金哲卿，侯德鑫，李運堂，葉樹亮

(1.中國計量學院工業(yè)與商貿(mào)計量技術研究所，浙江杭州 310018; 2.中國計量學院機電工程學院，浙江杭州 310018)

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渦流熱成像檢測中聚磁裝置對激勵性能的改善作用

金哲卿1，侯德鑫1，李運堂2，葉樹亮1

(1.中國計量學院工業(yè)與商貿(mào)計量技術研究所，浙江杭州 310018; 2.中國計量學院機電工程學院，浙江杭州 310018)

渦流熱成像檢測的信噪比依賴于激勵強度和激勵均勻性。現(xiàn)有研究中激勵環(huán)節(jié)多采取商品化感應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、激勵均勻性差、線圈遮擋熱像儀視場、對線圈高度敏感等缺點。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，通過有限元仿真分析其對激勵性能的改善作用。經(jīng)過實驗驗證有聚磁裝置的激勵比無聚磁裝置的激勵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，能更好地實現(xiàn)金屬表面缺陷的檢測。

渦流熱成像；感應加熱；激勵性能；聚磁；無損檢測

0 引言

渦流熱成像檢測是渦流和主動熱成像兩種技術的結合，相比常規(guī)無損檢測具有非接觸、空間分辨力高、單次檢測面積大、檢測結果直觀等優(yōu)點，相比采用閃光燈、超聲、激光、熱風等激勵方式的主動熱成像技術具有加熱效率高、易于控制等優(yōu)點，因此特別適合金屬材料表面及近表面缺陷檢測[1-3]。目前渦流熱成像檢測技術相關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]以及該技術的應用[9-10]方面，對激勵過程中的能量傳遞關注較少。渦流熱成像檢測系統(tǒng)包括熱激勵、熱成像和熱圖像分析三部分，大多數(shù)研究者在熱激勵部分直接集成商品化感應加熱電源，但這種電源并不能很好的滿足渦流熱成像檢測需求，導致熱激勵環(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)有熱激勵方式的不足，設定渦流熱成像檢測系統(tǒng)中激勵性能的評價指標，并據(jù)此對渦流熱成像檢測系統(tǒng)中引入聚磁裝置后的性能變化從仿真和實驗兩方面進行評估。

1 激勵單元設計

1.1 渦流熱成像檢測系統(tǒng)

渦流熱成像檢測系統(tǒng)基本結構如圖1所示，感應加熱電源向勵磁線圈輸入高頻電流，使線圈附近的金屬試樣表面產(chǎn)生感應渦流，試樣表面缺陷會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。熱像儀動態(tài)記錄感應加熱引起的試樣表面溫度空間分布和時間變化，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)基本結構

1.2 常規(guī)激勵單元結構

現(xiàn)有研究多直接采用商品化感應加熱電源，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行激勵，這種激勵方式中電磁場主要通過空氣進行耦合，因此帶來很多問題。第一，其激勵的均勻性受線圈間距、線圈高度等因素影響，而水冷銅管繞制時難以保證各段彼此平行、導線與試樣表面平行且保持在固定高度，因此激勵的均勻性難以保證；第二，為了提高均勻性，線圈應當提離試樣表面一段距離，這會導致能量傳遞效率迅速降低，使電源工作時實際輸出功率遠遠達不到其額定功率；第三，水冷銅管直徑通常在4～6 mm，若加上絕緣保護套則更粗，由于線圈必須靠近試樣表面，因此會對熱像儀形成嚴重遮擋，導致每次只能檢測線圈間隙中的10來mm寬狹小區(qū)域；第四，對提離距離比較敏感，當線圈距試樣表面高度變化時，激勵均勻性、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)結構復雜、體積龐大，不適合做成便攜式檢測設備。

1.3 引入聚磁裝置的激勵單元結構

在感應加熱領域通常利用聚磁裝置來提高加熱效率[9]，本文將這種方法應用到渦流熱成像檢測中，改進后的激勵單元結構如圖2所示。

圖2 采用聚磁裝置的勵磁單元結構

相比常規(guī)渦流熱成像檢測系統(tǒng)方案，這種結構中電磁場主要通過高磁導率磁芯耦合到試樣，直接好處包括讓導線遠離試樣表面而減少對熱像儀視場的遮擋，增加檢測區(qū)域面積；可以去掉水泵和水箱等設備，使系統(tǒng)結構更簡捷。同時這種結構也會對激勵效果帶來多方面影響。

1.4 激勵性能評價指標

根據(jù)渦流熱成像檢測缺陷的基本原理和應用需求，本文從能量傳遞效率(Heat Efficiency，HE)、激勵不均勻性(Heat Non-Uniformity，HNU)、提離距離影響等三方面對激勵性能進行評價。

激勵單元承擔能量傳遞的任務，實際系統(tǒng)中能量被傳遞到3個目標： 線圈損耗(包括電源內(nèi)部損耗)、試樣檢測區(qū)域、試樣無關區(qū)域(比如因為遮擋而無法觀測的區(qū)域)。顯然只有傳遞到試樣檢測區(qū)域的能量是有意義的，傳遞到無關區(qū)域的能量被浪費掉，而線圈損耗會引起線圈發(fā)熱，影響系統(tǒng)正常工作，常規(guī)激勵單元中采用水冷銅管就是為了給線圈散熱。因為傳遞到無關區(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為檢測區(qū)域加熱功率；PC為線圈損耗功率。

激勵不均勻對渦流熱成像檢測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表示檢測區(qū)域中某點加熱功率密度；grad()·表示求梯度，最大值計算對整個檢測區(qū)域進行。

考慮到檢測區(qū)域通常較小，本文計算式(2)中梯度時距離以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均勻性。因此本文用二者對提離距離的導數(shù)作為評價指標：

(3)

(4)

式中ΔD表示提離距離變化。

2 激勵性能仿真分析

為便于對比無聚磁和有聚磁裝置時的激勵性能，本文只考慮檢測對象為大塊金屬試樣的情形，勵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向無限長導線和試樣。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，二者相對磁導率分別為1和200，銅管兩端施加頻率100 kHz、幅值1 V的交變電壓。該模型中檢測區(qū)域為平行導線中間無遮擋的10 mm寬區(qū)域，由于實際線圈在轉彎和引線位置激勵很不均勻，無法作為有效檢測區(qū)域，因此評估的HE指標會偏大。

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果如圖4所示，激勵不均勻性如圖5所示，有以下規(guī)律：

(1)HE和HNU指標都與線圈高度密切相關；

(2)最佳高度時HNU指標在1.9%左右，但隨著線圈高度下降，HNU指標急劇惡化；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HE指標有最大值70.4%，此時HNU指標已經(jīng)下降到11.7%。

值得指出以上是理想情況下的仿真結果，實際中線圈加工誤差、操作誤差等會導致HNU指標顯著下降，仿真結果如下：

圖4 無聚磁裝置時不同線圈高度的能量傳遞效率

圖5 無聚磁裝置時不同線圈高度的激勵不均勻性

2.2 有聚磁裝置

建立有聚磁裝置時探頭和試樣的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。導線、磁芯和試樣的材料參數(shù)均與無聚磁模型中一致，激勵頻率也是100 kHz，繞組中總電流400 A匝。該模型中檢測區(qū)域設定為磁芯兩極之間40mm×40mm大小區(qū)域(參見圖7)，檢測區(qū)域和磁極間設置5 mm間隙，可以保證檢測區(qū)域的激勵均勻性，但是會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 有聚磁裝置時的檢測區(qū)域

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

(1)HE指標與提離距離關系很?。?～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指標全部在80%以上，而無聚磁時該指標在40%～70%之間，有明顯改善；

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

圖8 有聚磁裝置時不同提離距離的能量傳遞效率

圖9 有聚磁裝置時不同提離距離的激勵不均勻性

3 激勵性能實驗驗證

3.1 實驗裝置和方法

無聚磁裝置的實驗基于金崍機電的JL-5 kW感應加熱電源進行，其額定功率5 kW。感應線圈采用直徑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線中心間距為15 mm，檢測區(qū)域為圖中方框標識的10 mm×40 mm區(qū)域。實驗時實測激勵頻率130 kHz。試樣為100 mm×100 mm×10 mm的304號鋼。

圖10 有無聚磁裝置時的激勵線圈實物圖

有聚磁裝置的實驗基于自制的高頻電源進行，其系統(tǒng)結構如圖11所示。整流環(huán)節(jié)集成2 kW恒壓源，實際工作電壓(50 V)。基于IRFP260N的MOSFET功率開關構建的全橋逆變電路，驅動電路基于ADUM7234實現(xiàn)，逆變電路通過變壓器進行阻抗匹配后接到負載，負載為勵磁線圈和16.5nF電容構成的串聯(lián)諧振電路，控制電路基于DSP和CPLD實現(xiàn)。30匝勵磁線圈纏繞在U型磁芯上，磁芯材質(zhì)為錳鋅鐵氧體，探頭結構如圖10(b)所示，檢測區(qū)域為圖中方框指標的30 mm×30 mm區(qū)域。實驗時自動進行頻率跟蹤，實測激勵頻率為116 kHz。

圖11 自制高頻電源系統(tǒng)結構

實驗中無法獲取式(11)～式(4)所需的加熱功率(密度)數(shù)據(jù)，難以對各項性能指標進行準確計算。但考慮到忽略輻射和對流熱損失時加熱功率和溫度之間的近似比例關系，可以用溫度替代加熱功率密度來對性能進行評估。本文根據(jù)兩種勵磁裝置引起的檢測區(qū)域溫升曲線來評估能量傳遞效率，根據(jù)短時加熱后的溫度分布均勻性來評估激勵均勻性。

3.2 實驗結果與分析

3.2.1 提離高度影響實驗

利用U型激勵線圈與平行雙導線分別對304號鋼無缺陷處進行0.5s的加熱，測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

分析實驗數(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對象上產(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系在此代替溫度進行計算)，有聚磁裝置時能量傳遞效率遠遠大于無聚磁裝置時。

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

圖12 有磁裝置時不同提離距離下檢測區(qū)域內(nèi)升溫曲線

圖13 無聚磁裝置時不同提離距離下檢測區(qū)域內(nèi)升溫曲線

觀察圖12、圖13可知實驗結果與仿真結果一致，提離距離對有聚磁裝置的加熱功率影響不大，而對無聚磁裝置時加熱功率有很大的影響。

3.2.2 加熱均勻性實驗

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

(5)

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

其中無聚磁裝置時計算得到的最大HNU值為14.78%，有聚磁裝置時最大HNU值為6.98%，可見加上聚餐裝置后激勵的均勻性有改善。

3.2.3 裂紋檢測實驗

在304號剛表面制作寬0.5 mm長度30 mm深度2 mm的缺陷，利用U型聚磁裝置分別檢測磁場方向與裂紋方向平行與垂直時缺陷處的熱成像圖如圖14所示。

可以看出當磁場方向垂直于裂紋方向時，裂紋兩側發(fā)熱，當磁場方向平行于裂紋時，裂紋尖端發(fā)熱，具有聚磁裝置的感應加熱裝置能有效的實現(xiàn)金屬表面裂紋的檢測。

4 結論

針對渦流熱成像檢測中商品化激勵存在的不足，提出了基于U型聚餐線圈的整套激勵裝置，經(jīng)過仿真與實驗可得：

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

(2)能夠提高激勵的均勻性；

(3)能夠增大檢測區(qū)域面積；

(4)能夠更好的實現(xiàn)檢測對象表面裂紋的檢測。

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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

國家重大科學儀器設備開發(fā)專項(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，主要研究領域為感應加熱電源。E-mail：1208521010@cjlu.edu.cn 葉樹亮(1973—)，博士，主要研究領域為化工產(chǎn)品安全測試技術與儀器、工業(yè)零部件缺陷檢測技術與設備。E-mail：itmt_paper@126.com