[發明專利]一種基于永磁鐵的磁飽和脈沖渦流紅外無損評價方法

在審

• 申請號: 202010852766.8
• 申請日: 2020-08-22
• 公開（公告）號: CN111982967A
• 公開（公告）日: 2020-11-24
• 發明（設計）人: 韓捷;仝宗飛;解社娟;陳洪恩;裴翠祥;陳振茂
• 申請（專利權）人: 核動力運行研究所;西安交通大學;中核武漢核電運行技術股份有限公司
• 主分類號: G01N25/72
• 分類號: G01N25/72;H05B6/06;H05B6/10;H05B6/36
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 何會俠

1.一種基于永磁鐵的磁飽和脈沖渦流紅外無損評價方法，其特征在于：用于對鐵磁性材料中的缺陷進行定位和定量評價，包括如下步驟：

步驟1：搭建實驗裝置，該實驗裝置由計算機、程序控制器、感應加熱器、加熱頭、加熱線圈、冷卻裝置、永磁鐵和紅外熱像儀組成；其中計算機控制程序控制器并接收紅外熱像儀采集的圖像序列，程序控制器同步觸發感應加熱器和紅外熱像儀；感應加熱器接收到觸發信號后施加脈沖激勵電流給與加熱頭相連的加熱線圈，加熱線圈和永磁鐵放置于鐵磁性材料上方，同時冷卻裝置對感應加熱器、加熱頭和加熱線圈進行冷卻；紅外熱像儀接收到來自程序控制器的觸發信號后開始采集鐵磁性材料的圖像序列并將圖像序列傳輸給計算機；

步驟2：首先打開冷卻裝置并將永磁鐵和加熱線圈放置于鐵磁性材料上方，然后對紅外熱像儀進行溫度校準，校準完畢后進行調焦操作，保證鐵磁性材料在紅外熱像儀中的圖像清晰，同時紅外熱像儀與加熱線圈之間的距離和紅外熱像儀與永磁鐵之間的距離均必須大于500mm，防止加熱線圈產生的磁場和永磁鐵產生的磁場影響紅外熱像儀的性能；

步驟3：在程序控制器中設置感應加熱器給加熱線圈施加的激勵電流的參數，包括：電流幅值、激勵頻率和激勵時間；然后在程序控制器中設置紅外熱像儀采集圖像序列的參數，包括：采樣頻率和總的采集時間；總的采集時間必須大于激勵時間；

步驟4：用計算機控制程序控制器同時給感應加熱器和紅外熱像儀一個觸發信號，感應加熱器接收到觸發信號的同時給加熱線圈施加一個脈沖激勵電流，激勵波形表達式如式(1)所示；與此同時，當紅外熱像儀接收到來自程序控制器發出的觸發信號時，開始采集鐵磁性材料表面溫度的變化；

I(t)＝I₀×(1-e^-10000t)×sin(ωt) (1)

式中：I(t)表示t時刻的激勵電流值，I₀表示脈沖激勵電流的幅值，ω為脈沖激勵電流的角頻率，t為時間；

加熱線圈中的脈沖電流會在空間激發交變磁場，鐵磁性材料在交變磁場中會產生渦流；在永磁鐵產生的恒定磁場的作用下，鐵磁性材料達到磁飽和狀態，鐵磁性材料的磁導率降低，從而使得渦流在鐵磁性材料中的滲透深度增大；根據焦耳定律可知，渦流會在材料內部由電能轉化為熱能，且產生的焦耳熱Q正比于渦流密度J_s和電場強度E：

式中：σ表示鐵磁性材料的電導率；J_s表示渦流密度；E表示電場強度，其表達式由式(3)表示；

式中：A表示磁矢位，可由式(4)得到；t表示時間；

式中：μ表示鐵磁性材料的磁導率；

由渦流產生的焦耳熱Q將會在鐵磁性材料內部傳播，其傳播規律遵循式(5)；

式中：ρ表示鐵磁性材料的密度；C_p表示鐵磁性材料的比熱容；k表示鐵磁性材料的熱導率；T表示溫度；Q表示焦耳熱；

當鐵磁性材料表面或內部存在缺陷時，這些缺陷一方面影響渦流場的分布即影響焦耳熱源的分布，另一方面也會影響熱傳導的過程，導致鐵磁性材料表面溫度分布不均勻，最終會在紅外熱像儀采集的圖像序列中體現出來；由于在永磁鐵產生的恒定磁場的作用下，鐵磁性材料的磁導率減小，渦流的滲透深度增大，所以焦耳熱源以及熱傳導的深度更大，對更深處缺陷的檢測能力增強；

步驟5：通過紅外熱像儀采集到的圖像序列對鐵磁性材料中的缺陷進行定位和定量；由于鐵磁性材料表面或內部的缺陷會影響焦耳熱源的分布以及熱傳導的過程，所以缺陷附近的溫度分布與無缺陷部分的溫度分布具有較大的差異，通過分析紅外熱像儀采集到的圖像序列上的溫度分布云圖即能夠對鐵磁性材料中的缺陷進行定位和定量。