光热辐射测量法：原理、系统与无损检测应用深度解析

技术原理与数学模型

光热辐射测量，其核心在于捕获并解析样品因光热效应（Photothermal Effect）而产生的热辐射变化，从而获取样品内部信息。物理学基础告诉我们，任何温度高于绝对零度的物体都会向外发射电磁辐射，即热辐射。这种辐射的强度与波长分布，与物体表面状态及其温度紧密相关。

当一束光照射到样品上，样品吸收光能，温度随之升高至一个相对稳定的状态。如果样品表面或近表面存在缺陷（如裂纹、夹杂、空洞等），这些区域的热物理性质（如热导率、比热容）会与完好处存在差异，导致其温升响应出现异常。这种异常的温度分布，会直接反映在局部热辐射的差异上。通过高灵敏度的探测仪器捕捉这些辐射差异，我们就能反向推断出样品内部的结构与状态信息。

在工程应用中，热辐射的波长主要集中在红外光谱范围，因此光热辐射测量通常就是指光热红外辐射测量。根据探测器与激励光束的相对位置，可分为两种基本模式：

• 背散射模式：探测器与光束位于样品同一侧，接收样品表面向后方发射的红外辐射。
• 透射模式：探测器位于样品另一侧，接收穿透样品的热辐射。

该技术的一大优势在于其非接触性，允许在一定距离外进行遥测或遥控，特别适用于高温、高压或难以接近的特殊环境。其检测速度快，可实现实时测温或成像。当然，它也存在局限性，例如测量结果会受到样品表面发射率的影响，远距离测量时还需考虑大气、水汽等介质对特定波长红外线的吸收。尽管如此，作为一种新兴的无损检测技术，它在薄层样品检测方面展现出无与伦比的优势。

一维热传导模型

为了定量分析这一过程，我们建立一个简化的物理模型。假设被测样品为一单层平板材料，其一维模型如图1所示。

图1 一维模型图

一束经过调制的激光照射样品表面，其入射光强为 I = I₀(1 + e^(iωt))，其中 I₀ 是光强幅值，ω = 2πf 是调制圆频率。样品吸收光能后，其内部温度场会发生周期性的涨落。这种温度变化 δT 会引起热辐射能量 δW 的相应变化，两者关系遵循斯特藩-玻尔兹曼定律的微分形式：

$$ /delta_{W} = 4/epsilon /sigma T^3/delta_{T} /quad (1) $$

式中：

• ε：样品表面发射率
• σ：斯特藩-玻尔兹曼常数 (5.673 × 10⁻¹² W/(cm²·K))
• T：样品受光照达到平衡时的直流温度分量

红外探测器的输出信号与辐射能量的变化量 δW 成正比，因此，只要解出温度的周期性变化量 δT，就能建立探测器信号与样品性质之间的联系。

样品内部的温度场 φ(x,t) 可以用一维热传导方程来描述：

$$ /frac{/partial^2/phi(x,t)}{/partial x^2} = /frac{1}{/alpha}/frac{/partial/phi}{/partial t} -/frac{S(x,t)}{k} /quad (2) $$

式中：

• α：样品的热扩散系数，α = k / (ρc)，其中 k, ρ, c 分别为热导率、密度和比热容。
• S(x,t)：样品内部的热流密度，与光吸收系数 β(λ) 及入射光强有关。
• φ(x,t) = T₀ + T(x) + δT(x,t)，由环境温度 T₀、稳态温升 T(x) 和周期性温升 δT(x,t) 三部分构成。

通过求解该方程，并结合具体边界条件，可以得到在样品背面（透射方向）探测时，温度涨落的振幅 δT_A(l) 和相位差 δT_φ(l) 的表达式。

1. 对于光吸收强或不透明的样品（热量主要在表面产生）： $$ /delta T_{A}(l)/propto I_{0}(k/pi f/rho c)^{-1 / 2} /quad (3) $$ $$ /delta T_{/phi}(l) = -/left[/left(/frac{/pi f}{/alpha}/right)^{1 / 2}l + /frac{/pi}{4}/right] /quad (4) $$

2. 对于光学透明且热扩散快的样品： $$ /delta T_{A}(l)/propto I_{0}(/pi f/rho c)^{-1}/beta (/lambda) /quad (5) $$

从这些公式可以看出，样品背面温度信号的振幅和相位，都与样品的热导率(k)、密度(ρ)、比热容©、热扩散系数(α)等物理参数直接相关。当样品内部存在缺陷时，这些局部的物理性质会发生改变，从而导致光热辐射信号的振幅和相位出现相应的变化。这正是光热辐射无损检测的根本依据。

特别值得一提的是相位测量。相位差反映了热波从激励点传播到探测点的时间延迟，它主要由样品的厚度和热物理性质决定，几乎不受表面发射率、光斑不均匀等因素的影响。因此，在许多应用中，测量相位信息能够提供更稳定、更可靠的检测结果。

检测系统架构

光热辐射检测技术可分为主动式和被动式两种工作方式。主动式需要外部激励源（如激光）加热样品，而被动式则直接检测被测对象自身因工作状态而发出的热辐射，常用于在线监测运行中的设备，这是许多其他检测方法难以企及的。检测系统的构建可以根据需求灵活配置，从简单到复杂，主要有以下几种类型。

1. 单个探测器系统

这是最基础的检测系统（如图2所示）。一束激光经机械调制盘调制后加热样品。在样品的另一侧放置一个红外探测器。探测器输出的微弱电信号经过前置放大器和锁相放大器处理，提取出与调制频率同频的信号振幅和相位。通过让记录仪与样品扫描同步移动，即可获得样品各点位的振幅与相位曲线，通过分析曲线的异常便可判断缺陷的存在。

图2 单个探测器系统

2. 红外测温仪系统

使用红外测温仪作为信号检测单元，相比单个探测器系统更为方便和精确。图3展示了一种单波段测温仪的结构。其工作原理是：被测目标的红外辐射通过物镜聚焦，经45°分光片反射至红外探测器。为保证测量精度，测量时目标必须充满测温仪的视场。探测器将接收到的辐射能转换为电信号，经过一系列处理后，最终以温度值的形式直接显示。

图3 单波段测温仪结构图 (a—调制盘 b—滤光片 c—红外探测器 d—热敏元件 e—电动机 f—同步发生器)

单波段测温仪易受环境影响，抗干扰能力较弱。其升级产品——比色测温仪，通过原理和结构上的改进，抗干扰能力更强，并能测量未能充满视场的小目标。目前国内已有多种型号的红外测温仪产品，如NCIR、HD、HW、HCW等系列，精度约在0.5% ~ 2%，测温范围覆盖-50°C至2800°C。

3. 热成像检测系统

热成像系统是功能最强大的配置，它能够将被测样品的红外辐射转换成一幅可视化的热图（Thermal Image），直接、直观地显示出样品表面的温度分布。常用的设备包括红外热像仪、红外热电视、近红外CCD摄像机等。

图4 热像检测示意图

热成像检测的优点是直观、快速，图像可实时存储、回放和分析，并能查询与图像关联的详细数据。缺点则是对操作人员要求较高，设备各环节若搭配不当，会影响系统灵敏度，且设备价格昂贵。

目前广泛应用的是光机扫描式红外热像仪（图5）。其工作流程为：光学系统收集红外辐射，通过扫描机构使辐射能量图形扫过探测器，探测器将其转换为电信号，经放大处理后生成标准视频信号，最终在显示器上呈现热图像。

图5 光机扫描红外热像仪工作原理图

新一代的非扫描热像仪，被称为第二代热像仪，采用焦平面阵列（FPA）探测器，可以省去或大幅简化扫描机构，实现“凝视”成像。近红外CCD摄像仪也基本属于此类。

下表列出了一些国产热像仪产品的技术参数。

表1 部分国产热像仪产品简介

应用示例与案例分析

光热辐射与红外热成像技术凭借其独特优势，在材料科学、工业制造、交通运输等领域获得了广泛应用。

1. 复合薄层材料的内部缺陷探测

对于复合材料，特别是胶接结构，其内部的脱粘、空洞等缺陷是影响其性能的关键。理论计算表明（如图6和图7），光热信号的振幅和相位对中间层（如胶层）的厚度和热导率变化非常敏感。

图6 信号振幅、相位随中间层厚度变化的曲线

图7 信号振幅、相位随中间层热导率变化的曲线

在一个实际测试中，我们使用两块0.2mm的纯铜片通过导热胶粘合，胶层中人为预制了空洞和厚度偏薄区域。使用CO₂激光扫描样品，并在另一侧用碲镉汞探测器接收信号。扫描结果（图8）清晰显示：在空洞处，热阻增大，导致信号振幅减小，相位增大；而在胶层偏薄处，热阻减小，振幅增大，相位减小。振幅和相位的同步突变提供了双重判据，使得缺陷检测结果更为可靠。

图8 胶合层缺陷的光热辐射信号 (f = 25Hz)

2. 洞察毫厘之差：PCB焊点质量的精准评估

在电子工业中，焊点质量直接决定了产品的可靠性。虚焊、内部孔洞等缺陷，不仅肉眼难以察觉，常规电性能测试也可能无法发现，构成严重的潜在隐患。光热辐射法为此提供了有效的解决方案。

检测系统（图9）采用脉冲激光作为热源，红外测温系统感知焊点温度的动态变化。一个典型的过程是：用12W激光聚焦成0.7mm光斑，照射焊点30ms，使其表面温度升高约50°C。激光撤去后，正常焊点的热量会迅速向下部和周围传导，表面温度平稳下降。若存在缺陷，热流受阻，其降温曲线（热特性曲线）会发生明显畸变（图10）。通过将实测曲线与标准曲线进行比对，计算机可以快速、自动地识别出缺陷焊点。

图9 PCB焊点检测系统原理框图

图10 典型焊点的红外热特性曲线

3. 保障大动脉安全：红外技术在列车轴温监控中的演进

列车轴温探测是保障铁路运行安全的关键环节，我国自上世纪70年代开始推广应用，取得了巨大的社会和经济效益。其核心是对运行中列车轴承的过热状态进行监控。

这项技术经历了从“一代机”到“二代机”的发展。一代机系统在轨道两侧安装红外探头，由人工判读记录仪信号。二代机则构建了更为智能化的网络系统：在主要干线上每隔30-40km设置探测点，数据通过网络汇集到300-400km外的管理中心。系统能自动识别客货车、轴承类型，自动计轴、报警，并实现了与铁路调度系统的联网，对热轴进行分级预警。例如，广汉通信信号厂的HZT-1A型探测器在1979-1986年间就防止了291万件燃轴事故。其二代机PHBD-Ⅱ型性能优异，甚至出口到瑞典和美国。

尽管单点测温模式已相当成熟，但面对因部件移位导致热分布异常的故障，仍有漏报风险。热成像技术则能提供整个轴箱的完整热图，与正常状态一目了然地对比，大大提高检出率。虽然成本限制了其大规模部署，但在研发和关键站点的应用前景广阔。

表2 国产红外轴温探测器与探测系统性能 红外轴温探测器

红外轴温探测系统

4. 从表面到内部：红外热成像揭示轴承与轴瓦的隐藏缺陷

使用HWBX-2型红外热像仪，可以对机械零件的表面及内部缺陷进行判断。

• 表面裂纹检测：将一个轴承滚子在热水中加热约1分钟后取出进行热成像。如图11所示，表面的“Y”形裂纹清晰可见。这是因为裂纹处的红外发射率和散热速率均与完好表面不同，导致热像仪接收到的辐射量出现突变。

图11 轴承滚子的热成像

• 内部缺陷检测：对一个由两层金属压碾而成的轴瓦进行检测，其内部可能存在分层缺陷。对轴瓦反面加热1分钟，由于内部分层缺陷阻碍了热量传导，导致正表面的缺陷对应区域温度低于周围。通过连续监测，可以捕捉到缺陷区域（图12中A区）由小变大再变小的动态过程，并在温差最显著时（约第3分钟）获得最清晰的图像，从而准确测量缺陷的尺寸（本例中测得裂纹宽度为1.3mm）。

图12 轴瓦内部缺陷的热成像动态过程

5. 破解陶瓷行业难题：热成像技术在墙面砖内部缺陷探测中的突破

陶瓷材料内部缺陷的形状探测一直是无损检测领域的难题。红外热像技术为此开辟了新途径。对陶瓷砖块进行加热后，其内部缺陷会造成局部热阻变异，从而在热图像上形成与正常砖块不同的温度分布。通过多点测温功能和有限元法模拟计算的相互验证，不仅可以检测出缺陷的形状和大小，还能通过数学处理判断其深度位置。

6. 优化轧制工艺：红外热成像对铝板动态温度场的在线监控

在金属板材轧制过程中，温度的均匀性直接影响最终产品质量。中科院金属所利用AGA-780热像仪，在生产现场对铝板热轧过程中的动态温度场进行了在线监控。通过将热像仪安装在7米高的天车上，以1幅/秒的速率实时采集和存储热图。研究发现：

1. 铝锭出炉时，由于在加热炉内位置不同，锭面温度分布不均，温差可达30°C，这直接导致后续热轧过程中的不均匀形变。
2. 现场实测的开轧温度（高达525-540°C）和终轧温度（低至280°C）均超出了350-450°C的最佳工艺窗口（图13），这是导致板材不平整的重要原因。这些精确的数据为改进轧制工艺提供了关键依据。

图13 铝板在热轧入口处的温度分布

7. 超越目视：热像技术在工业安全与效率提升中的价值

尽管热像仪价格不菲，但其在工业生产中创造的效益是显著的。

• 武钢用其检查热轧加热炉烟道检修质量，及时发现问题并返工，避免了重大损失。
• 鞍山热能研究所通过热像图快速定位了某厂热风炉的烧损部位。
• 扬子石化更是基于对裂解分馏塔底积焦的红外热图研究，发明了一种在线测试塔底积焦量的方法（专利号ZL92107770X），为优化操作、延长装置运行周期创造了可观的经济效益。
• 图14展示了运行中客车轴承的热像图，清晰地揭示了从顶部到底部的温度梯度（温差约18°C），为故障诊断提供了宝贵信息。

图14 运行中客车轴承热像图

这些案例充分证明，从基础的材料研究到复杂的工业过程控制，光热辐射与红外热成像技术都扮演着不可或缺的角色。要获得信噪比高、结果可靠的检测数据，对激励参数、探测器选型、系统集成及数据解译都有极高要求。这正是专业检测实验室的核心价值所在。

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