CN109324085B - 基于新型高效开口磁轭线圈结构的感应热像无损检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于新型高效开口磁轭线圈结构的感应热像无损检测系统，通过采用新型高效磁轭线圈代替传统的直导线线圈或圆形线圈，这样使被测试件在任意方向上的辐射强度与观测方向相对于辐射表面法线夹角的余弦成正比，即被测试件在辐射表面法线方向的辐射最强，且在被测试件中感应出均匀的涡流场，为红外热像仪采集被测试件中热场信息提供了视野。

Description

基于新型高效开口磁轭线圈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，涉及一种基于新型高效开口磁轭线圈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得到广泛的应用。

ECPT检测技术原理：由计算机控制，通过同步控制模块同时打开电磁激励源和红外热像仪，当功率发生器产生的交变激励电流通入线圈时，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，由焦耳热效应在试件中会产生热量。当试件存在缺陷时，会影响缺陷区域的涡流行径和热的扩散，最终导致试件表面缺陷区域热场分布异常。试件表面的热场变化会导致试件表面红外辐射能量的差异，通过红外热像仪记录试件表面的红外辐射并转化成可见的温度图像，将温度图像信息传输至计算机进行分析和处理，便可以判断出缺陷的位置和大小信息，达到无损检测的目的。

目前感应热像无损检测系统所采用的线圈结构包括直导线线圈、圆形线圈等，其结构特征如图1和图2所示。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、红外热像仪对试件表面被检测区域热场的采集会受线圈遮挡、单次可检测区域面积小、检测效率低等。同时，现有技术在针对具有复杂几何结构的试件检测时，由于感应加热存在边缘效应和邻近效应，会对缺陷检测带来负面影响。为了取得良好的检测效果，现有系统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，提供一种基于新型高效开口磁轭线圈结构的感应热像无损检测系统，在被测试件中感应出更加均匀的涡流场，为红外热像仪采集试件中热场信息提供了视野，提高了系统检测范围，且有效的提高了热图中缺陷区域与非缺陷区域的温度对比度，极大提高了系统的检测能力和效率。

为实现上述发明目的，本发明为一种基于新型高效开口磁轭线圈结构的感应热像无损检测系统，包括：

功率发生器，用于产生交变激励电流，并通入激励线圈；

红外热像仪，用于采集被测试件的热图像序列并发送给计算机；

同步控制器，用于控制功率发生器和红外热像仪的有序运行，使红外热像仪对被测试件的加热前、加热及传播、冷却全过程进行自动采集、定时和同步；

计算机，用于对红外热像仪输出的热图像序列进行分析和处理，得到导体试件中的缺陷信息；

同步控制器分别与功率发生器、红外热像仪的外部触发端口及计算机接口相连，根据计算机设置的参数，产生功率发生器和红外热像仪的同步控制脉冲信号；

其特征在于，还包括：

新型高效磁轭线圈，包括一个新型磁轭和一个线圈；

所述的新型磁轭包括横梁、两臂及两极，其中，横梁与两臂在同一水平面上，两极与此平面垂直；

所述的线圈套放在新型磁轭横梁的中间部位，磁轭横梁和线圈的中心轴重合；

系统进行感应热像无损检测时，先在线圈内部通循环冷却水，再将被测试件放置在新型磁轭两极下方，被检部位放置于新型磁轭两极下方中间区域，红外热像仪镜头正对新型磁轭两极下方中间区域，然后打开计算机、红外热像仪、功率发生器和同步控制器；

计算机发送控制信号至同步控制器，同步控制器有序的触发红外热像仪记录热图像，以及触发功率发生器产生激励信号；当红外热像仪被触发时，红外热像仪记录捕捉到的热图像序列；当功率发生器被触发时，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新型高效磁轭线圈，此时，新型高效磁轭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，然后根据电磁感应原理，在被测试件的表面或内部感应出涡流，又根据焦耳定律，在被测试件中产生焦耳热，随着检测过程进行，热量会在被测试件中进行扩散，当被测试件存在缺陷时，会影响缺陷区域的涡流行径和热的扩散，最终导致被测试件表面缺陷区域热场分布异常，最后，红外热像仪记录检测过程中试件表面温度分布的信息，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，并上传至计算机进行分析和处理，从而判断出缺陷的位置和大小信息，达到无损检测的目的。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明基于新型高效开口磁轭线圈结构的感应热像无损检测系统，通过采用新型高效磁轭线圈代替传统的直导线线圈或圆形线圈，这样使被测试件在任意方向上的辐射强度与观测方向相对于辐射表面法线夹角的余弦成正比，即被测试件在辐射表面法线方向的辐射最强，且在被测试件中感应出均匀的涡流场，为红外热像仪采集被测试件中热场信息提供了视野。

同时，本发明基于新型高效开口磁轭线圈结构的感应热像无损检测系统还具有以下有益效果：

(1)、本发明采用的新型高效磁轭线圈使磁轭两极之间的整个区域的涡流比较均匀，对于非平板型试件如螺栓、铆钉、齿轮等具有复杂几何结构的试件具有较好的检测效果，增大了检测的灵敏度。

(2)、本发明采用的磁轭线圈使磁轭中间区域的涡流大大增强，可以有效提高热图中缺陷区域与非缺陷区域的温度对比度。

(3)、本发明新型高效磁轭线圈结构克服了现有系统线圈遮挡红外热像仪视野的不足，提高了系统的检测效率。

附图说明

图1是直导线线圈示意图；

图2是圆形线圈示意图；

图3是本发明基于新型高效磁轭线圈结构的感应热像无损检测系统原理图；

图4是新型高效磁轭线圈的三视图及立体图；

图5是新型高效磁轭线圈结构检测平板型试件的模型图；

图6是新型高效磁轭线圈结构检测具有复杂几何结构试件的模型图；

图7是被检试件模型图；

图8是试件检测结果图；

图9是各类线圈在试件上感应的涡流分布图；

图10是对含有自然微小裂纹的螺栓的检测示意图。

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3是本发明基于新型高效磁轭线圈结构的感应热像无损检测系统原理图。

在本实施例中，如图3所示，本发明一种基于新型高效磁轭线圈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、计算机、同步控制器和新型高效磁轭线圈。

其中，同步控制器分别与功率发生器、红外热像仪的外部触发端口及计算机接口相连，根据计算机设置的参数，产生功率发生器和红外热像仪的同步控制脉冲信号；

功率发生器用于产生交变激励电流，并通入激励线圈；红外热像仪用于采集被测试件的热图像序列并发送给计算机；同步控制器，用于控制功率发生器和红外热像仪的有序运行，使红外热像仪对被测试件的加热前、加热及传播、冷却全过程进行自动采集、定时和同步；计算机用于对红外热像仪输出的热图像序列进行分析和处理，得到导体试件中的缺陷信息；

在本实施例中，新型高效磁轭线圈由一个新型磁轭和一个线圈组成。新型高效磁轭线圈的三视图及立体图分别如4(a)、(b)、(c)、(d)所示。如图4(d)所示，新型磁轭结构包含横梁、两臂及两极，其中，横梁与两臂在同一水平面上，两极与此平面垂直，磁轭为轴对称结构。磁轭材质为铁氧体。线圈材质为黄铜，可以绕制成多匝螺旋形线圈。如图4(c)所示，线圈套放在新型磁轭横梁中间部位，磁轭横梁和线圈的中心轴重合。

如图4(a)、(b)所示，新型磁轭和线圈规格可依应用场合一定程度上可灵活选取。在本实施例中，新型高效磁轭线圈检测装置的磁轭横梁尺寸为10mm×15mm×40mm，磁轭两臂中单臂尺寸为25m×15mm×10mm，磁轭两极中每一极尺寸为35mm×15mm×10mm。封闭式螺旋型激励线圈内径为2mm，外径为12mm，匝数为两匝，轴向节距为6mm。

如图5所示，被测平板型试件放置在新型磁轭两极下方，被检部位放置于新型磁轭两极下方中间区域。新型高效磁轭线圈两极距试件表面的距离可依应用场合选取，提离距离大会导致漏磁增加，系统功率输出效率降低，进而影响检测效果，推荐提离距离小于5mm。

若被测试件为小型试件或具有复杂几何结构，如螺栓、铆钉、齿轮等，将被测试件或被检部位放置于新型磁轭两极之间的区域。如图6所示，螺栓放置于新型高效磁轭线圈两极之间的区域。

红外热像仪镜头正对新型磁轭两极之间的区域。这是由于被测试件在任意方向上的辐射强度与观测方向相对于辐射表面法线夹角的余弦成正比，即被测试件在辐射表面法线方向的辐射最强。

系统工作过程中螺旋形线圈内部通循环冷却水，确保线圈在激励过程中不会发热严重，避免线圈自身产生的热量对试件表面温度及环境温度产生不利影响。需注意，为突出新型高效磁轭线圈结构的特征，图中未画出螺旋式线圈的接口抽头。

下面我们对本发明基于新型高效磁轭线圈结构的感应热像无损检测系统具体的工作过程进行具体描述：

计算机发送控制信号至同步控制器，通过同步控制器有序打开功率发生器和红外热像仪，可依应用场合控制功率发生器的输出电流、激励时间及红外热像仪的记录试件。具体而言，激励过程中需保证试件上有足够的温升，且通过红外热像仪对被测试件的加热前、加热、热传播、冷却等全部过程进行红外视频采集。在本实施例中，先控制红外热像仪记录，延迟1s后再控制功率发生器开始激励，功率发生器电流设置为350A，激励时间设置为300ms，红外热像仪总记录时间为10s。

系统开始工作，当功率发生器产生的交变激励电流通入线圈时，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，由焦耳热效应在试件中会产生热量。当试件存在缺陷时，会影响缺陷区域的涡流行径和热的扩散，最终导致试件表面缺陷区域热场分布异常。试件表面的热场变化会导致试件表面红外辐射能量的差异，通过红外热像仪记录试件表面的红外辐射并转化成可见的温度图像，将温度图像信息传输至计算机进行分析和处理，判断出缺陷的位置和大小信息，达到无损检测的目的。

采用基于有限元法的多物理场建模与仿真软件COMSOL Multiphysics，建立检测系统三维模型如图5、图6所示。其中，图5检测试件为平板型试件，试件尺寸为90mm×70mm×10mm。图6检测试件为具有复杂几何结构的试件，试件表面为曲面。被测试件材质选择为45#钢。如图7为被测试件示意图，其中，图7(a)为平板型试件，平板型试件中存在缺陷，缺陷尺寸为5mm×0.2mm×0.3mm，缺陷位于试件表面中间。图7(b)为复杂几何结构试件，复杂结构试件中存在高为0.5mm，半径为0.5mm的类柱形缺陷，缺陷在试件表面上。

设置激励电流为300A，激励频率为150kHz，激励时间为0.2秒。得到平板试件检测结果如图8(a)所示，可以清晰看到缺陷处温度比非缺陷处温度更高，且缺陷轮廓清晰。如图8(b)所示为复杂几何结构的试件检测结果，只有缺陷处为高温区，试件根部的人工缺陷被检测到。以上结果表明本发明基于新型高效磁轭线圈结构的感应热像无损检测系统能够检测到试件上的缺陷，对于具有复杂几何结构的试件也具有较好的检测效果。

使用基于新型高效磁轭线圈结构的感应热像无损检测系统检测螺栓根部的自然微小裂纹，检测装置示意图如图10(a)所示，红外热像仪镜头正对新型磁轭中间区域，将被测螺栓根部放置于新型磁轭两极之间的区域，螺栓被检部位在红外热像仪视野中，且被检试件表面法线方向为红外热像仪镜头的方向。被测螺栓如图10(b)所示，可知试件表面不规则且自然裂纹位于螺栓根部，自然裂纹开口不规则其最小宽度小于100um。如图10(c)为检测结果图，由图中可以清晰的看到螺栓根部自然微裂纹处为高温聚集区，由温度的分布图便识别出了自然微裂纹的位置和形态，达到了很好的检测效果。

根据各类线圈的形态和各类线圈在试件中感应的涡流分布可以判断出各类线圈的适用范围，以平板45#钢人工裂纹和螺栓根部自然裂纹为例，各类线圈的检测适用性如下表所示，其中‘√’表示可以检出，‘×’表示不能被检出。结果如表1所示：

表1

由表1可见，基于新型高效磁轭线圈结构的装置可以检出螺栓根部自然裂纹。新型高效磁轭线圈结构产生的涡流分布如图9(c)所示，涡流主要集中在新型磁轭两极之间的区域，且此区域法线方向为红外热像仪观测方向，在此方向上试件的辐射强度最大，红外热像仪检测到的信号最强。且新型高效磁轭线圈结构产生的涡流方向垂直于螺栓根部自然裂纹方向，螺栓根部自然裂纹处会呈现高温，结果如图10(c)所示，自然裂纹轮廓清晰可见。

传统线圈装置无法对于此类具有复杂几何结构的试件进行检测，直导线线圈产生的涡流分布如图9(a)所示，由图可知，产生的涡流方向与线圈电流方向相反，形态与直导线线圈形态一直，即涡流集中在线圈正下方，试件上的点离线圈横向距离增加时，涡流密度成指数衰减，而螺栓根部自然裂纹环绕螺栓根部表面，使用直导线进行检测，一方面线圈遮挡了视野导致无法检测，另一方面直导线在螺栓根部表面产生的涡流与裂纹方向一致，不会导致涡流产生畸变，从而无法在缺陷区域产生温度异常，达不到检测的目的。圆形线圈产生的涡流分布如图9(b)所示，涡流主要集中在圆形线圈下方区域，产生的涡流方向呈圆形与线圈形态一致，螺栓根部的自然裂纹方向与线圈产生的涡流方向一致，所以在裂纹区域无法产生温度异常，达不到检测的目的。

由图9(a)可以估算出直导线线圈检测装置在试件上激励出涡流的区域面积，其区域宽度与提离大小有关，长度等于直导线线圈的长度。由图9(b)可以估算出圆形线圈检测装置在试件上激励出涡流的区域面积，其区域为圆环形。由图9(c)可以估算出新型高效磁轭线圈结构检测装置在试件上激励出涡流的区域面积，其区域为矩形，宽度为新型磁轭两极之间的距离。

在本示例对比实验中，设置直导线线圈、圆形线圈和新型高效磁轭线圈结构与试件提离均为3mm，以保证一致。直导线线圈长度为40mm，可知激励面积为12mm*40mm＝480mm²。有效检测区域面积为激励区域面积减去其中被线圈遮挡的无法检测到的区域面积，被遮挡区域宽度为线圈直径6mm，长度为线圈长度，可知有效检测面积为240mm²。使用圆形线圈检测装置，圆形线圈圆环小直径为10mm，大直径为16mm，可知激励面积为(16²-6²)*πmm²＝691mm²，有效检测面积为201mm²。基于新型高效磁轭线圈结构的检测装置的激励面积为800mm²，且激励面积等于有效检测面积。

直导线线圈、圆形线圈和新型高效磁轭线圈的线圈激励面积，有效检测面积和效率计算结果如表2所示：

线圈类型	直导线线圈	圆形线圈	新型高效磁轭线圈
				线圈激励面积(S<sub>i</sub>)	480mm<sup>2</sup>	691mm<sup>2</sup>	800mm<sup>2</sup>
有效检测面积(S<sub>e</sub>)	240mm<sup>2</sup>	201mm<sup>2</sup>	800mm<sup>2</sup>
				效率(S<sub>e</sub>/S<sub>i</sub>)	50％	29％	100％

表2

由表2可见，基于新型高效磁轭线圈结构的检测系统效率最高，空间利用率最高，这是由于新型高效磁轭线圈结构在新型磁轭两极之间的区域激励较大的涡流，且涡流更加均匀，被测试件处在新型磁轭两极之间的区域，试件表面的辐射强度沿试件表面法线方向最大，红外热像仪采集到的信号强度最大。新型高效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感生出强度更大的涡流场，进而产生更大面积的较均匀涡流对试件进行加热，同时，新型高效磁轭线圈视野开阔，提高了感应热像系统的检测效率。

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)

1.一种基于新型高效开口磁轭线圈结构的感应热像无损检测系统，包括：

功率发生器，用于产生交变激励电流，并通入激励线圈；

红外热像仪，用于采集被测试件的热图像序列并发送给计算机；

同步控制器，用于控制功率发生器和红外热像仪的有序运行，使红外热像仪对被测试件的加热前、加热及传播、冷却全过程进行自动采集；

计算机，用于对红外热像仪输出的热图像序列进行分析和处理，得到导体试件中的缺陷信息；

同步控制器分别与功率发生器、红外热像仪的外部触发端口及计算机接口相连，根据计算机设置的参数，产生功率发生器和红外热像仪的同步控制脉冲信号；

其特征在于，还包括：

新型高效磁轭线圈，包括一个新型磁轭和一个线圈；

所述的新型磁轭包括横梁、两臂及两极，其中，横梁与两臂在同一水平面上，两臂平行相对设置，两臂的一端分别与横梁的两端垂直连接，两臂的另一端分别与每个极的一端垂直连接，两极与该水平面垂直且平行相对设置，线圈套放在新型磁轭横梁中间部位，磁轭横梁和线圈的中心轴重合；系统进行感应热像无损检测时，先在线圈内部通循环冷却水，再将被测试件放置在新型磁轭两极下方，被检部位放置于新型磁轭两极下方中间区域，红外热像仪镜头正对新型磁轭两极下方中间区域，这样，使被测试件在任意方向上的辐射强度与观测方向相对于辐射表面法线夹角的余弦成正比，即被测试件在辐射表面法线方向的辐射最强，且在被测试件中感应出均匀的涡流场，使得红外热像仪能够感应到被测试件的缺陷；

然后打开计算机、红外热像仪、功率发生器和同步控制器；

计算机发送控制信号至同步控制器，同步控制器有序的触发红外热像仪记录热图像，以及触发功率发生器产生激励信号；当红外热像仪被触发时，红外热像仪记录捕捉到的热图像序列；当功率发生器被触发时，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新型高效磁轭线圈，此时，新型高效磁轭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，然后根据电磁感应原理，在被测试件的表面或内部感应出涡流，又根据焦耳定律，在被测试件中产生焦耳热，随着检测过程进行，热量会在被测试件中进行扩散，当被测试件存在缺陷时，会影响缺陷区域的涡流行径和热的扩散，最终导致被测试件表面缺陷区域热场分布异常，最后，红外热像仪记录检测过程中试件表面温度分布的信息，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，并上传至计算机进行分析和处理，从而判断出缺陷的位置和大小信息，达到无损检测的目的；

其中，所述新型磁轭的材质为铁氧体；

其中，所述的线圈由黄铜绕制而成。

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