively evaluated, as traditional NDT approaches.

无损检测技术的探测能力和可靠性是在工程应用中最被关心的问题之一。探测概率分析作为一种定量评估无损检测系统探测能力和可靠性的技术已经建立了几十年了，它已经被广泛地应用于常规无损检测技术，包括超声、射线、涡流、渗透和磁粉检测等。然而相对于传统无损检测技术，针对主动式红外无损检测技术的探测概率研究却非常有限。在本项目中，我们将设计和制作一系列碳纤维增强复合材料试件，通过探测概率曲线，定量评估主动式红外热成像无损检测技术对于碳纤维增强复合材料常见缺陷（分层缺陷）及损伤（冲击损伤）的探测能力和可靠性，并与超声C扫描的检测结果作对比。我们还将研究被检测件不同表面几何形状对于红外热成像无损检测技术探测能力的影响；研究自动图像分割的算法，并在此基础上进行探测概率分析和假阳性分析。我们希望通过这些研究促进主动式红外热成像无损检测技术从实验室推广到工业应用，尤其是航空航天工业的应用。

无损检测技术的探测能力和可靠性是在工程应用中最被关心的问题之一。探测概率分析作为一种定量评估无损检测系统探测能力和可靠性的技术，已经被广泛地应用于常规无损检测技术，然而相对于传统无损检测技术，针对主动式红外无损检测技术的探测概率研究却非常有限。在本研究中，我们设计和制作了35块碳纤维增强复合材料试件，在试件上模拟了低速冲击损伤。为了定量比较脉冲红外热成像和超声检测技术的探测能力和可靠性，我们比较了两种方法得到的探测概率曲线，得到在95%置信度下，探测概率为90%的损伤大小a90/95，该值被用来表征无损检测系统对某类损伤（或缺陷）的探测能力，通常认为大于a90/95 的损伤（或缺陷）是可以被无损检测探测到的。结果显示脉冲红外热成像技术得到的a90/95小于超声检测的得到的值。这表明，在本应用中脉冲红外热成像比超声C扫描有更高的探测能力和可靠性。所以，在某些检测案例中，红外热成像无损检测技术可以作为超声检测的替代或者补充。此外，我们还对一块含有模拟分层缺陷的碳纤维复合材料层压板进行了红外热成像检测，并用五种常用的数据处理方法优化检测结果。对得到的检测结果进行缺陷自动分割，并与检测人员根据经验标记的缺陷和无缺陷区域作对比，比较了人工缺陷评估及缺陷自动分割算法的探测概率曲线。探测概率曲线比较结果显示，由于检测人员对热图结果比较熟悉，能够分辨出更多的缺陷，因此有更高一些的探测能力。但是对于数据处理后的热图，自动分割算法也能得到令人满意的结果。总之，本项目的研究成果将促进主动式红外热成像无损检测技术从实验室推广到工业应用，尤其是在航空航天工业领域的应用进程。