鐵磁材料表面裂紋的渦流熱成像檢測

閆會朋，楊正偉，田 干，明安波，張 煒

(火箭軍工程大學， 西安 710025)

鐵磁材料表面裂紋的渦流熱成像檢測

閆會朋，楊正偉，田 干，明安波，張 煒

(火箭軍工程大學， 西安 710025)

針對鐵磁材料表面裂紋缺陷，采用新型渦流熱成像方法進行了檢測。分析了感應渦流激勵引起裂紋處生熱的機理，設計了基于串聯(lián)諧振的渦流激勵裝置，構(gòu)建了高頻低功率激勵的渦流熱成像檢測試驗系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)對鐵磁材料試件進行了檢測。針對裂紋圖像序列存在的“橫向模糊”效應，采用高通濾波和銳化等方法對原始熱圖進行了增強處理，基于直方圖雙峰法、迭代法和數(shù)學形態(tài)學的分水嶺等方法對裂紋圖像進行了分割，實現(xiàn)了裂紋長度參數(shù)的定量識別。結(jié)果表明：渦流熱成像能夠快速、高效、直觀地檢測出鐵磁材料的裂紋缺陷，當裂紋長度為5 mm時，誤差不超過15%。

渦流熱成像；鐵磁材料；裂紋；激勵裝置

鐵磁材料是機械設備中常用的材料，在武器裝備、航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛應用[1]。由于高溫高壓等的作用，鐵磁材料表面或者內(nèi)部會產(chǎn)生不同程度的裂紋，嚴重威脅設備的使用安全[2]。因此，快速高效地檢測鐵磁材料的裂紋對提高設備可靠性、預防災難性事故的發(fā)生具有重要意義。

目前，對鐵磁材料表面裂紋檢測的方法有超聲檢測、射線檢測等，但在使用過程中，超聲檢測存在對操作人員要求較高、必須使用耦合劑等問題;而射線檢測存在對人體危害大、操作人員必須經(jīng)過專業(yè)培訓、檢測過程中必須使用相應防護裝置等問題[3-4]。因此，開展檢測鐵磁材料表面裂紋缺陷新方法的研究具有重要意義。渦流熱成像作為一種新興的將電磁感應加熱和紅外熱成像技術(shù)相結(jié)合的無損檢測方法，具有非接觸測量、靈敏度高、反應速度快、信號處理速度快、檢測面積大、檢測結(jié)果直觀準確等特點，受到國內(nèi)外學者的廣泛關(guān)注[5-6]。奧地利萊奧本大學(University of Leoben)對渦流脈沖熱成像檢測技術(shù)進行了研究，提出了鐵磁性材料表面加熱的半解析模型[7]。英國紐卡斯爾大學開發(fā)的渦流脈沖熱成像系統(tǒng)已成功應用到金屬材料裂紋的檢測、鋼結(jié)構(gòu)腐蝕的檢測中[8]。加拿大拉瓦勒大學(Laval University)研制了一套集成渦流無損檢測和渦流熱成像檢測技術(shù)的系統(tǒng)，并對鋁合金蜂窩結(jié)構(gòu)的缺陷進行了檢測[9]。德國MTU Aero Engines公司開發(fā)了一套渦流熱成像檢測系統(tǒng)，用于檢測金屬壓縮機葉片的表面裂紋[10]。國內(nèi)對渦流熱成像技術(shù)的研究基本處于起步階段，尤其多采用國外已成型的渦流激勵裝置[11-13]。因此，開展渦流激勵裝置的研發(fā)以及鐵磁材料裂紋的渦流熱成像試驗研究對于完善和發(fā)展國內(nèi)渦流熱成像技術(shù)具有重要意義。

筆者在深入分析渦流熱成像檢測原理的基礎上，構(gòu)建了渦流熱成像檢測試驗系統(tǒng)，并利用該系統(tǒng)對鐵磁材料表面裂紋進行了檢測，針對檢測過程中存在的“橫向模糊”等問題研究相關(guān)的處理方法，最終實現(xiàn)了定量檢測裂紋長度。

1 檢測原理

渦流熱成像檢測涉及渦流加熱、熱傳導和紅外輻射等多個物理過程，渦流熱成像基本原理如圖1所示。

圖1 渦流熱成像基本原理示意

1.1 渦流加熱過程

當激勵線圈中流過頻率為f的交變電流時，根據(jù)電磁感應定律，被檢材料內(nèi)部產(chǎn)生同頻率的感應渦流。該過程可采用麥克斯韋方程組描述，其微分形式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：H為磁場強度；E為電場強度；D為位移矢量；B為磁感應強度；J為電流密度；ρ為電荷密度；t為時間。

渦流密度隨著深度呈負指數(shù)規(guī)律快速衰減，當達到一定深度時，渦流密度衰減到表面渦流密度值的1/e，這一深度被稱為集膚深度，可表示為：

(5)

式中：f為激勵電流頻率；σ為材料的電導率，S·m-1；μ為材料的磁導率，H·m-1。

根據(jù)焦耳定律可知，部分渦流在材料內(nèi)部由電能轉(zhuǎn)化為熱量，且產(chǎn)生的熱量Q正比于渦流密度Js和電流密度E：

(6)

1.2 熱傳導過程

產(chǎn)生的焦耳熱Q在材料內(nèi)部傳播，傳播規(guī)律遵循下式：

(7)

式中：ρ、Cp、k分別為材料的密度、熱容量和熱導率；T為溫度。

由焦耳熱產(chǎn)生的熱量將會以熱波的形式在被檢材料中傳播一定距離，該熱波透入深度為：

(8)

式中：α為熱擴散系數(shù)；t為觀測時間。

α可以表示為ρ、Cp、k的函數(shù)，即：

(9)

1.3 紅外輻射過程

由斯忒藩-玻爾茲曼定律可知，黑體表面每單位時間輻射的能量正比于黑體的熱力學溫度，即：

(10)

式中:σSB為斯忒藩-玻爾茲曼常數(shù);T為熱力學溫度。

將斯忒藩-玻爾茲曼定律應用于實際物體，則式(10)可轉(zhuǎn)化為:

(11)

式中：ε為發(fā)射率,是實際物體同溫度黑體輻射性能之比。

由此可知，凡是溫度高于熱力學零度的物體都會自發(fā)地向外產(chǎn)生紅外熱輻射。

綜上所述，渦流激勵產(chǎn)生的熱量在材料內(nèi)部傳遞，紅外熱輻射過程受到材料屬性的影響，當材料中存在缺陷時，材料局部區(qū)域?qū)傩园l(fā)生變化，導致該部分溫度發(fā)生異常，從而導致熱輻射能量不同，因此通過觀察熱像儀采集到的溫度場異常區(qū)域，便可準確判斷缺陷的位置。

2 試驗方案

2.1 試驗系統(tǒng)的設計

渦流熱成像檢測系統(tǒng)如圖2所示。其硬件部分主要包括一臺高性能計算機、一臺高分辨率紅外熱像儀、加熱控制模塊和電源等。其軟件部分主要包括系統(tǒng)控制軟件、圖像處理軟件等。

圖2 渦流熱成像系統(tǒng)原理示意

該系統(tǒng)采用德國InfraTec公司生產(chǎn)的Vhr非制冷型紅外熱像儀，其具有較高的圖像分辨率、精確的溫度測量能力和高穩(wěn)定性。其光譜響應范圍為7.4～14 μm，可提供640×480像素高分辨率圖像，在30 ℃時，熱靈敏度達到0.04 ℃。具有較大的測溫范圍(-40～+1 200 ℃)，可手動、自動或步進調(diào)焦，調(diào)焦范圍從約0.3 m至無限遠。

圖3 加熱模塊原理及實物外觀

試驗采用自行設計的加熱模塊，其原理及實物如圖3所示。從圖3可以看出，電路板主要由MCU微處理器、四個驅(qū)動模塊、四個MOS開關(guān)管組成。微處理器和驅(qū)動模塊組成加熱模塊的激勵頻率控制部分，MOS開關(guān)管連接功率電池構(gòu)成加熱模塊的功率控制部分。外接220 V交流電壓，經(jīng)整流濾波為激勵頻率控制部分提供12 V直流電。功率電池為功率控制部分提供48 V直流電。通過兩根動力輸出導線，加熱模塊為感應線圈提供頻率為400 kHz的高頻交流電，加熱功率約為30 W。渦流熱成像試驗系統(tǒng)實物如圖4所示。

圖4 渦流熱成像試驗系統(tǒng)

2.2 試件制作 試件為鐵磁性合金鋼材料，長150 mm，寬25 mm，厚8 mm，缺陷呈長條形，長度為5 mm，寬度為2 mm，深度為2 mm，為人工仿造自然裂紋，位于試件中心表面。試件參數(shù)為：電導率4.031 9×105S·m-1;相對磁導率2 000；溫度系數(shù)1.23×10-5；密度7 850 kg·m-3;比熱475 J·kg-1·K-1;熱傳導系數(shù)44.5 W·m-1·K-1。圖5為鐵磁材料試件實物結(jié)構(gòu)示意。

圖5 加熱試件實物及結(jié)構(gòu)示意

2.3 裂紋檢測 試驗中激勵頻率設為400 kHz，功率設為30 W。熱像儀采樣頻率設置為50 Hz，采樣時間為10 s。

首先進行熱像儀的溫度標定和設置，根據(jù)被測試件的熱傳導特性和多次試驗選定合適的試驗條件;然后電磁感應激勵裝置給線圈加載激勵電流，對試件表面進行加熱，同時紅外熱像儀實時記錄表面溫度場，最后計算機軟件對實時圖像信號進行處理，在計算機上得到試件的紅外熱圖序列。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 紅外熱圖的分析

感應線圈在導體材料表面或內(nèi)部感應出渦流，當渦流遇到裂紋缺陷時，由于裂紋處的空氣區(qū)域磁導率低、磁阻高，導致磁力線在經(jīng)過裂紋時變向繞過缺陷，渦流在缺陷處聚集。根據(jù)焦耳定律，導體產(chǎn)生的熱量不均勻分布，缺陷處的溫度相對非缺陷處較高。開始時溫度差不明顯，隨時間延長，溫度差逐漸增大，缺陷特征更加明顯。在熱圖中呈現(xiàn)亮色的區(qū)域為溫度相對較高的區(qū)域，即為缺陷表面。圖6為試件原始熱波序列示意。

圖6 試件不同時間原始熱波序列示意

圖7 提取位置及裂紋附近線溫分布曲線

為更好地對試驗結(jié)果進行分析，現(xiàn)提取如圖7所示的部位在加熱3 s時的線溫(線溫是指提取同一時刻某一線段上的溫度分布)分布曲線以及如圖8所示的缺陷尖端a點、缺陷邊緣b點、非缺陷處c點的溫度隨加熱時間變化曲線。

圖8 提取位置及裂紋處與非裂紋處的溫度-時間曲線

從圖中可以看出：① 裂紋尖端處溫度高于裂紋邊緣和其他非缺陷區(qū)域，這是因為磁力線繞過裂紋時渦流主要在尖端處聚集；② 該過程包括渦流熱效應和熱傳導效應，開始加熱主要依靠渦流熱效應，隨著時間的增加，渦流在缺陷處聚集，缺陷逐漸顯現(xiàn)，隨著熱傳導影響的逐漸增大，試件內(nèi)部逐漸達到熱平衡，溫度差逐漸降低，最終缺陷特征無法分辨出來；③ 線圈周圍溫度明顯高于其他非缺陷區(qū)域，對缺陷的檢測產(chǎn)生干擾，這是因為越靠近線圈邊界處，磁通量越大，因此在進行線圈的設計時，線圈匝數(shù)不宜過多，且應放置在合適位置，避免對缺陷的檢測產(chǎn)生嚴重干擾。

3.2 紅外熱圖的增強

由于外部環(huán)境、渦流加熱的不均勻性、加熱過程存在“橫向模糊”效應以及設備本身結(jié)構(gòu)、功能的影響，在計算機上采集到的紅外熱像原始序列圖具有對比度低、噪聲高等特點，為此，依次通過濾波、銳化增強等方法，對熱像圖的原始數(shù)據(jù)進行處理，從而提高檢測靈敏度，增強檢測鐵磁材料表面裂紋的能力。

圖9 紅外熱圖的圖像處理過程

圖9依次為紅外熱圖原圖、基于高通濾波增強處理后的圖像、基于銳化增強處理后的圖像?？梢?，經(jīng)過處理后的熱像圖的對比度得到明顯增強，背景噪聲得到了有效抑制，便于對裂紋的檢測識別。

3.3 基于分水嶺算法的紅外熱像圖分割

要定量裂紋，就必須把熱斑從周圍的環(huán)境中分割出來。目前較常采用的圖像分割方法包括基于直方圖雙峰法的圖像分割技術(shù)和基于迭代法的圖像分割技術(shù)等，這些方法對熱圖的處理效果往往受閾值選擇的影響很大，而基于數(shù)學形態(tài)學的分水嶺方法則可以有效避免這個缺點。因此主要探索分水嶺方法在紅外熱像圖分割中的應用。

分水嶺方法是基于拓撲理論的形態(tài)學的分割方法，將熱圖中的灰度值f(x,y)對應地形高度圖，其中高灰度值對應山峰，低灰度值對應山谷，則分水嶺即為輸入圖像的極大值點。分水嶺形成如圖 10所示，兩個低洼處為吸水盆地，陰影部分為積水，水平面的高度相當于閾值，隨著閾值的升高，吸水盆地的水位也跟著升高，當閾值升至T3時，兩個吸水盆地的水都升到分水嶺處，此時，若再升高閾值，則兩個吸水盆地的水會溢出分水嶺并合為一體。因此，通過閾值T3可以準確地分割出兩個由吸水盆地和分水嶺組成的區(qū)域。其中，分水嶺對應于原始圖像中的邊緣。

圖10 分水嶺形成示意

采用分水嶺方法對圖9(c)進行處理，并與直方圖雙峰法和迭代法進行對比，結(jié)果如圖11所示。

圖11 基于不同方法的紅外熱圖的圖像分割

從圖11可以看出，采用直方圖雙峰法可以有效分離背景和裂紋區(qū)域，這是因為渦流加熱使得裂紋處溫度明顯高于其他區(qū)域，紅外熱圖中的灰度直方圖中呈現(xiàn)出較為清晰的兩個波峰，從而可以實現(xiàn)較好的分割，但此方法交互性較差，需要通過人工觀察圖像分割結(jié)果來設定閾值。而采用基于迭代法的圖像分割技術(shù)和基于數(shù)學形態(tài)學的分水嶺方法，可以快速、有效地分割圖像，裂紋形狀和大小信息有效凸顯，但處理過程中難以消除線圈遮擋帶來的影響，且迭代法對于直方圖雙峰不明顯，或圖像目標和背景比例差異懸殊的圖像處理效果相對較差。

根據(jù)分割后的結(jié)果對裂紋進行定量識別，可計算出裂紋長度為5.63 mm，由于熱擴散的原因，測量值與真實值相比稍偏大，誤差為12.6%。

4 結(jié)語

(1) 裂紋尖端溫度明顯高于裂紋邊緣及非缺陷區(qū)域，且隨時間增加，溫度差先增大后減小，因此應合理控制加熱時間，減小熱量橫向傳播造成的干擾。

(2) 線圈周圍磁通量較大，渦流聚集，對裂紋的檢測產(chǎn)生很大干擾，因此對線圈的匝數(shù)、形狀、以及距被測試件的距離對檢測效果的影響進行研究意義重大。

(3) 對原始圖像進行濾波、銳化等處理能有效增強和提取缺陷特征，有利于檢測的直觀化、快速化。

(4) 根據(jù)圖像分割的結(jié)果，可以初步估算出裂紋的長度等信息，但由于裂紋寬度較小，橫向模糊造成的干擾較大，寬度信息判斷相對比較困難，因此在檢測過程中應盡量抑制橫向模糊造成的干擾。

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Eddy Current Thermography Detection for the Surface Crack in the Ferromagnetic Materials

YAN Hui-peng, YANG Zheng-wei, TIAN Gan, MING An-bo, ZHANG Wei

(Rocket Force University of Engineering, Xi′an 710025, China)

For surface crack defects of ferromagnetic materials, the late-model eddy current thermography method was used for testing research. The mechanism of heating in crack caused by eddy current excitation was analyzed, the eddy current excitation device based on series resonance was designed, and the eddy current thermography testing system which was in high frequency and low power was constructed. Through the designed test system, ferromagnetic materials were tested. In view of the effect of “transverse fuzziness” in the image sequence, the enhancement method of high-pass filtering and sharpening on the original heating image, the histogram twin peaks method, the iterative method and the watershed method based on mathematical morphology for the image segmentation were adopted, and the quantitative identification of crack length was finally realized. Experimental results have shown that eddy current thermography can realize a quick, efficient and intuitive detection on crack defects of the specimens, and when the length of crack is 5mm, the error is less than 15 percent.

Eddy current thermography; Ferromagnetic material; Crack; Excitation device

2016-04-27

國家自然科學基金資助項目(51575516,51305447)；陜西省自然科學基金研究計劃資助項目(2016JM6075);航空科學基金資助項目(201509U8004)

閆會朋(1991-)，男，博士研究生，主要研究方向為飛行器推進系統(tǒng)檢測與故障診斷。

楊正偉(1982-)，男，講師，碩士生導師，主要從事飛行器推進系統(tǒng)檢測與故障診斷方面的研究工作， E-mail: yangzhengwei1136@163.com。

10.11973/wsjc201703008

TP274;TG115.28

A

1000-6656(2017)03-0030-05