开展安全科技攻关和装备研发是我国“十三五”规划纲要的目标之一。无损检测与评估是保障重大工程装备及产品制造质量和安全性运行的关键技术,是保证材料质量和实现质量控制的有效手段。目前已被广泛应用于航空航天、铁路、核工业、电力系统和机械制造等诸多领域,并带来了显著的经济和社会效益。无损检测被誉为工业界的“质量卫士”。那么,裂纹就是“工业癌症”。疲劳裂纹在断裂前没有明显先兆信息,故容易造成灾难性的后果,引起巨大的经济损失和人员伤亡。工业界广泛应用的传统磁粉无损检测方法会受工件表面的覆盖层的影响,降低检测灵敏度,在检测过程中污染环境并依赖于人工判定,对在役大型设备及构件的关键部位的疲劳自然裂纹,特别是微裂纹,难以实施有效的无损检测与评价。近年来,涡流脉冲热成像作为一种新兴的多物理场耦合热成像无损检测手段,因其单次检测面积大、快速检测、非接触、无污染、空间分辨率高以及成像直观等优势,已被缺陷检测、失效分析、健康监测等方面广泛重视。针对自然微裂纹的检测与评估,涡流脉冲热成像无损检测主要存在三大挑战:首先,横向热扩散将对热图像产生模糊化影响,微裂纹产生的电磁-热场扰动将被淹没;其次,诸多因素会导致工件加热的不均匀,例如传感架构的选择、检测对象具有的复杂的几何结构和工件表面发射率不均匀等,降低了检测的空间分辨率;最后,针对在役工件,试件表面检测环境恶劣,可能会同时存在不同类型的缺陷,导致目标缺陷的提取与分离难度加大。针对上述挑战,本文从电磁热多物理场耦合机理出发,构建了数学-物理时间分割模型,建立了涡流脉冲热成像无损检测与评估的理论基础,明确了微裂纹的检测时间窗口,降低了横向热扩散的模糊化影响;随后,讨论了激励参数优化提高系统检测效能以及传感架构设计对电磁-热场均匀性的影响,分析了电磁-热场的均匀性对检测效果的影响;最终,以理论模型为基础,优化激励源做保障,提出了热模式对比算法,研究了疲劳微裂纹的电磁热成像无损检测与评估,对复杂几何结构与表面检测环境恶劣的在役冲击损伤工件中存在的自然微裂纹进行热模式提取、分离与评估。本文的主要研究内容和创新点如下:1)通过研究电磁热多物理场机理,建立数学-物理时间分割模型。从电磁能量以及时间尺度对电磁热成像各物理阶段进行理论推导,研究各阶段的特征时间。将涡流脉冲热成像划分为四个不同的物理阶段,并对各阶段进行了阐释。从热扩散方程出发,将电磁热多物理场参数进行分离。通过仿真与实验,人工裂纹与自然裂纹对数学-物理时间分割模型进行验证,从电磁场和热场角度,对不同物理阶段在检测中的影响进行了分析,并得出结论,加热初期阶段对金属表面裂纹缺陷的定量有良好的效果。最终,利用涡轮叶片自然边缘裂纹对理论模型结果进行了验证。解决了涡流脉冲热成像分阶段问题以及各阶段物理场对检测结果的影响,明确了微裂纹的检测时间窗口,降低了横向热扩散的模糊化影响,为疲劳微裂纹的涡流脉冲热成像检测奠定了理论基础。2)研究了基于时间分割模型的涡流脉冲热成像激励参数理论优化。采用控制变量法,讨论单一激励参数,不同感应加热时间与冷却时间,以及不同的激励电流,对检测结果的影响。从理论上为激励参数的选择提供了明确的指向性选择方案。最终实现了对激励参数的优化,提高了系统的检测效能,为微裂纹电磁热成像无损检测与评估提供了前提保障。3)为了研究电磁-热场均匀性对检测结果的影响,设计了均匀电磁热激励线圈。通过不同结构不同匝数的感应线圈设计,理论计算并比较这些线圈模型的电磁热多物理场的均匀性,实现电磁热激励线圈均匀性优化设计。在此基础上,针对边缘复杂几何结构,通过有限元仿真研究了线圈激发的均匀电磁场在检测中被破坏的情况,以及对热场的均匀性的影响,以螺栓根部微裂纹为测试对象,针对电磁-热场均匀性对微裂纹检测效果的影响进行了验证。最终,从激励参数优化以及传感架构的设计,针对压力容器焊缝自然微裂纹研究了电磁-热场均匀性对微裂纹检测效果的影响。4)以理论模型为基础,优化激励源做保障,提出了热模式对比算法,研究了疲劳微裂纹的涡流脉冲热成像无损检测与评估。通过捕捉缺陷与非缺陷之间热扩散模式的差别,解决了微弱电磁-热扰动信号的检测问题,最终,实现涡流脉冲热成像微裂纹微弱信号的特征提取与分离。热模式对比算法主要有热扩散运动特征提取以及缺陷分离两个过程。首先,从理论上建立了光流算法与热扩散理论的映射关系,通过光流向量对热扩散进行表征,提取了缺陷与非缺陷的热扩散运动特征。其次,通过计算微裂纹与外界强干扰之间的互相关系数选取最优的固定帧数间隔,将热图像序列在此间隔帧数下每两帧热图进行光流向量计算,形成新的光流数据集。此数据集将原始热图像数据集中单个像素点相互独立的温度信息进行了全局化动态联系,提取了原始数据中瞬态运动以及时-空域的信息,形成了基于光流场的热扩散数据集。通过热扩散的运动信息,将缺陷与非缺陷的热模式区别进行最大化提取。最后,将光流处理之后的新的数据集作为输入,通过主成分分析进行微裂纹热模式分离,最终实现了微裂纹微弱信号的特征提取与分离。5)最后针对飞机刹车系统冲击损伤在役试件,面对复杂几何结构、冲击面检测环境恶劣,多种缺陷共存等强干扰问题,提出了基于涡流脉冲热成像热模式对比算法,开展了自然疲劳微裂纹检测与评估的验证工作。首先,与标准的磁粉检测结果进行的对比验证,确定了热模式对比算法的有效性;其次,通过多组不同在役试件,验证了热模式对比算法的鲁棒性,从F-score以及信噪比的角度,分析比较了此算法的检测结果并与传统的热成像信号处理方法的结果。得出结论:热模式对比算法在飞机刹车系统冲击损伤试件微裂纹微弱信号的特征提取与分离上,与传统的热成像处理算法相比有了本质的提升,实现了疲劳微裂纹的检测与评估。上述研究将有助于电磁热成像无损检测领域对自然疲劳微裂纹无损检测的研究,有助于实现对疲劳微裂纹的发展演化进行预测和控制。为在役大型设备及构件的关键部位进行电磁热成像在线、便携式检测提供了科学基础,为代替传统的磁粉检测提供了潜力技术。