题目：红外热像亚表面缺陷检测理论及实验分析

红外热像（Infrared Thermography, IRT）技术是一种上世纪末发展起来的新兴无损检测与评估方法，具有系统结构简单、检测结果直观、效率高和成本低等优势，在以航空航天领域为代表的工业应用中正逐步取代一些传统方法成为新的标准检测手段。得益于傅氏热传导方程在一维模型下能求得解析解，以多种激励形式在不同边界条件下得到的准确解或近似解被广泛地应用于各种IRT检测模型之中。目前的IRT形成了以一维假设为主的技术格局，尤其适用于各种金属、非金属材料平板型构件和薄膜、涂层等对象的快速、大面积检测，并能够对表面、亚表面材料缺损给出定性或定量的检测结果。本文针对当前IRT理论体系中存在的不足和面向具体检测对象（飞机铝蒙皮）时遇到的技术障碍，通过理论公式推导、数值仿真实验和试件实测实验等方式，对应用于IRT技术中各种不同形式一维解析解的特性、热像检测中的温度波模型和传统IRT定量检测方法——温差函数法的适用能力都有详细地分析和论证，并且提出了温度稳定时间法作为飞机铝蒙皮亚表面缺陷深度评估的工程解决方案。论文的主要研究工作可归纳如下：1. 为了给热像检测建模奠定必要的理论基础，对当前传热学研究的最新成果和常规热像检测中使用的一维模型下导热微分方程的解进行了归纳和提炼。明确了非傅立叶效应中包含的热波概念，以及传统傅氏模型失效的条件；说明了傅氏导热一维有限形式下两种等价脉冲响应温度表达式对热像检测的意义，指出恒流激励与脉冲激励在检测模型上的一致性，并对周期激励下温度波的产生过程和特性进行了阐述。2. 针对当前IRT领域中存在的“热波”名词误用和概念混淆的状况，以非傅氏导热研究的结论和周期热线检测的建模过程为基础，给出了非傅氏效应中的热波与热像检测中的温度波各自的定义，以及由驱动方程决定的特性差异，来明确二者的概念。推导了温度波现象中热流速度的表达式，反映出热学参数热扩散率的力学含义，并指出了在热像检测中采用波动光学思路所容易进入的误区。3. 针对脉冲热像定量检测模型温差函数法在薄壁试件缺陷深度检测时存在的失效问题，根据理想状态下的解特性分析结论，以脉冲激励一维有限形式解析解替代原温差函数模型中近似解的方式，来寻找原建模过程的缺陷。借助数值仿真实验，在温差曲线和温差导数曲线中，对模型核心参数峰值温差时间和峰值斜率时间的使用特性进行了比较分析，给出了参数的适用性结论，并推导了相应的适用范围判据公式。4. 针对薄壁高热扩散率材料（飞机铝蒙皮等）缺陷深度定量评估中，对数据采样率要求高、受加热脉宽时间影响大的特点使得现有定量评估模型无法使用的问题，基于一维有限形式脉冲响应的解特性，以对数域多项式拟合和时域序列重建拉伸为数据预处理手段，提出温度稳定时间法作为应用解决方案。实验表明，参数稳定时间和稳定温度的配合使用可以满足大多数的缺陷深度评估需求。