本發(fā)明涉及無損檢測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及基于脈沖渦流熱聲技術(shù)的無損檢測系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

無損檢測是保障重大工程裝備制造質(zhì)量和運行安全的關(guān)鍵技術(shù)。無損檢測技術(shù)可以在不損壞待測構(gòu)件的前提下對其進(jìn)行狀態(tài)評估，在工業(yè)和研究領(lǐng)域廣泛應(yīng)用于材料的缺陷檢測。傳統(tǒng)的無損檢測方法主要有超聲檢測、磁粉檢測、滲透檢測、射線檢測、渦流波檢測等。這些方法都有各自的適用場合和不足。隨著對無損檢測技術(shù)要求的日漸提高，傳統(tǒng)的無損檢測方法已無法滿足需要。現(xiàn)階段，熱成像無損檢測技術(shù)占據(jù)著重要的地位。

脈沖電渦流熱成像法是一種結(jié)合感應(yīng)加熱和熱成像的新型紅外熱成像無損檢測技術(shù)，其原理是基于電磁學(xué)中的渦流現(xiàn)象與焦耳熱現(xiàn)象，運用高速高分辨率紅外熱像儀，獲取導(dǎo)電試件在渦流激勵下由焦耳熱產(chǎn)生的溫度場分布，并通過對紅外熱圖像序列的分析處理來檢測結(jié)構(gòu)缺陷及材料電磁熱特性變化。通過研究熱成像的物理機制，實現(xiàn)了材料變化特性的量化和追蹤。

電渦流熱成像技術(shù)具有以下不足：熱圖像數(shù)據(jù)量龐大；由于材料表面發(fā)射率不均勻，熱傳導(dǎo)等的存在，產(chǎn)生虛假的高溫和低溫區(qū)，造成缺陷圖像模糊，對檢測結(jié)果產(chǎn)生影響，材料表面狀況多種多樣，材料內(nèi)部熱傳導(dǎo)機制復(fù)雜，導(dǎo)致出現(xiàn)模糊效應(yīng)，降低了熱圖像的信噪比以及缺陷區(qū)域與其他區(qū)域的對比度，降低了檢測的精度。

熱聲效應(yīng)是熱能與聲能相互轉(zhuǎn)換的現(xiàn)象，是振蕩過程與擴散過程的相互作用和耦合。周期性的熱源作用于構(gòu)件，產(chǎn)生的焦耳熱向氣體媒質(zhì)傳播時引起氣體的壓縮和膨脹，從而產(chǎn)生聲波。由于熱源的變化周期和相應(yīng)產(chǎn)生的熱量是可以控制的，因此通過對熱波的分析可以確定材料的物理特性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有電渦流熱成像技術(shù)存在的熱圖像數(shù)據(jù)量龐大處理不便以及受材料表面狀況影響大的缺點，本發(fā)明公開了基于脈沖渦流熱聲技術(shù)的無損檢測系統(tǒng)及方法，通過對待測構(gòu)件進(jìn)行加熱后采集所激勵出的熱聲信號進(jìn)行無損檢測分析，數(shù)據(jù)量小，受材料表面狀況影響小，檢測效果好。

本發(fā)明通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)：

基于脈沖渦流熱聲技術(shù)的無損檢測系統(tǒng)，包括脈沖發(fā)生器、感應(yīng)加熱器、聲傳感器、分析處理單元、線圈和金屬待測構(gòu)件；所述感應(yīng)加熱器與脈沖發(fā)生器及線圈分別連接，所述聲傳感器與分析處理單元及脈沖發(fā)生器分別連接，所述線圈和聲傳感器均非接觸地固定設(shè)置在金屬待測構(gòu)件上方；

所述脈沖發(fā)生器用于產(chǎn)生脈沖信號并將脈沖信號傳送至感應(yīng)加熱器和聲傳感器；

所述感應(yīng)加熱器根據(jù)接收到的脈沖信號產(chǎn)生激勵電流并將激勵電流傳送至線圈；

所述線圈用于在激勵電流的作用下產(chǎn)生電磁場，所述電磁場作用在金屬待測構(gòu)件繼而在金屬待測構(gòu)件表面形成電渦流對金屬待測構(gòu)件進(jìn)行加熱以激勵出熱聲信號；

所述聲傳感器在脈沖信號的作用下進(jìn)入工作狀態(tài)，聲傳感器采集熱聲信號并傳送至分析處理單元；

所述分析處理單元包括計算機和安裝在計算機上的信號處理軟件，計算機從聲傳感器接收熱聲信號并通過信號處理軟件顯示、存儲以及分析接收到的熱聲信號。

本發(fā)明的原理為，感應(yīng)加熱器根據(jù)脈沖發(fā)生器發(fā)出的高頻脈沖信號產(chǎn)生高頻短時電流，線圈在高頻短時電流作用下產(chǎn)生相應(yīng)頻率的短時電磁場，電磁場作用于金屬待測構(gòu)件表面產(chǎn)生渦流對構(gòu)件進(jìn)行加熱繼而激勵出聲信號。構(gòu)件缺陷的存在會使渦流分布和熱擴散發(fā)生變化，對溫度的瞬態(tài)響應(yīng)產(chǎn)生影響，基于溫度變化所產(chǎn)生的熱聲信號也會發(fā)生變化，通過對聲壓進(jìn)行分析來檢測材料缺陷以及材料特性參數(shù)的變化。利用熱聲信號對材料的敏感特性檢測材料的各種物理特性，從而表征材料狀態(tài)，實現(xiàn)材料的缺陷檢測。本發(fā)明直接處理熱聲信號，與現(xiàn)有電渦流熱成像技術(shù)相比，數(shù)據(jù)量小且受材料表面狀況影響小，繼而檢測效果好。

進(jìn)一步地，所述聲傳感器為聲陣列傳感器。采用聲陣列傳感器可以獲得更穩(wěn)定的聲壓信號。

進(jìn)一步地，所述線圈為單匝，由銅管繞制而成，整體為環(huán)形或矩形。將銅管卷成單匝環(huán)形或矩形用于激勵電磁場，結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性強。

基于脈沖渦流熱聲技術(shù)的無損檢測方法，包括以下步驟：

(a)、通過脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖信號控制聲傳感器的工作狀態(tài)和感應(yīng)加熱器輸出的短時電流頻率；

(b)、通過短時電流作用于線圈產(chǎn)生電磁場在金屬待測構(gòu)件表面產(chǎn)生電渦流以實現(xiàn)對金屬待測構(gòu)件加熱，繼而激勵出熱聲信號；

(c)、通過聲傳感器采集熱聲信號并傳送至分析處理單元；

(d)、分析處理單元通過計算機接收熱聲信號并通過計算機上的信號處理軟件提取正常和有缺陷狀況下金屬待測構(gòu)件的熱聲信號幅值特征進(jìn)行比較分析，繼而實現(xiàn)對金屬待測構(gòu)件的缺陷檢測。

進(jìn)一步地，所述步驟(d)中幅值特征為所獲得熱聲信號的整體幅值或進(jìn)行頻譜分析后提取的脈沖信號所在頻率的幅值。整體幅值和進(jìn)行頻譜分析后提取的脈沖信號所在頻率的幅值均可反應(yīng)構(gòu)件的狀態(tài)，整體幅值分析過程簡單，進(jìn)行頻譜分析過程稍復(fù)雜，但可以排除環(huán)境噪聲的干擾，更精確。

進(jìn)一步地，所述步驟(a)中感應(yīng)加熱器峰值功率不低于2.4kw。使用大功率的加熱器可以保證最終激勵出的熱聲信號具有可以滿足檢測需求的強度。

進(jìn)一步地，所述步驟(b)中線圈與金屬待測構(gòu)件的距離、步驟(c)中聲傳感器與金屬待測構(gòu)件的距離均不大于5mm。電磁場的強度及熱聲信號的強度都會隨距離衰減，將線圈與構(gòu)件的距離、聲傳感器與構(gòu)件的距離控制在不大于5mm可以保證最終接收到的熱聲信號的強度。

本發(fā)明與現(xiàn)有電渦流熱成像技術(shù)相比，具有如下的優(yōu)點和有益效果：

1、數(shù)據(jù)量小，本發(fā)明直接處理熱聲信號，與需要處理大量熱圖像數(shù)據(jù)的電渦流熱成像技術(shù)相比，數(shù)據(jù)量小，處理簡單；

2、受材料表面狀況影響小，電渦流熱成像技術(shù)受材料表面狀況影響大，會產(chǎn)生模糊、降低熱圖像的信噪比以及缺陷區(qū)域與其他區(qū)域的對比度，繼而影響檢測效果，本發(fā)明檢測并處理熱聲信號，熱聲信號傳播受材料表面狀況影響小，繼而檢測效果好。

附圖說明

此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明實施例的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，并不構(gòu)成對本發(fā)明實施例的限定。在附圖中：

圖1為本發(fā)明基于脈沖渦流熱聲技術(shù)的無損檢測系統(tǒng)示意圖；

圖2為本發(fā)明基于脈沖渦流熱聲技術(shù)的無損檢測方法中推導(dǎo)聲壓曲線所用的激勵信號；

圖3為在圖2中所示信號激勵下的理論聲壓曲線；

圖4為實施例一中所用45鋼試樣的拉力-應(yīng)變曲線；

圖5為實施例一中90kn試樣的原始聲壓曲線圖；

圖6為實施例一中5組試樣的整體最大聲壓變化圖；

圖7為實施例一中5組試樣的整體反向最大聲壓變化圖；

圖8為實施例一中5組試樣頻譜分析后脈沖信號頻率處最大聲壓變化圖。

附圖中標(biāo)記及對應(yīng)的部件名稱：

1-脈沖發(fā)生器，2-聲傳感器，3-分析處理單元，4-金屬待測構(gòu)件，5-線圈，6-感應(yīng)加熱器。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，下面結(jié)合實施例和附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明，本發(fā)明的示意性實施方式及其說明僅用于解釋本發(fā)明，并不作為對本發(fā)明的限定。

實施例一：

如圖1所示，本發(fā)明基于脈沖渦流熱聲技術(shù)的無損檢測系統(tǒng)，包括脈沖發(fā)生器1、感應(yīng)加熱器6、聲傳感器2、分析處理單元3、線圈5和金屬待測構(gòu)件4；所述感應(yīng)加熱器6與脈沖發(fā)生器1及線圈5分別連接，所述聲傳感器2與分析處理單元3及脈沖發(fā)生器1分別連接，所述線圈5和聲傳感器2均非接觸地固定設(shè)置在金屬待測構(gòu)件4上方；

所述脈沖發(fā)生器1用于產(chǎn)生脈沖信號并將脈沖信號傳送至感應(yīng)加熱器6和聲傳感器2；

所述感應(yīng)加熱器6根據(jù)接收到的脈沖信號產(chǎn)生激勵電流并將激勵電流傳送至線圈5；

所述線圈5用于在激勵電流的作用下產(chǎn)生電磁場，所述電磁場作用在金屬待測構(gòu)件4繼而在金屬待測構(gòu)件4表面形成電渦流對金屬待測構(gòu)件4進(jìn)行加熱以激勵出熱聲信號；

所述聲傳感器2在脈沖信號的作用下進(jìn)入工作狀態(tài)，聲傳感器2采集熱聲信號并傳送至分析處理單元3；

所述分析處理單元3包括計算機和安裝在計算機上的信號處理軟件，計算機從聲傳感器2接收熱聲信號并通過信號處理軟件顯示、存儲以及分析接收到的熱聲信號。

進(jìn)一步地，所述聲傳感器2為聲陣列傳感器，采用聲陣列傳感器可以獲得更穩(wěn)定的聲壓信號；所述線圈5為單匝，由銅管繞制而成，整體為環(huán)形或矩形，將銅管卷成單匝環(huán)形或矩形用于激勵電磁場，結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性強。

本發(fā)明基于脈沖渦流熱聲技術(shù)的無損檢測方法，包括以下步驟：

(a)、通過脈沖發(fā)生器1產(chǎn)生的脈沖信號控制聲傳感器2的工作狀態(tài)和感應(yīng)加熱器6輸出的短時電流頻率；

(b)、通過短時電流作用于線圈5產(chǎn)生電磁場在金屬待測構(gòu)件4表面產(chǎn)生電渦流以實現(xiàn)對金屬待測構(gòu)件4加熱，繼而激勵出熱聲信號；

(c)、通過聲傳感器2采集熱聲信號并傳送至分析處理單元3；

(d)、分析處理單元3通過計算機接收熱聲信號并通過計算機上的信號處理軟件提取正常和有缺陷狀況下金屬待測構(gòu)件4的熱聲信號幅值特征進(jìn)行比較分析，繼而實現(xiàn)對金屬待測構(gòu)件4的缺陷檢測。

進(jìn)一步地，所述步驟(d)中幅值特征為所獲得熱聲信號的整體幅值或進(jìn)行頻譜分析后提取的脈沖信號所在頻率的幅值，整體幅值和進(jìn)行頻譜分析后提取的脈沖信號所在頻率的幅值均可反應(yīng)構(gòu)件的狀態(tài)，整體幅值分析過程簡單，進(jìn)行頻譜分析過程稍復(fù)雜，但可以排除環(huán)境噪聲的干擾，更精確；所述步驟(a)中感應(yīng)加熱器6峰值功率不低于2.4kw，使用大功率的加熱器可以保證最終激勵出的熱聲信號具有可以滿足檢測需求的強度；所述步驟(b)中線圈5與金屬待測構(gòu)件4的距離、步驟(c)中聲傳感器2與金屬待測構(gòu)件4的距離均不大于5mm，電磁場的強度及熱聲信號的強度都會隨距離衰減，將線圈5與構(gòu)件的距離、聲傳感器2與構(gòu)件的距離控制在不大于5mm可以保證最終接收到的熱聲信號的強度。

下面將結(jié)合理論分析闡述本發(fā)明：

1、感應(yīng)加熱

感應(yīng)加熱是利用電磁感應(yīng)的方法使被加熱的材料產(chǎn)生渦電流，依靠這些渦流的能量達(dá)到加熱目的。感應(yīng)加熱的過程實際上是電磁感應(yīng)過程和熱傳導(dǎo)過程的綜合體現(xiàn)。其中，電磁感應(yīng)過程具有主導(dǎo)作用，它影響并在一定程度上決定著熱傳導(dǎo)過程。熱傳導(dǎo)過程中所需要的熱能量實際上是由電磁感應(yīng)過程中所產(chǎn)生的渦流功率所提供。由于材料內(nèi)部的電阻作用，渦流在材料內(nèi)部由電能轉(zhuǎn)化為熱能。根據(jù)焦耳定律，產(chǎn)生的焦耳熱在材料內(nèi)部傳播，遵循如下公式：

ρ表示材料的密度，cp為材料的比熱容，λ為材料的熱導(dǎo)率，r表示材料內(nèi)某一點到聲傳感器的距離。t(r,t)為材料內(nèi)某一點的溫度。q(r,t)為焦耳熱函數(shù)。電渦流脈沖加熱時間遠(yuǎn)小于熱擴散時間，因此，忽略熱擴散，熱傳播公式可表示為：

h(r，t)為電渦流加熱函數(shù)。h(r，t)可以寫成渦流響應(yīng)函數(shù)a(r)和渦流激勵函數(shù)i(t)的乘積。即：

h(r，t)＝a(r)i(t)

2、熱聲耦合

當(dāng)材料存在缺陷時，熱傳導(dǎo)和渦電流分布會發(fā)生變化，形成高溫區(qū)域和低溫區(qū)域，表現(xiàn)為材料表面溫度分布不均。渦流的滲透深度由趨膚深度決定。當(dāng)缺陷在趨膚深度以內(nèi)時，缺陷的存在改變渦電流的分布，溫度分布的差異是渦流和熱傳導(dǎo)共同作用的結(jié)果。當(dāng)缺陷在趨膚深度以外時，熱傳導(dǎo)引起材料溫度發(fā)生變化，溫度分布的差異主要是由熱傳導(dǎo)引起的。溫度分布的差異會導(dǎo)致耦合聲場聲壓的差異。

在聲學(xué)均勻介質(zhì)中，兩個基本的聲波產(chǎn)生公式分別為線性非粘性力公式和膨脹公式。即：

其中β表示等壓體積膨脹系數(shù)，c為聲速，u(r,t)聲位移，p(r,t)表示聲壓。

結(jié)合感應(yīng)加熱理論及熱函數(shù)公式，由熱函數(shù)產(chǎn)生的聲壓遵循下式：

求解可得：

從聲壓的理論公式可得單位脈沖(如圖2所示)激勵下的理論聲壓分布(如圖3所示)。

下面將結(jié)合試驗驗證本發(fā)明的檢測效果：

試驗中試樣為45鋼試樣，首先取1個試樣拉斷獲取其拉力-應(yīng)變曲線，如圖4所示。從圖4中可以看出拉力大于60kn時，試樣處于塑形變形階段，試樣所能承受的最大拉力為116.5kn。接著再取5個試樣分別施加0kn、80kn、90kn、100kn、110kn的拉力，0kn的試樣為無損傷試樣作為對照，80kn至110kn的試樣為損傷試樣。試驗中使用本發(fā)明基于脈沖渦流熱聲技術(shù)的無損檢測系統(tǒng)及方法采集5個被測試樣的聲壓分布繼而進(jìn)行缺陷檢測。試驗中感應(yīng)加熱器6峰值功率2.4kw，總加熱時間1s，脈沖信號頻率200khz，線圈5與試樣的距離、聲傳感器2與試樣的距離均為5mm。

使用本發(fā)明基于脈沖渦流熱聲技術(shù)的無損檢測系統(tǒng)及方法得到的90kn試樣的原始聲壓曲線圖如圖5所示。感應(yīng)加熱的起始階段，溫度上升快，溫度的急劇變化導(dǎo)致聲壓幅值的快速上升；隨后聲壓幅值逐漸減小，試件在自然冷卻的過程中，聲壓曲線繼續(xù)逐漸減小至零位置并出現(xiàn)反向的幅值波動，然后隨著溫度的持續(xù)下降，聲壓幅值也降至為零。

圖6和圖7是分別是5組試樣的整體最大聲壓和反向最大聲壓變化圖。隨著拉力的增加試樣塑性變形依次增加，聲壓幅值也隨之增加，二者良好的一致性顯示使用本發(fā)明基于脈沖渦流熱聲技術(shù)的無損檢測系統(tǒng)及方法進(jìn)行整體幅值分析具有良好的檢測效果。

圖8為5組試樣頻譜分析后脈沖信號頻率處最大聲壓變化圖。從圖8中可以看出最大聲壓變化趨勢與試樣塑性變形的逐漸增大也具有良好的一致性，使用本發(fā)明基于脈沖渦流熱聲技術(shù)的無損檢測系統(tǒng)及方法進(jìn)行頻譜分析后提取脈沖信號所在頻率的幅值也具有良好的檢測效果。

綜上可知，本發(fā)明基于脈沖渦流熱聲技術(shù)的無損檢測系統(tǒng)及方法具有良好的檢測效果，且與現(xiàn)有電渦流熱成像技術(shù)相比，具有數(shù)據(jù)量小、受材料表面狀況影響小的有益效果：本發(fā)明直接處理熱聲信號，與需要處理大量熱圖像數(shù)據(jù)的電渦流熱成像技術(shù)相比，數(shù)據(jù)量小，處理簡單；電渦流熱成像技術(shù)受材料表面狀況影響大，會產(chǎn)生模糊、降低熱圖像的信噪比以及缺陷區(qū)域與其他區(qū)域的對比度，繼而影響檢測效果，本發(fā)明檢測并處理熱聲信號，熱聲信號傳播受材料表面狀況影響小，繼而檢測效果好。

以上所述的具體實施方式，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施方式而已，并不用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。