CN106525903A - 一种基于旋转磁场激励的脉冲涡流热成像检测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于旋转磁场激励的脉冲涡流热成像检测系统。本发明中的双路正交激励电源的输出端分别与复合式双U型探头的两路激励线圈相连，复合式双U型探头放置在被检试样的上方；当两路激励线圈通入指定频率和幅值的电流时，在试样表面和近表面感应出涡流场，试样表面产生的焦耳热在裂纹区域表现为不同温度分布；利用红外热像仪记录被检试样裂纹区域的温度变化情况，红外热像仪采集到的热图序列经计算机提取出试样表面裂纹特征信号，实现被检试样表面任意角度裂纹缺陷的检测和识别。本发明采用复合式双U型探头，提高了电磁耦合效率和激励的均匀性，同时可以在试样表面上输出旋转磁场，克服试样表面裂纹检测方向灵敏度的问题。

Description

一种基于旋转磁场激励的脉冲涡流热成像检测系统
技术领域
本发明属于脉冲涡流热成像无损检测和评价技术领域，特别是涉及一种基于旋转磁场激励的脉冲涡流热成像任意角度裂纹检测系统。
背景技术
铁磁性材料广泛应用于石油化工、轨道交通和航空航天等领域，由于材料结构不连续、疲劳、腐蚀和外界恶劣环境等因素会引起材料性能的老化和失效，很大程度上将影响在役装备的使用性能，甚至有可能造成设备运行失效或出现灾难性后果。为确保设备安全运行，对其早期裂纹及扩展状态进行监测十分必要，而无损检测和评价技术能有效提供关于结构状态安全的有用信息。
对于铁磁性材料，脉冲涡流热成像被证明是一种非常有潜力的无损检测技术，结合了涡流检测和红外热成像两种技术，具有非接触、检测面积大、空间分辨率高和热图显示直观等优点；在脉冲涡流热成像检测系统中，感应加热电源具有举足轻重的作用，直接影响被检对象表面裂纹的检出率和热对比度，当前使用的感应电源激励装置主要采用水冷铜管绕制的感应线圈，针对不同的应用对象，感应线圈的类型有：平面型、螺旋型、异型和亥姆霍兹型，但是存在加热均匀性差和无法实现指定区域加热的目的，同时除亥姆霍兹感应线圈之外的感应线圈还存在遮挡热像仪视场的缺点；为了实现指定区域加热，研究人员引入一种含U型磁芯的激励线圈，然而当裂纹方向与涡流方向倾角较小或平行时，检测灵敏度低或难以检测出裂纹；为了检测出被检材料表面不同朝向的裂纹，需多次调整含U型磁芯激励线圈与被检材料的相对位置，检测效率大大降低。因此为实现均匀加热、克服检测视场限制和裂纹检测方向灵敏度的问题，需要开发一套能满足检测对象表面任意角度裂纹的检测系统来弥补现有仪器和方法的不足。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点和不足，本发明提供了一种基于旋转磁场激励的脉冲涡流热成像检测系统，可满足被检材料表面任意角度裂纹的检测需要。
本发明主要包括：复合式双U型探头、双路正交激励电源、红外热像仪和计算机数据处理软件。双路正交激励电源的输出端分别与复合式双U型探头的两路激励线圈相连，复合式双U型探头放置在被检试样的上方，两者之间预留适当的提离距离；当两路激励线圈通入指定频率和幅值的电流时，在试样表面和近表面感应出涡流场，试样表面产生的焦耳热在裂纹区域表现为不同温度分布；然后利用架设于试样上方的红外热像仪记录被检试样裂纹区域的温度变化情况，红外热像仪采集到的热图序列经计算机数据处理软件计算和分析，提取出试样表面裂纹特征信号，实现被检试样表面任意角度裂纹缺陷的检测和识别。
进一步，所述的复合式双U型探头包括两个U型磁芯和缠绕在磁芯上的两路激励线圈；两个U型磁芯正交排列且在空间上叠加而成，形成的复合式双U型磁芯中间叠加区域被掏空，目的是为架设于正上方的红外热像仪采集热图像预留空间；复合式双U型磁芯的两组相对U型臂上分别绕制两路激励线圈，相对臂上的每路激励线圈以串联形式连接以增强试样表面的磁感应强度，每路激励线圈的缠绕方向遵循右手定则；当复合式双U型探头放置于被检试样的上方，在复合式双U型探头两路激励线圈通入正弦和余弦激励电流，将在试样表面形成旋转磁场。
本发明可通过调节缠绕于复合式双U型探头两路激励线圈的激励电流频率和大小，实现不同频率和幅值的旋转激励磁场输出，其原理如下所述：
在试样表面上建立直角笛卡尔坐标系，以复合式双U型探头正下方中心位置为坐标原点，以探头一相对U型臂为x轴，另一相对U型臂为y轴，当x轴和y轴方向上的两路激励线圈分别通入等幅、同频和相位差为90°的激励电流，则在试样表面上沿着x轴和y轴方向上产生的磁感应强度分别为
其中，ω＝2πf，f为激励电流频率；为初始相位；Β0为试样表面磁感应强度最大值。
可将试样表面上的磁感应强度看成两组激励线圈产生磁场的叠加，则在试样表面上合成的磁感应强度幅值和相位分别为
从式(2)中可以看出，在试样表面上产生的合成磁感应强度幅值不变而方向随时间周期性变化，该探头结构能有效弥补涡流场方向与裂纹方向之间的限制，可以实现对试样表面任意方向裂纹加热的目的。
进一步，所述的双路正交激励电源包括：整流滤波电路、双H桥逆变电路、功率管驱动电路、控制电路、阻抗匹配变压器和数字锁相环电路；双H桥逆变电路将整流滤波电路输出的直流转换为交流，然后通过阻抗匹配变压器与复合式双U型探头相连；控制电路一方面给功率管驱动电路提供控制信号，驱动双H桥逆变电路的功率管开通或关断，另一方面通过数字锁相环电路实现负载谐振频率的实时跟踪，同时还具有过流和过温检测保护功能，实现双路正交激励电源的智能化控制，控制电路采用AVR与FPGA相结合的形式。
进一步，采用数字锁相环技术对负载谐振频率进行实时跟踪，以实现负载电压和电流同相位或负载电压超前电流较小相位，负载工作于谐振状态或弱感性状态，实现方法如下所述：
1、AVR通过RS232串口读取计算机数据处理软件中的系统参数设置值，系统参数包括：最小频率、初始频率、最大频率、激励时间；
2、AVR基于系统参数设置值控制FPGA产生激励频率为初始频率的PWM控制信号，输出至功率管驱动电路；
3、功率管驱动电路以初始频率驱动双H桥逆变电路中功率管开通和关断；
4、采用电压和电流检测电路分别捕获串联谐振负载的方波电压信号和正弦电流信号，过零比较电路将正弦信号转为方波信号，通过FPGA中的鉴相电路得到负载电压电流相位差，然后送入AVR中；
5、根据输入到AVR中的负载电压电流相位差，通过二分法搜索负载谐振频率，并以该谐振频率对负载进行激励。
进一步，所述的计算机数据处理软件包括热成像模块、电源运行参数设置模块和运行状态返回参数显示模块；采用热成像模块的热图像采集程序从热像仪中获得热图像序列，并进行温度转换和伪彩显示；选择热图像序列中的某帧热图，通过自适应异常提取算法获得试样表面裂纹的尖端效应。
本发明的优点在于：
1、采用复合式双U型探头，提高了电磁耦合效率和激励的均匀性，同时可以在试样表面上输出旋转磁场，克服试样表面裂纹检测方向灵敏度的问题；
2、采用双路正交激励电源对复合式双U型探头进行激励，激励电流频率和幅值可调，满足试样表面不同裂纹大小和走向的激励需求；
3、采用数字锁相环技术，实时跟踪负载谐振频率，克服负载参数随时间和温度变化导致的固有频率漂移问题，具有抗干扰能力强、加热效率高等优点。
附图说明
图1是基于旋转磁场激励的脉冲涡流热成像检测系统结构框图；
图2是一种复合式双U型探头示意图；
图3是双路正交电源拓扑结构简图；
图4是计算机数据处理软件界面；
图5是探头与试样表面裂纹不同夹角位置示意图；
图6是双路正交激励试样表面温升分布图；
图7是双路正交激励试样表面温升曲线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点清楚明白，以下结合附图对本发明做进一步说明：
如图1所示，本实施例包括：复合式双U型探头、被检试样、双路正交激励电源、红外热像仪和计算机数据处理软件；双路正交激励电源的输出端分别与复合式双U型探头的两路激励线圈相连，复合式双U型探头放置在被检试样的上方，两者之间预留适当的提离距离；当两路激励线圈通入指定频率和幅值的电流时，在试样表面和近表面感应出涡流场，同时试样表面产生的焦耳热在裂纹区域表现为不同温度分布；然后利用架设于试样上方的红外热像仪记录被检试样裂纹区域的温度变化情况，红外热像仪采集到的热图序列经计算机数据处理软件计算和分析，提取出试样表面裂纹特征信号，实现被检试样表面任意角度裂纹缺陷的检测和识别。
如图2所示，复合式双U型探头包括两个U型磁芯2-1、2-2和缠绕在磁芯上的两路激励线圈3-1、3-2；两个U型磁芯2-1、2-2正交排列且在空间上叠加而成，形成的复合式双U型磁芯1中间叠加区域被掏空，目的是为架设于正上方的红外热像仪采集热图像预留空间；复合式双U型磁芯1的两组相对U型臂上分别绕制两路激励线圈3-1、3-2，相对臂上的每路激励线圈3-1或3-2以串联形式连接以增强试样表面的磁感应强度，每路激励线圈3-1或3-2的缠绕方向遵循右手定则；当复合式双U型探头1放置于被检试样4的上方，在复合式双U型探头两路激励线圈3-1、3-2通入正弦和余弦激励电流，将在试样4表面形成旋转磁场。
本发明可通过调节缠绕于复合式双U型探头两路激励线圈的激励电流频率和大小，实现不同频率和幅值的旋转激励磁场输出，其原理如下所述：
在试样表面上建立直角笛卡尔坐标系，以复合式双U型探头正下方中心位置为坐标原点，以探头一相对U型臂为x轴，另一相对U型臂为y轴，当x轴和y轴方向上的两路激励线圈分别通入等幅、同频和相位差为90°的激励电流，则在试样表面上沿着x轴和y轴方向上产生的磁感应强度分别为
其中，ω＝2πf，f为激励电流频率；为初始相位；Β0为试样表面磁感应强度最大值。
可将试样表面上的磁感应强度看成两组激励线圈产生磁场的叠加，则在试样表面上合成的磁感应强度幅值和相位分别为
从式(2)中可以看出，在试样表面上产生的合成磁感应强度幅值不变而方向随时间周期性变化，该探头结构能有效弥补涡流场方向与裂纹方向之间的限制，可以实现对试样表面任意方向裂纹加热的目的。
如图1所示，双路正交激励电源包括：整流滤波电路、双H桥逆变电路、功率管驱动电路、控制电路、阻抗匹配变压器和数字锁相环电路；双H桥逆变电路将整流滤波电路输出的直流转换为交流，然后通过阻抗匹配变压器与复合式双U型探头相连；控制电路一方面给功率管驱动电路提供控制信号，驱动双H桥逆变电路的功率管开通或关断，另一方面通过数字锁相环电路实现负载谐振频率的实时跟踪，同时还具有过流和过温检测保护功能，实现双路正交激励电源的智能化控制，控制电路采用AVR与FPGA相结合的形式；如图3所示，功率管Q1～Q4构成H桥1，其中D1～D4为功率管的反并联二极管；功率管Q5～Q8构成H桥2，其中D5～D8为功率管的反并联二极管；变压器T1和变压器T2的输出分别与双U型探头的两路激励线圈相连，将两路线圈分别用电阻和电感集中参数R1、L1-1、L1-2和R2、L2-1、L2-2表示，通过谐振补偿电容C1和C2分别形成R1、L1-1、L1-2，C1和R2、L2-1、L2-2，C2的两路串联谐振负载回路。
采用数字锁相环技术对负载谐振频率进行实时跟踪，以实现负载电压和电流同相位或负载电压超前电流较小相位，负载工作于谐振状态或弱感性状态，实现方法如下所述：
1、AVR通过RS232串口读取计算机数据处理软件中的系统参数设置值，系统参数包括：最小频率、初始频率、最大频率、激励时间；
2、AVR基于系统参数设置值控制FPGA产生激励频率为初始频率的PWM控制信号，输出至功率管驱动电路；
3、功率管驱动电路以初始频率驱动双H桥逆变电路中功率管开通和关断；
4、采用电压和电流检测电路分别捕获串联谐振负载的方波电压信号和正弦电流信号，过零比较电路将正弦信号转为方波信号，通过FPGA中的鉴相电路得到负载电压电流相位差，然后送入AVR中；
5、根据输入到AVR中的负载电压电流相位差，通过二分法搜索负载谐振频率，并以该谐振频率对负载进行激励。
如图4所示，计算机数据处理软件包括热成像模块、电源运行参数设置模块和运行状态返回参数显示模块；采用热成像模块的热图像采集程序从热像仪中获得热图像序列，并进行温度转换和伪彩显示；选择热图像序列中的某帧热图，通过自适应异常提取算法获得试样表面裂纹的尖端效应。
如图5所示，以45号钢表面上30mm×0.35mm的贯穿性裂纹为检测对象，裂纹走向与探头A-A臂方向成0°、30°、60°和90°四种典型位置。如图6和7所示，得到双路正交激励时试样表面温升分布图及裂纹中心线上的温升曲线。
本发明的优点在于：
1、采用复合式双U型探头，提高了电磁耦合效率和激励的均匀性，同时可以在试样表面上输出旋转磁场，克服试样表面裂纹检测方向灵敏度的问题；
2、采用双路正交激励电源对复合式双U型探头进行激励，激励电流频率和幅值可调，满足试样表面不同裂纹大小和走向的激励需求；
3、采用数字锁相环技术，实时跟踪负载谐振频率，克服负载参数随时间和温度变化导致的固有频率漂移问题，具有抗干扰能力强、加热效率高等优点。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (5)

1.一种基于旋转磁场激励的脉冲涡流热成像检测系统，其特征在于：包括复合式双U型探头、双路正交激励电源、红外热像仪和计算机数据处理软件；双路正交激励电源的输出端分别与复合式双U型探头的两路激励线圈相连，复合式双U型探头放置在被检试样的上方，两者之间预留适当的提离距离；当两路激励线圈通入指定频率和幅值的电流时，在试样表面和近表面感应出涡流场，试样表面产生的焦耳热在裂纹区域表现为不同温度分布；利用架设于试样上方的红外热像仪记录被检试样裂纹区域的温度变化情况，红外热像仪采集到的热图序列经计算机数据处理软件计算和分析，提取出试样表面裂纹特征信号，实现被检试样表面任意角度裂纹缺陷的检测和识别。
2.根据权利要求1所述的一种基于旋转磁场激励的脉冲涡流热成像检测系统，其特征在于：复合式双U型探头包括两个U型磁芯和缠绕在磁芯上的两路激励线圈；两个U型磁芯正交排列且在空间上叠加而成，形成的复合式双U型磁芯中间叠加区域被掏空；复合式双U型磁芯的两组相对U型臂上分别绕制两路激励线圈，相对臂上的每路激励线圈以串联形式连接以增强试样表面的磁感应强度，每路激励线圈的缠绕方向遵循右手定则；当复合式双U型探头放置于被检试样的上方，在复合式双U型探头两路激励线圈通入正弦和余弦激励电流，将在试样表面形成旋转磁场。
3.根据权利要求2所述的一种基于旋转磁场激励的脉冲涡流热成像检测系统，其特征在于：可通过调节缠绕于复合式双U型探头两路激励线圈的激励电流频率和大小，实现不同频率和幅值的旋转激励磁场输出。
4.根据权利要求1所述的一种基于旋转磁场激励的脉冲涡流热成像检测系统，其特征在于：双路正交激励电源包括：整流滤波电路、双H桥逆变电路、功率管驱动电路、控制电路、阻抗匹配变压器和数字锁相环电路；双H桥逆变电路将整流滤波电路输出的直流转换为交流，然后通过阻抗匹配变压器与复合式双U型探头相连；控制电路一方面给功率管驱动电路提供控制信号，驱动双H桥逆变电路的功率管开通或关断，另一方面通过数字锁相环电路实现负载谐振频率的实时跟踪，同时还具有过流和过温检测保护功能，实现双路正交激励电源的智能化控制，控制电路采用AVR与FPGA相结合的形式。
5.根据权利要求4所述的一种基于旋转磁场激励的脉冲涡流热成像检测系统，其特征在于：采用数字锁相环技术对负载谐振频率进行实时跟踪，以实现负载电压和电流同相位或负载电压超前电流较小相位，负载工作于谐振状态或弱感性状态。
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