CN115015323B - 复杂结构的涡流红外曲面适型无遮挡传感器及缺陷评价方法 - Google Patents

Abstract

复杂结构的涡流红外曲面适型无遮挡传感器及缺陷评价方法，该传感器由激励线圈与附有柔性导磁薄膜的可变形铁氧体磁轭组成。可变形铁氧体磁轭通过调节腿部旋转角度来适应复杂曲面被测体，调控管理磁路位形，消除激励线圈对目标区域温度场的遮挡。柔性导磁薄膜可协助管理磁路位形，同时保护待测曲面试件，避免试件表面被刚性铁氧体划伤。本发明还公开了缺陷评价方法，利用该传感器进行检测时，首先给感应加热单元施加激励，被检测试件在激励传感器作用下温度场发生变化；通过分析红外相机采集到的温度图像序列实现对曲面结构损伤的有效评价。本发明对复杂金属曲面结构表面或近表面亚毫米级微小点蚀性损伤提供了可靠、高精度无损评价方法，具有广泛应用前景。

Description

复杂结构的涡流红外曲面适型无遮挡传感器及缺陷评价方法

技术领域

本发明涉及金属材料曲面结构表面/近表面缺陷涡流红外无损检测技术领域，具体涉及一种复杂结构的涡流红外曲面适型无遮挡传感器及缺陷评价方法。

背景技术

金属材料曲面结构广泛应用于现代工业中，例如飞机发动机叶片、核装备、汽车轮毂、油气管道等。这些曲面结构往往是整个系统的应力集中部位、承力构件或易损零部件，因而成为整个系统中最容易出现缺陷的关键薄弱部位。因而对曲面结构缺陷的无损检测对相关产品制造和使用过程中的可靠性和寿命评估以及维护策略有着重要的意义。

脉冲涡流红外技术是一种新兴的无损检测技术，具有非接触、观测范围大、检测速度快和分辨率高等优点。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被测对象施加交变磁场，再通过红外相机采集物体表面温度变化的图像序列，最终分析温度图像序列即可对被测对象进行无损检测和无损评估。

传统涡流红外技术的激励单元由水冷型铜管制成，线径粗、体积大，单独使用难以适应一些工程结构中的复杂型曲面，而且传统铜管制的激励线圈会遮挡红外相机的视野，导致红外相机采集到的温度场信号不完整。

发明内容

为了实现上述评价金属材料曲面结构表面/近表面缺陷的目标，本发明的目的在于提供一种复杂结构的涡流红外曲面适型无遮挡传感器及缺陷评价方法。本发明能够为金属材料曲面结构表面或近表面缺陷的测定提供可靠的方法，该传感器具有观测范围大、分辨率更高、适应复杂曲面构型、无温度遮挡、保护待测试件等优点，填补了目前该领域的国际空白，可广泛应用于金属材料曲面结构表面/近表面缺陷检测中。

为了达到以上目的，本发明采取如下技术方案：

复杂结构的涡流红外曲面适型无遮挡传感器，包括激励线圈与附有非金属铰链和底部设置柔性导磁薄膜的可变形铁氧体磁轭；

所述激励线圈能够接收感应加热单元的电流激励，激励线圈中的脉冲电流会在空间中激发交变磁场，金属曲面结构在交变磁场作用下会产生涡流；由涡流产生的焦耳热会在金属曲面结构内传播，其传播规律遵循式(1)：

式中，ρ表示曲面结构材料的密度；C_p表示曲面结构材料的比热容；k表示曲面结构材料的热导率；T表示温度；Q表示焦耳热；

当金属曲面结构存在缺陷时，这些缺陷会影响涡流分布以及热传导过程，导致曲面结构表面温度分布不均匀，最终会在红外相机采集的图像序列中体现出来；

激励线圈中的冷却水配合冷却装置对激励线圈进行冷却，以避免激励线圈过热导致损坏；

所述铁氧体磁轭磁导率高，能够收束磁通量，增强待检测金属曲面结构附近的磁场强度，进而增大待测金属曲面结构内产生的涡流，提高待测金属曲面结构的产热效果，便于更精确地进行缺陷检测；

该铁氧体磁轭上的非金属铰链能够使铁氧体磁轭腿部在一定角度范围内自由旋转，传感器进行扫描时，根据待测区域大小、凹凸、曲率半径构形上的变化，非金属铰链自动实时调节磁轭腿部的旋转角度，使传感器贴合曲面结构待测区域，适应各种复杂曲面的待测体并管理磁路位形，同时还能够消除激励线圈对目标区域温度场的遮挡，增大了温度检测的区域范围，最终获取被检区域完整的温度场信号；

所述柔性导磁薄膜由柔性导磁材料制成，能增大铁氧体磁轭腿部与待测金属曲面结构的接触面积，由于其具有一定的导磁效果，因此能够减少检测过程中的磁通耗散，保证铁氧体磁轭的聚磁效果，协助管理磁路位形，此外，由于柔性导磁薄膜具有柔性，且其硬度小于铁氧体和金属材料，因此避免待测金属曲面结构表面在调节磁轭腿部旋转角度的过程中被划伤，起到保护待测金属曲面结构的作用。

传感器具体的具体制备步骤如下：

首先用非金属铰链将铁氧体磁轭的上部和腿部连接起来，再将柔性导磁薄膜粘接在铁氧体磁轭腿部的底部，之后将铁氧体磁轭穿过激励线圈，得到复杂结构的涡流红外曲面适型无遮挡传感器。

所述的复杂结构的涡流红外曲面适型无遮挡传感器的缺陷评价方法，用于对金属曲面结构表面或近表面缺陷进行定位和定量评价，包括如下步骤：

步骤1：搭建实验系统，该实验系统包括依次连接的冷却装置、感应加热单元、同步触发装置、红外相机和数据采集分析模块以及权利要求1所述的传感器；其中同步触发装置与感应加热单元和红外相机相连接，并给感应加热单元和红外相机同步触发信号；感应加热单元接收到触发信号时给与传感器的激励线圈脉冲电流激励，传感器放置于待测金属曲面结构表面上，冷却装置对传感器的激励线圈进行冷却；红外相机收到来自同步触发装置的触发信号后开始采集待测金属曲面结构表面的图像序列并将图像序列传输给数据采集分析模块；

步骤2：首先打开冷却装置；根据待测曲面结构形状调整铁氧体磁轭腿部角度，使铁氧体磁轭与待测金属曲面结构贴合，将铁氧体磁轭放置固定在待测金属曲面结构表面；然后对红外相机进行温度校准和调焦；

步骤3：在感应加热单元中设置给激励线圈施加的激励电流参数；

步骤4：同步触发装置同时给感应加热单元和红外相机发送触发信号，感应加热单元收到触发信号后给激励线圈施加脉冲激励电流，与此同时，红外相机开始采集曲面结构表面温度分布并传输给数据采集分析模块；

步骤5：对红外相机采集到的图像序列进行图像处理，对待测金属曲面结构表面或近表面的缺陷进行定位和定量；由于曲面结构缺陷的存在会影响涡流分布即焦耳热源的分布以及热传导过程，因此缺陷附近的温度分布与无缺陷区域的温度分布存在差异，通过分析红外相机采集到的温度分布图像序列云图即能够对曲面结构表面或近表面缺陷进行定位和定量。

本发明传感器由激励线圈与可变形铁氧体磁轭组成。可变形铁氧体磁轭通过调节腿部旋转角度，实现适应复杂曲面的被测体并管理磁路位形，保护待测试件，同时可消除激励线圈对目标区域温度场的遮挡，最终获取被检区域完整的温度场信号。

和现有技术相比，本发明的优点如下：

1)本发明利用涡流红外无损检测方法对金属材料曲面结构表面或近表面缺陷进行检测，具有检测速度快、检测分辨率高等优点。

2)与传统涡流红外无损检测方法相比，本发明采用可变形铁氧体磁轭，更加适应曲面结构构形，更加有利于管理磁路位形，增强导磁和聚磁效果，同时消除了激励线圈对目标区域温度场的遮挡，增大了温度检测的区域范围，提高了检测精度，增强了检测效果。

3)本发明提出了在磁轭腿部粘接柔性导磁薄膜的方法，既能够减少磁通耗散，确保检测精度，又能够保护待测试件，避免曲面结构的待测试件表面在检测过程中被划伤。

附图说明

图1为本发明提出的传感器示意图。

图2为本发明提出的传感器制备流程图。

图3为本发明提出的传感器检测和效果验证实验系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步详细描述。

如图1所示，本发明复杂结构的涡流红外曲面适型无遮挡传感器包括激励线圈与附有非金属铰链和柔性导磁薄膜的可变形铁氧体磁轭，如图3所示，本发明复杂结构的涡流红外曲面适型无遮挡传感器能够适应复杂曲面。

如图2所示，制备图1所示的复杂结构的涡流红外曲面适型无遮挡传感器的制备方法，具体步骤如下：

首先用非金属铰链将铁氧体磁轭的上部和腿部连接起来，再将柔性导磁薄膜粘接在铁氧体磁轭腿部的底部，将铁氧体磁轭穿过激励线圈，得到复杂结构的涡流红外曲面适型无遮挡传感器。

如图3，本发明所述的复杂结构的涡流红外曲面适型无遮挡传感器的缺陷评价方法，用于对曲面结构表面或近表面缺陷进行定位和定量评价，包括如下步骤：

步骤1：搭建实验系统，该实验系统由同步触发装置、感应加热单元、冷却装置、传感器、红外相机和数据采集分析模块组成；其中同步触发装置与感应加热单元和红外相机相连接，并给感应加热单元和红外相机同步触发信号；感应加热单元接收到触发信号时给与传感器的激励线圈脉冲电流激励，传感器放置于待测金属曲面结构表面上，冷却装置对传感器的激励线圈进行冷却；红外相机收到来自同步触发装置的触发信号后开始采集待测金属曲面结构表面的图像序列并将图像序列传输给数据采集分析模块；

步骤2：首先打开冷却装置；根据待测曲面结构形状调整铁氧体磁轭腿部角度，使铁氧体磁轭与待测金属曲面结构贴合，将铁氧体磁轭放置固定在待测金属曲面结构表面；然后对红外相机进行温度校准和调焦，保证待测金属曲面结构表面在红外相机中的图像清晰，同时红外相机与激励线圈之间的距离必须大于500mm，防止激励线圈产生的磁场影响红外相机的性能；

步骤3：在感应加热装置中设置给激励线圈施加的激励电流参数，包括：电流幅值、激励频率和激励时间；然后在同步触发装置中设置红外相机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：同步触发装置同时给感应加热装置和红外相机发送触发信号，感应加热装置收到触发信号后给激励线圈施加脉冲激励电流，与此同时，红外相机开始采集曲面结构表面温度分布并传输给数据采集分析模块。

步骤5：对红外相机采集到的图像序列进行图像处理，对待测金属曲面结构表面或近表面的缺陷进行定位和定量；由于曲面结构缺陷的存在会影响涡流分布(即焦耳热源的分布)以及热传导过程，因此缺陷附近的温度分布与无缺陷区域的温度分布存在较大差异，通过分析红外相机采集到的温度分布图像序列云图即能够对曲面结构表面或近表面缺陷进行定位和定量。

Claims (3)

1.复杂结构的涡流红外曲面适型无遮挡传感器，其特征在于：包括激励线圈与附有非金属铰链和底部设置柔性导磁薄膜的可变形铁氧体磁轭；

所述激励线圈能够接收感应加热单元的电流激励，激励线圈中的脉冲电流会在空间中激发交变磁场，金属曲面结构在交变磁场作用下会产生涡流；由涡流产生的焦耳热会在金属曲面结构内传播，其传播规律遵循式(1)：

式中，ρ表示曲面结构材料的密度；C_p表示曲面结构材料的比热容；k表示曲面结构材料的热导率；T表示温度；Q表示焦耳热；

当金属曲面结构存在缺陷时，这些缺陷会影响涡流分布以及热传导过程，导致曲面结构表面温度分布不均匀，最终会在红外相机采集的图像序列中体现出来；

激励线圈中的冷却水配合冷却装置对激励线圈进行冷却，以避免激励线圈过热导致损坏；

所述铁氧体磁轭磁导率高，能够收束磁通量，增强待检测金属曲面结构附近的磁场强度，进而增大待测金属曲面结构内产生的涡流，提高待测金属曲面结构的产热效果，便于更精确地进行缺陷检测；

该铁氧体磁轭上的非金属铰链能够使铁氧体磁轭腿部在一定角度范围内自由旋转，传感器进行扫描时，根据待测区域大小、凹凸、曲率半径构形上的变化，非金属铰链自动实时调节磁轭腿部的旋转角度，使传感器贴合曲面结构待测区域，适应各种复杂曲面的待测体并管理磁路位形，同时还能够消除激励线圈对目标区域温度场的遮挡，增大了温度检测的区域范围，最终获取被检区域完整的温度场信号；

所述柔性导磁薄膜由柔性导磁材料制成，能增大铁氧体磁轭腿部与待测金属曲面结构的接触面积，其具有一定的导磁效果，能够减少检测过程中的磁通耗散，保证铁氧体磁轭的聚磁效果，协助管理磁路位形，柔性导磁薄膜具有柔性，且其硬度小于铁氧体和金属材料，避免待测金属曲面结构表面在调节磁轭腿部旋转角度的过程中被划伤，起到保护待测金属曲面结构的作用。

2.根据权利要求1所述的复杂结构的涡流红外曲面适型无遮挡传感器，其特征在于：传感器具体的具体制备步骤如下：

首先用非金属铰链将铁氧体磁轭的上部和腿部连接起来，再将柔性导磁薄膜粘接在铁氧体磁轭腿部的底部，之后将铁氧体磁轭穿过激励线圈，得到复杂结构的涡流红外曲面适型无遮挡传感器。

3.权利要求1所述的复杂结构的涡流红外曲面适型无遮挡传感器的缺陷评价方法，其特征在于：用于对金属曲面结构表面或近表面缺陷进行定位和定量评价，包括如下步骤：

步骤1：搭建实验系统，该实验系统包括依次连接的冷却装置、感应加热单元、同步触发装置、红外相机和数据采集分析模块以及权利要求1所述的传感器；其中同步触发装置与感应加热单元和红外相机相连接，并给感应加热单元和红外相机同步触发信号；感应加热单元接收到触发信号时给与传感器的激励线圈脉冲电流激励，传感器放置于待测金属曲面结构表面上，冷却装置对传感器的激励线圈进行冷却；红外相机收到来自同步触发装置的触发信号后开始采集待测金属曲面结构表面的图像序列并将图像序列传输给数据采集分析模块；

步骤2：首先打开冷却装置；根据待测曲面结构形状调整铁氧体磁轭腿部角度，使铁氧体磁轭与待测金属曲面结构贴合，将铁氧体磁轭放置固定在待测金属曲面结构表面；然后对红外相机进行温度校准和调焦；

步骤3：在感应加热单元中设置给激励线圈施加的激励电流参数；

步骤4：同步触发装置同时给感应加热单元和红外相机发送触发信号，感应加热单元收到触发信号后给激励线圈施加脉冲激励电流，与此同时，红外相机开始采集曲面结构表面温度分布并传输给数据采集分析模块；

步骤5：对红外相机采集到的图像序列进行图像处理，对待测金属曲面结构表面或近表面的缺陷进行定位和定量；曲面结构缺陷的存在会影响涡流分布即焦耳热源的分布以及热传导过程，缺陷附近的温度分布与无缺陷区域的温度分布存在差异，通过分析红外相机采集到的温度分布图像序列云图即能够对曲面结构表面或近表面缺陷进行定位和定量。