Phương pháp nhiệt hồng ngoại BKHN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN
.......................***........................

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN
ĐO VÀ KIỂM TRA KHÔNG PHÁ HỦY
Đề tài: Phương pháp nhiệt hồng
ngoại
(Thermal infrared testing)

Sinh
viên
hiện:
Nhóm 1

thực

Nguyễn
Quang
Thắng
Lê Văn Lương
Nguyễn Cơng Hải

Mã lớp học:

Nguyễn Minh Đức

125928

Kiều Tiến Đạt
Lê Đức Đạt

Nghiêm Văn Thảo
Ngô Đức Hùng
Phạm Ngọc Hùng

Giảng viên hướng

:

TS.

Cung

Thành

201638
50
201625
89
201612
91
201611
05
201609
17
201508
29
201637
71
201619
47

201619
83


dẫn

Long

Hà Nội, 08 – 2021

PHÂN CƠNG CƠNG VIỆC
Họ tên

MSSV

Cơng việc tham gia

Nguyễn Quang
Thắng

20163850

Lập dàn ý, phân công nhiệm vụ,
chỉnh sửa tổng hợp báo cáo cuối
kì
Tham gia làm tất cả các phần
báo cáo thuyết trình từng tuần

Kiều Tiến Đạt

20160917

Phần 1: Nguyên lý phương pháp

Lê Văn Lương

20162589

Lê Đức Đạt

20150829

Phần 2: Nguyên lý chụp ảnh
hồng ngoại

Phạm Ngọc Hùng

20161983

Nghiêm Văn Thảo

20163771

Nguyễn Công Hải

20161291

Nguyễn Minh Đức

20161105

Ngô Đức Hùng

20161947

Phần 3: Đánh giá từ ảnh hồng
ngoại và phân tích ảnh
Phần 4: Một số thiết bị thương
mại
Phần 5: Ứng dụng, Tiêu chuẩn
trong công nghiệp
Phần 6: Ưu nhược điểm

Các thành viên phụ trách mỗi phần chuẩn bị báo cáo thuyết trình và
báo cáo dài mỗi chương. Các thành viên cịn lại tổng hợp tài liệu
đóng góp ý kiến, câu hỏi thêm mỗi chương.


LỜI NĨI ĐẦU
Hiện nay, cơng nghệ Đo và Kiểm tra không phá huỷ (Nondestructive Testing – NDT) là một công nghệ thiết yếu và không thể
thiếu của các ngành công nghiệp. Kiểm tra không phá hủy bao gồm
các phương pháp dùng để phát hiện các hư hại, khuyết tật, kiểm tra
đánh giá tính tồn vẹn của vật liệu, kết cấu, chi tiết hoặc để xác
định các đặc trưng của đối tượng mà không làm ảnh hưởng đến khả
năng sử dụng của đối tượng kiểm tra. Kiểm tra không phá hủy được
sử dụng để kiểm tra vật liệu đầu vào, các bán sản phẩm, sản phẩm
đầu cuối, kiểm tra và phân loại các sản phẩm gia công chế tạo và
kiểm tra, đánh giá định kỳ các kết cấu, hệ thống, tiểu hệ thống trong
q trình sử dụng. Kiểm tra khơng phá hủy cịn được sử dụng để tối
ưu hố các q trình và quy trình cơng nghệ trong chế tạo, gia công.

Nhờ sớm phát hiện và loại bỏ các vật liệu, sản phẩm, bán sản
phẩm không đạt yêu cầu, tối ưu hóa được q trình sản xuất nên
giảm được chi phí sản xuất, nâng cao chất lượng sản phẩm và hiệu
quả sản xuất và kinh doanh của các doanh nghiệp. Đồng thời, nhờ
sớm phát hiện các khuyết tật trong các kết cấu, hệ thống và tiểu hệ
thống giúp sớm đưa ra được các phương án khắc phục và sửa chữa,
tránh được các thảm họa có thể xảy ra.
Có nhiều phương pháp đo và kiểm tra không phá hủy khác
nhau, trong khuôn khổ mơn học Đo và kiểm tra khơng phá hủy,
nhóm chúng em lựa chọn tìm hiểu phương pháp: “Phương pháp kiểm
tra nhiệt hồng ngoại (Thermal Infrared Testing)” làm nội dung nghiên
cứu và báo cáo. Do hạn chế về thời gian cũng như kiến thức nên báo
cáo của chúng em không tránh khỏi mắc phải nhiều sai sót. Chúng
em rất mong nhận được những góp ý và chỉ bảo của thầy để sửa
chữa những sai sót gặp phải.



MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH

DANH MỤC BẢNG


PHẦN 1 : NGUYÊN LÝ PHƯƠNG PHÁP
1.1 Lịch sử nhiệt hồng ngoại
Vào năm 1800, William Hershel đã làm những thí nghiệm về
ánh sáng, được ghi nhận là sự phát hiện đầu tiên và là sự khởi đầu
của nhiệt hồng ngoại. Ông sử dụng một lăng kính để phân tách ánh

sáng mặt trời thành một dải màu khác nhau, sau đó ông sử dụng
một nhiệt kế thủy ngân rất nhạy để đo nhiệt độ của từng màu sắc
ánh sáng. Ông đã rất ngạc nhiên khi phát hiện nhiệt độ tăng lên khi
ơng di chuyển nhiệt kế ra ngồi ánh sáng đó, vào một khu vực mà
ơng gọi là “nhiệt bóng tối”. Đây là vùng của phổ điện từ được gọi là
tia hồng ngoại và được công nhận là bức xạ điện từ, khi bị hấp thụ
thì sẽ làm cho vật liệu gia tăng nhiệt độ.
Hai mươi năm sau, Seebeck phát hiện ra hiệu ứng nhiệt điện,
nhanh chóng dẫn đến sự phát minh cặp nhiệt điện của Nobili vào
năm 1829.

Hình 1.1: Hiệu ứng nhiệt điện

Thiết bị tiếp xúc đơn giản này dựa trên nguyên lý sẽ có một
điện áp xuất hiện khi hai kim loại khác nhau tiếp xúc, và sự thay đổi
về điện áp này đi theo một quy luật về thay đổi nhiệt độ. Sau đó
Melloni sớm phát triển một thiết bị gọi là cọc nhiệt điện, là sự kết
hợp giữa nhiều cặp nhiệt điện nối tiếp với nhau, sau đó hội tụ lại bức
xạ nhiệt vào cọc nhiệt điện này, từ đó có thể phát hiện ra một người
từ khoảng cách 30 feet. Một thiết bị tương tự khác, được gọi là một
bolometer, được phát minh vào 40 năm sau.

6


Hình 1.2: Cấu tạo của bolometer

Thay vì đo sự thay đổi về điện áp, bolometer đo sự thay đổi về
điện trở tương ứng với sự thay đổi về nhiệt. Vào năm 1880, Longley
và Abbot đã sử dụng một bolometer để có thể phát hiện một con bị

cách 1000 feet. Con trai của Herschel, đã sử dụng một thiết bị được
gọi là máy đo bay hơi, đã tạo ra hình ảnh hồng ngoại đầu tiên, mặc
dù vẫn cịn rất thơ sơ, vào năm 1840. Hình ảnh được tạo nên từ sự
khác nhau của bay hơi của một lớp dầu mỏng. Hình ảnh được xem từ
sự phản chiếu ánh sáng qua lớp màng dầu đó.
Trong chiến tranh thế giới thứ nhất, Case trở thành người đầu
tiên thử nghiệm với máy dò quang dẫn (thallium sulfide) tại ra các
tín hiệu khơng phải từ sự nung nóng, mà từ sự tương tác trực tiếp với
các photon. Từ đó có thể thu được các kết quả nhanh hơn, đồng thời
cũng nhạy hơn. Trong thế chiến 2, công nghệ nhiệt hồng ngoại bắt
đầu mở rộng và dẫn đến sự phát triển của một số ứng dụng quân sự.
Phát hiện của một nhà khoa học Đức cho thấy việc làm mát đầu dị ó
thể tăng chất lượng đo của thiết bị, từ đó dẫn đến sự phát triển
nhanh chóng của cơng nghệ nhiệt hồng ngoại.
Mãi đến những năm 1960, ảnh nhiệt hồng ngoại mới được sử
dụng trong các ứng dụng phi quân sự. Mặc dù các hệ thống vẫn còn
cồng kềnh, mất nhiều thời gian để thu được kết quả, có độ phân giải
thấp, nhưng chúng đã chứng minh được sự hữu ích trong việc kiểm
tra các hệ thống điện. Những tiến bộ vẫn còn tiếp tục đến những
năm 1970, một lần nữa được thúc đẩy bởi quân đội, các hệ thống đo
nhiệt hồng ngoại di động được đã có thể sử dụng trong việc kiểm tra
khơng phá hủy sử dụng nhiệt. Các hệ thống này sử dụng một đầu dò
được làm mát, đã chứng minh được độ bền và độ tin cậy của thiết bị.
Tuy nhiên chất lượng của hình ảnh vẫn cịn kém nhiều so với quy
chuẩn hiện nay. Vào cuối thập kỉ này, tia hồng ngoại đã được sử
dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp chính để kiểm tra các tịa
nhà hoặc sử dụng cho nhiều ứng dụng y tế khác nhau. Nó trở nên
thiết thực để hiệu chỉnh hệ thống và tạo nên hình ảnh đo bức xạ đầy
đủ, có nghĩa là các nhiệt độ bức xạ có thể được đo qua các hình ảnh
chụp được. Việc làm mát máy dị, trước đây thường sử dụng các

7


phương pháp khí nén hoặc khí hóa lỏng, nay đã được thay bằng sử
dụng bộ mát nhiệt điện. Hệ thống chụp ảnh nhiệt tube-base
pyroelectric vidicon (PEV) đã phát triển giảm chi phí hệ thống đo,
mặc dù khơng đo bức xạ nhưng thiết bị nhẹ, di động và có thể hoạt
động không cần làm mát. Vào cuối những năm 1980, một công nghệ
mới được gọi là mảng mặt phẳng tiêu điểm (FPA), đã được phát hành
từ quan đội vào thị trường thương mại. FPA sử dụng một loạt lớn các
máy dò bán dẫn nhạy cảm với nhiệt, tương tự như các máy ảnh trực
quan thiết bị kết hợp (CCD). Đây là một tiến bộ vượt bậc so với máy
quét đơn phần tử, kết quả đã gia tăng một cách đáng kể cả về chất
lượng lẫn độ phân giải hình ảnh. Độ phân giải bình thường khoảng
320x240, hoặc 256x256, hoặc trong các ứng dụng đặc biệt thì độ
phân giải có thể lên đến 1000x1000.
Năm 1992, Hiệp hội Kiểm tra không phá hủy của Mỹ chính thức
cơng nhận đo và kiểm tra bằng hồng ngoại là một phương pháp
kiểm tra tiêu chuẩn. Ngày nay, rất nhiều các thiết bị đo nhiệt đang
được phổ biến rộng rãi trên thị trường và được sử dụng nhiều trong
các ngành công nghiệp.
Các nhà nghiên cứu vẫn đang tiếp tục cải thiện hệ thống và
tìm ra các ứng dụng mới.
1.2 Các đặc điểm của hồng ngoại
1.2.1
Định nghĩa
Hồng ngoại, đơi khi cịn được gọi là ánh sáng hồng ngoại, là
một bức xạ điện từ với bước sóng dài hơn so với ánh sáng khả kiến.
Vì vậy nên hồng ngoại khơng thể nhìn thấy bởi mắt người. Hồng
ngoại có bước sóng bắt đầu từ vùng biên của ánh sáng đỏ, khoảng

700nm, tần số 430 THz, đến 1mm (300 GHz). Bức xạ vật đen từ các
vật thể gần nhiệt độ phòng hầu như đều ở bước sóng hồng ngoại. Vì
là một dạng bức xạ điện từ, hồng ngoại truyền năng lượng và động
lượng, với các đặc tính tương ứng với cả sóng và hạt.

8


Hình 1.3: Bước sóng của các bức xạ điện từ

Mọi vật có nhiệt độ lớn hơn 0 (0K) (độ khơng tuyệt đối) đều
phát ra tia hồng ngoại.
Tia hồng ngoại được chia làm nhiều loại khác nhau phụ thuộc
vào dải bước sóng của nó, ví dụ theo như phân loại Mỹ:
Bảng 1.1: Bảng phân loại hồng ngoại theo phân loại Mỹ
Tên hồng ngoại

Bước sóng

Nhiệt độ

Hồng ngoại gần
Hồng
ngoại
sóng
ngắn
Hồng
ngoại
sóng
trung

Hồng ngoại sóng dài

0.75 – 1.4 μm
1.4 – 3 μm

3,864 – 2,070 ᵒK
2,070 – 966 ᵒK

3 – 8 μm

966 – 362 ᵒK

8 – 15 μm

362 – 193 ᵒK

Hồng ngoại xa

15 – 1,000 μm

193 – 3 ᵒK

9


Hình 1.4 Năng lượng điện từ phát ra từ vật đen có nhiệt độ cao

Tia hồng ngoại có một số các tính chất cơ bản có thể kể đến
như:
₋

₋
₋
₋
₋
₋

Tác dụng nhiệt mạnh (vật hấp thụ tia hồng ngoại sẽ nóng lên)
Có khả năng gây ra một số phản ứng hóa học
Ít bị tán xạ bởi các giọt nƣớc nhỏ trong sương mù
Tác dụng lên kính ảnh đặc biệt gọi là kính ảnh hồng ngoại (tác
dụng lên film có thể chụp ảnh vào ban đêm)
Có thể biến điệu như sóng điện từ cao tần
Có thể gây ra hiện tượng quang điện trong chất bán dẫn.

1.2.2
Đặc điểm của nhiệt hồng ngoại
Bức xạ hồng ngoại thường được gọi là "bức xạ nhiệt", mặc dù
ánh sáng và sóng điện từ có tần số bất kỳ đều làm nóng các bề mặt
hấp thụ chúng. Ánh sáng hồng ngoại từ Mặt trời chiếm 49% trong
việc đốt nóng Trái đất, phần cịn lại là do ánh sáng nhìn thấy bị hấp
thụ sau đó bức xạ lại ở bước sóng dài hơn.

10


Hình 1.5: Tỉ lệ năng lượng nhiệt từ các bước sóng ánh sáng

Nhiệt là năng lượng truyền đi do chênh lệch nhiệt độ. Truyền
năng lượng nhiệt xảy ra thông qua ba cơ chế: dẫn nhiệt, đối lưu, và
bức xạ.

Dẫn nhiệt xảy ra chủ yếu trong các chất rắn và chất lỏng, các
phân tử có nhiệt độ cao truyền năng lượng của mình đến các phân
tử lân cận để phân tán nhiệt sang phân tử lân cận. Sự đối lưu xảy ra
trong chất lỏng và chất khí. Cách thứ ba nhiệt được chuyển giao là
thông qua bức xạ điện từ năng lượng. Bức xạ có thể xảy ra ngay cả
trong chân không. Bức xạ điện từ được tạo ra khi các electron bị mất
năng lượng và rơi vào một trạng thái năng lượng thấp hơn. Bước
sóng và cường độ của bức xạ có liên quan trực tiếp đến nhiệt độ của
các phân tử bề mặt hoặc các nguyên tử.
1.2.3
Các thuật ngữ trong nhiệt hồng ngoại
- Độ phát xạ (Emissivity)
Độ phát xạ của bề mặt vật liệu là hiệu quả của vật liệu trong
việc phát ra năng lượng dưới dạng bức xạ nhiệt. Bức xạ nhiệt là bức
xạ điện từ có thể bao gồm cả bức xạ nhìn thấy (ánh sáng khả kiến)
và bức xạ hồng ngoại mà con người không thấy được. Bức xạ nhiệt
từ các vật rất nóng có thể dễ dàng nhìn thấy bằng mắt.

11


Hình 1.6: Bức xạ từ vật nóng có thể nhìn thấy được

Về mặt định lượng, độ phát xạ là tỉ số giữa bức xạ nhiệt từ một
bề mặt tới bức xạ từ bề mặt đen lý tưởng ở cùng nhiệt độ được cho
bởi định luật Stefan-Boltzmann. Tỷ lệ này thay đổi từ 0 đến 1. Bề
mặt của vật đen hoàn hảo với độ phát xạ là 1 phát ra bức xạ nhiệt
với công suất khoảng 448 wat trên một mét vng ở nhiệt độ phịng
(25ᵒC). Tất cả cả các vật thể đều có độ phát xạ nhỏ hơn 1, và phát
ra bức xạ với công suất thấp hơn tương ứng.

-

Độ phản xạ (Reflectance)

Độ phản xạ của bề mặt vật liệu là hiệu quả của nó trong việc
phản xạ năng lượng bức xạ. Định nghĩa hệ số phản xạ là tỉ lệ của
năng lượng điện từ bị phản xạ và năng lượng điện từ truyền tới. Hệ
số phản xạ này sẽ có giá trị từ 0 đến 1. Phản xạ là một thành phần
tương ứng với một cấu trúc điện tử của vật liệu đối với trường điện
từ của ánh sáng. Độ phản xạ cũng là một hàm của tần số, hoặc bước
sóng, của ánh sáng, độ phân cực và góc tới. Sự phụ thuộc của hệ số
phản xạ vào bước sóng được gọi là phổ phản xạ hoặc đường cong
phản xạ phổ.

12


Hình 1.7: Độ phản xạ của một vài kim loại phổ biến với từng bước
sóng ánh sáng
-

Độ truyền dẫn (Transmittance)

Độ truyền dẫn qua bề mặt của vật liệu là hiệu quả của nó
trong việc truyền năng lượng bức xạ. Độ truyền dẫn là tỉ lệ giữa công
suất bức xạ được truyền tới mà được truyền qua mẫu vật và công
suất bức xạ được truyền tới. Tỷ lệ này nằm trong khoảng 0 đến 1

Hình 1.8: Độ truyền dẫn của ruby đối với các bước sóng điện từ

Theo định luật bảo tồn năng lượng, ta có thể thu được cơng
thức:

Với:

= Năng lượng phản xạ
= Năng lượng hấp thụ
= Năng lượng truyền đi

13


1.3 Các phương pháp cơ bản trong ảnh nhiệt hồng ngoại
Hiện nay phương pháp ảnh nhiệt hồng ngoại được chia làm hai
phương pháp chính: nhiệt hồng ngoại chủ động và nhiệt hồng ngoại
thụ động

Hình 1.9: Các phương pháp chính trong chụp ảnh nhiệt
-

Ảnh nhiệt thụ động

Nhiệt hồng ngoại thụ động sẽ đo trực tiếp nhiệt độ bề mặt để
đánh giá, vì vùng quan tâm sẽ có điểm nóng bất thường so với vùng
xung quanh. Ảnh nhiệt thụ động có ưu điểm rõ ràng là nhanh chóng
và khơng cần nguồn năng lượng khác từ bên ngồi.

Hình 1.10: Ứng dụng chụp ảnh nhiệt thụ động trong việc đánh giá
tòa nhà
-

Ảnh nhiệt chủ động

Phương pháp đo nhiệt chủ động đo nhiệt độ bề mặt để đánh
giá sau khi áp dụng kích thích nhiệt. Cần có nguồn năng lượng bên
ngồi để tạo ra sự tương phản nhiệt giữa điểm được quan tâm và vị
trí xung quanh, vì các bộ phận được kiểm tra thường ở trạng thái cân
bằng với môi trường xung quanh. Các khuyết tật có thể được phát
14


hiện bằng phản ứng truyền nhiệt dị thường của khuyết tật với việc
xem xét yếu tố nhiệt thay đổi theo thời gian sau khi tác dụng kích
thích nhiệt.

Hình 1.11: Ứng dụng của phương pháp ảnh nhiệt chủ động trong
phát hiện sai hỏng

15


PHẦN 2 : NGUYÊN LÝ CHỤP ẢNH HỒNG NGOẠI
2.1 Nguyên lý chụp ảnh hồng ngoại
Đặc điểm chung về năng lượng hồng ngoại:
Năng lượng hồng ngoại chỉ là một phần nhỏ của phổ điện tử
(tia gama, tia X, tia cực tím, một vùng mỏng của ánh sáng khả
biến, sóng hồng ngoại, sóng terahertz, sóng vi ba và sóng vơ
tuyến). Tất cả các vật thể, thiết bị đều phát ra một tán xạ vật
đen nhất định như là một hàm nhiệt độ của chúng.
Có 2 phương pháp chụp ảnh hồng ngoại chính:

- Phương pháp chụp ảnh hồng ngoại chủ động
- Phương pháp chụp ảnh hồng ngoại thụ động
2.2 Phương pháp chụp ảnh nhiệt hồng ngoại chủ động
Phương pháp đo nhiệt chủ động là một kỹ thuật trong đó
các khuyết tật được phát hiện bằng cách chủ động tác dụng
một tải nhiệt lên đối tượng đo. Trong số các phương pháp tích
cực, báo cáo này giới thiệu các công nghệ thử nghiệm không
phá hủy sử dụng kỹ thuật sóng nhiệt và kỹ thuật chụp ảnh
hồng ngoại bằng máy đo dịng điện xốy (ECT)
2.2.1

Kỹ thuật sóng nhiệt
Kỹ thuật sóng nhiệt, như được hiển thị trong Hình 2.1, là
một kỹ thuật trong đó các khuyết tật (bong tróc, khoảng trống,
v.v.) được phát hiện bằng cách chiếu xạ đối tượng đo bằng đèn
sưởi như ống đèn flash xenon, v.v. và thực hiện phép đo bằng
máy ảnh hồng ngoại. Khi đèn sưởi tác dụng nhiệt (sóng nhiệt),
sự chênh lệch nhiệt độ và chênh lệch thời gian truyền (lệch
pha) sẽ xảy ra nếu có sự chênh lệch về độ khuếch tán nhiệt
giữa phần âm và phần khuyết khi sóng nhiệt truyền qua vật. .
Phần bị lỗi được hiển thị bằng màn hình 2 chiều của sự chênh
lệch nhiệt độ và sự chuyển pha này. Kỹ thuật khóa, vv được sử
dụng như một cơng nghệ xử lý tín hiệu để phát hiện lỗi. Kỹ
thuật khóa trong là một cơng nghệ xử lý tín hiệu làm tăng S / N
bằng cách chỉ trích xuất sự thay đổi nhiệt độ có cùng chu kỳ
với tải (đèn sưởi, tải, v.v.) từ dữ liệu chuỗi thời gian của sự thay
đổi nhiệt độ.

16

Hình 2.12: Minh họa sơ đồ của kỹ thuật sóng nhiệt

Hình 2.2 cho thấy một ví dụ trong đó sự tróc vảy của một
mẫu nhựa gia cố bằng sợi carbon (CFRP) được xác định bằng
cách đun nóng mẫu CFRP với ống đèn flash xenon sau khi thử
nghiệm mỏi. Trong kết quả của phép đo bằng kỹ thuật sóng
nhiệt, có thể hiểu rằng hiện tượng tróc da thực sự xảy ra trên
một phạm vi rộng hơn (B) so với phạm vi có thể được xác nhận
từ hình dáng bên ngồi của mẫu (A).

Hình 2.13: Phát hiện nguyên tử phi carbon cho sợi carbon gia cố
mẫu nhựa (CFRP)

Độ sâu thâm nhập nhiệt được đưa ra bởi công thức:
Với a là độ khuếch tán nhiệt
f là tần số của tia hồng ngoại phát ra bởi đèn sưởi.
Theo đó, có thể thu được khơng chỉ vị trí hai chiều của
khuyết tật mà cịn cả thông tin về hướng sâu từ bề mặt bằng
cách thay đổi tần số của nguồn tia hồng ngoại phát ra .

17


Hình 2.3 cho thấy một ví dụ trong đó một mẫu CFRP có
khuyết tật nhân tạo (giảm độ dày vật liệu) được đo trong khi
thay đổi tần số của đèn sưởi. Phần khuyết tật nhân tạo nằm ở
mặt sau của mẫu. Trong Hình 3 (a) lúc f = 1 Hz, sự phân bố của
các sợi xung quanh bề mặt có thể được hình dung, và trong
Hình 3 (b) tại f = 0,1 Hz, có thể nhận được sự phân bố của

khuyết tật (giảm độ dày) ở mặt sau. Kỹ thuật sóng nhiệt có
hiệu quả để phát hiện các khuyết tật như bong tróc, khoảng
trống, v.v. của vật liệu composite, bao gồm CFRP và các loại
khác, đồng thời có thể thu được thơng tin 3 chiều về vị trí của
các khuyết tật.

Hình 2.14: Phụ thuộc tần số của ảnh pha theo kỹ thuật sóng nhiệt

2.2.2
Phương pháp chụp ảnh hồng ngoại bằng máy đo
dịng điện xốy (ECT)
Đo dịng điện xốy (ECT) là một kỹ thuật tích hợp kết hợp dịng
điện xốy và đo nhiệt độ không phá hủy để cung cấp một phương
pháp hiệu quả để phát hiện khuyết tật. Kỹ thuật này có thể áp dụng
cho vật liệu dẫn điện và có khả năng phát hiện khuyết tật bề mặt và
dưới bề mặt.

18


Hình 2.15: Hệ thống đo nhiệt độ dịng điện xốy

Hệ thống trên bao gồm:- Mẫu vật dẫn nhiệt (SAMPLE)
- Lò sưởi cảm ứng (INDUCTION HEATER)
- Hệ thống làm mát (COOLING SYSTEM) tránh hiện tượng quá
nhiệt của cuộn dây trong quá trình đo
- Bộ phận tạo dịng điện xốy tác động cho mẫu (WORK HEAD)
- Máy ảnh hồng ngoại(IR CAMERA) được kết nối với máy tính
(COMPUTER)
để

xử
lý
và
hiện
thị
hình
2.2.3 Ngun lý hoạt động
Ngun lý hoạt động của Kiểm tra dịng điện xốy là sử dụng
các hiện tượng tự nhiên của cảm ứng điện từ để tìm các khuyết tật
trong vật liệu dẫn điện.

Hình 2.16: Mô tả nguyên lý hoạt động của hệ thống đo nhiệt độ
dịng điện xốy

Dịng điện xốy kích từ có nguồn gốc là dịng điện xoay chiều.
Khi cuộn dây được kích thích, thời gian từ trường thay đổi được gây
ra, do đó tạo ra dịng điện xốy cảm ứng tác động lên mẫu vật
Khi dịng điện xốy cảm ứng gặp sự gián đoạn hình học hoặc dị
thường cục bộ, dịng điện xoáy sẽ buộc phải chuyển hướng, dẫn đến
các vùng mật độ dịng điện xốy bị bóp méo. Sự chuyển hướng dịng
xốy dẫn đến sự phân bố nhiệt với các độ tương phản nhiệt khác
nhau giữa khu vực có khuyết tật và khơng có khuyết tật, làm cho
khuyết tật có thể nhìn thấy được bằng camera IR.

19


Hình 2.17: Kiểm tra dịng điện xốy
 Ngun lý kiểm tra dịng điện xốy

Trong đầu dị dịng điện xốy, một dòng điện xoay chiều (AC)
chạy qua một cuộn dây tạo ra một từ trường dao động (Hình A).
Khi đưa đầu dò đến gần một vật liệu dẫn điện, các electron đi
qua vật liệu một cách vơ hình giống như một vũng nước xốy. Các
electron xốy này được gọi là dịng điện xốy (Hình B).
Dịng điện xốy tạo ra một từ trường biến thiên tương tác với
cuộn dây trong đầu dò. Quá trình này được gọi là hiện tượng tự cảm
lẫn nhau. Mọi khuyết tật hoặc sai lệch về độ dày sẽ ảnh hưởng đến
dịng điện xốy và từ trường của nó. Đổi lại, những thay đổi này
trong dịng điện xốy được ghi nhận bởi cuộn dây và một kỹ thuật
viên NDT đã qua đào tạo có thể phán đốn dựa trên những phàn hồi
của tín hiệu dịng điện xốy (Hình C).


Cấu hình cuộn dây thường gặp

Hình 2.18: Cấu hình cuộn dây

20


Hình 2.19: Hình ảnh nhiệt khi sử dụng các cấu hình cuộn dây khác
nhau

Để so sánh định lượng ba cấu hình kích thích ECT khác nhau,
kết quả thực nghiệm trên cùng một mẫu với nhiều vết nứt bằng Tỉ lệ
tín hiệu trên nhiễu SNR
SNR mô tả độ tương phản nhiệt giữa vùng khuyết tật được
coi là “tín hiệu” và vùng khơng khuyết tật được định nghĩa là
“nhiễu”. Việc tính tốn SNR theo dB được định nghĩa dưới đây:

trong đó T m D và T m N tương ứng là nhiệt độ trung bình ở vùng
khuyết tật và vùng khơng khuyết tật. Σ ( T m N ) là độ lệch chuẩn
nhiệt độ trong các vùng khơng khuyết tật có liên quan. Các vùng bị
lỗi được đánh dấu trong hình trên bao gồm vùng bị lỗi với đường
chấm bao quanh và hai vùng bị lỗi cục bộ A và B. Các vùng khơng bị
lỗi có liên quan được chọn là các vùng giống nhau cho ba cấu
hình. Giá trị SNR của các vùng được chọn này được minh họa trong
Bảng để so sánh định lượng của ba cấu hình ECPT.

21


Hình 2.20: ba cấu hình ECPT

Bảng 2.2: Kết quả thực nghiệm để so sánh ba cấu hình

Giá trị SNR càng lớn thể hiện các khuyết tật rõ ràng hơn
Các giá trị SNR tương tự đối với cuộn dây cũng chứng minh
ảnh hưởng khơng đồng nhất của nó đối với việc phát hiện và xác
định
đặc
tính
khuyết
tật
2.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến Kiểm tra dịng điện xốy
Các yếu tố như vật liệu, điều kiện bề mặt, loại đầu dị có thể
ảnh hưởng đến độ nhạy của việc kiểm tra dịng điện xốy. Phát hiện
các vết nứt bề mặt và dưới bề mặt yêu cầu:
-

Tần số kiểm tra: Tần số cao hơn làm giảm độ sâu của sự xâm
nhập nhưng dễ dàng phát hiện ra các khuyết tật nhỏ hơn; tần
số thấp hơn làm tăng độ sâu thâm nhập của tín hiệu nhưng ít
nhạy hơn với các khuyết tật nhỏ. Đối với các khuyết tật bề
mặt, tần số càng cao càng tốt để có độ phân giải tối đa và độ
nhạy cao. Đối với các khuyết tật dưới bề mặt, tần số thấp hơn
22


-

-

-

-

-

giúp cải thiện độ sâu thâm nhập nhưng sẽ có độ nhạy thấp
hơn. Vật liệu sắt từ hoặc dẫn điện cao yêu cầu sử dụng tần số
thấp hơn.
Độ dẫn điện hay từ thẩm của vật liệu: Kiểm tra dòng điện xoáy
dựa vào độ dẫn của vật liệu để thực hiện thử nghiệm. Vật liệu
càng kém dẫn điện thì khả năng thực hiện của phương pháp
này càng kém.
Tiếp xúc gần: Mặc dù có thể thực hiện Kiểm tra dịng điện xốy
mà không cần tiếp xúc trực tiếp với bề mặt, nhưng độ nhạy sẽ
giảm khi khoảng cách giữa cuộn dây và bề mặt tăng lên.

Độ sâu thâm nhập: Khiếm khuyết bên trong vật liệu càng sâu,
thì càng ít tín hiệu có thể tiếp cận được. Đầu dị tần số thấp có
thể tăng khả năng thâm nhập một chút. Các thiết bị hiện đại
như NORTEC 600 có tính năng tính tốn độ sâu thâm nhập dựa
trên tần số và loại vật liệu.
Độ thấm từ: dùng để chỉ khả năng của một vật có thể bị
nhiễm từ. Trong một miếng kim loại, độ thẩm từ có thể thay đổi
nếu có các ứng suất tác động lên vật liệu hay nhiệt độ thay
đổi.
Hình học: Các rãnh, đường cong và cạnh phức tạp sẽ làm thay
đổi dịng điện xốy do tiếp xúc khơng đồng đều. Một kỹ thuật
viên NDT lành nghề sẽ biết cách điều chỉnh đầu dị để phù hợp
với những hình dạng khác nhau. Đầu dị cũng phải lựa chọn
phù hợp với hình dạng của chi tiết cần kiểm tra, với cuộn dây
phải tạo ra dịng xốy vng góc với hướng của khuyết tật.

2.2.3

Đo nhiệt siêu âm(vibrothermography)

Hình 2.21: Cấu hình cho lock in-vibrothermography

Sử dụng sóng cơ học để kích thích trực tiếp bên trong khuyết
tật và khơng làm nóng bề mặt như trong phương pháp quang học.
Đặt 1 đầu dò siêu âm tiếp xúc với mẫu với sự trợ giúp của phương
23


tiện ghép nối và bộ khuếch đại khóa trong được sử dụng để phát
hiện dấu hiệu sóng nhiệt từ khiếm khuyết. Sóng siêu âm truyền qua

mẫu vật và được truyền trở lại bề mặt nơi đầu dị thu tín hiệu phản
xạ , hoặc chúng được thu ở phía đối diện (đường truyền). Trong mọi
trường hợp, nguyên tắc phát hiện khuyết tật dựa trên sự khác biệt
về âm thanh giữa các vật liệu
Trong VT, sóng siêu âm sẽ di chuyển tự do thông qua một vật
liệu đồng nhất, trong khi một khiếm khuyết bên trong sẽ tạo ra một
sự kết hợp phức tạp của hấp thụ, tán xạ, lan truyền chùm tia và sự
phân tán của sóng, mà biểu hiện chính của nó sẽ ở dạng nhiệt. Sau
đó, nhiệt sẽ truyền đi bằng cách dẫn truyền theo mọi hướng, một
camera IR có thể được hướng đến một trong các bề mặt của mẫu để
ghi lại khuyết tật. Về cơ bản có 2 loại cấu hình đó là:
- Lock in-vibrothermography

Hình 2.22: Cấu hình cho phép đo lock in-vibrothermography

- Burst vibrothermography

Hình 2.23: Cấu hình cho burst vibrothermography

24


Nguyên lý hoạt động: Hai loại cấu hình nhìn chung có ngun
lý hoạt đơng như nhau. Chỉ khác tốc độ truyền sóng siêu âm liên tục
với cùng tần số và 1 cái là truyền với tần số thay đổi.
- Sóng siêu âm được tạo ra bởi một đầu dò siêu âm
- Sau khi các sóng đàn hồi được tiêm vào mẫu vật, chúng sẽ đi
xuyên qua vật liệu và tiêu tán năng lượng chủ yếu tại các khuyết tật
do đó nhiệt được giải phóng cục bộ. Sau đó, các sóng nhiệt truyền đi
bằng cách dẫn truyền đến bề mặt, nơi chúng có thể được phát hiện

bằng camera hồng ngoại.
2.3 Phương pháp chụp ảnh nhiệt hồng ngoại thụ động
- Mọi vật chất có nhiệt độ lớn hơn 0ᵒK đều phát ra hồng ngoại
- Đo trực tiếp trực tiếp nhiệt độ bề mặt để đánh giá
- Một kỹ thuật thụ động được áp dụng để ghi lại các hình ảnh
nhiệt (nghĩa là khơng áp dụng hệ thống sưởi hoặc làm mát bên
ngồi)
- Nguồn nhiệt thụ động được sử dụng ở đây là mặt trời
=> là phương pháp chụp ảnh nhiệt hồng ngoại mà khơng sử
dụng nguồn nhiệt nhân tạo.

Hình 2.24: Hình ảnh nhiệt bề mặt đường

Giả sử rằng mẫu vật được khảo sát đã tiếp xúc với tải trọng
mặt trời đồng nhất và có cấu trúc đồng nhất, vùng âm của mẫu có
nhiệt độ thấp hơn vùng gián đoạn. Điều đó cũng cho phép đánh giá
các vùng có cấu trúc cụ thể (và có lẽ cũng có các đặc tính quang và
nhiệt khác nhau), và do đó có dấu hiệu nhiệt độ cụ thể trong hình
ảnh nhiệt cũng như các vùng chồng chéo trong màng chống thấm
hoặc
bên
trong
các
khu
vực
vá
Nhờ đó đánh giá tình trạng của đường và mặt đường cầu là một
công cụ mạnh mẽ để thiết lập chiến lược quản lý cầu (chương trình
bảo trì, phục hồi và / hoặc thay thế) và điều này đặc biệt là trong
bảo trì dự báo và phịng ngừa. Cơng nghệ IR có các đặc tính nhị

ngun vì nó mơ tả tình trạng hiện tại và thơng qua việc kiểm tra
25