CN105784763A - 一种基于磁芯环绕线圈结构的感应热像无损检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于磁芯环绕线圈结构的感应热像无损检测装置，在现有技术的基础上，对产生交变磁场的线圈进行改进，即采用全新的磁芯环绕线圈代替传统的圆形线圈或矩形线圈来产生交变磁场。可检出各种角度的导体试件的缺陷，克服了基于传统线圈的感应热像无损检测装置无法保证所有角度的缺陷都不与涡流流向平行，无法检出部分缺陷的不足。同时，本发明中的磁芯环绕线圈可以更有效地利用激励线圈激发出的磁场在导体试件内感生出强度更大的涡流场，进而产生更大面积的较均匀的涡流场对导体试件进行加热，提高了热图中缺陷区域与非缺陷区域的温度对比度，提高了缺陷检测的范围和各类方向性缺陷检出效率。

Description

一种基于磁芯环绕线圈结构的感应热像无损检测装置

技术领域

本发明属于无损检测技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于磁芯环绕线圈结构的感应热像无损检测装置。

背景技术

无损检测技术是控制产品质量、保证在役设备安全运行的重要手段。脉冲涡流热成像(EddyCurrentPulsedThermography，简称ECPT)将涡流与热成像相结合而形成的一种无损检测技术，其可实现大范围不同深度缺陷的快速检测，近年来，在导体材料无损检测领域得到广泛的应用，已成为分析导体材料失效原因的重要手段。

ECPT检测技术原理如图1所示，触发信号同时打开红外热像仪和功率发生器，当功率发生器产生并输出的交变激励电流(激励信号)通过激励端通入线圈(图1中直导线线圈)时，线圈附近空间会产生交变磁场，使位于其下方的导体试件内磁通不断变化产生涡流，涡流因焦耳热效应产生热量对试件进行加热，另外，磁通量通过导体试件时也会因磁滞损耗产生热量对试件进行加热。由于缺陷的存在会影响涡流的行径和热的扩散，进而影响导体试件表面的热场分布，最终导致导体试件表面缺陷区域热场分布异常，使用红外热像仪实时记录导体试件表面热信息，对其进行分析挖掘便可得到导体试件的缺陷信息。

目前ECPT检测技术所用线圈有直导线线圈、矩形线圈、圆形线圈等，其结构特征如图2所示，其中直导线线圈在通常情况下更优，但此三类线圈在检测过程中存在以下缺点：激励线圈激发产生的交变磁场利用率极低、导体试件中被激发产生的磁场不均匀且磁感应强度小、红外热像仪对导体试件表面被检测区域热场的采集会受线圈遮挡、检测效果易受提离距离影响、红外热像仪采集所得的热图中缺陷区域与非缺陷区域的热对比度低不易被检出、单次可检测区域面积小、对特定倾角缺陷不敏感等，使得缺陷检出效率低。为取得良好检测效果，现有技术的上述问题亟待解决。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于磁芯环绕线圈结构的感应热像无损检测装置，以实现更为有效地利用线圈激发产生的交变磁场在导体试件中感生出磁感应强度更大的交变磁场，形成由内向外均匀衰减的环形涡流场，有效地提高对不同角度缺陷检测的敏感度，提高热图中缺陷区域与非缺陷区域的温度对比度，提高缺陷检测范围，达到提高各类方向性缺陷检出效率的目的。

为实现上述发明目的，本发明基于磁芯环绕线圈结构的感应热像无损检测装置，包括：

功率发生器，用于产生交变激励电流，并通过激励端通入激励线圈；

红外热像仪，用于实时记录导体试件表面热信息(热场分布情况)，并输出反映热信息(热场分布情况)的热视频给上位机；

上位机，用于对红外热像仪输出的热视频进行分析挖掘，得到导体试件的缺陷信息；

其中，红外热像仪和功率发生器在触发信号同时打开，以便同步记录导体试件表面热信息；

其特征在于，还包括：

一磁芯环绕线圈，该磁芯环绕线圈包括一个圆柱形(也可为棱柱形)磁芯以及一个封闭式螺旋形激励线圈；

所述螺旋形激励线圈套放在磁芯中间部位，二者(磁芯和螺旋形线圈)中心轴需重合；

所述螺旋形激励线圈与磁芯间距以介于二倍磁芯半径和三倍磁芯半径之间。

本发明的目的是这样实现的。

本发明基于磁芯环绕线圈结构的感应热像无损检测装置，在现有技术的基础上，对产生交变磁场的线圈进行改进，即采用全新的磁芯环绕线圈代替传统的圆形线圈或矩形线圈来产生交变磁场。本发明基于磁芯环绕线圈结构的感应热像无损检测装置所产生的涡流场是环形场，而基于传统线圈的感应热像无损检测装置所产生的涡流场是水平的或竖直的，当缺陷与涡流流向垂直时缺陷易被检出，当缺陷与涡流流向平行时缺陷很难被检出，而本发明可检出各种角度的导体试件的缺陷，克服了基于传统线圈的感应热像无损检测装置无法保证所有角度的缺陷都不与涡流流向平行，无法检出部分缺陷的不足。

另外，由磁路定理知磁通总是优先经过磁导率高的介质，空气的相对磁导率为1.00000004，铁氧体磁轭的相对磁导率为5000，故磁芯可以高效“收集”激励线圈在空间激发出的磁场并将其“注入”到导体试件，换句话说，本发明中的磁芯环绕线圈可以更有效地利用激励线圈激发出的磁场在导体试件内感生出强度更大的涡流场，进而产生更大面积的较均匀的涡流场对导体试件进行加热，提高了热图中缺陷区域与非缺陷区域的温度对比度，提高了缺陷检测的范围和各类方向性缺陷检出效率。

附图说明

图1是ECPT无损检测装置的工作原理示意图；

图2是ECPT无损检测装置所用各类传统线圈示意图，其中，(a)为直导线线圈，(b)为圆形线圈，(c)为矩形线圈；

图3是本发明所采用的全新的磁芯环绕线圈一种具体实施方式的结构示意图，其中，(a)为左视图，(b)为右视图，(c)俯视图，(d)为立体图；

图4是用于检测本发明技术效果和单次可检测区域面积评估的带缺陷导体试件的俯视图；

图5是各线圈与导体试件的检测相对位置示意图，其中，(a)为直导线线圈一进行测试，(b)为直导线线圈二进行测试(c)为矩形线圈进行测试，(d)为本发明中磁芯环绕线圈进行测试，(e)为圆形线圈进行测试；

图6是各线圈检测效果图，其中，(a)为圆形线圈，(b)为矩形线圈，(c)为直导线线圈一，(d)为直导线线圈二，(e)为本发明中磁芯环绕线圈；

图7是本发明中磁芯环绕线圈对不同类型缺陷的检测效果及其可有效检测区域详图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

图3是本发明所采用的全新的磁芯环绕线圈一种具体实施方式的结构图。在本实施例中，如图3所示，本发明中磁芯环绕线圈包括一个圆柱形磁芯1以及一个封闭式螺旋形激励线圈2。在具体实施过程中，所述圆柱形磁芯1也可以采用棱柱形磁芯，圆柱形磁芯1的材质为铁氧体；所述封闭式螺旋形激励线圈2为圆环型，也可为圆环型、矩形环或其他多边形，但以圆形环为最佳，材质推荐为黄铜。

所述封闭式螺旋形激励线圈2套放在圆柱形磁芯1中间部位，二者(圆柱形磁芯1和封闭式螺旋形激励线圈2)中心轴需重合。

所述圆柱形磁芯1和封闭式螺旋形激励线圈2规格可依应用场合一定程度上灵活选取，但封闭式螺旋形激励线圈2与圆柱形磁芯1间距以介于二倍磁芯半径和三倍磁芯半径之间为佳，小于二倍磁芯半径会影响感应热像无损检测装置的单次可检测面积，使得检测效率降低，大于三倍磁芯半径会影响热对比度，使得试件导体的缺陷不易被检出。在本实施例中，本说明选用圆柱形磁芯1规格为R(半径)×H(柱高)＝15mm×60mm；封闭式螺旋形激励线圈2规格为外径-内径＝R1-R2＝5mm，匝数为3匝；封闭式螺旋形激励线圈2与圆柱形磁芯1间距为40mm。

封闭式螺旋形激励线圈2匝数应依激励电流大小和导体试件3确定，导体试件3磁导率低或激励电流小则匝数相应较多，但当激励电流一定时须保证封闭式螺旋形激励线圈2匝数n满足以下关系式：

$n\≤\frac{BS}{I}\≈\frac{{\mathrm{\μ}}_0{M}_{s}S}{I}$

其中，I为激励电流的大小，B为磁芯内的磁感应强度，S为磁芯横截面积，μ₀为真空磁导率，M_s为磁芯的饱和磁化强度，属于材料固有属性，可在相关手册查到，否则一旦匝数过多导致磁芯内磁感应强度过大，使得磁化强度达到过饱和磁化强度，会使磁芯磁特性变差，甚至不能再满足本装置的要求，进而严重影响装置的检测性能。在本实施例中，试件导体相对磁导率为1，激励电流350A，匝数选为3匝，磁芯内磁化强度达到饱和的宏观表现为磁性发热。

激励电流I与封闭式螺旋形激励线圈2匝数n有关，同样，当封闭式螺旋形激励线圈2匝数n一定时，激励电流I的大小应满足上述关系式，否则会影响磁芯磁特性。

在本实施例中，圆柱形磁芯1底面与试件导体3表面的距离，即提离距离依应用场合选取，提离距离越大功率输送效率越低，推荐提离距离小于7mm。

封闭式螺旋形激励线圈2内部通循环冷却水。

需注意，为突出本线圈特征，本说明中未画出激励线圈的接线抽头。

须指出，并非闭合螺旋形激励线圈内随意嵌套磁芯即能带来良好特性，激励线圈与磁芯应满足以上所列关系。

本发明基于磁芯环绕线圈结构的感应热像无损检测装置具体的工作过程如下：

将图3所示的磁芯环绕线圈与功率发生器(ECPT专用激励源)正确连接在一起，并保证水冷装置能给激励线圈通循环水及时冷却，否则激励过程中激励线圈自身所生热量会影响红外热像仪对导体试件表面信息的采集。

将磁芯环绕线圈放置于试件之上，其磁芯与导体试件表面提离距离依应用场合决定，建议不超过5mm，本实施例中，提离距离设置为0mm，提离距离增加会导致漏磁增加，进而影响缺陷检测的效果。

打开红外热像仪与功率发生器(激励源)控制端，在同一时间启动红外热像仪和功率发生器(激励源)，保证红外热像仪实时记录激励加热过程中导体试件表面的热场分布情况，加热时间依导体试件材质而定，在本实施例中，加热时间均为0.2s。使用对图4所示带缺陷的导体试件3进行检测，各线圈与导体试件3的检测相对位置示意图如图5所示。

分析红外热像仪采集所得热视频：根据线性归一化公式

$x{(i,j)}_{nor}=\frac{x(i,j)-x_{min}}{x_{\max }-x_{min}}$

其中x(i,j)_nor表示归一化后的温度值、x(i,j)表示待归一化的温度值、x_max为当前热图最大温度值、x_min为当前热图最小温度值，i＝1,2…m，j＝1,2,…n，m×n＝热像仪像素，m，n值大小具体依红外热像仪而定，

对热视频的每一帧图像(热图)做归一化处理，归一化为热图处理常用处理，为热对比度计算做准备。

根据热对比度(Thermalcontrast)定义公式

ΔT＝mean(T_d)-mean(T_nd)

$mean{\left(T_d\right)}_{m\×n}=\frac{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{ij}}{m\×n}$

$mean{\left(T_{nd}\right)}_{m\×n}=\frac{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{ij}}{m\×n}$

其中，T_d为缺陷区域的热图、T_nd为非缺陷区域的热图，m为当前区域对应温度值的行数、n为当前区域对应温度值的列数、T_ij为第i行第j个温度值、ΔT为热对比度，可计算出热图的热对比度，热对比度为一衡量无损检测装置的缺陷检出性能的参数，无损检测装置所得热图热对比度越大，则无损检测装置越容易检出缺陷。

下面就本发明基于磁芯环绕线圈结构的感应热像无损检测装置的优势进行说明。

使用基于圆形线圈、矩形线圈、直导线线圈、本发明中磁芯环绕线圈的感应热像无损检测装置分别对图4所示多缺陷的导体试件进行检测，该导体试件材质为316不锈钢，各类线圈与导体试件相对位置如图5所示，其中直导线线圈实验有两组，这样设置是为了更好的评价直导线线圈对不同角度缺陷的敏感性，第一组直导线轴与1号缺陷垂直，第二组直导线轴线与1号缺陷平行，将所得热图做归一化处理，得到归一化热图，选取最佳帧作为检测效果图，各装置的检测效果图如图6所示，本发明磁芯环绕线圈结构的感应热像无损检测装置的检测效果放大图如图7所示。

基于各类线圈的感应热像无损检测装置检出的缺陷个数统计表1所示：

线圈类型	直导线线圈	矩形线圈	圆形线圈	本发明中的磁芯环绕线圈
					检出缺陷个数	1	4	7	11

表1

由表1可见，本发明基于磁芯环绕线圈结构的感应热像无损检测装置检出的缺陷数目最多，也即其普适性更好。

根据各类线圈检测所得缺陷所覆盖区域的大小可估算出基于各类线圈的感应热像无损检测装置对316不锈钢的最大单次可检测面积，如表2所示：

表2

由表2可见，本发明基于磁芯环绕线圈结构的感应热像无损检测装置的最大单次可检测面积完全优于基于传统各类线圈的感应热像无损检测装置，并且优势明显，这是因为较之基于传统各类线圈的感应热像无损检测装置可产生更大面积的较均匀环形涡流场对导体试件进行加热。

计算基于各类线圈的感应热像无损检测装置针对缺陷的热对比度，其结果如表3所示：

线圈类型	直导线线圈	矩形线圈	圆形线圈	本发明中的磁芯环绕线圈
					热对比度	0.065	0.038	0.055	0.17

表3

由表3可见，本发明基于磁芯环绕线圈结构的感应热像无损检测装置的热对比度明显大于基于传统各类线圈的感应热像无损检测装置，也即基于磁芯环绕线圈结构的感应热像无损检测装置较之基于传统各类线圈的感应热像无损检测装置更容易检出试件缺陷。

由于基于不同类型线圈的感应热像无损检测装置在导体试件内感生出的涡流矢量场不同，故其对不同角度裂纹的敏感性不同，各装置对图4中不同裂纹的检出情况统计如表4所示，其中‘√’表示检出，‘×’表示因缺陷角度原因未被检出，‘×’表示因位置原因未被检出，‘×’仅针对于直导线线圈，若平行移动线圈到缺陷正上方便可检出缺陷，‘※’表示因其他缺陷对涡流场的破坏致使缺陷未被检出。

表4

由表4可见，本发明基于磁芯环绕线圈结构的感应热像无损检测装置对不同角度缺陷的检出效果最好且远远优于其他基于传统线圈的感应热像无损检测装置，这是因为本发明基于磁芯环绕线圈结构的感应热像无损检测装置所产生的涡流场是环形场，而其他基于传统线圈的感应热像无损检测装置所产生的涡流场是水平的或竖直的，当缺陷与涡流流向垂直时缺陷易被检出，当缺陷与涡流流向平行时缺陷很难被检出。在本实施例中，所有角度的缺陷均不与环形涡流平行，故本发明基于磁芯环绕线圈结构的感应热像无损检测装置可检出各种角度的缺陷，而基于传统线圈的感应热像无损检测装置无法保证所有角度的缺陷都不与涡流流向平行，故无法检出部分缺陷。

另外，由磁路定理知磁通总是优先经过磁导率高的介质，空气的相对磁导率为1.00000004，铁氧体磁轭的相对磁导率为5000，故磁轭可以高效“收集”激励线圈在空间激发出的磁场并将其“注入”导体试件，换句话说，本发明中的磁芯环绕线圈可以更有效的利用激励线圈激发出的磁场在导体试件内感生出强度更大的涡流场，进而产生更大面积的较均匀涡流场对导体试件进行加热。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (3)

1.一种基于磁芯环绕线圈结构的感应热像无损检测装置，包括：

功率发生器，用于产生交变激励电流，并通过激励端通入激励线圈；

红外热像仪，用于实时记录导体试件表面热信息(热场分布情况)，并输出反映热信息(热场分布情况)的热视频给上位机；

上位机，用于对红外热像仪输出的热视频进行分析挖掘，得到导体试件的缺陷信息；

其中，红外热像仪和功率发生器在触发信号同时打开，以便同步记录导体试件表面热信息；

其特征在于，还包括：

一磁芯环绕线圈，该磁芯环绕线圈包括一个圆柱形(也可为棱柱形)磁芯以及一个封闭式螺旋形激励线圈；

所述螺旋形激励线圈套放在磁芯中间部位，二者(磁芯和螺旋形线圈)中心轴需重合；

所述螺旋形激励线圈与磁芯间距以介于二倍磁芯半径和三倍磁芯半径之间。

2.根据权利要求1所述的无损检测装置，其特征在于，当激励电流一定时，封闭式螺旋形激励线圈2匝数n满足以下关系式：

$n\≤\frac{{\mathrm{\μ}}_0{M}_{s}S}{I}$

其中，I为激励电流的大小，S为磁芯横截面积，μ₀为真空磁导率。

3.根据权利要求1所述的无损检测装置，其特征在于，所述的圆柱形磁芯规格为R(半径)×H(柱高)＝15mm×60mm；封闭式螺旋形激励线圈规格为外径-内径＝R1-R2＝5mm，匝数为3匝；封闭式螺旋形激励线圈与圆柱形磁芯间距为40mm。