CN111982967A - 一种基于永磁铁的磁饱和脉冲涡流红外无损评价方法 - Google Patents

一种基于永磁铁的磁饱和脉冲涡流红外无损评价方法 Download PDF

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Abstract

一种基于永磁铁的磁饱和脉冲涡流红外无损评价方法，首先通过计算机控制程序控制器同步触发感应加热器和红外热像仪，感应加热器接收到触发信号的同时给与加热头相连的加热线圈施加一个脉冲电流激励，冷却装置同时对感应加热器、加热头和加热线圈进行冷却；永磁铁周围产生较强的静态磁场，铁磁性材料在永磁铁的作用下达到磁饱和，然后在加热线圈的作用下产生焦耳热，通过热传导引起材料表面温度的变化；最后通过红外热像仪采集温度的变化并通过分析采集到的图像序列对铁磁性材料进行缺陷无损评价。相较于传统的脉冲涡流红外无损检测方法，本发明方法对铁磁性材料的检测深度更大，具有广泛的应用前景。

Description

一种基于永磁铁的磁饱和脉冲涡流红外无损评价方法
技术领域
本发明涉及铁磁性材料缺陷脉冲涡流红外无损检测领域，具体涉及一种基于永磁铁的磁饱和脉冲涡流红外无损评价方法。
背景技术
铁磁性材料是现代工农业生产的主要支柱材料之一，铁磁性材料的产品是表示一个国家经济发展程度的指标，其需求则能粗略体现一个国家的国民生活水平。作为一种基础功能材料，铁磁性材料应用于生活的方方面面，目前铁磁性材料主要应用于电信、电机、电视机和计算机的存储设备等方面。铁磁性材料与工件内的各种缺陷是现代工业设备、产品和武器的严重隐患,所以,在工业生产中,必须对铁磁性材料进行严格的检测。
脉冲涡流红外是一种新兴的无损检测技术，具有非接触、观测范围大和分辨率高等优点。脉冲涡流红外无损检测技术通过激励线圈中的高频激励电流对物体施加交变磁场，再通过红外热像仪采集物体表面温度变化的图像序列，最后通过分析温度图像序列即可对物体进行无损检测和无损评估。
由于脉冲涡流红外采用的激励频率非常高，而铁磁性材料的相对磁导率又很大，所以利用脉冲涡流红外无损检测方法对铁磁性材料进行检测的过程中，涡流场的渗透深度较小，即焦耳热源的深度很小，因此铁磁性材料中相对较深位置处的缺陷很难被检出。幸运的是，铁磁性材料在一定强度的外加磁场中能够达到磁饱和状态，即相对磁导率会减小，涡流场的渗透深度会增大，即焦耳热源的深度变大。因此，从机理分析，利用脉冲涡流红外无损检测方法检测处于磁饱和状态下的铁磁性材料将能够检测到更深位置处的缺陷。
发明内容
为了达到上述利用脉冲涡流红外无损检测方法检测铁磁性材料缺陷的目的，本发明的目的在于提供一种基于永磁铁的磁饱和脉冲涡流红外无损评价方法，该方法实验装置由计算机、程序控制器、感应加热器、加热头、加热线圈、冷却装置、永磁铁和红外热像仪组成；实现该方法时，首先通过计算机控制程序控制器同步触发感应加热器和红外热像仪，感应加热器接收到触发信号的同时给与加热头相连的加热线圈施加一个脉冲电流激励，冷却装置同时对感应加热器、加热头和加热线圈进行冷却；铁磁性材料在永磁铁的作用下会达到磁饱和，然后在加热线圈的作用下产生焦耳热，通过热传导引起材料表面温度的变化；最后通过红外热像仪采集温度的变化并通过分析采集到的图像序列对铁磁性材料进行缺陷无损评价。相较于传统的脉冲涡流红外无损检测方法，本发明方法对铁磁性材料的检测深度更大，具有广泛的应用前景。
为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于永磁铁的磁饱和脉冲涡流红外无损评价方法，用于对铁磁性材料中的缺陷进行定位和定量评价，包括如下步骤：
步骤1：搭建实验装置，该实验装置由计算机、程序控制器、感应加热器、冷却装置、加热头、加热线圈、永磁铁和红外热像仪组成；其中计算机控制程序控制器并接收红外热像仪采集的图像序列，程序控制器同步触发感应加热器和红外热像仪；感应加热器接收到触发信号后施加脉冲激励电流给与加热头相连的加热线圈，加热线圈和永磁铁放置于铁磁性材料上方，同时冷却装置对感应加热器、加热头和加热线圈进行冷却；红外热像仪接收到来自程序控制器的触发信号后开始采集铁磁性材料的图像序列并将图像序列传输给计算机；
步骤2：首先打开冷却装置并将永磁铁和加热线圈放置于铁磁性材料上方，然后对红外热像仪进行温度校准，校准完毕后进行调焦操作，保证铁磁性材料在红外热像仪中的图像清晰，同时红外热像仪与加热线圈之间的距离和红外热像仪与永磁铁之间的距离均必须大于500mm，防止加热线圈产生的磁场和永磁铁产生的磁场影响红外热像仪的性能；
步骤3：在程序控制器中设置感应加热器给加热线圈施加的激励电流的参数，包括：电流幅值、激励频率和激励时间；然后在程序控制器中设置红外热像仪采集图像序列的参数，包括：采样频率和总的采集时间；总的采集时间必须大于激励时间；
步骤4：用计算机控制程序控制器同时给感应加热器和红外热像仪一个触发信号，感应加热器接收到触发信号的同时给加热线圈施加一个脉冲激励电流，激励波形表达式如式(1)所示；与此同时，当红外热像仪接收到来自程序控制器发出的触发信号时，开始采集铁磁性材料表面温度的变化；
I(t)＝I0×(1-e-10000t)×sin(ωt) (1)
式中：I(t)表示t时刻的激励电流值，I0表示脉冲激励电流的幅值，ω为脉冲激励电流的角频率，t为时间；
加热线圈中的脉冲电流会在空间激发交变磁场，铁磁性材料在交变磁场中会产生涡流；在永磁铁产生的恒定磁场的作用下，铁磁性材料达到磁饱和状态，铁磁性材料的磁导率降低，从而导致涡流在铁磁性材料中的渗透深度增大；根据焦耳定律可知，部分涡流会在材料内部由电能转化为热能，且产生的焦耳热Q正比于涡流密度Js和电场密度E：
Figure BDA0002645308910000041
式中：σ表示铁磁性材料的电导率；Js表示涡流密度；E表示电场强度，其表达式由式(3)表示；
Figure BDA0002645308910000042
式中：A表示磁矢位，可由式(4)得到；t表示时间；
Figure BDA0002645308910000043
式中：μ表示铁磁性材料的磁导率；
由涡流产生的焦耳热Q将会在铁磁性材料内部传播，其传播规律遵循式(5)；
Figure BDA0002645308910000044
式中：ρ表示铁磁性材料的密度；Cp表示铁磁性材料的比热容；k表示铁磁性材料的热导率；T表示温度；Q表示焦耳热；
当铁磁性材料表面或内部存在缺陷时，这些缺陷一方面影响涡流场的分布(即影响焦耳热源的分布)，另一方面也会影响热传导的过程，导致铁磁性材料表面温度分布不均匀，最终会在红外热像仪采集的图像序列中体现出来；由于在永磁铁产生的恒定磁场的作用下，铁磁性材料的相对磁导率减小，涡流的渗透增大，所以热传导的深度更大，从而相比于传统的脉冲涡流红外无损检测方法，本发明方法对更深处缺陷的检测能力增强；
步骤5：通过红外热像仪采集到的图像序列对铁磁性材料中的缺陷进行定位和定量；由于铁磁性材料表面或内部的缺陷会影响热传导的过程，所以缺陷附近的温度分布与无缺陷部分的温度分布具有较大的差异，通过分析红外热像仪采集到的图像序列上的温度分布云图即可对铁磁性材料中的缺陷进行定位和定量。
和现有技术相比，本发明的优点如下：
1)本发明提出了一种基于永磁铁的磁饱和脉冲涡流红外无损评价方法，与传统铁磁性材料测量方法相比，本发明方法具有非接触、观测范围大、分辨率高、检测速度快等优点；
2)与传统脉冲涡流红外无损检测方法相比，本发明方法对铁磁性材料缺陷的检测深度更大，实验系统搭建简便，操作简单，具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明中应用的基于永磁铁的磁饱和脉冲涡流红外无损评价系统各组件连接示意图。
图2为铁磁性材料相对磁导率随磁场强度变化示意图。
图3(a)为本发明中被测铁磁性材料试件中缺陷对涡流场分布的扰动示意图俯视图。
图3(b)为本发明中被测铁磁性材料试件中缺陷对涡流场分布的扰动示意图主视图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明：
对于图1中所示的铁磁性材料被测试件，本发明方法的检测步骤为：如图1所示该方法采用的实验装置由计算机、程序控制器、感应加热器、冷却装置、加热头、加热线圈、永磁铁和红外热像仪组成。按图1所示的连接方式将计算机与程序控制器相连，计算机通过程序控制器同步触发与程序控制器相连的感应加热器和红外热像仪。感应加热器接收到触发信号的同时给与加热头相连的加热线圈施加一个脉冲电流激励。感应加热器、加热头和加热线圈都与冷却装置相连，冷却装置利用装置中循环流动的冷却水对感应加热器、加热头和加热线圈进行冷却。由图2可知，铁磁性材料的相对磁导率随着磁场强度的增加而减小，最终达到饱和。所以铁磁性材料会在图1中所示的永磁铁产生的磁场中达到磁饱和，然后在加热线圈的作用下产生涡流，涡流继而产生焦耳热，从而引起材料表面温度的变化。当铁磁性材料中存在缺陷时，如图3(a)和图3(b)所示，缺陷会影响涡流的分布，继而影响材料表面温度场的分布。最后通过红外热像仪采集温度的变化并通过分析采集到的图像序列对铁磁性材料进行无损评价。下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
一种基于永磁铁的磁饱和脉冲涡流红外实验系统及无损评价方法，包括如下步骤：
步骤1：搭建实验装置，该实验装置由计算机、程序控制器、感应加热器、冷却装置、加热头、加热线圈、永磁铁和红外热像仪组成；其中计算机控制程序控制器并接收红外热像仪采集的图像序列，程序控制器同步触发感应加热器和红外热像仪；感应加热器接收到触发信号后施加脉冲激励电流给与加热头相连的加热线圈，加热线圈和永磁铁放置于铁磁性材料上方，同时冷却装置对感应加热器、加热头和加热线圈进行冷却；红外热像仪接收到来自程序控制器的触发信号后开始采集铁磁性材料的图像序列并将图像序列传输给计算机；
步骤2：首先打开冷却装置并将永磁铁和加热线圈放置于铁磁性材料上方，然后对红外热像仪进行温度校准，校准完毕后进行调焦操作，保证铁磁性材料在红外热像仪中的图像清晰，同时红外热像仪与加热线圈之间的距离和红外热像仪与永磁铁之间的距离均必须大于500mm，防止加热线圈产生的磁场和永磁铁产生的磁场影响红外热像仪的性能；
步骤3：在程序控制器中设置感应加热器给加热线圈施加的激励电流的参数，包括：电流幅值、激励频率和激励时间；然后在程序控制器中设置红外热像仪采集图像序列的参数，包括：采样频率和总的采集时间；总的采集时间必须大于激励时间；
步骤4：用计算机控制程序控制器同时给感应加热器和红外热像仪一个触发信号，感应加热器接收到触发信号的同时给加热线圈施加一个脉冲激励电流，激励波形表达式如式(1)所示；与此同时，当红外热像仪接收到来自程序控制器发出的触发信号时，开始采集铁磁性材料表面温度的变化。
I(t)＝I0×(1-e-10000t)×sin(ωt) (1)
式中：I(t)表示t时刻的激励电流值，I0表示脉冲激励电流的幅值，ω为脉冲激励电流的角频率，t为时间；
加热线圈中的脉冲电流会在空间激发交变磁场，铁磁性材料在交变磁场中会产生涡流。在永磁铁产生的恒定磁场的作用下，铁磁性材料达到磁饱和状态，铁磁性材料的磁导率降低，从而导致涡流在铁磁性材料中的渗透深度增大。根据焦耳定律可知，部分涡流会在材料内部由电能转化为热能，且产生的焦耳热Q正比于涡流密度Js和电场密度E：
Figure BDA0002645308910000081
式中：σ表示铁磁性材料的电导率；Js表示涡流密度；E表示电场强度，其表达式由式(3)表示。
Figure BDA0002645308910000082
式中：A表示磁矢位，可由式(4)得到；t表示时间。
Figure BDA0002645308910000091
式中：μ表示铁磁性材料的磁导率；
由涡流产生的焦耳热Q将会在铁磁性材料内部传播，其传播规律遵循式(5)。
Figure BDA0002645308910000092
式中：ρ表示铁磁性材料的密度；Cp表示铁磁性材料的比热容；k表示铁磁性材料的热导率；T表示温度；Q表示焦耳热。
当铁磁性材料表面或内部存在缺陷时，这些缺陷一方面影响涡流场的分布即影响焦耳热源的分布，另一方面也会影响热传导的过程，导致铁磁性材料表面温度分布不均匀，最终会在红外热像仪采集的图像序列中体现出来。由于在永磁铁产生的恒定磁场的作用下，铁磁性材料的相对磁导率减小，涡流的渗透增大，所以热传导的深度更大，从而相比于传统的脉冲涡流红外无损检测方法，本发明方法对更深处缺陷的检测能力增强。
步骤5：通过红外热像仪采集到的图像序列对铁磁性材料中的缺陷进行定位和定量；由于铁磁性材料表面或内部的缺陷会影响热传导的过程，所以缺陷附近的温度分布与无缺陷部分的温度分布具有较大的差异，通过分析红外热像仪采集到的图像序列上的温度分布云图即可对铁磁性材料中的缺陷进行定位和定量。

Claims (1)

1.一种基于永磁铁的磁饱和脉冲涡流红外无损评价方法，其特征在于：用于对铁磁性材料中的缺陷进行定位和定量评价，包括如下步骤：
步骤1：搭建实验装置，该实验装置由计算机、程序控制器、感应加热器、加热头、加热线圈、冷却装置、永磁铁和红外热像仪组成；其中计算机控制程序控制器并接收红外热像仪采集的图像序列，程序控制器同步触发感应加热器和红外热像仪；感应加热器接收到触发信号后施加脉冲激励电流给与加热头相连的加热线圈，加热线圈和永磁铁放置于铁磁性材料上方，同时冷却装置对感应加热器、加热头和加热线圈进行冷却；红外热像仪接收到来自程序控制器的触发信号后开始采集铁磁性材料的图像序列并将图像序列传输给计算机；
步骤2：首先打开冷却装置并将永磁铁和加热线圈放置于铁磁性材料上方，然后对红外热像仪进行温度校准，校准完毕后进行调焦操作，保证铁磁性材料在红外热像仪中的图像清晰，同时红外热像仪与加热线圈之间的距离和红外热像仪与永磁铁之间的距离均必须大于500mm，防止加热线圈产生的磁场和永磁铁产生的磁场影响红外热像仪的性能；
步骤3：在程序控制器中设置感应加热器给加热线圈施加的激励电流的参数，包括：电流幅值、激励频率和激励时间；然后在程序控制器中设置红外热像仪采集图像序列的参数，包括：采样频率和总的采集时间；总的采集时间必须大于激励时间；
步骤4：用计算机控制程序控制器同时给感应加热器和红外热像仪一个触发信号，感应加热器接收到触发信号的同时给加热线圈施加一个脉冲激励电流，激励波形表达式如式(1)所示；与此同时，当红外热像仪接收到来自程序控制器发出的触发信号时，开始采集铁磁性材料表面温度的变化；
I(t)＝I0×(1-e-10000t)×sin(ωt) (1)
式中：I(t)表示t时刻的激励电流值，I0表示脉冲激励电流的幅值，ω为脉冲激励电流的角频率，t为时间；
加热线圈中的脉冲电流会在空间激发交变磁场，铁磁性材料在交变磁场中会产生涡流；在永磁铁产生的恒定磁场的作用下，铁磁性材料达到磁饱和状态，铁磁性材料的磁导率降低，从而使得涡流在铁磁性材料中的渗透深度增大；根据焦耳定律可知，涡流会在材料内部由电能转化为热能，且产生的焦耳热Q正比于涡流密度Js和电场强度E：
Figure FDA0002645308900000021
式中：σ表示铁磁性材料的电导率；Js表示涡流密度；E表示电场强度，其表达式由式(3)表示；
Figure FDA0002645308900000022
式中：A表示磁矢位，可由式(4)得到；t表示时间；
Figure FDA0002645308900000023
式中：μ表示铁磁性材料的磁导率；
由涡流产生的焦耳热Q将会在铁磁性材料内部传播，其传播规律遵循式(5)；
Figure FDA0002645308900000031
式中：ρ表示铁磁性材料的密度；Cp表示铁磁性材料的比热容；k表示铁磁性材料的热导率；T表示温度；Q表示焦耳热；
当铁磁性材料表面或内部存在缺陷时，这些缺陷一方面影响涡流场的分布即影响焦耳热源的分布，另一方面也会影响热传导的过程，导致铁磁性材料表面温度分布不均匀，最终会在红外热像仪采集的图像序列中体现出来；由于在永磁铁产生的恒定磁场的作用下，铁磁性材料的磁导率减小，涡流的渗透深度增大，所以焦耳热源以及热传导的深度更大，对更深处缺陷的检测能力增强；
步骤5：通过红外热像仪采集到的图像序列对铁磁性材料中的缺陷进行定位和定量；由于铁磁性材料表面或内部的缺陷会影响焦耳热源的分布以及热传导的过程，所以缺陷附近的温度分布与无缺陷部分的温度分布具有较大的差异，通过分析红外热像仪采集到的图像序列上的温度分布云图即能够对铁磁性材料中的缺陷进行定位和定量。
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