單DC/DC升壓型便攜式PECT電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張廷堯，王曉娜，侯德鑫，葉樹亮

(中國(guó)計(jì)量大學(xué)工業(yè)與商貿(mào)計(jì)量技術(shù)研究所，浙江杭州310018）

脈沖渦流熱成像(PECT)技術(shù)作為一種結(jié)合脈沖電渦流和紅外熱成像技術(shù)的無損檢測(cè)方法，具有非接觸、檢測(cè)范圍廣、熱圖結(jié)果直觀等優(yōu)勢(shì)[1]，適用于零件近表面缺陷的檢測(cè)。目前該技術(shù)主要關(guān)注熱圖像處理、熱激勵(lì)以及不同材料檢測(cè)機(jī)理等方面，并開發(fā)了一系列的檢測(cè)系統(tǒng)。西安交通大學(xué)提出一種電磁熱模擬方法，對(duì)重型燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行了有效定量分析[2]。中國(guó)石油大學(xué)對(duì)玻璃纖維增強(qiáng)型聚合物檢測(cè)，提供一種非導(dǎo)電材料的檢測(cè)應(yīng)用場(chǎng)景[3]。德國(guó)無損檢測(cè)研究院與Siemens 公司協(xié)作，分別設(shè)計(jì)了固定式與便攜式兩種渦流熱成像檢測(cè)系統(tǒng)[4]，用于渦輪葉片裂紋檢測(cè)；其便攜式系統(tǒng)由感應(yīng)加熱電源與便攜式熱像儀組成。然而目前的研究及檢測(cè)系統(tǒng)大多基于商業(yè)電源，這些激勵(lì)源存在著效率低、均勻性差等問題[5]。近年來，也有針對(duì)于激勵(lì)電源的相關(guān)研究。王曉娜等[6]采用線圈纏繞U 型磁軛結(jié)構(gòu)的探頭，提升了加熱過程中電磁耦合效率以及加熱均勻性；該團(tuán)隊(duì)還設(shè)計(jì)了一套能夠有效改善單路激勵(lì)對(duì)裂紋方向敏感性和檢測(cè)靈敏度的雙路正交激勵(lì)電源系統(tǒng)[7]。為解決激勵(lì)源存在的諧振頻率畸變問題，英國(guó)紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)Tian G Y 團(tuán)隊(duì)提出一種快速諧振頻率跟蹤回路[8]。這些研究雖然改善了激勵(lì)源存在的問題，但由于選擇市電直接或間接供能，仍有著不便移動(dòng)、操作繁瑣等問題。對(duì)于一些船舶、橋梁等特殊場(chǎng)景，無法滿足現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的需要，因此由鋰電池供電的便攜式無損檢測(cè)設(shè)備有著較大的應(yīng)用需求。目前，磁粉檢測(cè)作為一種近表面裂紋檢測(cè)方法，已有團(tuán)隊(duì)研發(fā)出了采用鋰電池供電的便攜式磁粉檢測(cè)裝置[9]；這種裝置雖然脫離了線纜的束縛，但由于輸出功率小，表面缺陷檢測(cè)效果并不理想。因此綜上所述，采用鋰電池供電的便攜式脈沖渦流熱成像檢測(cè)系統(tǒng)有較大的應(yīng)用價(jià)值。

本文提出一種便攜式電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，該設(shè)計(jì)采用鋰電池供電，有效解決了脈沖渦流熱成像檢測(cè)系統(tǒng)存在的操作繁瑣、不便移動(dòng)等問題；同時(shí)其激勵(lì)電源采用“鋰電池+超級(jí)電容”結(jié)構(gòu)，有效地減小了大功率激勵(lì)電源的體積質(zhì)量，極大地滿足了現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中脈沖渦流熱成像技術(shù)的應(yīng)用需求。

1 便攜式系統(tǒng)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與系統(tǒng)組成

常規(guī)脈沖渦流熱成像系統(tǒng)包括脈沖感應(yīng)加熱電源、實(shí)現(xiàn)控制與熱圖數(shù)據(jù)處理的上位機(jī)、熱像儀以及實(shí)驗(yàn)樣品等。感應(yīng)加熱電源經(jīng)電感線圈在樣品上方產(chǎn)生快速變化的磁場(chǎng)，樣品被感應(yīng)出渦流從而產(chǎn)生焦耳熱。當(dāng)樣品表面存在缺陷，熱流受到阻礙；熱量集聚在裂紋附近，導(dǎo)致裂紋端點(diǎn)與鄰近的非裂紋區(qū)域有著較大的溫度差異，即“尖端效應(yīng)”[10]。同時(shí)，采用熱像儀記錄樣品表面溫度隨時(shí)間和空間改變的信息；再由算法識(shí)別異常溫度點(diǎn)，直觀反映裂紋信息，從而完成裂紋識(shí)別[11-12]。作為關(guān)鍵部分的脈沖激勵(lì)電源，其性能對(duì)系統(tǒng)檢測(cè)能力起著決定性作用。

PECT 系統(tǒng)在工作時(shí)需要較大的脈沖功率輸出，僅用鋰電池供電，配置的電池組質(zhì)量和體積較大，這會(huì)影響便攜性。超級(jí)電容器作為一種新式儲(chǔ)能元件，常被應(yīng)用在大功率脈沖激勵(lì)場(chǎng)景中，利用超級(jí)電容可大功率放電特點(diǎn)[13]，可使電源體積減小、質(zhì)量減輕。所以，對(duì)于PECT 用電池組，采用了鋰電池與超級(jí)電容組合方式來構(gòu)建。

目前“鋰電池+超級(jí)電容”組合主要采用并聯(lián)或串聯(lián)[14]。由于脈沖激勵(lì)源具有短時(shí)間、大功率輸出特點(diǎn)，故采用串聯(lián)式結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[15]介紹了一種“雙DC/DC 升壓”串聯(lián)式結(jié)構(gòu)，如圖1(a)所示。本文在圖1(a)基礎(chǔ)上，搭建了如圖1(b)所示的“單DC/DC 升壓”拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖1 “鋰電池+超級(jí)電容”串聯(lián)式結(jié)構(gòu)

如圖1所示，在(a)結(jié)構(gòu)內(nèi)，鋰電池由第一級(jí)DC/DC 模塊升壓后向超級(jí)電容充能，超級(jí)電容經(jīng)第二級(jí)DC/DC 模塊升壓后，由H 橋釋放能量。該結(jié)構(gòu)中，鋰電池、超級(jí)電容、H 逆變橋的工作電壓選擇靈活，超級(jí)電容均可選擇低工作電壓點(diǎn)（低體積質(zhì)量），提升了系統(tǒng)安全性，且系統(tǒng)可根據(jù)需要設(shè)置合適的輸出電壓。在(b)結(jié)構(gòu)內(nèi)，鋰電池經(jīng)DC/DC 模塊升壓為超級(jí)電容充能，超級(jí)電容直接向H 橋進(jìn)行放電輸出。該結(jié)構(gòu)中，超級(jí)電容的工作電壓完全由輸出需求決定且不可隨意更改，為保證大功率輸出一般選擇高電壓工作點(diǎn)，同時(shí)增加了對(duì)DC/DC 模塊的設(shè)計(jì)要求。但(b)結(jié)構(gòu)與(a)結(jié)構(gòu)相比，減少了組成單元的數(shù)量，增大了系統(tǒng)的能量利用效率。同時(shí)(a)結(jié)構(gòu)中，額外的第二級(jí)DC/DC 模塊限制了超級(jí)電容的大功率放電的能力。

為提高能量利用效率以及功率輸出能力，采用圖1(b)所示的“單DC/DC 升壓”結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了如圖2所示的便攜式檢測(cè)系統(tǒng)。

圖2 便攜式檢測(cè)系統(tǒng)框圖

便攜式檢測(cè)系統(tǒng)有“電源部分”、上位機(jī)以及檢測(cè)裝置三個(gè)組成單元。“電源部分”中，鋰電池負(fù)責(zé)系統(tǒng)能量供應(yīng)；多路供電模塊分別為熱像儀、控制單元、電壓電流采集以及驅(qū)動(dòng)單元等提供不同的電壓；DC/DC 模塊、超級(jí)電容、H 逆變橋等構(gòu)成串聯(lián)式結(jié)構(gòu)，通過磁軛探頭釋放能量?？刂瓢逵蒄PGA與AVR 組成。FPGA 單元包括電壓控制模塊、頻率跟蹤模塊、繼電器控制模塊以及安全保護(hù)模塊；分別控制DC/DC 工作模式、H 逆變橋的兩路MOS 的導(dǎo)通關(guān)斷過程，以及監(jiān)控超級(jí)電容的電壓狀態(tài)并響應(yīng)系統(tǒng)異常情況的保護(hù)機(jī)制。AVR 單片機(jī)完成與上位機(jī)和FPGA 控制單元的通信功能。檢測(cè)裝置由電感線圈纏繞磁軛而成的磁軛探頭、熱像儀以及檢測(cè)試樣，三者保證一定位置關(guān)系組成。上位機(jī)用于控制電源啟停以及保存并處理熱像儀的熱圖信息。激勵(lì)開始時(shí)，上位機(jī)下發(fā)開始激勵(lì)信號(hào)，熱像儀與激勵(lì)電源同步啟動(dòng)。激勵(lì)過程中，H逆變橋產(chǎn)生交變電壓信號(hào)。此時(shí)樣品表面被加熱，熱像儀采集其表面的溫度變化。激勵(lì)結(jié)束后，系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行復(fù)電操作，同時(shí)上位機(jī)顯示熱圖處理結(jié)果，系統(tǒng)等待下一次激勵(lì)操作。

2 系統(tǒng)激勵(lì)電源設(shè)計(jì)

“電源部分”作為檢測(cè)系統(tǒng)的重要單元，其激勵(lì)主要單元包括鋰電池、Buck-boost 型DC/DC、超級(jí)電容、H 逆變橋、繼電器以及等效RLC 回路等，電源簡(jiǎn)化電路如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)激勵(lì)電源簡(jiǎn)化電路

圖3 中，U1為鋰電池；C1、M1、M2、M3、M4、L1、C2組成Boostbuck 型DC/DC 模塊；SC為超級(jí)電容，U2為其電壓值；功率MOS 管Q1、Q2、Q3、Q4組成H 逆變橋，SW1、SW2、SW3、SW4對(duì)應(yīng)四個(gè)MOS 管的控制信號(hào)，U3為其輸出電壓；等效RLC 回路由等效電阻R、位于磁軛上的電感線圈L、諧振電容C組成；其中等效電阻R與回路線阻、電感線圈幾何參數(shù)以及加熱材料等因素決定，一般由實(shí)驗(yàn)得出；K1、K2為繼電器；I0、IL1分別為等效RLC 回路電流與DC/DC 模塊中L1的電流。為保證激勵(lì)電源安全穩(wěn)定工作，F(xiàn)PGA 作為激勵(lì)電源主要控制單元，其控制策略如圖4所示。

圖4 激勵(lì)電源開關(guān)控制策略

圖4 中，Us、T1分別表示超級(jí)電容的單體過壓信號(hào)以及其模組過溫信號(hào)；θ、Im分別表示I0的相位與幅值信息，T2為H 逆變橋的過溫信號(hào)；Um為對(duì)超級(jí)電容設(shè)定的工作電壓閾值，調(diào)整其值即可改變系統(tǒng)激勵(lì)功率大小。LTC3779 為一款升降壓型DC/DC 電源芯片，主要滿足超級(jí)電容由零電壓到工作電壓的充電需求，M1、M2、M3、M4對(duì)應(yīng)DC/DC 模塊的四路開關(guān)控制信號(hào)。S0為電源開始激勵(lì)信號(hào)，S1為PWM 輸出狀態(tài)信號(hào)，S2為激勵(lì)結(jié)束信號(hào)，S3為超級(jí)電容開始充電信號(hào)，S4為系統(tǒng)保護(hù)信號(hào)，S5為充電結(jié)束信號(hào)，S6代表DC/DC 模塊的使能信號(hào)，S7為加熱過程中RLC 回路容性狀態(tài)信號(hào)（電壓滯后電流）。實(shí)際工作過程中，電源有5 個(gè)工作狀態(tài)，其狀態(tài)轉(zhuǎn)化如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

電源系統(tǒng)正常工作時(shí)（S4=0），當(dāng)接收到電源啟動(dòng)信號(hào)S0，進(jìn)入“等待1”狀態(tài)；此時(shí)打開繼電器K2。延時(shí)一定時(shí)間后S1有效，進(jìn)入“加熱”狀態(tài)；此時(shí)啟動(dòng)頻率跟蹤模塊，輸出四路PWM 波：SW1、SW2、SW3、SW4信號(hào)，實(shí)時(shí)采集回路電流I0并調(diào)整PWM 波的輸出頻率來維持RLC 回路處于“弱感性”狀態(tài)（電壓超前電流較小角度）。設(shè)定的加熱時(shí)間到達(dá)后，S2有效，進(jìn)入“等待2”狀態(tài)；此時(shí)打開繼電器K1。延時(shí)一定時(shí)間后S3有效，進(jìn)入“充電”狀態(tài)，此時(shí)S6有效；LTC3779 控制器開啟，超級(jí)電容開始進(jìn)行充電。當(dāng)S5有效（U2≥Um）時(shí)，充電結(jié)束進(jìn)入“初始”狀態(tài)；此時(shí)等待下一次加熱開始（S0有效），到此系統(tǒng)完成一次正常的充放電過程。當(dāng)正常工作中檢測(cè)到Us、T1、Im、T2、S7這些保護(hù)信號(hào)時(shí)，S4有效，系統(tǒng)進(jìn)入“保護(hù)”狀態(tài)，關(guān)閉一切輸出信號(hào)；系統(tǒng)恢復(fù)正常后，S4置0，系統(tǒng)進(jìn)入“初始”狀態(tài)，等待下一個(gè)加熱過程。

3 系統(tǒng)樣機(jī)測(cè)試與實(shí)驗(yàn)

為檢驗(yàn)便攜式電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)用性，搭建了圖6所示的便攜式檢測(cè)系統(tǒng)樣機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；對(duì)其質(zhì)量、體積、輸出功率、續(xù)航時(shí)間以及裂紋檢測(cè)效果進(jìn)行測(cè)試。

圖6 便攜式檢測(cè)系統(tǒng)樣機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

樣機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，鋰電池選擇24 V、20 Ah 模組，超級(jí)電容選用100 V、6.5 F 模組，檢測(cè)系統(tǒng)各模塊參數(shù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)組成模塊參數(shù)

3.1 輸出功率驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)選擇45#試樣為測(cè)試對(duì)象，等效RLC 回路中：L約為36.3 μH，C為0.44 μF，等效阻抗R約為3.3 Ω；諧振頻率約39.8 kHz。設(shè)置加熱時(shí)間為0.3 s，改變超級(jí)電容的電壓閾值。采用電壓探頭、電流探頭（普源RP1005C）分別測(cè)量工作過程中超級(jí)電容電壓U2、RLC 回路電壓U3及電流I0，結(jié)果如圖7所示。

圖7 便攜式電源系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)波形

圖7 中，RLC 回路電壓為50 V，電流有效值約15 A，即激勵(lì)功率為0.75 kW。加熱過程中（I0≠0），可見電壓電流平穩(wěn)，并能保證相角在一定角度范圍內(nèi)；加熱停止（I0=0）后，U2電壓上升，到達(dá)預(yù)定電壓后停止充電，由于超級(jí)電容有內(nèi)阻，導(dǎo)致U2的測(cè)量電壓出現(xiàn)小幅度下降。示波器水平時(shí)基為0.2 s/格，即超級(jí)電容充電時(shí)間為0.7 s，此時(shí)系統(tǒng)工作周期為1 s。當(dāng)設(shè)置電壓閾值為80 V，加熱時(shí)間仍為0.3 s，測(cè)得電流有效值為24 A，電容充電時(shí)間為2 s，即激勵(lì)功率為1.92 kW 條件下，系統(tǒng)工作周期為2.3 s。綜上，系統(tǒng)最大輸出功率為1.9 kW；加熱時(shí)間0.3 s 條件下，系統(tǒng)回電時(shí)間為0.7～2 s；可滿足實(shí)際中持續(xù)激勵(lì)的需要。

3.2 續(xù)航時(shí)間驗(yàn)證

便攜式檢測(cè)系統(tǒng)續(xù)航時(shí)間是實(shí)際檢測(cè)中一個(gè)重要參數(shù)。設(shè)置輸出功率為1.9 kW、激勵(lì)時(shí)間0.3 s、系統(tǒng)循環(huán)時(shí)間為2.3 s；作為系統(tǒng)唯一能量來源的鋰電池，通過測(cè)試其開路電壓來測(cè)試系統(tǒng)的續(xù)航能力。重復(fù)激勵(lì)100 次，靜置一段時(shí)間后，測(cè)得實(shí)驗(yàn)前后的鋰電池開路電壓分別為29.4 和29.1 V；鋰電池為20 Ah，電壓范圍為24.5～29.4 V。根據(jù)開路電壓法，鋰電池SOC值與其開路電壓值近似為線性關(guān)系[16]，即可推算得知：重復(fù)激勵(lì)100 次后，鋰電池電量下降約6%。因此可推算得到實(shí)際過程中，檢測(cè)系統(tǒng)在激勵(lì)功率1.9 kW、激勵(lì)時(shí)間300 ms 條件下可重復(fù)工作1 666 次。此時(shí)系統(tǒng)回電時(shí)間2.3 s，即最大功率輸出下，系統(tǒng)連續(xù)工作時(shí)間約為1.1 h。

3.3 裂紋檢測(cè)效果

為驗(yàn)證電源系統(tǒng)的激勵(lì)效果，采用熱像儀FLIR A35、45#焊縫裂紋標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行實(shí)際裂紋檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。如圖8所示，(a)為實(shí)際焊縫樣品，其表面進(jìn)行了噴漆處理；圖(b)為垂直(1 號(hào))與水平(2 號(hào))兩個(gè)方向上裂紋分布示意圖，其水平方向?yàn)楹缚p的整體形狀走向。實(shí)驗(yàn)設(shè)置激勵(lì)功率為1.7 kW，諧振頻率為39.8 kHz、加熱時(shí)間0.3 s。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用自適應(yīng)異常提取算法[17]，處理后的檢測(cè)效果如圖8(c)、(d)所示。

圖8(c)、(d)中黑色框標(biāo)記位置，即分別對(duì)應(yīng)1 號(hào)裂紋、2 號(hào)裂紋；由于焊縫存在著凹凸不平的“褶皺”，其主要分布在試樣的水平方向上，從而在裂紋附近能看到條狀的熱量聚集。檢測(cè)結(jié)果表明，1.7 kW 功率條件下可明顯檢測(cè)到裂紋存在，即該電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)能較好滿足脈沖渦流熱成像技術(shù)的功率需求。

圖8 45#焊縫裂紋標(biāo)準(zhǔn)試樣與檢測(cè)效果

4 結(jié)論

針對(duì)脈沖渦流熱成像技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的需求，本文在“單DC/DC 升壓”結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一套便攜式脈沖渦流熱成像檢測(cè)系統(tǒng)。文中給出系統(tǒng)激勵(lì)電源控制策略并通過樣機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)其性能參數(shù)與裂紋檢測(cè)效果進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明：便攜式檢測(cè)系統(tǒng)樣機(jī)凈重8.4 kg，輸出功率可達(dá)1.9 kW,持續(xù)工作時(shí)間為1.1 h。該電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)檢測(cè)能力得到了明顯改善，能更好地滿足現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的應(yīng)用需求并提供一定的應(yīng)用參考價(jià)值。