[发明专利]一种基于方向调制的高信噪比涡流热成像检测方法

说明书

本发明公开了一种基于方向调制的高信噪比涡流热成像检测方法。本发明利用涡流热成像检测中裂纹对不同方向电磁激励响应不同的规律，采用低速旋转的高频磁场进行激励，使得裂纹区域热信号被选择性调制，在频域分析后获得高信噪比的裂纹检测结果。本发明可以使得调制对裂纹具有选择性，裂纹位置才会产生幅度较大的加热功率周期性变化（被调制），而非裂纹位置的加热功率几乎不随时间变化（不被调制），因此对观测信号的调制频率及其倍频成分的幅度、相位进行分析时，裂纹和非裂纹位置具有更强对比度，裂纹检测信噪比更高。

技术领域

本发明涉及一种无损检测方法，具体是一种基于方向调制的高信噪比涡流热成像检测方法。

背景技术

涡流热成像是一种主要针对金属材料表面和近表面裂纹的无损检测方法，是涡流检测和热成像技术的结合。涡流热成像的基本原理是：金属试样在交变电磁场中产生感应涡流；当试样表面或近表面存在裂纹时，会改变涡流场分布，可能导致局部涡流密度异常大；比如当试样中磁力线平行于裂纹时，裂纹尖端涡流密度一般远高于其它位置，同时裂纹断面的局部接触点的涡流密度也异常大；涡流具有焦耳热效应，从而可加热试样，使得试样表面温度分布间接反映涡流密度分布规律；采用热像仪观察记录试样表面温度场，可直接观察到裂纹引起的局部温度异常，或者经过适当数据处理后使裂纹引起的温度异常得到增强显示。

涡流热成像检测裂纹时，热扩散会导致裂纹引起的温度异常变得模糊，降低裂纹成像信噪比，因此一般采用窄脉冲激励，高频电磁激励持续时间一般在几十毫秒到1秒之间，此时一般称为脉冲涡流热成像(部分文献称为涡流脉冲热成像)。

涡流热成像方法检测裂纹时，励磁方向对检测效果影响很大。一般而言，磁力线方向平行于裂纹时(亦即感应涡流垂直于裂纹时)具有更好的检测效果。因此如果无法预判裂纹走向，则一般需要采用互相垂直的两次励磁，以保证裂纹可以有效检出。解决该问题的一种方法是采用旋转磁场，即设置励磁方向彼此垂直的两组线圈，二者分别通过频率相同、相位相差90°的高频电流，则两组线圈组合产生的励磁磁场的方向会以激励频率(一般为数十千赫兹以上)旋转，旋转的每个周期中总有一个时刻涡流方向垂直于裂纹，而最终热像仪观测到的表面温度场是整个激励过程中各种方向涡流加热的综合结果，因此对所有走向的裂纹都同样敏感。这种高频旋转磁场激励的方法可以检测出任意走向的裂纹，但对提高裂纹检测信噪比却没什么帮助。

在某些应用场景，涡流热成像的信噪比过低，脉冲涡流热成像可能难以有效检测出裂纹。比如水下金属结构，表面一般会涂覆很厚的防腐蚀涂层，涂层厚度可达到1mm。对于这类检测对象，涡流直接加热的是金属材料表面，热量需要穿透厚厚的涂层传递到涂层表面后，才能转变为被热像仪观测到表面温度变化。由于防腐蚀涂层热导率较低，因此热信号经过涂层后，强度会发生大幅衰减；并且热扩散导致异常区域扩大，裂纹位置与周围无裂纹位置的对比度下降。所以，涡流热成像检测厚涂层下裂纹时，裂纹成像信噪比很低，容易发生漏检，导致安全隐患。

调制是微弱信号检测中的常用方法，在热成像检测中也有调制热成像的做法。调制热成像(或锁相热成像)一般是让激励热源的强度周期性变化，在试样中诱导产生热波传递，有缺陷试样和无缺陷试样的传热通道不同，比如分层缺陷会导致热波更快“反射”回来，相当于具有更短的传热路径，因此对热像仪观测的表面温度进行频谱分析，缺陷区域的相位一般和无缺陷区域有显著区别。

对于有防腐涂层裂纹检测的低信噪比问题，如果采用常规的调制热成像方法，让感应涡流强度整体发生周期性变化，则检测效果一般并不好。这是因为在涡流热成像检测表面裂纹时，裂纹主要影响的不是传热模型，而是发热模型，因此热信号的频率变化，并不会导致裂纹位置和非裂纹位置对比度增强。而常规调制热成像检测内部分层缺陷时，分层主要改变传热模型，对不同频率热信号的传递效果不同，因此调制到载波频率可以更好的突出分层缺陷的影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提出一种具有高信噪比的涡流热成像检测方法；更具体的，是提出一种可以对裂纹区域和非裂纹区域选择性调制激励的方法。