CN111122655A - 基于电脉冲加热的红外热像无损检测试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于电脉冲加热的红外热像无损检测试验方法，包括以下步骤：步骤S1：确定试件厚度、缺陷深度和施加电压作为与试件温度相关的试验因素；步骤S2：制作具有不同试件厚度、不同缺陷深度的试件；步骤S3：设计正交试验，以试件温度作为试验指标，依据设计的正交试验，采用不同大小的施加电压，对不同试件厚度、不同缺陷深度的试件进行基于电脉冲加热的红外热像无损检测试验，确定三个试验因素对试验指标的影响大小。该试验方法有利于对电脉冲红外热像无损检测结果的影响因素进行分析。
Description
技术领域
本发明属于脉冲红外热像无损检测技术领域，具体涉及一种基于电脉冲加热的红外热像无损检测试验方法。
背景技术
压力容器的缺陷严重影响着化工设备的安全运行和使用寿命，对于缺陷的检测通常采用磁粉检测、超声检测及红外热像检测。对于红外热像检测，最新提出了一种电脉冲红外热像检测方法，但该方法对于试验结果产生影响的因素、因素对结果影响的大小程度等还不明确。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于电脉冲加热的红外热像无损检测试验方法，该试验方法有利于对电脉冲红外热像无损检测结果的影响因素进行分析。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于电脉冲加热的红外热像无损检测试验方法，包括以下步骤：
步骤S1：确定试件厚度、缺陷深度和施加电压作为与试件温度相关的试验因素；
步骤S2：制作具有不同试件厚度、不同缺陷深度的试件；
步骤S3：设计正交试验，以试件温度作为试验指标，依据设计的正交试验，采用不同大小的施加电压，对不同试件厚度、不同缺陷深度的试件进行基于电脉冲加热的红外热像无损检测试验，确定三个试验因素对试验指标的影响大小。
进一步地，对试件施加脉冲电流后，试件上一点的温度的计算公式为：
式中，T(z)为试件上一点的温度，2h为试件厚度，j 0 为电流密度，σ为试件的电导率，λ为试件的热传导系数，a为缺陷深度，δ为坐标扰动值，(x, y)为该点的坐标；
由此确定试件厚度、施加电压大小、缺陷深度作为与试件缺陷处温度相关的试验因素。
进一步地，所述步骤S2中，所述试件包括试验段和设于试验段左、右两端的两个连接部，所述连接部的宽度大于试验段，两个连接部分别经过渡段与试验段两端连接为一体，两个连接部上均开设有用于固定试件的固定孔，所述试验段一侧表面正中间沿试件宽度方向开设有裂纹缺陷。
进一步地，不同试件厚度、不同缺陷深度的试件的制作方法为：
步骤S21：准备不同厚度的金属板；
步骤S22：应用线切割方法按设计好的形状和尺寸加工金属板，得到初步试件；在初步试件两端开孔，以便于施加电压；
步骤S23：应用电火花加工方法在初步试件中间分别加工不同深度的缺陷，得到不同的试样。
进一步地，所述金属板为304不锈钢板，厚度分别为2mm、3mm、4mm；不同缺陷深度分别为0.2mm、0.6mm、1mm。
进一步地，所述步骤S3中，按如下方法设计正交试验：
步骤S31：确定试验指标、试验因素及水平个数：所述试验指标为试件温度，所述试件温度包括缺陷处与附近区域的温差以及缺陷处的最高温度；所述试验因素包括试件厚度、缺陷深度和施加电压，各试验因素的水平数均为3个；
步骤S32：对各试验因素水平进行具体设计；
步骤S33：根据上述设计结果设计相应的正交表为L9（33），需完成9次正交试验；
步骤S34：依次分析各个试验因素对试验指标的影响大小，确定各个试验因素的主次顺序；
步骤S35：对正交试验结果进行分析，选出各个试验因素的最优水平。
进一步地，所述试件厚度水平分别为2mm、3mm、4mm；所述缺陷深度水平分别为0.2mm、0.6mm、1mm；所述施加电压水平分别为3KV、5KV、8KV。
进一步地，所述步骤S34的具体方法为：通过极差分析法确定各个试验因素对试验指标影响的主次顺序，极差R j 的计算公式为：
R j =max i {k ij }-min i {k ij }
式中，k ij 为第j列对应的水平i的试验结果之和；极差R j 的大小表示该试验因素对试验结果影响的大小，极差的值越大说明该试验因素对试验结果的影响越大；将极差的值从大到小排序，确定各试验因素对试验结果影响大小的主次顺序，即反映了各试验因素对试验结果的重要程度。
进一步地，所述步骤S35的具体方法为：对于一个试验因素，假设其水平1的影响反映在1、2、3号试验中，水平2的影响反映在4、5、6号试验中，水平3的影响反映在7、8、9号试验中，则水平1、2、3的试验指标求和结果为：
K1=y1+y2+y3
K2=y4+y5+y6
K3=y7+y8+y9
式中，Km为该试验因素的第m个水平，yi为第i组试验的试验结果；根据K1、K2、K3的大小判断3个水平对试验指标的影响大小，Km越大，说明该水平对试验结果的影响越大。
进一步地，所述步骤S3中，进行基于电脉冲加热的红外热像无损检测试验的试验装置包括电脉冲激励方法、试件、红外热像仪和计算机，所述试件上加工有裂纹缺陷，所述电脉冲激励方法与所述试件电性连接，以给试件通入电流，所述红外热像仪的探测方向正对所述试件，以检测试件表面温度场分布，所述红外热像仪与计算机电性连接，以将生成的红外热像图发送给计算机进行分析；所述试件未开设有裂纹的那一侧表面正对所述红外热像仪，以通过检测未加工有裂纹的试件表面温度变化来模拟埋藏裂纹的检测。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：提供了一种基于电脉冲加热的红外热像无损检测试验方法，该试验方法分析确定了脉冲红外热像无损检测结果的影响因素，并基于设计的试件结构，通过正交试验确定各个试验因素对检测结果影响的主次顺序和最优水平，对电脉冲红外热像无损检测技术的研究和实际应用具有很强的实际意义。
附图说明
图1是本发明实施例的方法实现流程图。
图2是本发明实施例的方法所采用的试验装置示意图。
图3是本发明实施例中试件的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明提供一种基于电脉冲加热的红外热像无损检测试验方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤S1：确定试件厚度、缺陷深度和施加电压作为与试件温度相关的试验因素。
对试件施加脉冲电流后，试件上一点的温度的计算公式为：
式中，T(z)为试件上一点的温度，2h为试件厚度，j 0 为电流密度，σ为试件的电导率，λ为试件的热传导系数，a为缺陷深度，δ为坐标扰动值，(x, y)为该点的坐标。当试样存在缺陷时，相比于试样其他区域，缺陷处温度会显著提高。
由此确定试件厚度、施加电压大小、缺陷深度作为与试件缺陷处温度相关的试验因素。
步骤S2：制作具有不同试件厚度、不同缺陷深度的试件。
如图3所示，所述试件2包括试验段21和设于试验段左、右两端的两个连接部22。所述连接部的宽度大于试验段，两个连接部分别经过渡段23与试验段两端连接为一体，所述过渡段的两侧边为平滑过渡曲线，以与试验段的侧边连接。两个连接部上均开设有用于固定试件的固定孔24。所述试验段一侧表面正中间沿试件宽度方向开设有裂纹缺陷25，所述裂纹缺陷贯穿宽度方向，但不贯穿深度方向。
不同试件厚度、不同缺陷深度的试件的制作方法为：
步骤S21：准备不同厚度的金属板。
步骤S22：应用线切割方法按设计好的形状和尺寸加工金属板，得到初步试件；在初步试件两端开孔，以便于施加电压。
步骤S23：应用电火花加工方法在初步试件中间分别加工不同深度的缺陷，得到不同的试样。
步骤S3：设计正交试验，以试件温度作为试验指标，依据设计的正交试验，采用不同大小的施加电压，对不同试件厚度、不同缺陷深度的试件进行基于电脉冲加热的红外热像无损检测试验，确定三个试验因素对试验指标的影响大小。
在本实施例中，所述金属板为304不锈钢板，厚度分别为2mm、3mm、4mm。试件的总长度为100mm，试验段的长度为20mm，宽度为10mm，连接部的长度为30mm，宽度为26mm，过渡段的两侧边为半径16mm的圆弧曲线，固定孔为直径8mm的圆孔。缺陷的宽度均为0.2mm，不同缺陷深度分别为0.2mm、0.6mm、1mm。
所述步骤S3中，按如下方法设计正交试验：
步骤S31：确定试验指标、试验因素及水平个数：所述试验指标为试件温度，所述试件温度包括缺陷处与附近区域的温差以及缺陷处的最高温度。所述试验因素包括试件厚度、缺陷深度和施加电压，各试验因素的水平数均为3个。
步骤S32：对各试验因素水平进行具体设计。具体地，所述试件厚度水平分别为2mm、3mm、4mm；所述缺陷深度水平分别为0.2mm、0.6mm、1mm；所述施加电压水平分别为3KV、5KV、8KV。各试验因素水平如表1所示。
表1 试验因素水平表
步骤S33：根据上述设计结果设计相应的正交表为L9（33），需完成9次正交试验。
步骤S34：依次分析各个试验因素对试验指标的影响大小，确定各个试验因素的主次顺序。其具体方法为：通过极差分析法确定各个试验因素对试验指标影响的主次顺序，极差R j 的计算公式为：
R j =max i {k ij }-min i {k ij }
式中，k ij 为第j列对应的水平i的试验结果之和；极差R j 的大小表示该试验因素对试验结果影响的大小，极差的值越大说明该试验因素对试验结果的影响越大；将极差的值从大到小排序，确定各试验因素对试验结果影响大小的主次顺序，即反映了各试验因素对试验结果的重要程度。
步骤S35：对正交试验结果进行分析，选出各个试验因素的最优水平。其具体方法为：对于一个试验因素（以试件厚度为例），如表2所示，其水平1的影响反映在1、2、3号试验中，水平2的影响反映在4、5、6号试验中，水平3的影响反映在7、8、9号试验中，则水平1、2、3的试验指标求和结果为：
K1=y1+y2+y3
K2=y4+y5+y6
K3=y7+y8+y9
式中，Km为该试验因素的第m个水平，yi为第i组试验的试验结果；根据K1、K2、K3的大小判断3个水平对试验指标的影响大小，Km越大，说明该水平对试验结果的影响越大。
表2 正交试验表
同理，计算并确定其他试验因素的最优水平。
所述步骤S3中，进行基于电脉冲加热的红外热像无损检测试验的试验装置，如图2所示，包括电脉冲激励装置1、试件2、红外热像仪3和计算机4，所述试件上加工有裂纹缺陷，所述电脉冲激励装置与所述试件电性连接，以给试件通入电流，所述红外热像仪的探测方向正对所述试件，以检测试件表面温度场分布，所述红外热像仪与计算机电性连接，以将生成的红外热像图发送给计算机进行分析。所述试件未开设有裂纹缺陷的那一侧表面正对所述红外热像仪，以通过检测未加工有裂纹缺陷的试件表面温度变化来模拟埋藏裂纹的检测。这里需要说明的是，图1中试件与红外热像仪的相对位置关系并不是两者真实的相对位置关系，只是为了说明本装置的组成，而做的示意表示。
在本实施例中，所述电脉冲激励装置为高压电源。本装置所采用的高压电源为泰思曼 TD2202系列高压电源。TD2202系列高压电源是一款高性能数字化可编程高压电源，采用数字化的控制方式，可实现多种控制设定，纳秒级的拉弧瞬变响应能力确保电源无故障运行，效率可达 90％以上。该系列产品功能齐全，输出范围宽，还可通过软件加入需要的自定义功能。
红外热像仪是利用红外探测器和光学成像物镜接受被测目标的红外辐射能量分布图形反映到红外探测器的光敏元件上，从而获得红外热像图，这种热像图与物体表面的热分布场相对应。在本实施例中，装置使用的是德国欧普士Optris PI200红外热像仪。PI200红外热像仪是USB接口的摄像式热成像仪，双光路技术，实时同步可见光成像记录，结合了便携式红外热像仪和在线安装式的优点，主要应用于研发、材料分析和故障检修等方面，其突出的热灵敏性可以显示被检测对象的温度细节。
计算机上安装有与红外热像仪适配的图像处理系统。在本实施例中，图像处理系统采用的是Optris PIX connect软件系统，该系统是专为上述红外热像仪配套使用的图像处理系统，用于对红外热像仪记录的图像进行数据分析，主要功能包括记录试验对象温度变化过程，读取和导出热像图中任意点的温度等。
本方法试验时，利用电脉冲激励装置产生高压脉冲电流，将脉冲电流通入试件中，电流在试件的裂纹处产生集中和绕流，形成电磁热效应和欧姆效应，在非导电的裂纹附近，电能转化成热能，从而使缺陷处温度升高，与试件的其他区域形成温度差。然后利用红外热像仪对其进行实时检测，获取被测的试件的表面温度场分布。最后，通过计算机分析红外热像图，即可分析基于电脉冲加热的红外热像无损检测对于不同深度的埋藏裂纹的检测效果，以及不同大小的脉冲电压对于埋藏裂纹的检测效果。试验结果表明，本方法可以有效检测出试件中的埋藏裂纹。裂纹深度与试件厚度之比越大越容易被检出。此外，电脉冲激励装置的脉冲电压越大，裂纹尖端处的温度越高，检测效果也越明显。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于电脉冲加热的红外热像无损检测试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：确定试件厚度、缺陷深度和施加电压作为与试件温度相关的试验因素；
步骤S2：制作具有不同试件厚度、不同缺陷深度的试件；
步骤S3：设计正交试验，以试件温度作为试验指标，依据设计的正交试验，采用不同大小的施加电压，对不同试件厚度、不同缺陷深度的试件进行基于电脉冲加热的红外热像无损检测试验，确定三个试验因素对试验指标的影响大小。
2.根据权利要求1所述的基于电脉冲加热的红外热像无损检测试验方法，其特征在于，对试件施加脉冲电流后，试件上一点的温度的计算公式为：
式中，T(z)为试件上一点的温度，2h为试件厚度，j 0 为电流密度，σ为试件的电导率，λ为试件的热传导系数，a为缺陷深度，δ为坐标扰动值，(x, y)为该点的坐标；
由此确定试件厚度、施加电压大小、缺陷深度作为与试件缺陷处温度相关的试验因素。
3.根据权利要求1所述的基于电脉冲加热的红外热像无损检测试验方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述试件包括试验段和设于试验段左、右两端的两个连接部，所述连接部的宽度大于试验段，两个连接部分别经过渡段与试验段两端连接为一体，两个连接部上均开设有用于固定试件的固定孔，所述试验段一侧表面正中间沿试件宽度方向开设有裂纹缺陷。
4.根据权利要求3所述的基于电脉冲加热的红外热像无损检测试验方法，其特征在于，不同试件厚度、不同缺陷深度的试件的制作方法为：
步骤S21：准备不同厚度的金属板；
步骤S22：应用线切割方法按设计好的形状和尺寸加工金属板，得到初步试件；在初步试件两端开孔，以便于施加电压；
步骤S23：应用电火花加工方法在初步试件中间分别加工不同深度的缺陷，得到不同的试样。
5.根据权利要求4所述的基于电脉冲加热的红外热像无损检测试验方法，其特征在于，所述金属板为304不锈钢板，厚度分别为2mm、3mm、4mm；不同缺陷深度分别为0.2mm、0.6mm、1mm。
6.根据权利要求1所述的基于电脉冲加热的红外热像无损检测试验方法，其特征在于，所述步骤S3中，按如下方法设计正交试验：
步骤S31：确定试验指标、试验因素及水平个数：所述试验指标为试件温度，所述试件温度包括缺陷处与附近区域的温差以及缺陷处的最高温度；所述试验因素包括试件厚度、缺陷深度和施加电压，各试验因素的水平数均为3个；
步骤S32：对各试验因素水平进行具体设计；
步骤S33：根据上述设计结果设计相应的正交表为L9（33），需完成9次正交试验；
步骤S34：依次分析各个试验因素对试验指标的影响大小，确定各个试验因素的主次顺序；
步骤S35：对正交试验结果进行分析，选出各个试验因素的最优水平。
7.根据权利要求6所述的基于电脉冲加热的红外热像无损检测试验方法，其特征在于，所述试件厚度水平分别为2mm、3mm、4mm；所述缺陷深度水平分别为0.2mm、0.6mm、1mm；所述施加电压水平分别为3KV、5KV、8KV。
8.根据权利要求6所述的基于电脉冲加热的红外热像无损检测试验方法，其特征在于，所述步骤S34的具体方法为：通过极差分析法确定各个试验因素对试验指标影响的主次顺序，极差R j 的计算公式为：
R j =max i {k ij }-min i {k ij }
式中，k ij 为第j列对应的水平i的试验结果之和；极差R j 的大小表示该试验因素对试验结果影响的大小，极差的值越大说明该试验因素对试验结果的影响越大；将极差的值从大到小排序，确定各试验因素对试验结果影响大小的主次顺序，即反映了各试验因素对试验结果的重要程度。
9.根据权利要求6所述的基于电脉冲加热的红外热像无损检测试验方法，其特征在于，所述步骤S35的具体方法为：对于一个试验因素，假设其水平1的影响反映在1、2、3号试验中，水平2的影响反映在4、5、6号试验中，水平3的影响反映在7、8、9号试验中，则水平1、2、3的试验指标求和结果为：
K1=y1+y2+y3
K2=y4+y5+y6
K3=y7+y8+y9
式中，Km为该试验因素的第m个水平，yi为第i组试验的试验结果；根据K1、K2、K3的大小判断3个水平对试验指标的影响大小，Km越大，说明该水平对试验结果的影响越大。
10.根据权利要求1所述的基于电脉冲加热的红外热像无损检测试验方法，其特征在于，所述步骤S3中，进行基于电脉冲加热的红外热像无损检测试验的试验装置包括电脉冲激励方法、试件、红外热像仪和计算机，所述试件上加工有裂纹缺陷，所述电脉冲激励方法与所述试件电性连接，以给试件通入电流，所述红外热像仪的探测方向正对所述试件，以检测试件表面温度场分布，所述红外热像仪与计算机电性连接，以将生成的红外热像图发送给计算机进行分析；所述试件未开设有裂纹的那一侧表面正对所述红外热像仪，以通过检测未加工有裂纹的试件表面温度变化来模拟埋藏裂纹的检测。
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Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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-
2020
- 2020-03-05 CN CN202010147973.3A patent/CN111122655A/zh active Pending
Patent Citations (6)
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
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