CN111398352B - 一种基于电磁热多物理场融合线圈的动态无损检测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于电磁热多物理场融合线圈的动态无损检测系统，通过传送带将被测试件传送至新型激励‑接收结构下方，且激励设备产生的交变激励电流通入缠绕线圈时，缠绕线圈产生交变磁场并被新型“L”形状开口磁轭导入被测试件，使被测试件内磁通不断变化，在其表面或内部感应出涡流，由焦耳热效应在被测试件中产生热量；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阻抗变化和热场分布异常，而被测试件表面的阻抗变化会导致接收线圈中电压值变化，被测试件表面的热场分布异常会导致温度分布变化，从而通过红外热像仪和计算机判断出缺陷的位置和大小信息，以此达到无损检测的目的。

Description

一种基于电磁热多物理场融合线圈的动态无损检测系统
技术领域
本发明属于无损检测技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于电磁热多物理场融合线圈的动态无损检测系统。
背景技术
无损检测技术以不改变被测物体固有特性为前提，应用物理方法，检测物体表面或内部是否存在缺陷，从而判断被测物体是否合格，进而评价其可靠性。它是控制产品质量、保证在役设备长期可靠运行的重要手段。涡流检测(Eddy Current Testing,ET)技术与涡流热成像检测(Eddy Current Thermography,ECT)技术是目前两种广泛应用针对导体材料的无损检测技术。二者虽同采用电流作为激励信号，但分别关注的物理场又有所不同。ET技术所关注的是被测物体上产生的电磁场变化，ECT技术所关注的是被测物体上产生的热场变化。
ET技术的原理如图1所示，由计算机控制，当激励设备产生的交变激励电流通入激励线圈时，激励线圈附近空间会产生交变磁场，使被测试件内磁通不断变化，在其表面或内部感应出涡流，并通过电磁感应在接收线圈端产生电压信号。当被测试件上存在缺陷时，会影响缺陷区域的涡流流动路径，最终导致被测试件表面阻抗发生变化。此时通过接收线圈记录被测试件表面阻抗变化引起的电压值变化，并将其通过数据采集卡采集、传输至计算机进行分析和处理，便可判断出缺陷的位置信息，达到无损检测的目的。
ECT技术的原理如图2所示，由计算机控制，当激励设备产生的交变激励电流通入激励线圈时，激励线圈附近空间会产生交变磁场，使被测试件内磁通不断变化，在其表面或内部感应出涡流，由焦耳热效应知在试件中会产生热量。当被测试件上存在缺陷时，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。被测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被测试件表面的红外辐射并转化成直观的温度分布图像，然后将温度图像信息传输至计算机进行分析和处理，便可判断出缺陷的位置和大小信息，达到无损检测的目的。
然而，它们在检测过程中存在各自的优劣势：ET技术检测效率高、速度快，但它分辨率低，无法很好的对缺陷进行直观成像；ECT技术分辨率、灵敏度高，但它检测效率低、单次可检测区域面积小，且易受到表面辐射率的影响。为了发挥其各自的优势并克服其各自的劣势，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，提供一种基于电磁热多物理场融合线圈的动态无损检测系统，通过在被测试件中感应出均匀的涡流场，利用接收线圈对电压信号及热像仪对温度进行采集，并相互补充，实现动态无损检测，可极大提高系统的检测能力和效率。
为实现上述发明目的，本发明一种基于电磁热多物理场融合线圈的动态无损检测系统，其特征在于，包括：
激励设备，用于产生交变的激励电流，并输入至激励-接收结构中的缠绕线圈；
传送带，被测试件放置在传送带上跟随其移动，使其通过激励-接收结构的下方中间区域；
激励-接收结构，包括一个新型“L”形状开口磁轭、一个缠绕线圈、四个接收线圈和一个3D打印固定器；
其中，所述新型“L”形状开口磁轭包含一个横梁、两个臂及两个爪，其中横梁与两臂在同一水平面上，两爪与此平面垂直；所述缠绕线圈套放置在新型“L”形状开口磁轭的横梁中间部位，匝数为2，横梁和缠绕线圈的几何中心轴重合；所述3D打印固定器套放在新型“L”形状开口磁轭的横梁与两臂上；所述四个接收线圈通过3D打印固定器固定分布在新型“L”形状开口磁轭的两爪底部四周；
红外热像仪，其镜头正对新型“L”形状开口磁轭的两爪下方的中间区域，用于实时记录被测试件表面热场信息，并输出表示热场分布信息的热图像序列给计算机；
数据采集卡，用于采集接收线圈所接收到的电压并记录于计算机中；
计算机，用于控制数据采集卡及红外热像仪的记录时间，以及根据应用场合来设定激励设备的输出电流、激励时间及传送带的传送速度，最后对红外热像仪输出的热图像序列和对数据采集卡输出的电压信号进行分析、处理，得到被测试件中的缺陷信息；
动态无损检测系统进行动态无损检测时，先将被测试件放于传送带上，再将新型激励-接收结构放置于被测试件待经过路径上方，然后打开计算机、红外热像仪、数据采集卡和激励设备，最后打开传送带；当传送带将被测试件传送至新型激励-接收结构下方，且激励设备产生的交变激励电流通入缠绕线圈时，缠绕线圈产生交变磁场并被新型“L”形状开口磁轭导入被测试件，使被测试件内磁通不断变化，在其表面或内部感应出涡流，由焦耳热效应在被测试件中产生热量；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阻抗变化和热场分布异常，而被测试件表面的阻抗变化会导致接收线圈中电压值变化，被测试件表面的热场分布异常会导致温度分布变化，通过数据采集卡和红外热像仪记录接收线圈电压值的变化和被测试件表面温度分布的变化，并将电压信号和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，以此达到无损检测的目的。
本发明的发明目的是这样实现的：
本发明基于电磁热多物理场融合线圈的动态无损检测系统，通过传送带将被测试件传送至新型激励-接收结构下方，且激励设备产生的交变激励电流通入缠绕线圈时，缠绕线圈产生交变磁场并被新型“L”形状开口磁轭导入被测试件，使被测试件内磁通不断变化，在其表面或内部感应出涡流，由焦耳热效应在被测试件中产生热量；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阻抗变化和热场分布异常，而被测试件表面的阻抗变化会导致接收线圈中电压值变化，被测试件表面的热场分布异常会导致温度分布变化，通过数据采集卡和红外热像仪记录接收线圈电压值的变化和被测试件表面温度分布的变化，并将电压信号和温度图像信息传输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，以此达到无损检测的目的。
同时，本发明基于电磁热多物理场融合线圈的动态无损检测系统还具有以下有益效果：
(1)、在现有技术的基础上，对产生交变磁场的线圈进行改进，对ET和ECT两种技术进行融合，即采用多物理场融合的线圈结构设计，这是由于：要结合ET技术和ECT技术的优势，并补足它们的劣势。即：ECT技术有较高的直观分辨率，但是受到表面辐射或杂质的干扰容易产生误判，ET分辨率低但可补充判别检测异常区域是否为杂质，减少误判。
(2)、两种物理场的融合检测可提高系统的检测能力，减少漏检，同时减小激励功率，以解决传统ECT技术所需大功率激励导致的系统体积过大等问题。
附图说明
图1是传统ET技术无损检测系统原理图；
图2是传统ECT技术无损检测系统原理图；
图3是本发明基于电磁热多物理场融合线圈的动态无损检测系统原理图；
图4是新型激励-接收结构三视图及立体图；
图5是新型激励-接收结构检测平板型试件示意图；
图6是被测试件实物图；
图7是新型激励-接收结构实物图；
图8是平板型试件检测结果图。
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是本发明基于电磁热多物理场融合线圈的动态无损检测系统原理图。
在本实施例中，如图3所示，本发明一种基于电磁热多物理场融合线圈的动态无损检测系统，包括：
激励设备，用于产生交变的激励电流，并输入至激励-接收结构中的缠绕线圈；
传送带，被测试件放置在传送带上跟随其移动，使其通过激励-接收结构的下方中间区域；
激励-接收结构，包括一个新型“L”形状开口磁轭、一个缠绕线圈、四个接收线圈和一个3D打印固定器；
其中，所述新型“L”形状开口磁轭包含一个横梁、两个臂及两个爪，其中横梁与两臂在同一水平面上，两爪与此平面垂直；所述缠绕线圈套放置在新型“L”形状开口磁轭的横梁中间部位，匝数为2，横梁和缠绕线圈的几何中心轴重合；所述3D打印固定器套放在新型“L”形状开口磁轭的横梁与两臂上；所述四个接收线圈通过3D打印固定器固定分布在新型“L”形状开口磁轭的两爪底部四周；
红外热像仪，其镜头正对新型“L”形状开口磁轭的两爪下方的中间区域，用于实时记录被测试件表面热场信息，并输出表示热场分布信息的热图像序列给计算机；
数据采集卡，用于采集接收线圈所接收到的电压并记录于计算机中；
计算机，用于控制数据采集卡及红外热像仪的记录时间，以及根据应用场合来设定激励设备的输出电流、激励时间来及传送带的传送速度，最后对红外热像仪输出的热图像序列和对数据采集卡输出的电压信号进行分析、处理，得到被测试件中的缺陷信息；
动态无损检测系统进行动态无损检测时，先将被测试件放于传送带上，再将新型激励-接收结构放置于被测试件待经过路径上方，然后打开计算机、红外热像仪、数据采集卡和激励设备，最后打开传送带；当传送带将被测试件传送至新型激励-接收结构下方，且激励设备产生的交变激励电流通入缠绕线圈时，缠绕线圈产生交变磁场并被新型“L”形状开口磁轭导入被测试件，使被测试件内磁通不断变化，在其表面或内部感应出涡流，由焦耳热效应在被测试件中产生热量；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阻抗变化和热场分布异常，而被测试件表面的阻抗变化会导致接收线圈中电压值变化，被测试件表面的热场分布异常会导致温度分布变化，通过数据采集卡和红外热像仪记录接收线圈电压值的变化和被测试件表面温度分布的变化，并将电压信号和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，以此达到无损检测的目的。
如图4所示为新型激励-接收结构的三视图及立体图。新型激励-接收结构检测装置由一个新型“L”形状开口磁轭、一个缠绕线圈、四个接收线圈和一个3D打印固定器构成。新型“L”形状开口磁轭包含横梁、两臂及两爪，其中横梁与两臂在同一水平面上，且两爪与此平面垂直，磁轭为轴对称结构，磁轭由铁氧体材质粘接而成。缠绕线圈为空心黄铜管，匝数为2。缠绕线圈套放于所述新型“L”形状开口磁轭中间部位，二者(磁轭横梁和缠绕线圈)中心轴重合。3D打印固定器套放于所述新型“L”形状开口磁轭横梁及两臂上，其作用是固定所述四个接收线圈使其不掉落。四个接收线圈分布在所述的新型“L”形状开口磁轭两爪底部四周，其作用是接收由于被测试件表面阻抗变化所引起的电压信号变化，并传输给数据采集卡。
在本实施例中，新型激励-接收结构中各部尺寸及相对位置均已标注在图4(a)、(b)、(c)和(d)中。
如图5所示为新型激励-接收结构检测平板型试件示意图，被测平板型试件放置于传送带上，新型激励-接收结构放置于被测试件待经过路径上方。当被测平板型试件移动至所述新型激励-接收结构正下方时，结构底部与平板型试件上表面垂直距离(提离)为2mm。
本发明电磁热多物理场融合线圈结构的动态无损检测系统具体的工作过程如下：
由计算机控制数据采集卡及红外热像仪的记录时间，根据应用场合来设定激励设备的输出电流、激励时间来及传送带的传送速度。具体而言，激励过程中需保证被测试件上有一定的电磁场变化、温度变化，通过数据采集卡对四个接收线圈在试件被激励前，被激励中和被激励后等全部过程进行电压信号采集；通过红外热像仪对试件被激励前、被激励中和被激励后等全部过程进行温度视频记录。在本实施例中，先控制数据采集卡开始采集和红外热像仪开始记录，延迟1s后再控制激励设备开始激励和传送带开始传送，针对不同试件，激励设备电流设置为20A或100A，激励时间设置为6s，传送带传送速度设置为50mm/s，数据采集卡总采集时间为10s，红外热像仪总记录时间为10s。
如图5所示为新型激励-接收结构检测平板型试件示意图。图中被测试件为带有一条人工裂纹的平板型试件，材质为45#钢，传送带传送速度为50mm/s，方向在图中标注。如图6所示为被检试件实物图，其中，图6(a)为带有人工裂纹的平板试件，材质为45#钢，试件尺寸为140mm×60mm×10mm，四条人工裂纹长度均为8mm，宽度均为1mm，深度从裂纹1～4依次分别为5.5mm、6mm、6.5mm和7mm，缺陷相对位置在图中标注。图6(b)为带有自然应力腐蚀裂纹的平板试件，材质为不锈钢，试件尺寸为200mm×100mm×20mm，缺陷长度约6mm，宽度约0.2mm，深度不详，缺陷位于试件亚表面处，无法用肉眼直接观察。
如图7所示为新型激励-接收结构实物图，各部位置均在图中标注。设置激励电流为20A，激励频率为180kHz，激励时间为6s，传送带速度为50mm/s。得到带有人工裂纹的平板试件ECT检测结果如图8(a)所示，ET检测结果如图8(b)所示，裂纹区域均在图中标注。设置激励电流为100A，激励频率为180kHz，激励时间为6s，传送带速度为50mm/s。得到带有自然裂纹的平板试件ECT检测结果如图8(c)所示、ET检测结果如图8(d)所示，裂纹区域在图中标注。可以看出，有裂纹处温度和电压值与无裂纹处明显不同，且温度图中缺陷轮廓清晰。说明对上述两种试件都具有良好的检测效果。
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)

1.一种基于电磁热多物理场融合线圈的动态无损检测系统，其特征在于，包括：
激励设备，用于产生交变的激励电流，并输入至激励-接收结构中的缠绕线圈；
传送带，被测试件放置在传送带上跟随其移动，使其通过激励-接收结构的下方中间区域；
激励-接收结构，包括一个“L”形状开口磁轭、一个缠绕线圈、四个接收线圈和一个3D打印固定器；
其中，所述“L”形状开口磁轭包含一个横梁、两个臂及两个爪，其中横梁与两臂在同一水平面上，两爪与此平面垂直；所述缠绕线圈套放置在“L”形状开口磁轭的横梁中间部位，匝数为2，横梁和缠绕线圈的几何中心轴重合；所述3D打印固定器套放在“L”形状开口磁轭的横梁与两臂上；所述四个接收线圈通过3D打印固定器固定分布在“L”形状开口磁轭的两爪底部四周；
红外热像仪，其镜头正对“L”形状开口磁轭的两爪下方的中间区域，用于实时记录被测试件表面热场信息，并输出表示热场分布信息的热图像序列给计算机；
数据采集卡，用于采集接收线圈所接收到的电压并记录于计算机中；
计算机，用于控制数据采集卡及红外热像仪的记录时间，以及根据应用场合来设定激励设备的输出电流、激励时间及传送带的传送速度，最后对红外热像仪输出的热图像序列和对数据采集卡输出的电压信号进行分析、处理，得到被测试件中的缺陷信息；
动态无损检测系统进行动态无损检测时，先将被测试件放于传送带上，再将激励-接收结构放置于被测试件待经过路径上方，然后打开计算机、红外热像仪、数据采集卡和激励设备，最后打开传送带；当传送带将被测试件传送至激励-接收结构下方，且激励设备产生的交变激励电流通入缠绕线圈时，缠绕线圈产生交变磁场并被“L”形状开口磁轭导入被测试件，使被测试件内磁通不断变化，在其表面或内部感应出涡流，由焦耳热效应在被测试件中产生热量；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阻抗变化和热场分布异常，而被测试件表面的阻抗变化会导致接收线圈中电压值变化，被测试件表面的热场分布异常会导致温度分布变化，通过数据采集卡和红外热像仪记录接收线圈电压值的变化和被测试件表面温度分布的变化，并将电压信号和温度图像信息传输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，以此达到无损检测的目的；
其中，所述“L”形状开口磁轭为轴对称结构，磁轭由铁氧体材质粘接而成；所述缠绕线圈由空心黄铜管绕制制成。
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