CN107831214B - 基于共生式磁芯环绕结构的感应热像无损检测系统 - Google Patents

基于共生式磁芯环绕结构的感应热像无损检测系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于共生式磁芯环绕结构的感应热像无损检测系统，将共生式磁芯环绕线圈检测装置放置于被测试件上方，接着打开红外热像仪与激励源，通过功率发生器运行产生交变激励电流，再将交变激励电流通过激励源输入至共生式磁芯环绕线圈检测装置，其内部线圈附近的空间会产生交变磁场，使被测试件内的磁通不断变化，在被测试件的表面或内部感应出涡流，部分涡流转化为焦耳热；另外，磁通量通过被测试件时，会因磁滞损耗产生热量来对被测试件加热，这些热量又以热波的形式在被测试件中传播，当被测试件中存在缺陷时，涡流会绕过缺陷影响热量扩散使缺陷附近热场分布异常，从而被红外热像仪捕捉记录，并上传至上位机显示。

Description

基于共生式磁芯环绕结构的感应热像无损检测系统
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芯环绕结构的感应热像无损检测系统。
背景技术
无损检测技术以不破坏被测物体内部结构为前提，应用物理的方法，检测物体内部或表面的物理性能、状态特性以及内部结构，检查物体内部是否存在不连续性，从而判断被测物体是否合格，进而评价其适用性。它是控制产品质量、保证在役设备安全运行的重要手段。脉冲涡流热成像(ECPT)技术是一种采用电流作为热源的热成像检测技术，它兼具涡流检测与热成像检测的优势，例如检测范围大、检测效率高、空间分辨率高、检测深度大、不受表面状态影响等。因此在导电材料无损检测中起着至关重要的作用，广泛用于飞机原位无损检测、钢轨滚动接触疲劳裂纹的检测中。
ECPT检测方法原理是触发信号同时打开功率发生器和红外热像仪，当功率发生器产生的交变激励电流通过激励端通入线圈时，线圈附近空间会产生交变磁场，使试件内磁通不断变化，在其表面或内部感应出涡流，根据焦耳定律，部分涡流转化成焦耳热，另一方面，磁通量通过试件时也会因磁滞损耗产生热量对试件进行加热，当试件中存在缺陷时，涡流会绕过缺陷，进而也影响了热的扩散，最终导致试件表面缺陷区域热场分布异常，采用红外热像仪记录分析材料表面的温度变化，并对其进行分即便可判断出缺陷的位置和大小深度信息。
前期ECPT检测直接采用线圈，包括直导线线圈如图2所示、矩形线圈、圆形线圈等，但它们在检测过程中存在以下缺点：试件中被激发产生的磁场不均匀且磁感应强度小、热像仪对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、(热像仪采集所得)热图中缺陷区域与非缺陷区域的热对比度低缺陷不易被检出、单次可检测区域面积小等。随后出现了磁芯环绕线圈，比如圆形磁芯环绕线圈，如图3所示，矩形磁芯环绕线圈等，它能有效地利用线圈激发的交变磁场在试件中感应出磁感应强度更大的交变磁场，形成由内向外衰减的环形涡流场，有效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，对不同角度的缺陷有很好的检测效果，但是其检测范围同样有限。
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芯环绕结构的感应热像无损检测系统，通过共生式磁芯环绕线圈增强了试件中交变磁场的磁感应强度，同时新的线圈绕制方式使两个磁芯中间区域的涡流场大大增强，增大了单次可检测面积，极大提高了缺陷的检测能力。
为实现上述发明目的，本发明一种基于共生式磁芯环绕结构的感应热像无损检测系统，包括功率发生器、红外热像仪、上位机和激励源，其特征在于，还包括一共生式磁芯环绕线圈检测装置；
所述的共生式磁芯环绕线圈检测装置由处于同一水平面上且相距一定距离的两个磁芯环绕线圈构成；
系统进行感应热像无损检测时，先将共生式磁芯环绕线圈检测装置放置于被测试件上方，再在共生式磁芯环绕线圈检测装置和被测试件的外围添加屏蔽罩，接着在磁芯环绕线圈内部通循环冷却水，并打开红外热像仪与激励源；
利用触发信号启动功率发生器运行，同时启动红外热像仪记录被测试件表面的温度变化；
当功率发生器运行时，产生交变激励电流，再将交变激励电流通过激励源的激励端输入至共生式磁芯环绕线圈检测装置，共生式磁芯环绕线圈检测装置中的线圈附近空间会产生交变磁场，使被测试件内的磁通不断变化，根据电磁感应原理，在被测试件的表面或内部感应出涡流，又根据焦耳定律，部分涡流将转化为焦耳热，另外，磁通量通过被测试件时，会因为磁滞损耗产生热量从而对被测试件进行加热，这些热量会以热波的形式在被测试件中传播，当被测试件中存在缺陷时，涡流会绕过缺陷，进而也影响了热量的扩散，最终导致缺陷附近热场分布异常，从而被红外热像仪捕捉记录；最后，红外热像仪采用不同的颜色与温度对应体系，将物体表面的温度分布转换为用人眼可识别的颜色图形，并上传至上位机显示。
本发明的发明目的是这样实现的：
本发明基于共生式磁芯环绕结构的感应热像无损检测系统，先将共生式磁芯环绕线圈检测装置放置于被测试件上方，接着打开红外热像仪与激励源，当功率发生器运行时，产生交变激励电流，再将交变激励电流通过激励源的激励端输入至共生式磁芯环绕线圈检测装置，共生式磁芯环绕线圈检测装置中的线圈附近空间会产生交变磁场，使被测试件内的磁通不断变化，根据电磁感应原理，在被测试件的表面或内部感应出涡流，又根据焦耳定律，部分涡流将转化为焦耳热，另外，磁通量通过被测试件时，会因为磁滞损耗产生热量从而对被测试件进行加热，这些热量会以热波的形式在被测试件中传播，当被测试件中存在缺陷时，涡流会绕过缺陷，进而也影响了热量的扩散，最终导致缺陷附近热场分布异常，从而被红外热像仪捕捉记录，并上传至上位机显示。
同时，本发明基于共生式磁芯环绕结构的感应热像无损检测系统还具有以下有益效果：
(1)、本发明使用的线圈采用共生式磁芯环绕线圈绕制而成；
(2)、本发明采用的线圈使两个磁芯中间区域的涡流场大大增强，增大了单次可检测面积，极大提高了缺陷的检测能力。
附图说明
图1是本发明基于共生式磁芯环绕结构的感应热像无损检测系统原理图；
图2是传统的直导线线圈示意图；
图3是圆形磁芯环绕线圈示意图；
图4是共生式磁芯环绕线圈的三视图及立体图；
图5是屏蔽罩的规格示意图；
图6是添加屏蔽罩之后的共生式磁芯环绕线圈模型；
图7是激励源接口示意图；
图8是带缺陷试件的俯视图；
图9是各检测装置与带缺陷试件的相对位置示意图；
图10是各检测装置的检测效果图；
图11是经过阈值分割后的各装置检测效果图；
图12是计算SNR选取的缺陷区域与非缺陷区域示意图；
图13是不同检测装置的SNR值与缺陷到中心线距离的关系；
图14是不同角度缺陷设置位置示意图；
图15是圆形磁芯环绕结构及共生式磁芯环绕结构对不同角度缺陷的检测能力对比图；
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。
实施例
图1是本发明基于共生式磁芯环绕结构的感应热像无损检测系统原理图。
在本实施例中，如图1所示，本发明一种基于共生式磁芯环绕结构的感应热像无损检测系统，包括功率发生器、红外热像仪、上位机、激励源和共生式磁芯环绕线圈检测装置。
共生式磁芯环绕线圈检测装置由处于同一水平面上且相距一定距离的两个磁芯环绕线圈构成，其中，两磁芯环绕线圈材质均为黄铜，由一根黄铜绕制而成且不断开；第一个磁芯环绕线圈按右手定则拇指垂直向上时四指方向绕制而成，流过该磁芯环绕线圈中的电流方向为顺时针方向；第二个磁芯环绕线圈按右手定则拇指垂直向下时四指方向绕制而成，流过该磁芯环绕线圈中的电流方向为逆时针方向，这样磁芯环绕线圈之间区域的磁感应强度大大增强。
如图4所示，两磁芯环绕线圈的长度均为80mm，宽度均为30mm，两磁芯环绕线圈的间距为70mm，两磁芯环绕线圈的匝数均为3匝，每匝线圈的间距为5mm，匝数与激励电流大小和试件磁导率有关，试件磁导率低或激励电流小则匝数相应较多；从上往下看磁芯环绕线圈构成两个矩形环，两矩形环下边缘到被测试件边缘交汇处的长度为55mm，从交汇处到接口的长度为90mm，此外，所有转角处进行倒圆角处理，不宜出现90°转角，这样防止转角处出现集热点，影响实验结果，同时在不改变极性的前提下力求加工得漂亮。
两磁芯环绕线圈中的磁芯均由六个20mm×10mm×60mm的长方体小磁芯排列而成，磁芯的材质是铁氧体；在本实施例中，采用小磁芯排列而不采用整个磁芯是为了进行阻抗匹配，以使激励源的功率输出达到最大。
为了有效阻隔区域磁场，在共生式磁芯环绕线圈检测装置和被测试件的外围添加屏蔽罩，屏蔽罩的材料选择为IJ79坡莫合金，因其具有很高的弱磁场导磁率，可有效阻隔区域磁场，屏蔽罩的形状可以为方形或圆形，本实施例中，采用方形，如图5所示，其长宽高分别为20cm、20cm、15cm，屏蔽罩的厚度选用2mm厚度，屏蔽罩上的小孔规格为4cm×4cm。添加了屏蔽罩之后的装置如图6所示，屏蔽罩上的小孔用于线圈接通激励源。
系统进行感应热像无损检测时，先将共生式磁芯环绕线圈检测装置放置于被测试件上方，放置距离依应用场合决定，建议不超过5mm，距离增加会导致漏磁增加，进而影响检测效果，其中，如图8所示，被测试件存在12个缺陷；再将图6所示带有屏蔽罩的共生式磁芯环绕线圈检测装置与ECPT专用激励源正确连接在一起，如图7所示，接口的孔直径为4.51mm,孔边缘距离为8.0mm；接着在磁芯环绕线圈内部通循环冷却水，保证激励源自带水冷装置能给磁芯环绕线圈通循环水及时冷却，否则激励过程中磁芯环绕线圈自身所生热量会影响热像仪对试件表面热场的采集；最后打开红外热像仪与激励源；
利用触发信号启动功率发生器运行，同时启动红外热像仪记录被测试件表面的温度变化，这样保证红外热像仪实时记录激励加热过程中试件表面的热场分布情况，加热时间依试件材质而定；
当功率发生器运行时，产生交变激励电流，再将交变激励电流通过激励源的激励端输入至共生式磁芯环绕线圈检测装置，共生式磁芯环绕线圈检测装置中的线圈附近空间会产生交变磁场，使被测试件内的磁通不断变化，根据电磁感应原理，在被测试件的表面或内部感应出涡流，又根据焦耳定律，部分涡流将转化为焦耳热，另外，磁通量通过被测试件时，会因为磁滞损耗产生热量从而对被测试件进行加热，这些热量会以热波的形式在被测试件中传播，当被测试件中存在缺陷时，涡流会绕过缺陷，进而也影响了热量的扩散，最终导致缺陷附近热场分布异常，从而被红外热像仪捕捉记录；最后，红外热像仪采用不同的颜色与温度对应体系，将物体表面的温度分布转换为用人眼可识别的颜色图形，并上传至上位机显示。
仿真验证
采用基于有限元的多物理场建模与仿真软件COMSOL Multiphysics，根据图9建立三维模型，其中，图9(a)是直导线线圈，图9(b)是磁芯增强型线圈，图9(c)是共生式磁芯环绕线圈，被测试件材质选择为45#钢。激励频率为256kHz，激励时间为0.2秒，仿真得到20帧热图，根据归一化公式：
Figure BDA0001452869790000061
其中x(i,j,k)nor表示归一化后的温度值、x(i,j,k)表示待归一化的温度值、xmax(i,j)为当前热图最大温度值、xmin(i,j)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值大小具体依仿真中采集的数据规模而定，k为帧数，此处即20。
对原始热图进行处理，选出效果最好的一张，得到图9对应的线圈的检测效果，如图10所示，从图10(a)可以看出，直导线线圈的检测范围很小，检测不出均匀分布于线圈两侧的缺陷，从图10(b)可以看出，圆形磁芯环绕线圈检测出8个距离磁芯较近的缺陷，且距离最近的4个的效果更明显，从图10(c)可以看出，共生式磁芯环绕线圈可将12个缺陷全部检测出来，且可清晰显示缺陷位置及大小，如表1所示；
表1是缺陷检测结果表；
检测装置类型 直导线 圆形磁芯环绕 共生式磁芯环绕
归一化后检测出的缺陷个数 0 8(4个较清晰) 12
表1
再采用迭代法阈值分割，得到图10对应的检测效果，如图11所示，可以发现，共生式磁芯环绕线圈将缺陷和非缺陷区域清楚地分离了出来，圆形磁芯环绕结构的分离效果次之，直导线最差。如表2所示；
表2是缺陷分离结果表；
检测装置类型 直导线 圆形磁芯环绕 共生式磁芯环绕
阈值分割分离出的缺陷个数 0 4 12
表2
由上两表可见，圆形磁芯环绕线圈较之直导线线圈，检测效果有了大幅度提高，但共生式磁芯环绕线圈更具有检测优势，检测效果清晰明了，阈值分割之后即能较为准确地判断缺陷的位置大小信息。
根据各类检测装置所得缺陷所覆盖区域的大小可以估算出各检测装置对45#钢的单次可检测面积，如表3所示；
表3单次缺陷检测面积统计表；
检测装置类型 直导线 圆形磁芯环绕 共生式磁芯环绕
最大单次可检测面积 1200mm<sup>2</sup> 3750mm<sup>2</sup> 7600mm<sup>2</sup>
表3
由此可见圆形磁芯环绕线圈单次可检测面积比直导线大了三倍以上，而共生式磁芯环绕线圈在单次可检测面积上又得到了大幅度提升，这是因为两磁轭上环绕线圈的流向相反，在中间区域感应出很强的磁感应强度，因此产生了更大的涡流场，因此在大面积缺陷的检测上更具有优势。
为了定量比较各类检测装置对不同缺陷检测能力的差别，用如下SNR(缺陷区域温度与非缺陷区域温度比)公式
Figure BDA0001452869790000071
其中，T1ij表示缺陷区域的归一化温度值，T2ij表示非缺陷区域的归一化温度值，m,n大小依缺陷大小而定。
选取的区域如图12所示，则缺陷共分为三组：距离中心线20mm的、距离中心线35mm的和距离中心线50mm的，由上述公式计算得出不同类型检测装置SNR对比结果如表4所示；
表4是不同类型检测装置SNR对比结果表；
Figure BDA0001452869790000072
Figure BDA0001452869790000081
表4
由于所采用的检测装置均为对称结构，可算出到中心线不同距离缺陷SNR的平均值，进而绘出缺陷SNR与距离的关系，如图13所示。可以看出直导线检测效果很差，圆形磁芯环绕结构检测范围较小，且SNR值随缺陷到中心线距离的增大衰减较大，而共生式磁芯环绕结构在一定范围内，其SNR值随缺陷到中心距离的增大缓慢减小，所以它的检测范围较圆形磁芯环绕结构有了大幅提升。
为比较相对于圆形环绕线圈，该共生式磁芯环绕结构对不同角度缺陷的检测能力，设置新的缺陷位置如图14所示，即在距离中心线20mm的位置设置不同角度(0°，30°，45°，60°，90°)缺陷组，则由上一组不同位置缺陷可得知共生式磁芯环绕结构的检测范围，由本组不同角度缺陷可分析其检测能力。两类传感架构的检测结果如图15所示，其中，图15(a)是圆形磁芯环绕结构对不同角度缺陷的检测效果，图15(b)是共生式磁芯环绕结构对不同角度缺陷的检测效果。通过对比可知，共生式磁芯环绕结构有和圆形磁芯环绕线圈相当的检测能力，都能检测出所有的缺陷，但共生式磁芯环绕结构的检测范围较圆形磁芯环绕结构大。
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)

1.一种基于共生式磁芯环绕结构的感应热像无损检测系统，包括功率发生器、红外热像仪、上位机和激励源，其特征在于，还包括一共生式磁芯环绕线圈检测装置；
所述的共生式磁芯环绕线圈检测装置由处于同一水平面上且相距一定距离的两个磁芯环绕线圈构成；
系统进行感应热像无损检测时，先将共生式磁芯环绕线圈检测装置放置于被测试件上方，再在共生式磁芯环绕线圈检测装置和被测试件的外围添加屏蔽罩，接着在磁芯环绕线圈内部通循环冷却水，并打开红外热像仪与激励源；
利用触发信号启动功率发生器运行，同时启动红外热像仪记录被测试件表面的温度变化；
当功率发生器运行时，产生交变激励电流，再将交变激励电流通过激励源的激励端输入至共生式磁芯环绕线圈检测装置，共生式磁芯环绕线圈检测装置中的线圈附近空间会产生交变磁场，使被测试件内的磁通不断变化，根据电磁感应原理，在被测试件的表面或内部感应出涡流，又根据焦耳定律，部分涡流将转化为焦耳热，另外，磁通量通过被测试件时，会因为磁滞损耗产生热量从而对被测试件进行加热，这些热量会以热波的形式在被测试件中传播，当被测试件中存在缺陷时，涡流会绕过缺陷，进而也影响了热量的扩散，最终导致缺陷附近热场分布异常，从而被红外热像仪捕捉记录；最后，红外热像仪采用不同的颜色与温度对应体系，将物体表面的温度分布转换为用人眼可识别的颜色图形，并上传至上位机显示；
其中，所述的两个 磁芯环绕线圈的材质均为黄铜，由一根黄铜绕制而成且不断开，其中，第一个磁芯环绕线圈按右手定则拇指垂直向上时四指方向绕制而成，流过该磁芯环绕线圈中的电流方向为顺时针方向；第二个磁芯环绕线圈按右手定则拇指垂直向下时四指方向绕制而成，流过该磁芯环绕线圈中的电流方向为逆时针方向；
其中，所述的两个 磁芯环绕线圈的长度均为80mm，宽度均为30mm，两个 磁芯环绕线圈的间距为70mm，两个 磁芯环绕线圈的匝数均为3匝，每匝线圈的间距为5mm，从上往下看磁芯环绕线圈构成两个矩形环，两矩形环下边缘到被测试件边缘交汇处的长度为55mm，从交汇处到接口的长度为90mm，此外，所有转角处进行倒圆角处理，不宜出现90°转角；
其中，所述的两个 磁芯环绕线圈中的磁芯均由六个20mm×10mm×60mm的长方体小磁芯排列而成，磁芯的材质是铁氧体；
其中，所述的屏蔽罩的材料选择为IJ79坡莫合金，其长宽高分别为20cm、20cm、15cm，屏蔽罩的厚度选用2mm厚度，屏蔽罩上的小孔规格为4cm×4cm。
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