CN104764770A - 一种钢轨裂纹的脉冲涡流红外热成像检测系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢轨裂纹的脉冲涡流红外热成像检测系统及其方法，系统包括：激励装置、感应加热装置、红外热像仪、PC机；其中，感应加热装置产生脉冲电流信号，通过所述的激励装置施加于被测试件，被测试件表面内部感应出涡电流并产生热效应使得表面温度分布变化，红外热像仪记录所述的被测试件的表面温度变化过程并传至PC机进行处理与分析，特征在于：还包括同步触发控制电路，同步控制感应加热装置与红外热像仪的激励和录制时刻，从而精确录制所述的被测试件完整的感应后的升、降温过程，确保PC机获得准确的数据进行分析与处理。本发明检测效率高，图像分辨率大，激励源和红外热像仪的激励可同步进行，检测结果不受人为因素影响。

Description

一种钢轨裂纹的脉冲涡流红外热成像检测系统及其方法

技术领域

本发明属于无损检测技术领域，具体涉及一种钢轨裂纹的脉冲涡流红外热成像检测系统及其方法。

背景技术

铁路运输是当今世界陆路运输的主要交通方式，钢轨作为铁路重要组成部分，其质量检测非常重要。在高速列车运行过程中，列车速度达到一定值时，钢轨磨损程度降低，车轮踏面与钢轨顶面内侧的接触面是主要受力部位，最终缺陷形式主要表现为滚动接触疲劳损伤，是最主要的一种结构性缺陷，当列车车轮反复作用在钢轨表面上时，材料会因为拉压应力的循环作用而使内部结构发生变化，表面因此产生疲劳微裂纹，若继续受到压力的作用，裂纹将会向钢轨内部扩展，最终造成断裂，由此可知，对早期的疲劳裂纹检测至关重要。

目前，对钢轨自然缺陷的检测主要采用目视法、磁粉法和涡流法，目视法费时费力、效率低；磁粉法操作成本高、检测速度低。脉冲涡流红外热成像检测(PulsedEddyCurrentThermography，PECT)是一种新型的缺陷检测技术，以其无接触、检测效率高、速度快等优势在钢轨检测方面正在得到广泛应用。

《无损检测》2014年第36卷第1期“感应激励红外热像无损检测及其在裂纹检测中的应用”一文，公开了一种感应激励红外热像检测系统，由高频激励源、感应线圈、PC、红外热像仪四部分组成，通过分析热像仪采集得到的序列图像来识别缺陷裂纹的存在。该检测系统存在以下缺陷：1、所采用的激励源为高频激励源，虽然有较高的激励频率，但其激励功率不足，检测效率低；2、所采用的红外热像仪的采集频率仅为50Hz，图像分辨率不够大，无法详细地体现裂纹的某些细节；3、激励源和红外热像仪的激励是分开手动进行，检测结果很容易受到人为因素的影响。

发明内容

为了克服上述现有技术所存在的缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种钢轨裂纹的脉冲涡流红外热成像检测系统及其方法，其检测效率高，图像分辨率大，激励源和红外热像仪的激励可同步进行，检测结果不会受到人为因素的影响。

为解决上述技术问题，本发明的一种钢轨裂纹的脉冲涡流红外热成像检测系统，包括：激励装置、感应加热装置、红外热像仪、PC机；所述的感应加热装置用于产生脉冲电流信号，通过所述的激励装置施加于被测试件；所述的被测试件表面内部感应出涡电流并产生热效应使得表面温度分布变化；所述的红外热像仪用于记录所述的被测试件的表面温度变化过程并传至PC机进行处理与分析，其特征在于：还包括同步触发控制电路，用于同步控制所述的感应加热装置与红外热像仪的激励和录制时刻，从而精确地录制所述的被测试件完整的感应后的升温与降温过程。

在所述的同步触发控制电路中，包括一个RC延时电路：R2和R3对电源的分压作为同相输入V+，电容C1电压作为反相输入V-；R7端电压作为输出信号来控制所述的感应加热装置的启动，当电容C1电压升高到一确定的临界电压值Vt，且有V+<V-时，比较器输出低电平，R7输出高电平，R7从低电平跳至高电平的时间即是所述的RC延时电路的延时时间，并控制两者之间的同步问题；正反馈电阻R5用于消除输出抖动。

所述的感应加热装置选用AMBRELL的EasyHeat0224。

所述的红外热像仪选用在线式高分辨率红外热像仪PI450，具有可与PC机相连的USB2.0接口。

本发明的一种钢轨裂纹的脉冲涡流红外热成像检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)根据被测试件形状选择相应的激励线圈形状，并安装在激励装置激励探头上；

(2)放置感应加热装置、激励线圈、被测试件和红外热像仪；根据被测试件的情况设置感应加热装置的激励信号幅值、加热周期等，并设置红外热像仪的采集频率、热图像分辨率等；

(3)开启水泵冷却线圈，然后启动感应加热装置、红外热像仪和PC机视频录制软件；

(4)利用同步触发控制电路的时差功能，触发红外热像仪录制视频及对被测试件施加激励，其表面会因缺陷的存在而产生相应的高温区和低温区，温度分布会明显变化，通过这一变化的不同来识别缺陷类型；

(5)PC机存储红外热像仪录制的红外热图像序列，并用Matlab软件对红外热图像序列进行脉冲相位法分析获得幅值图像和相位图像，详细获取缺陷特征，进行多缺陷分类，从而识别裂纹缺陷的存在。

相比现有技术，本发明具有以下优点和有益效果：

1.本发明融合了涡流检测和红外热成像方法两者的共同优势，提供更加方便直观的检测手段，脉冲信号能量大，检测面积大、效率高，对于采样频率选择简单，可用于物体表面缺陷和金属内部近表面缺陷的检测，能够获得不同频率段的缺陷深度热反应信息。

2.激励源选用可根据不同线圈阻抗自动匹配最优谐振频率，使输出功率达到最大值的中频激励源，瞬间感应加热被测试件，检测效果好。

3.选用分辨率较高的红外热像仪，并提供与PC机连接的USB接口，还可通过右侧的处理接口实现外部输入信号对热像仪进行不同的触发动作，触发信号跳变为高电平时进行红外视频的录制，同时对于激励装置，后置面板有不同的端口，可链接不同电路进行远程控制，红外热像仪的采集频率可达80Hz，分辨率382×288像素，灵敏度高，获取的热图像序列能够更好的识别被测试件表面上的细小缺陷。

4.采用了激励源与红外热像仪的同步触发控制电路，信号由同一个外部信号进行触发，通过延时电路分两支，先后激励热像仪和激励源，由一个按钮进行同步触发控制，不仅可以节省人力还能在检测过程中得到较精确的实验结果，减少人为因素的影响；同时为温度变化的录制提供更加精确方便的方式。在后期缺陷识别方面，频域中提出了脉冲相位法处理获得的热图像序列，在基于傅里叶变换原理下，得到幅值图像和相位图像，获取更有价值的特征信息。

附图说明

图1是本发明所述检测系统的结构图。其中，1被测试件，2激励装置，3感应加热装置，4红外热像仪，5计算机，6同步触发控制电路。

图2是本发明所述检测系统的同步触发控制电路的原理图。

图3是采用本发明所述方法检测中所选取的含缺陷的被测试件钢轨。

图4是采用本发明所述方法检测时所获得的原始热图像。

图5--14是采用本发明所述方法检测时相应频率下的幅值图像和相位图像。其中，图5、图6分别是在频率为2Hz下的幅值图、相位图；图7、图8分别是在频率为3Hz下的幅值图、相位图；图9、图10分别是在频率为4Hz下的幅值图、相位图；图11、图12分别是在频率为5Hz下的幅值图、相位图；图13、图14分别是在频率为6Hz下的幅值图、相位图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明的一种钢轨裂纹的脉冲涡流红外热成像检测系统，包括：激励装置(2)、感应加热装置(3)、红外热像仪(4)、PC机(5)；所述的感应加热装置(3)用于产生脉冲电流信号，通过所述的激励装置(2)施加于被测试件(1)；所述的被测试件(1)表面内部感应出涡电流并产生热效应使得表面温度分布变化；所述的红外热像仪(4)用于记录所述的被测试件(1)的表面温度变化过程并传至PC机进行处理与分析，其特征在于：还包括同步触发控制电路(6)，用于同步控制所述的感应加热装置(3)与红外热像仪(4)的激励和录制时刻，从而精确地录制所述的被测试件(1)完整的感应后的升温与降温过程。

具体而言，在实际测试过程中，同步触发电路的作用是同时控制热像仪和感应加热装置，PC机则可产生±5V电压激励信号，此信号可直接激励红外热像仪工作，而感应加热装置经激励后开始输出高频脉冲信号，用于激励被测试件。为了能够完整的录制被测试件表面温度变化过程且热像仪的启动需要时间，热像仪与感应加热装置的激励之间存在时间差，往往是先让热像仪开始工作一段时间，一般为2-3秒，然后对被测试件施加激励信号，因此触发电路中包含延时电路，外部激励信号为±5V电压信号。

PC机引出的外部电压信号通过同步触发控制电路后，此信号可直接通过信号线连接红外热像仪，控制启动，另外将延时一段时间的电压信号通过继电器开关和电缆线连接感应加热装置，以此控制整个系统的工作，达到优化控制作用。

如图2所示，在所述的同步触发控制电路(6)中，包括一个RC延时电路：R2和R3对电源的分压作为同相输入V+，电容C1电压作为反相输入V-；R7端电压作为输出信号来控制所述的感应加热装置(3)的启动，当电容C1电压升高到一确定的临界电压值Vt，且有V+<V-时，比较器输出低电平，R7输出高电平，R7从低电平跳至高电平的时间即是所述的RC延时电路的延时时间，并控制两者之间的同步问题；正反馈电阻R5用于消除输出抖动。

其中，所述的临界电压Vt计算公式为：

$\mathrm{Vt}=\frac{R2}{R2+(R3//R5)}\mathrm{Vcc}\&ap;0.632\mathrm{Vcc}---\left(1\right)$

其中，Vcc为电源电压；

RC延时电路的延时时间公式为：

$t=\mathrm{RC}\&times;\ln \left[\frac{(\mathrm{Vcc}-\mathrm{Vo})}{(\mathrm{Vcc}-\mathrm{Vt})}\right]=R1\&times;C1\&times;\ln \left[\frac{\mathrm{Vcc}}{(\mathrm{Vcc}-0.632\mathrm{Vcc})}\right]=R1\&times;C1---\left(2\right)$

Vo为电容C1初始电压，由于热像仪录制软件反应时间有延时，另要确保能够录制完整的感应过程，分压电阻R2和R3采用特殊比值使时间t刚好为R1和C1的乘积，与电源电压无关，可计算得到的延时时间为2.5s。

所述的感应加热装置(3)选用AMBRELL的EasyHeat0224。此为一种固态感应加热系统，与以前使用的高频激励源相比较，其优点在于可根据不同形状的激励装置负载自动耦合匹配最优谐振频率，使输出功率达到最大。

所述的红外热像仪(4)选用在线式高分辨率红外热像仪PI450，具有可与PC机相连的USB2.0接口。PC机中有相应的配套软件，可通过PC机中的热图像序列识别缺陷，设备轻巧便携方便且分辨率高。

本发明的一种钢轨裂纹的脉冲涡流红外热成像检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)根据被测试件(1)形状选择相应的激励线圈形状，如单层方形线圈，并安装在激励装置(2)激励探头上；

(2)放置感应加热装置(3)、激励线圈、被测试件(1)和红外热像仪(4)；根据被测试件(1)的情况设置感应加热装置(3)的激励信号幅值、加热周期等，并设置红外热像仪(4)的采集频率、热图像分辨率等；其优选设置参数为：设置感应加热装置(3)的激励信号幅值为380A、加热周期300ms等，红外热像仪(4)的采集频率80Hz、热图像分辨率382×288等。

(3)开启水泵冷却线圈，然后启动感应加热装置(3)、红外热像仪(4)和PC机(5)视频录制软件；

(4)利用同步触发控制电路(6)的时差功能，触发红外热像仪(4)录制视频及对被测试件(1)施加激励，其表面会因缺陷的存在而产生相应的高温区和低温区，温度分布会明显变化，通过这一变化的不同来识别缺陷类型。对选取的钢轨检测获得的原始温度分布图像如图3和图4所示，图中可清晰辨别出表面细小缺陷的存在；

(5)PC机(5)存储红外热像仪(4)录制的红外热图像序列，并用Matlab软件对红外热图像序列进行脉冲相位法分析获得幅值图像和相位图像，详细获取缺陷特征，进行多缺陷分类，从而识别裂纹缺陷的存在。图5--14中显示了多个频率下的幅值图和相位图。在实际检测中，将温度图像转换为频域的幅值图和相位图是必须的，幅值图的缺陷识别效果优于时域中不同时刻的温度图，缺陷区域更加准确，且色彩深浅与缺陷深度相对应，若仅考虑缺陷裂纹的外形，相位图像的缺陷识别效果是最好的，整条缺陷可以清晰地识别出来。

本发明结合涡流检测和红外热成像技术方法，搭建系统平台检测钢轨缺陷，并提出了图像序列频域分析方法—脉冲相位法。在脉冲涡流、热成像原理、检测系统搭建设计、后期红外热图像分析处理及相关特征值的提取等方面进行研究，将脉冲涡流红外热成像检测系统有效地应用到钢轨材料的缺陷检测中。

Claims (5)

1.一种钢轨裂纹的脉冲涡流红外热成像检测系统，包括：激励装置（2）、感应加热装置（3）、红外热像仪（4）、PC机（5）；所述的感应加热装置（3）用于产生脉冲电流信号，通过所述的激励装置（2）施加于被测试件（1）；所述的被测试件（1）表面内部感应出涡电流并产生热效应使得表面温度分布变化；所述的红外热像仪（4）用于记录所述的被测试件（1）的表面温度变化过程并传至PC机进行处理与分析，其特征在于：还包括同步触发控制电路（6），用于同步控制所述的感应加热装置（3）与红外热像仪（4）的激励和录制时刻，从而精确地录制所述的被测试件（1）完整的感应后的升温与降温过程。

2.根据权利要求1所述的一种钢轨裂纹的脉冲涡流红外热成像检测系统，其特征在于，在所述的同步触发控制电路（6）中，包括一个RC延时电路：R2和R3对电源的分压作为同相输入V+，电容C1电压作为反相输入V-； R7端电压作为输出信号来控制所述的感应加热装置（3）的启动，当电容C1电压升高到一确定的临界电压值Vt，且有V+<V-时，比较器输出低电平，R7输出高电平，R7从低电平跳至高电平的时间即是所述的RC延时电路的延时时间，并控制两者之间的同步问题；正反馈电阻R5用于消除输出抖动。

3.根据权利要求1所述的一种钢轨裂纹的脉冲涡流红外热成像检测系统，其特征在于，所述的感应加热装置（3）选用AMBRELL的Easy Heat 0224。

4.根据权利要求1所述的一种钢轨裂纹的脉冲涡流红外热成像检测系统，其特征在于，所述的红外热像仪（4）选用在线式高分辨率红外热像仪PI450，其具有可与PC机相连的USB 2.0接口。

5.一种采用权利要求1至4任一项所述系统的钢轨裂纹的脉冲涡流红外热成像检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）根据被测试件（1）形状选择相应的激励线圈形状，并安装在激励装置（2）激励探头上；

（2）放置感应加热装置（3）、激励线圈、被测试件（1）和红外热像仪（4）；根据被测试件（1）的情况设置感应加热装置（3）的激励信号幅值、加热周期等，并设置红外热像仪（4）的采集频率、热图像分辨率等；

（3）开启水泵冷却线圈，然后启动感应加热装置（3）、红外热像仪（4）和PC机（5）视频录制软件；

（4）利用同步触发控制电路（6）的时差功能，触发红外热像仪（4）录制视频及对被测试件（1）施加激励，其表面会因缺陷的存在而产生相应的高温区和低温区，温度分布会明显变化，通过这一变化的不同来识别缺陷类型；

（5）PC机（5）存储红外热像仪（4）录制的红外热图像序列，并用Matlab软件对红外热图像序列进行脉冲相位法分析获得幅值图像和相位图像，详细获取缺陷特征，进行多缺陷分类，从而识别裂纹缺陷的存在。