材料中的不同缺陷进行检测。本文对光学热成像技术（OT）、超声热成像技术（UT）和涡流热成像技术（ECT）的理论基础和相关应用进行了比较分析，并在此基础上讨论了涡流热成像技术的深入动向和潜在研究方向。
1.理论基础
I.I 激励方式
在热成像无损检测技术中，不同的激励方式决定了不同实验系统设计和数据采集方式。
在光学热成像技术中，被检零件受到光学热源（如闪光灯和卤素灯）的激励，零件表面被加热，产生的热波向零件内部传递，若试件中存在缺陷则热波传递受阻，最终导致零件表面温度分布不均，这种温度变化由红外热像仪所记录，得到时序热像图，提取并分析热像图中信息从而获得缺陷的特征信息。实验设置与实验原理如图2所示。根据激励信号的不同，分为脉冲热成像和锁相热成像两种方法。
超声热成像技术是一项新的无损检测技术。与光学热成像技术不同，它利用特定的超声波作用在不同材料或结构中产生机械振动，超声波在缺陷处因热弹效应和滞后效应导致声能衰减而释放热量，机械能转换为热能并传递至零件表面，引起零件表面局部发热并由红外热像仪所记录，缺陷本身可视为热源进行热波传递。超声热成像的实验设置及检测原理如图3所示，其中超声换能器产生超声波，并通过耦合剂传播。在实验过程中试件与换能器需紧密固定。
相比于前两种热成像技术，涡流热成像技术基于电磁学中的涡流现象和焦耳热特性，在被检零件外对线圈施加高频交变电流，由于电磁感应效应，感应线圈附近的被检零件表面产生感生涡流；若试件表面存在缺陷，则将引起缺陷附近感生涡流场分布不均，因局部焦耳热现象导致缺陷附近温度分布不均，通过红外热像仪记录这种温度变化的时序图像，并对图像进行分析处理来获得零件缺陷信息。涡流热成像技术具有高空间分辨率、高灵敏度的特点，适用于零件表面和近表面缺陷的检测，近来备受关注。
根据涡流热成像技术原理，其检测过程分为电磁感应阶段、产生焦耳热阶段和热传导阶段3个阶段。在电磁感应阶段，感生涡流在均匀试件表面的渗透深度为式中：μ——磁导率；
σ——电导率，电导率随温度变化而变化，σ=
是初始温度为To时的电导
率，α是相对温度系数；
f——激励频率。
根据Maxwell方程，被检零件内涡流分布控制方程为式中：A——磁矢量势；
J——外部电流密度。
根据Joule定律，感生涡流产生的发热功率为式中：Q——涡流引起的焦耳热量；
E——电场强度。
在不考虑热辐射和热对流的情况下，根据能量守恒定律，由焦耳热引起的热传导方程为其中p、Cp、k分别为材料密度、比热和热传导系数。
涡流热成像无损检测的实验组成及缺陷附近涡流分布示意如图4c8]所示。试件中缺陷附近某点处温度变化如图5[8]所示，在温升阶段，温度变化受涡流加热和热扩散的共同影响；在冷却阶段，温度变化主要是由试件中的热扩散引起。通过对两个阶段的温度变化进行综合分析可以提取到有效缺陷信息。
1.2 可检性比较分析
在实际检测中，可检性是选择检测方法时须考虑的因素。选择合适的检测方法可以提高检测效率和准确度。
光学热成像技术广泛应用于金属材料的表面缺陷和复合材料中的脱层、夹杂物等的检测。锁相光学热成像中缺陷可检性主要依赖于热波渗透深度（与材料热扩散系数和激励频率相关）；低频激励热波在热扩散系数较大的材料中传播更深，应用此方法通常可检测试件较浅位置的缺陷。在脉冲光学热成像方法中，脉冲可分解为不同频率的周期波，脉冲越短则频率范围越广，而由此产生的热扩散过程较锁相热成像方法更复杂；且实验结果易受非均匀加热、发射率变化、环境反射和试件表面形状影响，因此需采用合适的数据处理方法提取有效信息。
超声热成像技术主要用于金属、陶瓷材料中裂纹缺陷和复合材料中分层、脱粘的检测；检测结果受许多因素的影响，包括被检测材料类型、检测系统设计、检测环境、振动模式、激励源位置、耦合剂、激励频率、接触压力等。测试过程中每一步都需谨慎处理以获得好的实验结果。该方法适合于检测试件中较深的微裂纹，目前主要用于缺陷的定性检测而非定量分析。
在涡流热成像技术中，被检零件需具有一定的导电性。可检测缺陷深度由涡流渗透深度和热传导深度共同决定，而这两个深度又取决于材料的电导率、磁导率、热扩散系数和测量时长。该方法主要适用于规则试件表面和亚表面缺陷的检测。缺陷的可检性由试件的材料属性、几何形态以及缺陷的位置、类型和实验设计共同决定。
涡流热成像方法比光学热成像方法受被检测零件表面状况的影响小，功耗更低，且无需超声热成像实验中所需的耦合剂。在涡流热成像检测中，感应线圈温度变化很小，则对实验结果的干扰很小；并且试件表面温度变化也较小，不会对被检材料造成损坏，涡流的直接作用可提高近表面缺陷的可检性。
1.3 数据处理
热成像无损检测技术的关键在于对所获得热像图序列进行适当的处理和分析，包括预处理和后处理，常用的数学处理方法有温度对比、时间导数、信号变换和矩阵分解4种。
温度对比是利用试件中缺陷区域和非缺陷区域的温差来判别缺陷。对比方式包括绝对对比、递进对比、归一化对比、标准对比、差分绝对对比和改进差分绝对对比等。前4种方法都需要缺陷区域和参考区域的热像图序列，其处理结果易受到不同参考区域选取的影响。在差分绝对对比方法中，参考区域的温度变化可通过计算得出，可有效减少非均匀加热和试件表面形状的影响。差分绝对对比方法局限于对较浅缺陷的描述，因为其理论基础是一维傅里叶热传导方程，仅在热传导开始阶段可近似看作是一维热传导，随着时间的增加，热波在试件中沿各个方向扩散，则该方法不再适用。改进的差分绝对对比方法，利用拉普拉斯逆变换提取热传导后期阶段的有效信息。
时间导数方法通过求解温升变化对时间的一阶导数和二阶导数进行缺陷的定量分析；通过提取关键点的温升变化及比较其时间延迟可获得缺陷特征信息。时间导数通常与温度对比结合应用，通过比较检测过程中温差最大时间和温差变化率最大时间来获取缺陷信息。
在信号变换力法中，分析的不再仅仅是时域信息，而是通过频域信息、时频信息等其他角度优化并分析图像，以获取缺陷特征。信号变换主要用于图像降噪处理、数据压缩、图像分割和融合。信号变换方法有很多，其中应用广泛的有脉冲相位热成像、小波变换和Hough变换。
矩阵分解方法是利用矩阵的性质保留主要数据，减少数据量；其中，主成分分析法应用较为广泛。该方法采取降维的思想，将多指标转化为少数几个综合指标。它将给定的相关变量通过线性变换为不相关变量，并按照方差依次递减的顺序排列，通常采用奇异值分解的方法压缩并简化温升数据来获得主成分。
以上数据处理方法均可用于热像图的处理，且这些方法的适当综合可以提高数据质量，以便更好地获得缺陷特征信息。
2.应用对比
2.1 光学热成像方法的应用
光学热成像的应用范围很广，被检零件材料包括金属、复合材料和陶瓷等，其中在复合材料结构中的应用最为广泛。利用脉冲热成像进行缺陷检测需要综合考虑材料热扩散系数、环境因素和仪器灵敏度等影响因素，也需要适当的方法处理热像图。而锁相热成像方法中，由于采用单一频率波激励试件，常采用傅里叶变换或快速傅里叶变换提取振幅和相位信息，根据振幅或相位的延迟效应获取缺陷特征信息。相比于振幅信息，相位信息因受光照局部变化和试件发射率影响更小，且可检深度更大而应用更加广泛。近年来，光学热成像无损检测技术的应用参见文献。
2.2 超声热成像方法的应用
近年来超声热成像无损检测技术发展迅速，并已成功应用于纤维增强塑料、金属和其他许多工程材料的缺陷检测。当前超声热成像方法的应用领域主要包括：1）结构缺陷的检测；2）循环载荷下材料失效的分析；3）使材料机械应力可视化的热塑性和磁滞效应分析。利用超声热成像方法可以检测出其他技术无法检测的高发射率材料中的缺陷和闭合裂纹，且检测试验无需考虑试件的位置摆放。
2.3 涡流热成像方法的应用
涡流热成像方法适合检测零件表面与近表面缺陷，目前广泛用于导电材料的缺陷检测和材料特性评估，如金属和某些复合材料。其主要特点是检测速度快、效率高，非常适合在线在役检测。文献探究了脉冲涡流热成像技术用于复杂曲面零件表面裂纹缺陷检测的有效性，文献对金属构件热像图中裂纹附近温度变化特征进行了研究。文献探讨了涡流热成像实验中激励频率对缺陷检测的影响。文献应用单通道盲频分离算法从热像图序列中提取缺陷附近温度信息，并应用主成分分析法和光流法检测了3种不同缺陷。
3.涡流热成像法研究动态
涡流热成像无损检测技术在近年发展迅速，研究人员在实验系统设计与优化、材料与缺陷类型的可检性研究、缺陷定性和定量分析等领域开展了大量研究。但是对于微观和宏观裂纹的检测以及检测机制尚需深入研究。涡流热成像法在无损检测与评估、结构健康监测领域具有广阔的应用前景。
涡流热成像法目前的研究热点包括：1）缺陷检测与评估方法的深入研究。包括成像系统改进、电磁激励系统改进、热像图数据获取与处理的算法优化等。2）应力和材料测试应用研究。包括材料在循环应力和撞击影响下的疲劳损伤鉴定，这是重要部件的安全运行、维护和健康监测的保证。研究内容涉及缺陷检测、识别、量化、视觉重建和缺陷演化监测，以实现零部件的健康评估、风险预测和剩余寿命评估。3）以实现更为可靠的缺陷表征和结构健康监测为目标，针对多物理场耦合的数据融合研究以及相关仿真软件的开发。
4.结束语
红外热成像技术因其特有的技术优势而在无损检测与评估应用中得到迅速发展。通过对光学热成像、超声热成像和涡流热成像的理论基础、数据处理以及应用的对比分析，可以得出以下结论：
1）依据潜在缺陷类型、材料类型和检测环境等选择合适的热成像检测方法。光学热成像技术广泛应用于复合材料中，超声热成像技术在金属材料中应用最多，涡流热成像技术适用于检测具有一定导电性的材料（包括金属材料和某些非金属材料）。
2）在这3种检测技术中，涡流热成像技术对表面和亚表面的微裂纹的检测最灵敏有效。虽然超声热成像技术对这一类型的裂纹检测也很灵敏，但是存在高振幅超声波振动损坏材料的风险。
3）超声热成像技术的检测速度最快，其次是涡流热成像技术，检测最慢是光学热成像技术。
4）因超声波激励可以使超声振动扩散到整个被检测试件，超声热成像技术可以实现全视场成像；光学热成像技术的检测区域较大，单个热源的检测面积根据最小缺陷尺寸而定，通常其检测面积可达到200 mmx200 mm；涡流热成像技术受线圈尺寸和产生涡流场的均匀性制约，可检测面积最小。
5）在进行红外热成像检测实验时，被检测零件表面红外辐射都会受到表面发射率和吸收率的影响。应用光学热成像技术时常在试件表面添加涂层；超声热成像和涡流热成像由于其激励方式独立于试件表面光学特性，所受影响相对较小。
6）超声热成像需考虑传感器位置、试件的固定和耦合介质的选取等众多因素，其测试系统相对较为复杂；涡流热成像存在缺陷敏感方向，若缺陷方向未知，则需要从相交90。的两个方向分别进行检测。
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