CN105823797A

CN105823797A - 一种基于共生式磁轭线圈的感应热像无损检测装置

Info

Publication number: CN105823797A
Application number: CN201610162812.5A
Authority: CN
Inventors: 高斌; 赵健; 田贵云
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2016-03-21
Filing date: 2016-03-21
Publication date: 2016-08-03
Anticipated expiration: 2036-03-21
Also published as: CN105823797B

Abstract

本发明公开了一种基于共生式磁轭线圈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，即采用全新的共生式磁轭线圈代替传统直导线线圈、矩形线圈和圆形线圈来产生交变磁场。由于磁轭的相对磁导率比空气的相对磁导率大得多，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，本发明中的共生式磁轭线圈可以更有效地利用激励线圈激发出的交变磁场在导体试件内激发出强度更大的磁场，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，有效地提高热图中缺陷区域与非缺陷区域的温度对比度，最终达到提高缺陷检出效率的目的。

Description

一种基于共生式磁轭线圈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，涉及一种基于共生式磁轭线圈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，提供一种基于共生式磁轭线圈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均匀涡流场，有效地提高热图中缺陷区域与非缺陷区域的温度对比度，最终达到提高缺陷检出效率的目的。

为实现上述发明目的，本发明基于共生式磁轭线圈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(热场分别情况)，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：

一共生式磁轭线圈，该生式磁轭线圈包括一个“冂”形磁轭和一个激励线圈；

所述激励线圈由两个等效环形线圈组成，所述两个等效环形线圈呈8字交叉相连，绕线走向为型，且两个等效环形线圈所产生磁场相互加强，即所谓“共生”；

所述磁轭两侧的极柱与磁轭上侧的横臂的截面可为圆形或方形，磁轭跨放在激励线圈中，即磁轭两侧的极柱分别插入两个等效环形线圈内；

被检导体试件位于共生式磁轭线圈下方，即两个极柱脚位置。

本发明的目的是这样实现的。

本发明基于共生式磁轭线圈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，即采用全新的共生式磁轭线圈代替传统直导线线圈、矩形线圈和圆形线圈来产生交变磁场。由于磁轭的相对磁导率比空气的相对磁导率大得多，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，本发明中的共生式磁轭线圈可以更有效地利用激励线圈激发出的交变磁场在导体试件内激发出强度更大的磁场，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，有效地提高热图中缺陷区域与非缺陷区域的温度对比度，最终达到提高缺陷检出效率的目的。

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是本发明所采用的新型共生式磁轭线圈一种具体实施方式的结构示意图，其中，(a)为主视图，(b)为左视图，(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)为圆形线圈进行测试，(b)为矩形线圈进行测试，(c)为直导线线圈进行测试，(d)为共生式磁轭线圈进行测试；

图6是各线圈检测效果图，其中，(a)为圆形线圈，(b)为直导线线圈，(c)为矩形线圈，(d)为共生式磁轭线圈；

图7是本发明新型共生式磁轭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是本发明所采用的新型共生式磁轭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，本发明中的共生式磁轭线圈包括一个“冂”形磁轭2和一个激励线圈1。

所述激励线圈1由两个等效环形线圈组成，所述两个等效环形线圈呈8字交叉相连，绕线走向为型，且两个等效环形线圈所产生磁场相互加强，即所谓“共生”。在本实施例中，激励线圈1的材质为黄铜。

所述磁轭2两侧的极柱201与磁轭2上侧的横臂202的截面可为圆形或方形，磁轭2跨放在激励线圈1中，即磁轭2两侧的极柱201分别插入两个等效环形线圈内，具体如图3(d)所示。在本实施例中，磁轭2的材质为铁氧体。

磁轭2和激励线圈1规格可依应用场合选取，在本实施例中，磁轭2规格为L×W×H-l×W×h＝120mm×30mm×120mm-60mm×30mm×90mm，其中，L为长度，W为宽度，H为高度，l为门内长度，h为门内高度。激励线圈1规格为线径2r＝6mm，环径2R＝50mm).

激励线圈1与磁轭2的极柱201间距不宜过大，不宜大于5cm，即应当小于等于5cm，也即激励线圈1应较紧密嵌套在磁轭2的极柱201上。同样，激励线圈1内部通循环冷却水。

被检导体试件3位于共生式磁轭线圈下方，即两个极柱201脚位置。

需注意，为突出发明中的创新部分，即线圈共生式磁轭线圈，图3中未画出激励线圈的接线抽头。

须指出，本发明不局限于上述具体实施例的尺寸，共生式磁轭线圈的激励线圈匝数和位置、改变激励线圈的接线方式、改变激励线圈的绕线方式、改变激励线圈各部件的材质、改变激励线圈各部件的规格等都可以根据具体的应用进行改变。

本发明基于共生式磁轭线圈的感应热像无损检测装置具体的共过程如下：

将图3所示的共生式磁轭线圈与功率发生器(ECPT专用激励源)通过激励端正确连接在一起，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。

将共生式磁轭线圈放置于导体试件之上，磁轭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进行检测，各线圈与导体试件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)}_{n o r} = \frac{x (i, j) - x_{\min}}{x_{m a x} - x_{m i n}}

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)

m e a n {(T_{d})}_{m \times n} = \frac{Σ_{i = 1}^{m} Σ_{j = 1}^{n} T_{i j}}{m \times n}

m e a n {(T_{n d})}_{m \times n} = \frac{Σ_{i = 1}^{m} Σ_{j = 1}^{n} T_{i j}}{m \times 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。

本发明基于共生式磁轭线圈的感应热像无损检测装置的优势说明：

使用基于圆形线圈、矩形线圈、直导线线圈、共生式磁轭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，该试件材质为45号钢，各类线圈与导体试件相对位置如图5所示，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，基于共生式磁轭线圈的感应热像无损检测装置的检测效果放大图如图7所示。从图6、7可见，仅本发明基于共生式磁轭线圈的感应热像无损检测装置检出了全部的五个缺陷，基于圆形线圈与矩形线圈的感应热像无损检测装置各检出两个缺陷，基于直导线线圈的感应热像无损检测装置仅检出一个缺陷。

基于各类线圈的感应热像无损检测装置对45号钢的最大单次可检测面积，如表1所示：

表1

由表1可见，本发明基于共生式磁轭线圈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装置，并且优势明显，这是因为较之传统线圈，本发明中使用的共生式磁轭线圈可产生更大面积的较均匀涡流场对导体试件进行加热。

计算得到各类线圈针对缺陷的热对比度，如表2所示：

线圈类型	直导线线圈	矩形线圈	圆形线圈	新型共生式磁轭线圈
					热对比度	0.7573	0.7222	0.5744	0.8189

表2

由表2可见，本发明基于共生式磁轭线圈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，也即本发明基于新型共生式磁轭线圈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。

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”试件，换句话说，新型共生式磁轭线圈可以更有效的利用激励线圈激发出的磁场在试件内激发出强度更大的磁场，进而产生更大面积的较均匀涡流场对试件进行加热，有效地提高热图中缺陷区域与非缺陷区域的温度对比度，最终达到提高缺陷检出效率的目的。

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

1.一种基于共生式磁轭线圈的感应热像无损检测装置，包括：

其特征在于，还包括：

2.根据权利要求1所述的无损检测装置，其特征在于，所述的激励线圈与磁轭的极柱间距不宜过大，不宜大于5cm，即应当小于等于5cm。

3.根据权利要求1所述的无损检测装置，其特征在于，所述的磁轭与导体试件表面提离距离依应用场合决定，建议不超过5mm。