渦流熱成像檢測(cè)中聚磁裝置對(duì)激勵(lì)性能的改善作用

金哲卿，侯德鑫，李運(yùn)堂，葉樹亮

(1.中國計(jì)量學(xué)院工業(yè)與商貿(mào)計(jì)量技術(shù)研究所，浙江杭州 310018; 2.中國計(jì)量學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，浙江杭州 310018)

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渦流熱成像檢測(cè)中聚磁裝置對(duì)激勵(lì)性能的改善作用

金哲卿1，侯德鑫1，李運(yùn)堂2，葉樹亮1

(1.中國計(jì)量學(xué)院工業(yè)與商貿(mào)計(jì)量技術(shù)研究所，浙江杭州 310018; 2.中國計(jì)量學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，浙江杭州 310018)

渦流熱成像檢測(cè)的信噪比依賴于激勵(lì)強(qiáng)度和激勵(lì)均勻性?，F(xiàn)有研究中激勵(lì)環(huán)節(jié)多采取商品化感應(yīng)加熱電源和水冷銅管繞制線圈的方式，具有能量傳遞效率低、激勵(lì)均勻性差、線圈遮擋熱像儀視場(chǎng)、對(duì)線圈高度敏感等缺點(diǎn)。文中將聚磁裝置引入渦流熱成像系統(tǒng)，由纏繞在U磁芯上的磁力線施加激勵(lì)，通過有限元仿真分析其對(duì)激勵(lì)性能的改善作用。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證有聚磁裝置的激勵(lì)比無聚磁裝置的激勵(lì)具有更高的能量傳遞效率，更佳的均勻性，加熱功率受提離距離的影響小，能更好地實(shí)現(xiàn)金屬表面缺陷的檢測(cè)。

渦流熱成像；感應(yīng)加熱；激勵(lì)性能；聚磁；無損檢測(cè)

0 引言

渦流熱成像檢測(cè)是渦流和主動(dòng)熱成像兩種技術(shù)的結(jié)合，相比常規(guī)無損檢測(cè)具有非接觸、空間分辨力高、單次檢測(cè)面積大、檢測(cè)結(jié)果直觀等優(yōu)點(diǎn)，相比采用閃光燈、超聲、激光、熱風(fēng)等激勵(lì)方式的主動(dòng)熱成像技術(shù)具有加熱效率高、易于控制等優(yōu)點(diǎn)，因此特別適合金屬材料表面及近表面缺陷檢測(cè)[1-3]。目前渦流熱成像檢測(cè)技術(shù)相關(guān)研究主要集中在各種情況下有缺陷試樣的加熱模型[4-7]熱圖像分析算法[8]以及該技術(shù)的應(yīng)用[9-10]方面，對(duì)激勵(lì)過程中的能量傳遞關(guān)注較少。渦流熱成像檢測(cè)系統(tǒng)包括熱激勵(lì)、熱成像和熱圖像分析三部分，大多數(shù)研究者在熱激勵(lì)部分直接集成商品化感應(yīng)加熱電源，但這種電源并不能很好的滿足渦流熱成像檢測(cè)需求，導(dǎo)致熱激勵(lì)環(huán)節(jié)存在能量傳遞效率低、均勻性差等問題。本文分析現(xiàn)有熱激勵(lì)方式的不足，設(shè)定渦流熱成像檢測(cè)系統(tǒng)中激勵(lì)性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)，并據(jù)此對(duì)渦流熱成像檢測(cè)系統(tǒng)中引入聚磁裝置后的性能變化從仿真和實(shí)驗(yàn)兩方面進(jìn)行評(píng)估。

1 激勵(lì)單元設(shè)計(jì)

1.1 渦流熱成像檢測(cè)系統(tǒng)

渦流熱成像檢測(cè)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，感應(yīng)加熱電源向勵(lì)磁線圈輸入高頻電流，使線圈附近的金屬試樣表面產(chǎn)生感應(yīng)渦流，試樣表面缺陷會(huì)直接改變渦流密度分布而影響溫度，試樣深處的缺陷則通過阻礙熱傳遞過程影響溫度。熱像儀動(dòng)態(tài)記錄感應(yīng)加熱引起的試樣表面溫度空間分布和時(shí)間變化，通過分析算法即可提取缺陷特征。

圖1 脈沖渦流熱成像系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

1.2 常規(guī)激勵(lì)單元結(jié)構(gòu)

現(xiàn)有研究多直接采用商品化感應(yīng)加熱電源，由水冷銅管繞制線圈并直接置于試樣上方或者纏繞在試樣周圍進(jìn)行激勵(lì)，這種激勵(lì)方式中電磁場(chǎng)主要通過空氣進(jìn)行耦合，因此帶來很多問題。第一，其激勵(lì)的均勻性受線圈間距、線圈高度等因素影響，而水冷銅管繞制時(shí)難以保證各段彼此平行、導(dǎo)線與試樣表面平行且保持在固定高度，因此激勵(lì)的均勻性難以保證；第二，為了提高均勻性，線圈應(yīng)當(dāng)提離試樣表面一段距離，這會(huì)導(dǎo)致能量傳遞效率迅速降低，使電源工作時(shí)實(shí)際輸出功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到其額定功率；第三，水冷銅管直徑通常在4～6 mm，若加上絕緣保護(hù)套則更粗，由于線圈必須靠近試樣表面，因此會(huì)對(duì)熱像儀形成嚴(yán)重遮擋，導(dǎo)致每次只能檢測(cè)線圈間隙中的10來mm寬狹小區(qū)域；第四，對(duì)提離距離比較敏感，當(dāng)線圈距試樣表面高度變化時(shí)，激勵(lì)均勻性、能量傳遞效率等性能迅速下降；第五，通常需要配套水泵、水箱等裝置，因此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大，不適合做成便攜式檢測(cè)設(shè)備。

1.3 引入聚磁裝置的激勵(lì)單元結(jié)構(gòu)

在感應(yīng)加熱領(lǐng)域通常利用聚磁裝置來提高加熱效率[9]，本文將這種方法應(yīng)用到渦流熱成像檢測(cè)中，改進(jìn)后的激勵(lì)單元結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 采用聚磁裝置的勵(lì)磁單元結(jié)構(gòu)

相比常規(guī)渦流熱成像檢測(cè)系統(tǒng)方案，這種結(jié)構(gòu)中電磁場(chǎng)主要通過高磁導(dǎo)率磁芯耦合到試樣，直接好處包括讓導(dǎo)線遠(yuǎn)離試樣表面而減少對(duì)熱像儀視場(chǎng)的遮擋，增加檢測(cè)區(qū)域面積；可以去掉水泵和水箱等設(shè)備，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)捷。同時(shí)這種結(jié)構(gòu)也會(huì)對(duì)激勵(lì)效果帶來多方面影響。

1.4 激勵(lì)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

根據(jù)渦流熱成像檢測(cè)缺陷的基本原理和應(yīng)用需求，本文從能量傳遞效率(Heat Efficiency，HE)、激勵(lì)不均勻性(Heat Non-Uniformity，HNU)、提離距離影響等三方面對(duì)激勵(lì)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

激勵(lì)單元承擔(dān)能量傳遞的任務(wù)，實(shí)際系統(tǒng)中能量被傳遞到3個(gè)目標(biāo)： 線圈損耗(包括電源內(nèi)部損耗)、試樣檢測(cè)區(qū)域、試樣無關(guān)區(qū)域(比如因?yàn)檎趽醵鵁o法觀測(cè)的區(qū)域)。顯然只有傳遞到試樣檢測(cè)區(qū)域的能量是有意義的，傳遞到無關(guān)區(qū)域的能量被浪費(fèi)掉，而線圈損耗會(huì)引起線圈發(fā)熱，影響系統(tǒng)正常工作，常規(guī)激勵(lì)單元中采用水冷銅管就是為了給線圈散熱。因?yàn)閭鬟f到無關(guān)區(qū)域的能量沒有意義但也沒有太大危害，本文定義能量傳遞效率如下：

(1)

式中：PD為檢測(cè)區(qū)域加熱功率；PC為線圈損耗功率。

激勵(lì)不均勻?qū)u流熱成像檢測(cè)的影響是增加固定模式噪聲[11]，本文利用加熱功率密度梯度來定義其不均勻性：

(2)

式中：J表示檢測(cè)區(qū)域中某點(diǎn)加熱功率密度；grad()·表示求梯度，最大值計(jì)算對(duì)整個(gè)檢測(cè)區(qū)域進(jìn)行。

考慮到檢測(cè)區(qū)域通常較小，本文計(jì)算式(2)中梯度時(shí)距離以mm為單位。

提離距離的影響表現(xiàn)在兩方面：改變能量傳遞效率和改變激勵(lì)均勻性。因此本文用二者對(duì)提離距離的導(dǎo)數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)：

(3)

(4)

式中ΔD表示提離距離變化。

2 激勵(lì)性能仿真分析

為便于對(duì)比無聚磁和有聚磁裝置時(shí)的激勵(lì)性能，本文只考慮檢測(cè)對(duì)象為大塊金屬試樣的情形，勵(lì)磁探頭都懸置于試樣上方。

2.1 無聚磁裝置

在ANSYS中建立圖3所示模型，其z向尺度為1 mm，通過耦合z向兩端電位來模擬z向無限長(zhǎng)導(dǎo)線和試樣。模型幾何參數(shù)如表1所示，銅管和試樣電阻率分別為1.7×10-8Ω·m和1×10-7Ω·m，二者相對(duì)磁導(dǎo)率分別為1和200，銅管兩端施加頻率100 kHz、幅值1 V的交變電壓。該模型中檢測(cè)區(qū)域?yàn)槠叫袑?dǎo)線中間無遮擋的10 mm寬區(qū)域，由于實(shí)際線圈在轉(zhuǎn)彎和引線位置激勵(lì)很不均勻，無法作為有效檢測(cè)區(qū)域，因此評(píng)估的HE指標(biāo)會(huì)偏大。

圖3 無聚磁裝置仿真模型(未顯示空氣區(qū)域)

mm

能量傳遞效率仿真結(jié)果如圖4所示，激勵(lì)不均勻性如圖5所示，有以下規(guī)律：

(1)HE和HNU指標(biāo)都與線圈高度密切相關(guān)；

(2)最佳高度時(shí)HNU指標(biāo)在1.9%左右，但隨著線圈高度下降，HNU指標(biāo)急劇惡化；仿真中提離距離在5～10 mm范圍GNU均值為2%·mm-1；

(3)仿真中提離距離在5～15 mm范圍內(nèi)的GE均值為2.8%·mm-1；線圈高度5 mm時(shí)HE指標(biāo)有最大值70.4%，此時(shí)HNU指標(biāo)已經(jīng)下降到11.7%。

值得指出以上是理想情況下的仿真結(jié)果，實(shí)際中線圈加工誤差、操作誤差等會(huì)導(dǎo)致HNU指標(biāo)顯著下降，仿真結(jié)果如下：

圖4 無聚磁裝置時(shí)不同線圈高度的能量傳遞效率

圖5 無聚磁裝置時(shí)不同線圈高度的激勵(lì)不均勻性

2.2 有聚磁裝置

建立有聚磁裝置時(shí)探頭和試樣的1/2模型如圖6所示，磁芯提離試樣一段距離，模型幾何參數(shù)如表2所示。導(dǎo)線、磁芯和試樣的材料參數(shù)均與無聚磁模型中一致，激勵(lì)頻率也是100 kHz，繞組中總電流400 A匝。該模型中檢測(cè)區(qū)域設(shè)定為磁芯兩極之間40mm×40mm大小區(qū)域(參見圖7)，檢測(cè)區(qū)域和磁極間設(shè)置5 mm間隙，可以保證檢測(cè)區(qū)域的激勵(lì)均勻性，但是會(huì)引起能量傳遞效率的降低。

圖6 有聚磁裝置仿真模型(未顯示空氣區(qū)域)

有聚磁模型幾何參數(shù)如下，磁芯：L=50 mm，H1=40 mm，H2=60 mm，D=20 mm，W=40 mm，線圈繞組長(zhǎng)40 mm，厚2 mm；試樣參數(shù)為FL=110 mm，F(xiàn)W=80 mm，厚 1mm。

圖7 有聚磁裝置時(shí)的檢測(cè)區(qū)域

能量傳遞效率仿真結(jié)果如圖8所示，激勵(lì)不均勻性如圖9所示，有以下規(guī)律：

(1)HE指標(biāo)與提離距離關(guān)系很?。?～5 mm范圍內(nèi)GE均值僅0.55%·mm-1；HNU隨提離距離有一定變化，1～5 mm范圍GNU均值僅0.58%·mm-1；相比無聚磁情形，提離距離的影響都大幅降低；

(2)HE指標(biāo)全部在80%以上，而無聚磁時(shí)該指標(biāo)在40%～70%之間，有明顯改善；

(3)HNU指標(biāo)在4.7%～8.7%之間，雖然比無聚磁時(shí)的最佳數(shù)據(jù)1.9%差，但未出現(xiàn)無聚磁時(shí)11.7%的不佳數(shù)據(jù)。

圖8 有聚磁裝置時(shí)不同提離距離的能量傳遞效率

圖9 有聚磁裝置時(shí)不同提離距離的激勵(lì)不均勻性

3 激勵(lì)性能實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置和方法

無聚磁裝置的實(shí)驗(yàn)基于金崍機(jī)電的JL-5 kW感應(yīng)加熱電源進(jìn)行，其額定功率5 kW。感應(yīng)線圈采用直徑5 mm、壁厚0.5 mm的銅管繞制，線圈形狀如圖10(a)所示，其中電流同向的兩根相鄰導(dǎo)線中心間距為15 mm，檢測(cè)區(qū)域?yàn)閳D中方框標(biāo)識(shí)的10 mm×40 mm區(qū)域。實(shí)驗(yàn)時(shí)實(shí)測(cè)激勵(lì)頻率130 kHz。試樣為100 mm×100 mm×10 mm的304號(hào)鋼。

圖10 有無聚磁裝置時(shí)的激勵(lì)線圈實(shí)物圖

有聚磁裝置的實(shí)驗(yàn)基于自制的高頻電源進(jìn)行，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖11所示。整流環(huán)節(jié)集成2 kW恒壓源，實(shí)際工作電壓(50 V)?；贗RFP260N的MOSFET功率開關(guān)構(gòu)建的全橋逆變電路，驅(qū)動(dòng)電路基于ADUM7234實(shí)現(xiàn)，逆變電路通過變壓器進(jìn)行阻抗匹配后接到負(fù)載，負(fù)載為勵(lì)磁線圈和16.5nF電容構(gòu)成的串聯(lián)諧振電路，控制電路基于DSP和CPLD實(shí)現(xiàn)。30匝勵(lì)磁線圈纏繞在U型磁芯上，磁芯材質(zhì)為錳鋅鐵氧體，探頭結(jié)構(gòu)如圖10(b)所示，檢測(cè)區(qū)域?yàn)閳D中方框指標(biāo)的30 mm×30 mm區(qū)域。實(shí)驗(yàn)時(shí)自動(dòng)進(jìn)行頻率跟蹤，實(shí)測(cè)激勵(lì)頻率為116 kHz。

圖11 自制高頻電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)中無法獲取式(11)～式(4)所需的加熱功率(密度)數(shù)據(jù)，難以對(duì)各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算。但考慮到忽略輻射和對(duì)流熱損失時(shí)加熱功率和溫度之間的近似比例關(guān)系，可以用溫度替代加熱功率密度來對(duì)性能進(jìn)行評(píng)估。本文根據(jù)兩種勵(lì)磁裝置引起的檢測(cè)區(qū)域溫升曲線來評(píng)估能量傳遞效率，根據(jù)短時(shí)加熱后的溫度分布均勻性來評(píng)估激勵(lì)均勻性。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.2.1 提離高度影響實(shí)驗(yàn)

利用U型激勵(lì)線圈與平行雙導(dǎo)線分別對(duì)304號(hào)鋼無缺陷處進(jìn)行0.5s的加熱，測(cè)得電源輸出功率如下表所示：

表2 不同提離距離下電源輸出功率

分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知有聚磁裝置的情況下單位電源輸出功率在單位面積的檢測(cè)對(duì)象上產(chǎn)生的溫升大于無聚餐裝置(熱像儀采集的數(shù)據(jù)與溫度間存在線性關(guān)系在此代替溫度進(jìn)行計(jì)算)，有聚磁裝置時(shí)能量傳遞效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于無聚磁裝置時(shí)。

測(cè)得不同提離距離下檢測(cè)區(qū)域內(nèi)平均溫度的升溫曲線如圖12、圖13所示：

圖12 有磁裝置時(shí)不同提離距離下檢測(cè)區(qū)域內(nèi)升溫曲線

圖13 無聚磁裝置時(shí)不同提離距離下檢測(cè)區(qū)域內(nèi)升溫曲線

觀察圖12、圖13可知實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果一致，提離距離對(duì)有聚磁裝置的加熱功率影響不大，而對(duì)無聚磁裝置時(shí)加熱功率有很大的影響。

3.2.2 加熱均勻性實(shí)驗(yàn)

式(2)利用加熱功率密度梯度來定義其不均勻性，由于實(shí)際實(shí)驗(yàn)中無法測(cè)量功率密度，而溫升與其具有線性比例關(guān)系，故利用熱像儀采集的溫度數(shù)據(jù)來代替。

(5)

式中：ΔT表示檢測(cè)區(qū)域中某點(diǎn)熱像儀采集到的溫升數(shù)據(jù)。

其中無聚磁裝置時(shí)計(jì)算得到的最大HNU值為14.78%，有聚磁裝置時(shí)最大HNU值為6.98%，可見加上聚餐裝置后激勵(lì)的均勻性有改善。

3.2.3 裂紋檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

在304號(hào)剛表面制作寬0.5 mm長(zhǎng)度30 mm深度2 mm的缺陷，利用U型聚磁裝置分別檢測(cè)磁場(chǎng)方向與裂紋方向平行與垂直時(shí)缺陷處的熱成像圖如圖14所示。

可以看出當(dāng)磁場(chǎng)方向垂直于裂紋方向時(shí)，裂紋兩側(cè)發(fā)熱，當(dāng)磁場(chǎng)方向平行于裂紋時(shí)，裂紋尖端發(fā)熱，具有聚磁裝置的感應(yīng)加熱裝置能有效的實(shí)現(xiàn)金屬表面裂紋的檢測(cè)。

4 結(jié)論

針對(duì)渦流熱成像檢測(cè)中商品化激勵(lì)存在的不足，提出了基于U型聚餐線圈的整套激勵(lì)裝置，經(jīng)過仿真與實(shí)驗(yàn)可得：

(1)與無聚磁裝置時(shí)相比提離距離對(duì)加熱功率的影響更小，具有更大的能量傳遞效率；

(2)能夠提高激勵(lì)的均勻性；

(3)能夠增大檢測(cè)區(qū)域面積；

(4)能夠更好的實(shí)現(xiàn)檢測(cè)對(duì)象表面裂紋的檢測(cè)。

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Improvement of Stimulation Performance by Magnetic Gathering Device in Eddy Current Thermography Detecting

JIN Zhe-qing1,HOU De-xin1,LI Yun-tang2,YE Shu-liang1

(1.Institute of Industry and Trade Measurement Technique,China Jiliang University,Hangzhou 310018,China; 2.College of Mechanical and Electrical Engineering，China Jiliang University,Hangzhou 310018,China)

The SNR of eddy current thermal imaging detection depends on the strength of incentive and the uniformity of excitation.The existing studies frequently focus on the measure of commercialization induction heating power supply with water-cooled copper coil winding way,which has shortcomings such as low efficiency of energy transfer,poor incentive uniformity,coil occlusion thermal imager field of view and highly sensitive to the coils.This article took the magnetism gathering device into eddy current imaging system,energized it by the magnetic field lines wound on the U magnetic core and analyzed the improvement on the incentive through finite element simulation.The experiments show that the excitation with magnetism gathering device has higher energy transfer efficiency and better uniformity,and the heating power with a small influence of lift-off distance,which can successfully detect the metal surface defects.

eddy current thermal imaging；induction heating；excitation performance；magnetism gathering；NDT

國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)(2013YQ470767)

2014-09-15 收修改稿日期：2015-02-13

TP212

A

1002-1841(2015)07-0086-04

金哲卿(1989—)，碩士，主要研究領(lǐng)域?yàn)楦袘?yīng)加熱電源。E-mail：1208521010@cjlu.edu.cn 葉樹亮(1973—)，博士，主要研究領(lǐng)域?yàn)榛ぎa(chǎn)品安全測(cè)試技術(shù)與儀器、工業(yè)零部件缺陷檢測(cè)技術(shù)與設(shè)備。E-mail：itmt_paper@126.com