CN109187638A - 一种基于方向调制的高信噪比涡流热成像检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于方向调制的高信噪比涡流热成像检测方法。本发明利用涡流热成像检测中裂纹对不同方向电磁激励响应不同的规律，采用低速旋转的高频磁场进行激励，使得裂纹区域热信号被选择性调制，在频域分析后获得高信噪比的裂纹检测结果。本发明可以使得调制对裂纹具有选择性，裂纹位置才会产生幅度较大的加热功率周期性变化（被调制），而非裂纹位置的加热功率几乎不随时间变化（不被调制），因此对观测信号的调制频率及其倍频成分的幅度、相位进行分析时，裂纹和非裂纹位置具有更强对比度，裂纹检测信噪比更高。

Description

一种基于方向调制的高信噪比涡流热成像检测方法

技术领域

本发明涉及一种无损检测方法，具体是一种基于方向调制的高信噪比涡流热成像检测方法。

背景技术

涡流热成像是一种主要针对金属材料表面和近表面裂纹的无损检测方法，是涡流检测和热成像技术的结合。涡流热成像的基本原理是：金属试样在交变电磁场中产生感应涡流；当试样表面或近表面存在裂纹时，会改变涡流场分布，可能导致局部涡流密度异常大；比如当试样中磁力线平行于裂纹时，裂纹尖端涡流密度一般远高于其它位置，同时裂纹断面的局部接触点的涡流密度也异常大；涡流具有焦耳热效应，从而可加热试样，使得试样表面温度分布间接反映涡流密度分布规律；采用热像仪观察记录试样表面温度场，可直接观察到裂纹引起的局部温度异常，或者经过适当数据处理后使裂纹引起的温度异常得到增强显示。

涡流热成像检测裂纹时，热扩散会导致裂纹引起的温度异常变得模糊，降低裂纹成像信噪比，因此一般采用窄脉冲激励，高频电磁激励持续时间一般在几十毫秒到1秒之间，此时一般称为脉冲涡流热成像(部分文献称为涡流脉冲热成像)。

涡流热成像方法检测裂纹时，励磁方向对检测效果影响很大。一般而言，磁力线方向平行于裂纹时(亦即感应涡流垂直于裂纹时)具有更好的检测效果。因此如果无法预判裂纹走向，则一般需要采用互相垂直的两次励磁，以保证裂纹可以有效检出。解决该问题的一种方法是采用旋转磁场，即设置励磁方向彼此垂直的两组线圈，二者分别通过频率相同、相位相差90°的高频电流，则两组线圈组合产生的励磁磁场的方向会以激励频率(一般为数十千赫兹以上)旋转，旋转的每个周期中总有一个时刻涡流方向垂直于裂纹，而最终热像仪观测到的表面温度场是整个激励过程中各种方向涡流加热的综合结果，因此对所有走向的裂纹都同样敏感。这种高频旋转磁场激励的方法可以检测出任意走向的裂纹，但对提高裂纹检测信噪比却没什么帮助。

在某些应用场景，涡流热成像的信噪比过低，脉冲涡流热成像可能难以有效检测出裂纹。比如水下金属结构，表面一般会涂覆很厚的防腐蚀涂层，涂层厚度可达到1mm。对于这类检测对象，涡流直接加热的是金属材料表面，热量需要穿透厚厚的涂层传递到涂层表面后，才能转变为被热像仪观测到表面温度变化。由于防腐蚀涂层热导率较低，因此热信号经过涂层后，强度会发生大幅衰减；并且热扩散导致异常区域扩大，裂纹位置与周围无裂纹位置的对比度下降。所以，涡流热成像检测厚涂层下裂纹时，裂纹成像信噪比很低，容易发生漏检，导致安全隐患。

调制是微弱信号检测中的常用方法，在热成像检测中也有调制热成像的做法。调制热成像(或锁相热成像)一般是让激励热源的强度周期性变化，在试样中诱导产生热波传递，有缺陷试样和无缺陷试样的传热通道不同，比如分层缺陷会导致热波更快“反射”回来，相当于具有更短的传热路径，因此对热像仪观测的表面温度进行频谱分析，缺陷区域的相位一般和无缺陷区域有显著区别。

对于有防腐涂层裂纹检测的低信噪比问题，如果采用常规的调制热成像方法，让感应涡流强度整体发生周期性变化，则检测效果一般并不好。这是因为在涡流热成像检测表面裂纹时，裂纹主要影响的不是传热模型，而是发热模型，因此热信号的频率变化，并不会导致裂纹位置和非裂纹位置对比度增强。而常规调制热成像检测内部分层缺陷时，分层主要改变传热模型，对不同频率热信号的传递效果不同，因此调制到载波频率可以更好的突出分层缺陷的影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提出一种具有高信噪比的涡流热成像检测方法；更具体的，是提出一种可以对裂纹区域和非裂纹区域选择性调制激励的方法。

本发明解决技术问题所采取的技术方案为：

本发明采用高频电磁场对样品进行激励，使裂纹附近的涡流密度与无裂纹区域存在差异，该差异通过涡流焦耳热效应转化为裂纹区域和无裂纹区域的温度差异，然后通过热像仪观察识别裂纹，其中试样表面的励磁方向以调制频率低速旋转，利用裂纹对不同方向励磁具有不同响应的特点，使裂纹区域附近的涡流密度被选择性调制，而非裂纹区域的涡流密度几乎不随时间变化；热像仪记录多个调制周期的数据，然后对其进行频域分析检测裂纹。

进一步说，产生按照设定调制频率旋转的周期性电磁激励具体是：采用两组励磁线圈，二者在试样表面检测区域的励磁方向彼此垂直，两组线圈中通过频率相同、相位相同的高频励磁电流，但两个线圈励磁电流的幅度被频率相同、相位相差90度的正弦载波信号调制，用如下公式描述两组线圈中的励磁电流：

I₁(t)＝A₁·sin(2πf_mt)·sin(2πf_et)

上式中I₁和I₂分别为励磁方向互相垂直的两个励磁线圈中的电流，A₁和A₂为电流幅值，f_m为调制频率，f_e为高频励磁频率，t为时间，其中A₁和A₂的取值以使两组线圈在检测区域产生的感应涡流幅值一致为宜。

本发明的有益效果：本发明将调制思想融入到涡流热成像检测中，但并不是简单的让激励强度周期性变化，而是让励磁方向周期性变化，利用裂纹对不同方向励磁具有不同响应的特点，使裂纹附近的涡流密度被选择性调制，而非裂纹区域的涡流密度几乎不随时间变化，从而幅度图和相位图中裂纹具有更高的检测信噪比；而在常规调制热成像检测中，调制过程对裂纹并无选择性，因此裂纹检测的信噪比不如本发明方法。

附图说明

图1为本发明实施方式1中的涡流热成像系统总体结构框图；

图2为本发明实施方式1中励磁探头结构图；

图3为本发明实施方式1中的磁极和磁力线分布示意图。

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：

实施方式1

涡流热成像系统结构如图1所示，金属试样1上有裂纹2，励磁线圈3缠绕在铁氧体磁芯4上，由大功率高频电源5提供交变电流，热像仪6位于试样上方，观察感应加热区域，电脑7上的软件控制电源5的启停，同时采集热像仪6的数据并进行处理分析和结果显示。其中励磁线圈3和铁氧体磁芯4由励磁方向互相垂直的两组线圈、磁芯组成，结构如图2所示，U型磁芯4A上缠绕线圈3A，U型磁芯4B上缠绕线圈3B，线圈3A和线圈3B在试样表面产生的感应涡流基本彼此垂直。线圈3A中通过的电流为：

I₁(t)＝A_I·sin(2πf_mt)·sin(2πf_et)

其中A_I表示电流幅值；f_m为调制频率，取值在0.5Hz～1Hz左右；f_e为激励频率，取值在20kHz～100kHz左右；t为时间。

线圈3B中通过的电流为：

即线圈3A与线圈3B通过幅值相同(都是A_I)、频率相同(都是f_e)、相位相同的高频电流，二者幅值采用相同频率的正弦载波信号进行调制，但二者的载波信号有90度相位差。

检测时，线圈3A和线圈3B同时施加激励电流，电流持续时间为10～20个载波周期(调制频率1Hz时约对应10～20秒)。检测过程中热像仪持续采集试样表面检测区域的热图数据。

数据分析时，对每个像素位置的热信号进行傅里叶变换，提取调制频率及其二倍频成分的幅值和相位；所有像素位置的幅值和相位组合为图像；基频和二倍频下的幅值图和相位图均可体现裂纹引起的异常，结合4幅图像分析可获得更准确的检测结果。

在励磁均匀、两组线圈励磁一致性好的情况下，这种实施方式可以得到比较理想的以调制频率缓慢匀速旋转的激励。为便于说明励磁方向以调制频率旋转的原理，取试样表面一点进行分析，参考图3，其中磁极8和磁极9属于一个磁芯，磁极10和磁极11属于另一个磁芯；取试样表面一点12进行分析，磁极8和磁极9产生的通过点12的磁力线13，垂直于磁极10和磁极11产生的通过点12的磁力线14。建立以点12为原点的直角坐标系，X轴沿磁力线14方向，Y轴沿磁力线13方向；则两个方向的磁场强度可表示为：

E_y(t)＝A_E·sin(2πf_mt+φ₁)×sin(2πf_et+φ₂)

式中的φ₁和φ₂表示磁场强度的周期性变化与励磁电流变化之间的相位差，该相位差具体取值并不影响这里的原理分析。两个方向的磁场分量幅值相同，频率相同，被相同频率的正弦载波调制，载波相位差90度。因此二者组合得到的磁场向量的强度为：

方向为：

可见两组线圈激励组合后，产生以频率f_e变化的交变磁场，励磁强度不随时间变化，方向则以调制频率f_m缓慢旋转。

实际检测中，两组线圈无法做到完全一致，并且激励存在空间不均匀性，因此在检测区域中任意点进行前述分析时，两组励磁的强度不完全一致，方向也不完全垂直。此时可将激励电磁场进行分解，将其分解为两组励磁方向垂直、幅值一致的励磁，以及第三组固定方向激励的附加励磁；前两组励磁效果适用前述分析，而第三组附加励磁只需要幅度在一定范围内，则并不会显著破坏方向调制的技术效果。

综上，本发明可以使得调制对裂纹具有选择性，裂纹位置才会产生幅度较大的加热功率周期性变化(被调制)，而非裂纹位置的加热功率几乎不随时间变化(不被调制)，因此对观测信号的调制频率及其倍频成分的幅度、相位进行分析时，裂纹和非裂纹位置具有更强对比度，裂纹检测信噪比更高。

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 (2)

1.一种基于方向调制的高信噪比涡流热成像检测方法，其特征在于：采用高频电磁场对样品进行激励，使裂纹附近的涡流密度与无裂纹区域存在差异，该差异通过涡流焦耳热效应转化为裂纹区域和无裂纹区域的温度差异，然后通过热像仪观察识别裂纹，其中样品表面的励磁方向以调制频率低速旋转，利用裂纹对不同方向励磁具有不同响应的特点，使裂纹区域附近的涡流密度被选择性调制，而非裂纹区域的涡流密度几乎不随时间变化；热像仪记录多个调制周期的数据，然后进行频域分析检测裂纹。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：产生按照设定调制频率旋转的周期性电磁激励具体是：采用两组励磁线圈，二者在试样表面检测区域的励磁方向彼此垂直，两组线圈中通过频率相同、相位相同的高频励磁电流，但两个线圈励磁电流的幅度被频率相同、相位相差90度的正弦载波信号调制，用如下公式描述两组线圈中的励磁电流：

I₁(t)＝A₁·sin(2πf_mt)·sin(2πf_et)

上式中I₁和I₂分别为励磁方向互相垂直的两个励磁线圈中的电流，A₁和A₂为电流幅值，A₁和A₂的取值以使两组线圈在检测区域产生的感应涡流幅值一致为宜，f_m为调制频率，f_e为高频励磁频率，t为时间。