李浩然，朱玉玉,，武 麗

(1.西南科技大學信息工程學院，四川 綿陽 621010；2.電子科技大學自動化工程學院，四川 成都 611731)

紅外熱成像無損檢測系統(tǒng)鎖相熱激勵源的研制

李浩然1，朱玉玉1,2，武 麗1

(1.西南科技大學信息工程學院，四川 綿陽621010；2.電子科技大學自動化工程學院，四川 成都611731)

近年來，我國航空航天、車輛工程及船舶制造業(yè)發(fā)展迅速，對產品加工工藝及性能指標的要求不斷提高。無損檢測(NDT)技術也因此越來越受到重視。其中，紅外熱成像(IRT)無損檢測技術作為潛力巨大的無損檢測與評估技術，正受到廣泛關注。傳統(tǒng)的鎖相熱激勵源(ES)由于輸出功率低、鎖相頻率不可調，導致紅外熱像儀采集不清晰、圖像分析效果不理想，很多產品已不能滿足后級系統(tǒng)對光照強度的要求。通過對光鎖相熱成像(LIT)需求的分析，從電力電子的角度入手，采用功率器件搭建創(chuàng)新型拓撲，設計了一種最大輸出交流電壓250V、電流10A的新型大功率紅外熱成像(ITI)檢測熱激勵源。詳細敘述了該鎖相熱成像激勵源的構成、參數(shù)計算及工作過程、原理，并通過試驗對其進行了測試和驗證。將該大功率激勵源應用于紅外熱成像無損檢測領域，降低了后級系統(tǒng)對時序熱波信號進行數(shù)據采集的難度，有利于對缺陷進行更精確的分析。后期將實現(xiàn)系統(tǒng)多級并聯(lián)，使其輸出更高功率，滿足紅外熱成像無損檢測系統(tǒng)對更大功率激勵源的需求。

紅外熱成像； 無損檢測； 鎖相熱成像； 激勵源； FPGA； 橋式電路； 大功率； 頻率可調

0 引言

紅外熱成像無損檢測是一項潛力巨大的新興無損檢測技術。作為跨學科、跨應用領域的通用型實用技術[1-2]，其應用研究技術主要包含：熱激勵技術(加熱技術)、熱成像技術、熱圖像處理技術[3]。

紅外熱成像無損檢測技術用于探傷，即檢測試件內部有無缺陷?！坝袀迸c“無傷”試件分別響應外界熱激勵條件形成差別，并最終在被檢物表面形成溫差。通過獲取這些溫度的差異，并對采集到的信息作出處理，即可達到檢測的目的。被測物的表面形狀、尺寸、材料、所處環(huán)境和存在的損傷特征，都可能影響檢測結果。針對各類檢測問題，設計出效率高、適用面廣的熱激勵源，是成功應用紅外熱成像檢測技術的基礎。因此，針對被檢測試件的熱激勵技術是紅外熱成像無損檢測的關鍵技術之一[4]。

1 設計目的及理論依據

在熱成像無損檢測技術中，不同的激勵方式決定了不同的檢測系統(tǒng)設計與數(shù)據采集方式。在光學熱成像技術中，熱光源(如鹵素燈)照射被檢測試件使其表面被加熱，產生的熱波向其內部擴散。若試件中存有缺陷，則熱波傳遞受阻，最終導致被測物表面溫度分布不均。通過紅外熱像儀觀測并記錄這種溫度變化，得到時序熱像圖，提取并分析熱像圖中數(shù)據以獲得缺陷的特征信息[5]。光學熱成像系統(tǒng)示意圖與檢測原理圖分別如圖1、圖2所示。

圖1 系統(tǒng)示意圖

圖2 檢測原理圖

根據熱激勵信號的不同，可將熱成像技術分為鎖相熱成像和脈沖熱成像[6]。鎖相熱成像系統(tǒng)中使用的是周期性調制熱源。由該類熱源對待測試件進行周期性激勵。若待測試件存在缺陷，則熱波會被該缺陷反射回表面，試件的表面溫度分布將發(fā)生周期性變化。紅外熱像儀觀測被測物表面的溫度分布情況，但觀測到的時序熱像圖中存在直流分量、噪聲信號等眾多干擾信號。若缺陷尺寸較小，或是有疲勞損傷，則其對表面溫度分布的影響極微弱。通常所需信號被淹沒在噪聲中，很難從原始時序熱圖中提取出來。

鎖相的優(yōu)點是將微弱信號從這些干擾信號中分辨出來。分辨微弱周期性信號的一個重要方法就是提高激勵熱源的單頻信號的幅度。常見的熱激勵源是對2個不同頻率(高頻和低頻)的正弦波信號進行調制后，通過功率放大器放大。事實上，這種方式所得信號幅值受功率放大器的限制往往不大。實際試驗中，由于一個方波可被分解為多種不同頻率正弦波相疊加，所以正弦熱源可由方波熱源代替。在后續(xù)的數(shù)據處理中，只需對方波中的各高次諧波信號進行抑制，提取基頻響應信號，即可達到單頻正弦熱源的效果[7]。因此，能否針對上述要求設計出產生高幅度、以方波為載波的正弦調制波信號的熱激勵源，將是光鎖相熱成像技術被成功使用的基礎。而本激勵源輸出交流電壓為250V、電流為10A、最大輸出功率達2.5kW的激勵信號，從而使后級系統(tǒng)較理想地分辨出微弱周期信號。

以方波為載波的正弦調制波信號如圖3所示。

圖3 調制波信號示意圖

圖3中，fLock-in為鎖相頻率，和熱傳播深度μ直接相關。

熱傳播深度μ與熱傳播系數(shù)α的關系為：

(1)

式中：α值由材料自身特性決定。對于特定的材料，α值是一定的。若想增加熱傳播深度μ，則必須減小鎖相頻率fLock-in。但若鎖相頻率過小，熱波向周圍擴散明顯，不能近似看成其在試件內是一維傳播，這將導致缺陷周圍出現(xiàn)光環(huán)，影響觀測者對真實缺陷的判斷[6]。為了減少熱波向周圍擴散并達到較好的檢測深度，本激勵源鎖相頻率可調范圍設置為0.01～10Hz。

2 激勵源系統(tǒng)的構成及工作原理

2.1激勵源的主電路構成

整個激勵源系統(tǒng)主要由現(xiàn)場可編程門陣列(field-programmablegatearray,FPGA)系統(tǒng)、半橋電路、全橋電路、多級驅動電路、輔助電源電路、觸摸式液晶屏及鹵素燈等構成。

激勵源主電路拓撲圖如圖4所示。圖4中：Uin采用電壓輸出能力可達250VDC、電流輸出能力達直流10A的桌面電源；半橋電路部分包含輸入電容Cin1、2個大功率金氧半場效晶體管(metal-oxide semiconductor field OE-effect transistor，MOSFET)以及濾波電感Lf、濾波電容Cf；全橋電路部分由輸入電容Cin2、4個功率MOSFET組成；輔助電源電路為系統(tǒng)提供+5V與+12V的輔助電壓；觸摸式液晶屏控制FPGA，產生的信號經多級驅動電路放大后用以驅動MOS管Q1～Q6；鹵素燈串接在Uout兩端。

圖4 激勵源主電路拓撲圖

2.2激勵源的FPGA系統(tǒng)

隨著電子應用領域的不斷擴展，F(xiàn)PGA系統(tǒng)以其獨特的優(yōu)勢，正空前迅速地滲透到各行各業(yè)[8]。其時序邏輯電路采用VerilogHDL語言，用來產生脈沖寬度調制(pulsewidthmodulation,PWM)與正弦脈沖寬度調制(sinusoidalPWM,SPWM)控制信號。系統(tǒng)軟核NiosII源程序采用C語言編寫，用來接收觸摸式液晶屏串口信號，并通過改寫寄存器的值來控制時序邏輯電路。FPGA系統(tǒng)工作示意圖如圖5所示。圖5中，硬件時序電路由VerilogHDL語言綜合而成。軟件與硬件描述語言部分均采用模塊化設計，如主程序模塊、定時器模塊、串口模塊、邏輯處理模塊、SPWM產生模塊、全橋PWM產生模塊等。模塊化增強了系統(tǒng)針對性，降低了程序復雜度，使程序設計、調試和維護等操作趨于簡單，提升了可靠性。

圖5 FPGA系統(tǒng)工作示意圖

本激勵源采用Altera公司的Cyclone IV FPGA作為主控制器，其時鐘頻率倍頻到100MHz，使其應用在高頻場合應用時也能保持較高的精度(如，在100kHz高頻時，誤差為0.001)。其內含的軟核控制串口液晶屏便于進行二次開發(fā)，可設計出更友好、便利的人機交互界面。

2.3激勵源工作原理

2.3.1工作過程

激勵源輸入端Uin采用0～250VDC可調的實驗室用桌面電源。由FPGA系統(tǒng)產生的控制信號經多級驅動芯片放大后，用以驅動半橋和全橋的MOSFETQ1～Q6。其中：控制半橋MOSFETQ1的是載波頻率為100kHz、調制波頻率在0.01～10Hz可調的SPWM信號；控制Q2的信號為與Q1信號互補的SPWM信號；根據所選功率MOSFETIXFK_64N60P的導通與關斷時間分別約為100ns的特點，同時為了保留充足的裕量以免MOSFET損耗過大，其死區(qū)時間取600ns。電壓Uin經過Q1、Q2交替開斷控制后成為一個高壓的SPWM電壓信號，所得信號經Lf、Cf濾波后成為一個正弦電壓。該正弦電壓既是半橋電路部分的輸出，又是全橋電路部分的輸入?？刂迫珮騇OSFETQ3、Q6的是頻率為100kHz、占空比為50%的PWM信號，該信號同時控制Q3、Q6，使其開斷同步。控制Q4、Q5的信號為與Q3、Q6信號互補的PWM信號，其死區(qū)時間也取600ns。上述正弦電壓經全橋電路后，便可得到如圖3所示的高幅度、以方波為載波的正弦調制波信號。該電壓信號加在鹵素燈兩端所產生的光即可作為鎖相熱成像激勵源，照射在試件上使其加熱。其中，液晶屏主要用于設置SPWM控制頻率與系統(tǒng)工作時間。

2.3.2工作原理

半橋電路部分工作時可等效為Buck降壓電路，如圖6所示。

圖6 Buck降壓電路圖

當僅Q1導通時，電路為充電狀態(tài)，輸入電壓Uin直接加在負載R兩端，回路電流按指數(shù)趨勢增加。當Q1關斷時，電路為放電狀態(tài)，回路電流經Q2體二極管續(xù)流[9]；若此時導通Q2，則回路電流可同時經Q2及其體二極管續(xù)流。由于Q2的導通電阻很小(約為96mΩ)，這將大大減小續(xù)流時的損耗，提高系統(tǒng)能量轉換效率。一個周期T結束后，驅動Q1導通并重復上個周期過程，電路工作于穩(wěn)態(tài)時，輸出電壓平均值為：

(2)

式中：ton為Q1導通時間；toff為Q1關斷時間；T為一個開關周期；α為導通占空比；Uin為輸入電壓[9]。

由式(2)可知，當Uin不變時，α與U0成正比。當α=1時，輸出電壓平均值Uo=Uin為最大。本系統(tǒng)中，SPWM波載波頻率保持100kHz，占空比α在0.1～0.9范圍內按正弦規(guī)律變化，這就相當于以Uin的0.1～0.9降壓，Uo=(0.1～0.9)Uin。這些按正弦規(guī)律變化的Uo組合起來便得到了一個正弦波，其頻率即為SPWM波的調制波頻率，電壓最小值為0.1Uin，最大值為0.9Uin。

按照電感電流是否連續(xù)，Buck電路可分為電流連續(xù)模式(continuous conduction mode,CCM)和電流斷續(xù)模式(discontinuous conduction mode,DCM)兩種[10]。為了使負載電流連續(xù)且紋波較小，Buck電路必須工作在CCM，則需串聯(lián)電感值較大的Lf。設IL為iL的平均值，ΔiL為iL紋波值。則在該模式下，穩(wěn)態(tài)時有：

(3)

(4)

又有：

(5)

由式(4)和式(5)可得：

(6)

由式(3)和式(6)可得：

(7)

全橋電路部分工作原理與H橋式電機驅動電路類似，將直流電機替換為電阻R，即可實現(xiàn)正負壓輸出。全橋電路原理如圖7所示。

圖7 全橋電路原理圖

半橋電路輸出正弦電壓作為全橋電路的輸入，當FPGA系統(tǒng)控制Q3、Q6導通時，Uin2正向加在負載R兩端，形成一個正向電流；控制Q4、Q5導通時，Uin2反向加在負載R兩端，形成一個反向電流。這樣一正一反在占空比為50%的100kHz頻率下工作，即可將半橋輸出的高幅度正弦信號調制為圖3所示信號。該信號即為無損檢測系統(tǒng)所需的激勵信號。

3 試驗結果與分析

該激勵源系統(tǒng)各功率器件參數(shù)見表1。

表1 各功率器件參數(shù)

其中，鹵素燈可根據輸出功率需求選擇使用1～2盞。每盞鹵素燈工作阻值約為50Ω，兩盞并聯(lián)后為25Ω，Uin=250V時最大輸出電流可達10A。

通過試驗與測試，得到了較為理想的波形。當Uin=100V、fLock-in=0.5Hz時，全橋輸出波形(即前文所述高幅度、以方波為載波的正弦調制波信號)如圖8所示。

圖8 全橋輸出波形

此時，半橋輸出為10V(0.1Uin)～90V(0.9Uin)的正弦波。該激勵源的fLock-in、Uin皆在一定范圍內可調，所得信號中的直流分量可通過后期數(shù)據處理得到抑制。將1～2盞鹵素燈(圖7中的負載R)先并聯(lián)再串聯(lián)在全橋輸出兩端，其發(fā)出的光就可作為紅外熱成像無損檢測的熱激勵源。

4 結束語

紅外熱成像以其特有的技術優(yōu)勢，在無損檢測領域中得到了迅速發(fā)展。作為其重要的檢測方法之一，鎖相熱成像因能直觀、快速、準確、實時地檢測試件缺陷，在航空航天、車輛工程及船舶制造業(yè)等領域應用廣泛。

針對以往光鎖相熱激勵源單頻信號幅度低功率不足的缺點，通過對紅外熱成像無損檢測激勵源的需求分析，從電力電子技術的角度入手，克服了采用功率放大器輸出電壓幅值低的缺陷，自主研制了一套最大輸出交流電壓250V、電流10A的新型大功率光鎖相熱激勵源，并成功應用于紅外熱成像無損檢測系統(tǒng)。其輸出波形理想，輸出電壓幅值高、功率大，輸出相位精確并基于FPGA可在一定范圍內調節(jié)鎖相頻率，是對加熱方法的改進與創(chuàng)新。后期將實現(xiàn)系統(tǒng)多級并聯(lián)，使其輸出功率更高，滿足紅外熱成像無損檢測系統(tǒng)對大功率激勵源的需求。

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StudyandDevelopmentofLock-inThermalExcitationSourceforInfraredThermographyNondestructiveTestingSystem

LI Haoran1，ZHU Yuyu1,2，WU Li1

(1.School of Information Engineering,Southwest University of Science and Technology,Mianyang621010,China;2.School of Automation Engineering,University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu611731,China)

In recent years,with the rapid development of aerospace,vehicle engineering and shipbuilding industry in China,the manufacturing process and performance requirements of the products have been continuously improved.Non-destructive testing(NDT) technology is gaining more and more attention.As a potential NDT and evaluation technology,the infrared thermography(IRT) is being widely concerned.The traditional lock-in IRT excitation source(ES)cannot meet the light intensity requirements of the post-stage system because of the low output power and the not adjustable phase-lock frequency,thus the infrared thermography is not clear enough,and the results of image analysis are not ideal.Many products can not meet the requirement of the light intensity for the poststage system.Through analyzing the demands for lock-in thermography(LIT),and based on electricity and electronics,by adopting power components,a new type of ES of infrared thermal imaging(ITI) detection is designed with a maximum output AC voltage of250V and current of10A.The structure,parameter calculation,working process,and principle of the LIT ES in the ITI NDT system are described in detail.Experiment has been carried out to test and validate.The high power ES is applied to the field of IRT NDT,it reduces the difficulty of data collection of the sequential heat wave signal in the post-stage system,which helps to analyze the defects more accurately.The next step is to achieve the multi-level parallel system with higher output power.

Infrared thermography; Nondestructive testing; Lock-in thermography; Excitation source; FPGA; Bridge circuit; High-power; Adjustable frequency

TH89;TP23

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201710022

修改稿收到日期:2017-05-10

李浩然(1992—)，男，在讀碩士研究生，主要從事電力電子技術、控制科學與工程方向的研究。E-mail282357854@qq.com。

朱玉玉(通信作者)，男，碩士，副教授，主要從事電力電子技術、儀器儀表方向的研究。E-mail:154828389@qq.com。