紅外熱成像無損檢測系統(tǒng)鎖相熱激勵源的研制

李浩然，朱玉玉,，武 麗

(1.西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，四川 綿陽 621010；2.電子科技大學(xué)自動化工程學(xué)院，四川 成都 611731)

紅外熱成像無損檢測系統(tǒng)鎖相熱激勵源的研制

李浩然1，朱玉玉1,2，武 麗1

(1.西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，四川 綿陽621010；2.電子科技大學(xué)自動化工程學(xué)院，四川 成都611731)

近年來，我國航空航天、車輛工程及船舶制造業(yè)發(fā)展迅速，對產(chǎn)品加工工藝及性能指標(biāo)的要求不斷提高。無損檢測(NDT)技術(shù)也因此越來越受到重視。其中，紅外熱成像(IRT)無損檢測技術(shù)作為潛力巨大的無損檢測與評估技術(shù)，正受到廣泛關(guān)注。傳統(tǒng)的鎖相熱激勵源(ES)由于輸出功率低、鎖相頻率不可調(diào)，導(dǎo)致紅外熱像儀采集不清晰、圖像分析效果不理想，很多產(chǎn)品已不能滿足后級系統(tǒng)對光照強(qiáng)度的要求。通過對光鎖相熱成像(LIT)需求的分析，從電力電子的角度入手，采用功率器件搭建創(chuàng)新型拓?fù)?，設(shè)計了一種最大輸出交流電壓250V、電流10A的新型大功率紅外熱成像(ITI)檢測熱激勵源。詳細(xì)敘述了該鎖相熱成像激勵源的構(gòu)成、參數(shù)計算及工作過程、原理，并通過試驗(yàn)對其進(jìn)行了測試和驗(yàn)證。將該大功率激勵源應(yīng)用于紅外熱成像無損檢測領(lǐng)域，降低了后級系統(tǒng)對時序熱波信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的難度，有利于對缺陷進(jìn)行更精確的分析。后期將實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)多級并聯(lián)，使其輸出更高功率，滿足紅外熱成像無損檢測系統(tǒng)對更大功率激勵源的需求。

紅外熱成像； 無損檢測； 鎖相熱成像； 激勵源； FPGA； 橋式電路； 大功率； 頻率可調(diào)

0 引言

紅外熱成像無損檢測是一項(xiàng)潛力巨大的新興無損檢測技術(shù)。作為跨學(xué)科、跨應(yīng)用領(lǐng)域的通用型實(shí)用技術(shù)[1-2]，其應(yīng)用研究技術(shù)主要包含：熱激勵技術(shù)(加熱技術(shù))、熱成像技術(shù)、熱圖像處理技術(shù)[3]。

紅外熱成像無損檢測技術(shù)用于探傷，即檢測試件內(nèi)部有無缺陷。“有傷”與“無傷”試件分別響應(yīng)外界熱激勵條件形成差別，并最終在被檢物表面形成溫差。通過獲取這些溫度的差異，并對采集到的信息作出處理，即可達(dá)到檢測的目的。被測物的表面形狀、尺寸、材料、所處環(huán)境和存在的損傷特征，都可能影響檢測結(jié)果。針對各類檢測問題，設(shè)計出效率高、適用面廣的熱激勵源，是成功應(yīng)用紅外熱成像檢測技術(shù)的基礎(chǔ)。因此，針對被檢測試件的熱激勵技術(shù)是紅外熱成像無損檢測的關(guān)鍵技術(shù)之一[4]。

1 設(shè)計目的及理論依據(jù)

在熱成像無損檢測技術(shù)中，不同的激勵方式?jīng)Q定了不同的檢測系統(tǒng)設(shè)計與數(shù)據(jù)采集方式。在光學(xué)熱成像技術(shù)中，熱光源(如鹵素?zé)?照射被檢測試件使其表面被加熱，產(chǎn)生的熱波向其內(nèi)部擴(kuò)散。若試件中存有缺陷，則熱波傳遞受阻，最終導(dǎo)致被測物表面溫度分布不均。通過紅外熱像儀觀測并記錄這種溫度變化，得到時序熱像圖，提取并分析熱像圖中數(shù)據(jù)以獲得缺陷的特征信息[5]。光學(xué)熱成像系統(tǒng)示意圖與檢測原理圖分別如圖1、圖2所示。

圖1 系統(tǒng)示意圖

圖2 檢測原理圖

根據(jù)熱激勵信號的不同，可將熱成像技術(shù)分為鎖相熱成像和脈沖熱成像[6]。鎖相熱成像系統(tǒng)中使用的是周期性調(diào)制熱源。由該類熱源對待測試件進(jìn)行周期性激勵。若待測試件存在缺陷，則熱波會被該缺陷反射回表面，試件的表面溫度分布將發(fā)生周期性變化。紅外熱像儀觀測被測物表面的溫度分布情況，但觀測到的時序熱像圖中存在直流分量、噪聲信號等眾多干擾信號。若缺陷尺寸較小，或是有疲勞損傷，則其對表面溫度分布的影響極微弱。通常所需信號被淹沒在噪聲中，很難從原始時序熱圖中提取出來。

鎖相的優(yōu)點(diǎn)是將微弱信號從這些干擾信號中分辨出來。分辨微弱周期性信號的一個重要方法就是提高激勵熱源的單頻信號的幅度。常見的熱激勵源是對2個不同頻率(高頻和低頻)的正弦波信號進(jìn)行調(diào)制后，通過功率放大器放大。事實(shí)上，這種方式所得信號幅值受功率放大器的限制往往不大。實(shí)際試驗(yàn)中，由于一個方波可被分解為多種不同頻率正弦波相疊加，所以正弦熱源可由方波熱源代替。在后續(xù)的數(shù)據(jù)處理中，只需對方波中的各高次諧波信號進(jìn)行抑制，提取基頻響應(yīng)信號，即可達(dá)到單頻正弦熱源的效果[7]。因此，能否針對上述要求設(shè)計出產(chǎn)生高幅度、以方波為載波的正弦調(diào)制波信號的熱激勵源，將是光鎖相熱成像技術(shù)被成功使用的基礎(chǔ)。而本激勵源輸出交流電壓為250V、電流為10A、最大輸出功率達(dá)2.5kW的激勵信號，從而使后級系統(tǒng)較理想地分辨出微弱周期信號。

以方波為載波的正弦調(diào)制波信號如圖3所示。

圖3 調(diào)制波信號示意圖

圖3中，fLock-in為鎖相頻率，和熱傳播深度μ直接相關(guān)。

熱傳播深度μ與熱傳播系數(shù)α的關(guān)系為：

(1)

式中：α值由材料自身特性決定。對于特定的材料，α值是一定的。若想增加熱傳播深度μ，則必須減小鎖相頻率fLock-in。但若鎖相頻率過小，熱波向周圍擴(kuò)散明顯，不能近似看成其在試件內(nèi)是一維傳播，這將導(dǎo)致缺陷周圍出現(xiàn)光環(huán)，影響觀測者對真實(shí)缺陷的判斷[6]。為了減少熱波向周圍擴(kuò)散并達(dá)到較好的檢測深度，本激勵源鎖相頻率可調(diào)范圍設(shè)置為0.01～10Hz。

2 激勵源系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理

2.1激勵源的主電路構(gòu)成

整個激勵源系統(tǒng)主要由現(xiàn)場可編程門陣列(field-programmablegatearray,FPGA)系統(tǒng)、半橋電路、全橋電路、多級驅(qū)動電路、輔助電源電路、觸摸式液晶屏及鹵素?zé)舻葮?gòu)成。

激勵源主電路拓?fù)鋱D如圖4所示。圖4中：Uin采用電壓輸出能力可達(dá)250VDC、電流輸出能力達(dá)直流10A的桌面電源；半橋電路部分包含輸入電容Cin1、2個大功率金氧半場效晶體管(metal-oxide semiconductor field OE-effect transistor，MOSFET)以及濾波電感Lf、濾波電容Cf；全橋電路部分由輸入電容Cin2、4個功率MOSFET組成；輔助電源電路為系統(tǒng)提供+5V與+12V的輔助電壓；觸摸式液晶屏控制FPGA，產(chǎn)生的信號經(jīng)多級驅(qū)動電路放大后用以驅(qū)動MOS管Q1～Q6；鹵素?zé)舸釉赨out兩端。

圖4 激勵源主電路拓?fù)鋱D

2.2激勵源的FPGA系統(tǒng)

隨著電子應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，F(xiàn)PGA系統(tǒng)以其獨(dú)特的優(yōu)勢，正空前迅速地滲透到各行各業(yè)[8]。其時序邏輯電路采用VerilogHDL語言，用來產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制(pulsewidthmodulation,PWM)與正弦脈沖寬度調(diào)制(sinusoidalPWM,SPWM)控制信號。系統(tǒng)軟核NiosII源程序采用C語言編寫，用來接收觸摸式液晶屏串口信號，并通過改寫寄存器的值來控制時序邏輯電路。FPGA系統(tǒng)工作示意圖如圖5所示。圖5中，硬件時序電路由VerilogHDL語言綜合而成。軟件與硬件描述語言部分均采用模塊化設(shè)計，如主程序模塊、定時器模塊、串口模塊、邏輯處理模塊、SPWM產(chǎn)生模塊、全橋PWM產(chǎn)生模塊等。模塊化增強(qiáng)了系統(tǒng)針對性，降低了程序復(fù)雜度，使程序設(shè)計、調(diào)試和維護(hù)等操作趨于簡單，提升了可靠性。

圖5 FPGA系統(tǒng)工作示意圖

本激勵源采用Altera公司的Cyclone IV FPGA作為主控制器，其時鐘頻率倍頻到100MHz，使其應(yīng)用在高頻場合應(yīng)用時也能保持較高的精度(如，在100kHz高頻時，誤差為0.001)。其內(nèi)含的軟核控制串口液晶屏便于進(jìn)行二次開發(fā)，可設(shè)計出更友好、便利的人機(jī)交互界面。

2.3激勵源工作原理

2.3.1工作過程

激勵源輸入端Uin采用0～250VDC可調(diào)的實(shí)驗(yàn)室用桌面電源。由FPGA系統(tǒng)產(chǎn)生的控制信號經(jīng)多級驅(qū)動芯片放大后，用以驅(qū)動半橋和全橋的MOSFETQ1～Q6。其中：控制半橋MOSFETQ1的是載波頻率為100kHz、調(diào)制波頻率在0.01～10Hz可調(diào)的SPWM信號；控制Q2的信號為與Q1信號互補(bǔ)的SPWM信號；根據(jù)所選功率MOSFETIXFK_64N60P的導(dǎo)通與關(guān)斷時間分別約為100ns的特點(diǎn)，同時為了保留充足的裕量以免MOSFET損耗過大，其死區(qū)時間取600ns。電壓Uin經(jīng)過Q1、Q2交替開斷控制后成為一個高壓的SPWM電壓信號，所得信號經(jīng)Lf、Cf濾波后成為一個正弦電壓。該正弦電壓既是半橋電路部分的輸出，又是全橋電路部分的輸入?？刂迫珮騇OSFETQ3、Q6的是頻率為100kHz、占空比為50%的PWM信號，該信號同時控制Q3、Q6，使其開斷同步?？刂芉4、Q5的信號為與Q3、Q6信號互補(bǔ)的PWM信號，其死區(qū)時間也取600ns。上述正弦電壓經(jīng)全橋電路后，便可得到如圖3所示的高幅度、以方波為載波的正弦調(diào)制波信號。該電壓信號加在鹵素?zé)魞啥怂a(chǎn)生的光即可作為鎖相熱成像激勵源，照射在試件上使其加熱。其中，液晶屏主要用于設(shè)置SPWM控制頻率與系統(tǒng)工作時間。

2.3.2工作原理

半橋電路部分工作時可等效為Buck降壓電路，如圖6所示。

圖6 Buck降壓電路圖

當(dāng)僅Q1導(dǎo)通時，電路為充電狀態(tài)，輸入電壓Uin直接加在負(fù)載R兩端，回路電流按指數(shù)趨勢增加。當(dāng)Q1關(guān)斷時，電路為放電狀態(tài)，回路電流經(jīng)Q2體二極管續(xù)流[9]；若此時導(dǎo)通Q2，則回路電流可同時經(jīng)Q2及其體二極管續(xù)流。由于Q2的導(dǎo)通電阻很小(約為96mΩ)，這將大大減小續(xù)流時的損耗，提高系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率。一個周期T結(jié)束后，驅(qū)動Q1導(dǎo)通并重復(fù)上個周期過程，電路工作于穩(wěn)態(tài)時，輸出電壓平均值為：

(2)

式中：ton為Q1導(dǎo)通時間；toff為Q1關(guān)斷時間；T為一個開關(guān)周期；α為導(dǎo)通占空比；Uin為輸入電壓[9]。

由式(2)可知，當(dāng)Uin不變時，α與U0成正比。當(dāng)α=1時，輸出電壓平均值Uo=Uin為最大。本系統(tǒng)中，SPWM波載波頻率保持100kHz，占空比α在0.1～0.9范圍內(nèi)按正弦規(guī)律變化，這就相當(dāng)于以Uin的0.1～0.9降壓，Uo=(0.1～0.9)Uin。這些按正弦規(guī)律變化的Uo組合起來便得到了一個正弦波，其頻率即為SPWM波的調(diào)制波頻率，電壓最小值為0.1Uin，最大值為0.9Uin。

按照電感電流是否連續(xù)，Buck電路可分為電流連續(xù)模式(continuous conduction mode,CCM)和電流斷續(xù)模式(discontinuous conduction mode,DCM)兩種[10]。為了使負(fù)載電流連續(xù)且紋波較小，Buck電路必須工作在CCM，則需串聯(lián)電感值較大的Lf。設(shè)IL為iL的平均值，ΔiL為iL紋波值。則在該模式下，穩(wěn)態(tài)時有：

(3)

(4)

又有：

(5)

由式(4)和式(5)可得：

(6)

由式(3)和式(6)可得：

(7)

全橋電路部分工作原理與H橋式電機(jī)驅(qū)動電路類似，將直流電機(jī)替換為電阻R，即可實(shí)現(xiàn)正負(fù)壓輸出。全橋電路原理如圖7所示。

圖7 全橋電路原理圖

半橋電路輸出正弦電壓作為全橋電路的輸入，當(dāng)FPGA系統(tǒng)控制Q3、Q6導(dǎo)通時，Uin2正向加在負(fù)載R兩端，形成一個正向電流；控制Q4、Q5導(dǎo)通時，Uin2反向加在負(fù)載R兩端，形成一個反向電流。這樣一正一反在占空比為50%的100kHz頻率下工作，即可將半橋輸出的高幅度正弦信號調(diào)制為圖3所示信號。該信號即為無損檢測系統(tǒng)所需的激勵信號。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

該激勵源系統(tǒng)各功率器件參數(shù)見表1。

表1 各功率器件參數(shù)

其中，鹵素?zé)艨筛鶕?jù)輸出功率需求選擇使用1～2盞。每盞鹵素?zé)艄ぷ髯柚导s為50Ω，兩盞并聯(lián)后為25Ω，Uin=250V時最大輸出電流可達(dá)10A。

通過試驗(yàn)與測試，得到了較為理想的波形。當(dāng)Uin=100V、fLock-in=0.5Hz時，全橋輸出波形(即前文所述高幅度、以方波為載波的正弦調(diào)制波信號)如圖8所示。

圖8 全橋輸出波形

此時，半橋輸出為10V(0.1Uin)～90V(0.9Uin)的正弦波。該激勵源的fLock-in、Uin皆在一定范圍內(nèi)可調(diào)，所得信號中的直流分量可通過后期數(shù)據(jù)處理得到抑制。將1～2盞鹵素?zé)?圖7中的負(fù)載R)先并聯(lián)再串聯(lián)在全橋輸出兩端，其發(fā)出的光就可作為紅外熱成像無損檢測的熱激勵源。

4 結(jié)束語

紅外熱成像以其特有的技術(shù)優(yōu)勢，在無損檢測領(lǐng)域中得到了迅速發(fā)展。作為其重要的檢測方法之一，鎖相熱成像因能直觀、快速、準(zhǔn)確、實(shí)時地檢測試件缺陷，在航空航天、車輛工程及船舶制造業(yè)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

針對以往光鎖相熱激勵源單頻信號幅度低功率不足的缺點(diǎn)，通過對紅外熱成像無損檢測激勵源的需求分析，從電力電子技術(shù)的角度入手，克服了采用功率放大器輸出電壓幅值低的缺陷，自主研制了一套最大輸出交流電壓250V、電流10A的新型大功率光鎖相熱激勵源，并成功應(yīng)用于紅外熱成像無損檢測系統(tǒng)。其輸出波形理想，輸出電壓幅值高、功率大，輸出相位精確并基于FPGA可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)鎖相頻率，是對加熱方法的改進(jìn)與創(chuàng)新。后期將實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)多級并聯(lián)，使其輸出功率更高，滿足紅外熱成像無損檢測系統(tǒng)對大功率激勵源的需求。

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StudyandDevelopmentofLock-inThermalExcitationSourceforInfraredThermographyNondestructiveTestingSystem

LI Haoran1，ZHU Yuyu1,2，WU Li1

(1.School of Information Engineering,Southwest University of Science and Technology,Mianyang621010,China;2.School of Automation Engineering,University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu611731,China)

In recent years,with the rapid development of aerospace,vehicle engineering and shipbuilding industry in China,the manufacturing process and performance requirements of the products have been continuously improved.Non-destructive testing(NDT) technology is gaining more and more attention.As a potential NDT and evaluation technology,the infrared thermography(IRT) is being widely concerned.The traditional lock-in IRT excitation source(ES)cannot meet the light intensity requirements of the post-stage system because of the low output power and the not adjustable phase-lock frequency,thus the infrared thermography is not clear enough,and the results of image analysis are not ideal.Many products can not meet the requirement of the light intensity for the poststage system.Through analyzing the demands for lock-in thermography(LIT),and based on electricity and electronics,by adopting power components,a new type of ES of infrared thermal imaging(ITI) detection is designed with a maximum output AC voltage of250V and current of10A.The structure,parameter calculation,working process,and principle of the LIT ES in the ITI NDT system are described in detail.Experiment has been carried out to test and validate.The high power ES is applied to the field of IRT NDT,it reduces the difficulty of data collection of the sequential heat wave signal in the post-stage system,which helps to analyze the defects more accurately.The next step is to achieve the multi-level parallel system with higher output power.

Infrared thermography; Nondestructive testing; Lock-in thermography; Excitation source; FPGA; Bridge circuit; High-power; Adjustable frequency

TH89;TP23

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201710022

修改稿收到日期:2017-05-10

李浩然(1992—)，男，在讀碩士研究生，主要從事電力電子技術(shù)、控制科學(xué)與工程方向的研究。E-mail282357854@qq.com。

朱玉玉(通信作者)，男，碩士，副教授，主要從事電力電子技術(shù)、儀器儀表方向的研究。E-mail:154828389@qq.com。