[發(fā)明專利]基于可控激勵的磁管理自適應(yīng)磁飽和渦流紅外評價方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010852767.2
• 申請日: 2020-08-22
• 公開（公告）號: CN111982968A
• 公開（公告）日: 2020-11-24
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 解社娟;仝宗飛;陳振茂;韓捷
• 申請（專利權(quán)）人: 西安交通大學(xué)
• 主分類號: G01N25/72
• 分類號: G01N25/72;G01N1/28
• 代理公司: 西安智大知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所 61215
• 代理人: 何會俠

1.基于可控激勵的磁管理自適應(yīng)磁飽和渦流紅外評價方法，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(yīng)加熱器、加熱頭、加熱線圈、冷卻裝置、電流源、磁飽和線圈和紅外熱像儀組成；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(fā)感應(yīng)加熱器、電流源和紅外熱像儀；感應(yīng)加熱器接收到觸發(fā)信號后施加脈沖激勵電流給與加熱頭相連的加熱線圈，加熱線圈和磁飽和線圈放置于鐵磁性材料上方，同時冷卻裝置對感應(yīng)加熱器、加熱頭和加熱線圈進行冷卻；電流源接收到觸發(fā)信號的同時給磁飽和線圈施加一個方波電流激勵，在方波電流激勵時間內(nèi)，磁飽和線圈會在空間產(chǎn)生恒定磁場；紅外熱像儀接收到來自程序控制器的觸發(fā)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磁飽和線圈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(zhǔn)，校準(zhǔn)完畢后進行調(diào)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磁飽和線圈之間的距離均必須大于500mm，防止加熱線圈產(chǎn)生的磁場和磁飽和線圈產(chǎn)生的磁場影響紅外熱像儀的性能；

步驟3：在程序控制器中先設(shè)置電流源給磁飽和線圈施加的電流的參數(shù)，包括：激勵波形、電流幅值和激勵時間；其中激勵波形由磁飽和線圈產(chǎn)生磁場的形式?jīng)Q定，電流幅值由鐵磁性材料磁飽和狀態(tài)需要施加的外磁場強度決定，激勵時間與感應(yīng)加熱器的激勵時間相同，最終實現(xiàn)磁場的自適應(yīng)管理；然后設(shè)置感應(yīng)加熱器給加熱線圈施加的激勵電流的參數(shù)，包括：電流幅值、激勵頻率和激勵時間；最后在程序控制器中設(shè)置紅外熱像儀采集圖像序列的參數(shù)，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(yīng)加熱器、電流源和紅外熱像儀一個觸發(fā)信號，電流源接收到觸發(fā)信號的同時給磁飽和線圈施加一個方波電流激勵，在方波電流激勵時間內(nèi)，磁飽和線圈會在空間產(chǎn)生恒定磁場；感應(yīng)加熱器接收到觸發(fā)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(dāng)紅外熱像儀接收到來自程序控制器發(fā)出的觸發(fā)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(fā)交變磁場，鐵磁性材料在交變磁場中會產(chǎn)生渦流；在磁飽和線圈產(chǎn)生的恒定磁場的作用下，鐵磁性材料達到磁飽和狀態(tài)，鐵磁性材料的磁導(dǎo)率降低，從而導(dǎo)致渦流在鐵磁性材料中的滲透深度增大；根據(jù)焦耳定律可知，部分渦流會在材料內(nèi)部由電能轉(zhuǎn)化為熱能，且產(chǎn)生的焦耳熱Q正比于渦流密度J_s和電場密度E：

式中：σ表示鐵磁性材料的電導(dǎo)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(dǎo)率；

由渦流產(chǎn)生的焦耳熱Q將會在鐵磁性材料內(nèi)部傳播，其傳播規(guī)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(dǎo)率；T表示溫度；Q表示焦耳熱；

當(dāng)鐵磁性材料表面或內(nèi)部存在缺陷時，這些缺陷會影響熱傳導(dǎo)的過程，導(dǎo)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(xiàn)出來；由于在磁飽和線圈產(chǎn)生的恒定磁場的作用下，鐵磁性材料的相對磁導(dǎo)率減小，渦流的滲透增大，所以熱傳導(dǎo)的深度更大，從而對更深處缺陷的檢測能力增強；

步驟5：當(dāng)鐵磁性材料的檢測過程完成時，由于加熱線圈產(chǎn)生的磁場和磁飽和線圈產(chǎn)生的磁飽和磁場的影響，鐵磁性材料會被磁化；這時利用電流源給磁飽和線圈施加一個交變電流激勵，磁飽和線圈會產(chǎn)生一個交變的磁場，鐵磁性材料在此交變磁場中會被逐步消磁，最終使被檢鐵磁性材料恢復(fù)其原有的磁屬性狀態(tài)；

步驟6：最后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(nèi)部的缺陷會影響熱傳導(dǎo)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?qū)﹁F磁性材料中的缺陷進行定位和定量。