CN106950278A - 基于脉冲涡流热声技术的无损检测系统及方法 - Google Patents

基于脉冲涡流热声技术的无损检测系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及无损检测技术领域，针对现有电涡流热成像技术存在的热图像数据量庞大处理不便及受材料表面状况影响大的缺点，公开了基于脉冲涡流热声技术的无损检测系统及方法，脉冲发生器产生脉冲信号控制声传感器的工作状态和感应加热器输出的短时电流频率，短时电流作用于线圈产生电磁场在金属待测构件表面产生电涡流以实现对金属待测构件加热，继而激励出热声信号，声传感器采集热声信号并传送至分析处理单元，分析处理单元通过计算机接收热声信号并通过信号处理软件提取正常和有缺陷状况下金属待测构件的热声信号幅值特征进行比较分析，实现对金属待测构件的缺陷检测。本发明与现有技术相比，具有数据量小、受材料表面状况影响小的有益效果。

Description

基于脉冲涡流热声技术的无损检测系统及方法
技术领域
本发明涉及无损检测技术领域，具体涉及基于脉冲涡流热声技术的无损检测系统及方法。
背景技术
无损检测是保障重大工程装备制造质量和运行安全的关键技术。无损检测技术可以在不损坏待测构件的前提下对其进行状态评估，在工业和研究领域广泛应用于材料的缺陷检测。传统的无损检测方法主要有超声检测、磁粉检测、渗透检测、射线检测、涡流波检测等。这些方法都有各自的适用场合和不足。随着对无损检测技术要求的日渐提高，传统的无损检测方法已无法满足需要。现阶段，热成像无损检测技术占据着重要的地位。
脉冲电涡流热成像法是一种结合感应加热和热成像的新型红外热成像无损检测技术，其原理是基于电磁学中的涡流现象与焦耳热现象，运用高速高分辨率红外热像仪，获取导电试件在涡流激励下由焦耳热产生的温度场分布，并通过对红外热图像序列的分析处理来检测结构缺陷及材料电磁热特性变化。通过研究热成像的物理机制，实现了材料变化特性的量化和追踪。
电涡流热成像技术具有以下不足：热图像数据量庞大；由于材料表面发射率不均匀，热传导等的存在，产生虚假的高温和低温区，造成缺陷图像模糊，对检测结果产生影响，材料表面状况多种多样，材料内部热传导机制复杂，导致出现模糊效应，降低了热图像的信噪比以及缺陷区域与其他区域的对比度，降低了检测的精度。
热声效应是热能与声能相互转换的现象，是振荡过程与扩散过程的相互作用和耦合。周期性的热源作用于构件，产生的焦耳热向气体媒质传播时引起气体的压缩和膨胀，从而产生声波。由于热源的变化周期和相应产生的热量是可以控制的，因此通过对热波的分析可以确定材料的物理特性。
发明内容
针对现有电涡流热成像技术存在的热图像数据量庞大处理不便以及受材料表面状况影响大的缺点，本发明公开了基于脉冲涡流热声技术的无损检测系统及方法，通过对待测构件进行加热后采集所激励出的热声信号进行无损检测分析，数据量小，受材料表面状况影响小，检测效果好。
本发明通过下述技术方案实现：
基于脉冲涡流热声技术的无损检测系统，包括脉冲发生器、感应加热器、声传感器、分析处理单元、线圈和金属待测构件；所述感应加热器与脉冲发生器及线圈分别连接，所述声传感器与分析处理单元及脉冲发生器分别连接，所述线圈和声传感器均非接触地固定设置在金属待测构件上方；
所述脉冲发生器用于产生脉冲信号并将脉冲信号传送至感应加热器和声传感器；
所述感应加热器根据接收到的脉冲信号产生激励电流并将激励电流传送至线圈；
所述线圈用于在激励电流的作用下产生电磁场，所述电磁场作用在金属待测构件继而在金属待测构件表面形成电涡流对金属待测构件进行加热以激励出热声信号；
所述声传感器在脉冲信号的作用下进入工作状态，声传感器采集热声信号并传送至分析处理单元；
所述分析处理单元包括计算机和安装在计算机上的信号处理软件，计算机从声传感器接收热声信号并通过信号处理软件显示、存储以及分析接收到的热声信号。
本发明的原理为，感应加热器根据脉冲发生器发出的高频脉冲信号产生高频短时电流，线圈在高频短时电流作用下产生相应频率的短时电磁场，电磁场作用于金属待测构件表面产生涡流对构件进行加热继而激励出声信号。构件缺陷的存在会使涡流分布和热扩散发生变化，对温度的瞬态响应产生影响，基于温度变化所产生的热声信号也会发生变化，通过对声压进行分析来检测材料缺陷以及材料特性参数的变化。利用热声信号对材料的敏感特性检测材料的各种物理特性，从而表征材料状态，实现材料的缺陷检测。本发明直接处理热声信号，与现有电涡流热成像技术相比，数据量小且受材料表面状况影响小，继而检测效果好。
进一步地，所述声传感器为声阵列传感器。采用声阵列传感器可以获得更稳定的声压信号。
进一步地，所述线圈为单匝，由铜管绕制而成，整体为环形或矩形。将铜管卷成单匝环形或矩形用于激励电磁场，结构简单，适应性强。
基于脉冲涡流热声技术的无损检测方法，包括以下步骤：
(a)、通过脉冲发生器产生的脉冲信号控制声传感器的工作状态和感应加热器输出的短时电流频率；
(b)、通过短时电流作用于线圈产生电磁场在金属待测构件表面产生电涡流以实现对金属待测构件加热，继而激励出热声信号；
(c)、通过声传感器采集热声信号并传送至分析处理单元；
(d)、分析处理单元通过计算机接收热声信号并通过计算机上的信号处理软件提取正常和有缺陷状况下金属待测构件的热声信号幅值特征进行比较分析，继而实现对金属待测构件的缺陷检测。
进一步地，所述步骤(d)中幅值特征为所获得热声信号的整体幅值或进行频谱分析后提取的脉冲信号所在频率的幅值。整体幅值和进行频谱分析后提取的脉冲信号所在频率的幅值均可反应构件的状态，整体幅值分析过程简单，进行频谱分析过程稍复杂，但可以排除环境噪声的干扰，更精确。
进一步地，所述步骤(a)中感应加热器峰值功率不低于2.4KW。使用大功率的加热器可以保证最终激励出的热声信号具有可以满足检测需求的强度。
进一步地，所述步骤(b)中线圈与金属待测构件的距离、步骤(c)中声传感器与金属待测构件的距离均不大于5mm。电磁场的强度及热声信号的强度都会随距离衰减，将线圈与构件的距离、声传感器与构件的距离控制在不大于5mm可以保证最终接收到的热声信号的强度。
本发明与现有电涡流热成像技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、数据量小，本发明直接处理热声信号，与需要处理大量热图像数据的电涡流热成像技术相比，数据量小，处理简单；
2、受材料表面状况影响小，电涡流热成像技术受材料表面状况影响大，会产生模糊、降低热图像的信噪比以及缺陷区域与其他区域的对比度，继而影响检测效果，本发明检测并处理热声信号，热声信号传播受材料表面状况影响小，继而检测效果好。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明基于脉冲涡流热声技术的无损检测系统示意图；
图2为本发明基于脉冲涡流热声技术的无损检测方法中推导声压曲线所用的激励信号；
图3为在图2中所示信号激励下的理论声压曲线；
图4为实施例一中所用45钢试样的拉力-应变曲线；
图5为实施例一中90KN试样的原始声压曲线图；
图6为实施例一中5组试样的整体最大声压变化图；
图7为实施例一中5组试样的整体反向最大声压变化图；
图8为实施例一中5组试样频谱分析后脉冲信号频率处最大声压变化图。
附图中标记及对应的部件名称：
1-脉冲发生器，2-声传感器，3-分析处理单元，4-金属待测构件，5-线圈，6-感应加热器。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例一：
如图1所示，本发明基于脉冲涡流热声技术的无损检测系统，包括脉冲发生器1、感应加热器6、声传感器2、分析处理单元3、线圈5和金属待测构件4；所述感应加热器6与脉冲发生器1及线圈5分别连接，所述声传感器2与分析处理单元3及脉冲发生器1分别连接，所述线圈5和声传感器2均非接触地固定设置在金属待测构件4上方；
所述脉冲发生器1用于产生脉冲信号并将脉冲信号传送至感应加热器6和声传感器2；
所述感应加热器6根据接收到的脉冲信号产生激励电流并将激励电流传送至线圈5；
所述线圈5用于在激励电流的作用下产生电磁场，所述电磁场作用在金属待测构件4继而在金属待测构件4表面形成电涡流对金属待测构件4进行加热以激励出热声信号；
所述声传感器2在脉冲信号的作用下进入工作状态，声传感器2采集热声信号并传送至分析处理单元3；
所述分析处理单元3包括计算机和安装在计算机上的信号处理软件，计算机从声传感器2接收热声信号并通过信号处理软件显示、存储以及分析接收到的热声信号。
进一步地，所述声传感器2为声阵列传感器，采用声阵列传感器可以获得更稳定的声压信号；所述线圈5为单匝，由铜管绕制而成，整体为环形或矩形，将铜管卷成单匝环形或矩形用于激励电磁场，结构简单，适应性强。
本发明基于脉冲涡流热声技术的无损检测方法，包括以下步骤：
(a)、通过脉冲发生器1产生的脉冲信号控制声传感器2的工作状态和感应加热器6输出的短时电流频率；
(b)、通过短时电流作用于线圈5产生电磁场在金属待测构件4表面产生电涡流以实现对金属待测构件4加热，继而激励出热声信号；
(c)、通过声传感器2采集热声信号并传送至分析处理单元3；
(d)、分析处理单元3通过计算机接收热声信号并通过计算机上的信号处理软件提取正常和有缺陷状况下金属待测构件4的热声信号幅值特征进行比较分析，继而实现对金属待测构件4的缺陷检测。
进一步地，所述步骤(d)中幅值特征为所获得热声信号的整体幅值或进行频谱分析后提取的脉冲信号所在频率的幅值，整体幅值和进行频谱分析后提取的脉冲信号所在频率的幅值均可反应构件的状态，整体幅值分析过程简单，进行频谱分析过程稍复杂，但可以排除环境噪声的干扰，更精确；所述步骤(a)中感应加热器6峰值功率不低于2.4KW，使用大功率的加热器可以保证最终激励出的热声信号具有可以满足检测需求的强度；所述步骤(b)中线圈5与金属待测构件4的距离、步骤(c)中声传感器2与金属待测构件4的距离均不大于5mm，电磁场的强度及热声信号的强度都会随距离衰减，将线圈5与构件的距离、声传感器2与构件的距离控制在不大于5mm可以保证最终接收到的热声信号的强度。
下面将结合理论分析阐述本发明：
1、感应加热
感应加热是利用电磁感应的方法使被加热的材料产生涡电流，依靠这些涡流的能量达到加热目的。感应加热的过程实际上是电磁感应过程和热传导过程的综合体现。其中，电磁感应过程具有主导作用，它影响并在一定程度上决定着热传导过程。热传导过程中所需要的热能量实际上是由电磁感应过程中所产生的涡流功率所提供。由于材料内部的电阻作用，涡流在材料内部由电能转化为热能。根据焦耳定律，产生的焦耳热在材料内部传播，遵循如下公式：
ρ表示材料的密度，Cp为材料的比热容，λ为材料的热导率，r表示材料内某一点到声传感器的距离。T(r,t)为材料内某一点的温度。Q(r,t)为焦耳热函数。电涡流脉冲加热时间远小于热扩散时间，因此，忽略热扩散，热传播公式可表示为：
H(r，t)为电涡流加热函数。H(r，t)可以写成涡流响应函数A(r)和涡流激励函数I(t)的乘积。即：
H(r，t)＝A(r)I(t)
2、热声耦合
当材料存在缺陷时，热传导和涡电流分布会发生变化，形成高温区域和低温区域，表现为材料表面温度分布不均。涡流的渗透深度由趋肤深度决定。当缺陷在趋肤深度以内时，缺陷的存在改变涡电流的分布，温度分布的差异是涡流和热传导共同作用的结果。当缺陷在趋肤深度以外时，热传导引起材料温度发生变化，温度分布的差异主要是由热传导引起的。温度分布的差异会导致耦合声场声压的差异。
在声学均匀介质中，两个基本的声波产生公式分别为线性非粘性力公式和膨胀公式。即：
其中β表示等压体积膨胀系数，c为声速，u(r,t)声位移，p(r,t)表示声压。
结合感应加热理论及热函数公式，由热函数产生的声压遵循下式：
求解可得：
从声压的理论公式可得单位脉冲(如图2所示)激励下的理论声压分布(如图3所示)。
下面将结合试验验证本发明的检测效果：
试验中试样为45钢试样，首先取1个试样拉断获取其拉力-应变曲线，如图4所示。从图4中可以看出拉力大于60kN时，试样处于塑形变形阶段，试样所能承受的最大拉力为116.5kN。接着再取5个试样分别施加0kN、80kN、90kN、100kN、110kN的拉力，0kN的试样为无损伤试样作为对照，80kN至110kN的试样为损伤试样。试验中使用本发明基于脉冲涡流热声技术的无损检测系统及方法采集5个被测试样的声压分布继而进行缺陷检测。试验中感应加热器6峰值功率2.4KW，总加热时间1s，脉冲信号频率200KHz，线圈5与试样的距离、声传感器2与试样的距离均为5mm。
使用本发明基于脉冲涡流热声技术的无损检测系统及方法得到的90KN试样的原始声压曲线图如图5所示。感应加热的起始阶段，温度上升快，温度的急剧变化导致声压幅值的快速上升；随后声压幅值逐渐减小，试件在自然冷却的过程中，声压曲线继续逐渐减小至零位置并出现反向的幅值波动，然后随着温度的持续下降，声压幅值也降至为零。
图6和图7是分别是5组试样的整体最大声压和反向最大声压变化图。随着拉力的增加试样塑性变形依次增加，声压幅值也随之增加，二者良好的一致性显示使用本发明基于脉冲涡流热声技术的无损检测系统及方法进行整体幅值分析具有良好的检测效果。
图8为5组试样频谱分析后脉冲信号频率处最大声压变化图。从图8中可以看出最大声压变化趋势与试样塑性变形的逐渐增大也具有良好的一致性，使用本发明基于脉冲涡流热声技术的无损检测系统及方法进行频谱分析后提取脉冲信号所在频率的幅值也具有良好的检测效果。
综上可知，本发明基于脉冲涡流热声技术的无损检测系统及方法具有良好的检测效果，且与现有电涡流热成像技术相比，具有数据量小、受材料表面状况影响小的有益效果：本发明直接处理热声信号，与需要处理大量热图像数据的电涡流热成像技术相比，数据量小，处理简单；电涡流热成像技术受材料表面状况影响大，会产生模糊、降低热图像的信噪比以及缺陷区域与其他区域的对比度，继而影响检测效果，本发明检测并处理热声信号，热声信号传播受材料表面状况影响小，继而检测效果好。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.基于脉冲涡流热声技术的无损检测系统，其特征在于，包括脉冲发生器(1)、感应加热器(6)、声传感器(2)、分析处理单元(3)、线圈(5)和金属待测构件(4)；所述感应加热器(6)与脉冲发生器(1)及线圈(5)分别连接，所述声传感器(2)与分析处理单元(3)及脉冲发生器(1)分别连接，所述线圈(5)和声传感器(2)均非接触地固定设置在金属待测构件(4)上方；
所述脉冲发生器(1)用于产生脉冲信号并将脉冲信号传送至感应加热器(6)和声传感器(2)；
所述感应加热器(6)根据接收到的脉冲信号产生激励电流并将激励电流传送至线圈(5)；
所述线圈(5)用于在激励电流的作用下产生电磁场，所述电磁场作用在金属待测构件(4)继而在金属待测构件(4)表面形成电涡流对金属待测构件(4)进行加热以激励出热声信号；
所述声传感器(2)在脉冲信号的作用下进入工作状态，声传感器(2)采集热声信号并传送至分析处理单元(3)；
所述分析处理单元(3)包括计算机和安装在计算机上的信号处理软件，计算机从声传感器(2)接收热声信号并通过信号处理软件显示、存储以及分析接收到的热声信号。
2.根据权利要求1所述的基于脉冲涡流热声技术的无损检测系统，其特征在于，所述声传感器(2)为声阵列传感器。
3.根据权利要求2所述的基于脉冲涡流热声技术的无损检测系统，其特征在于，所述线圈(5)为单匝，由铜管绕制而成，整体为环形或矩形。
4.使用如权利要求1至3中任一项所述的基于脉冲涡流热声技术的无损检测系统进行检测的无损检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
(a)、通过脉冲发生器(1)产生的脉冲信号控制声传感器(2)的工作状态和感应加热器(6)输出的短时电流频率；
(b)、通过短时电流作用于线圈(5)产生电磁场在金属待测构件(4)表面产生电涡流以实现对金属待测构件(4)加热，继而激励出热声信号；
(c)、通过声传感器(2)采集热声信号并传送至分析处理单元(3)；
(d)、分析处理单元(3)通过计算机接收热声信号并通过计算机上的信号处理软件提取正常和有缺陷状况下金属待测构件(4)的热声信号幅值特征进行比较分析，继而实现对金属待测构件(4)的缺陷检测。
5.根据权利要求4所述的无损检测方法，其特征在于，所述步骤(d)中幅值特征为所获得热声信号的整体幅值或进行频谱分析后提取的脉冲信号所在频率的幅值。
6.根据权利要求5所述的无损检测方法，其特征在于，所述步骤(a)中感应加热器(6)峰值功率不低于2.4KW。
7.根据权利要求5或6所述的无损检测方法，其特征在于，所述步骤(b)中线圈(5)与金属待测构件(4)的距离、步骤(c)中声传感器(2)与金属待测构件(4)的距离均不大于5mm。
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