红外热成像无损检测系统锁相热激励源的研制

李浩然，朱玉玉,，武 丽

(1.西南科技大学信息工程学院，四川 绵阳 621010；2.电子科技大学自动化工程学院，四川 成都 611731)

红外热成像无损检测系统锁相热激励源的研制

李浩然1，朱玉玉1,2，武 丽1

(1.西南科技大学信息工程学院，四川 绵阳621010；2.电子科技大学自动化工程学院，四川 成都611731)

近年来，我国航空航天、车辆工程及船舶制造业发展迅速，对产品加工工艺及性能指标的要求不断提高。无损检测(NDT)技术也因此越来越受到重视。其中，红外热成像(IRT)无损检测技术作为潜力巨大的无损检测与评估技术，正受到广泛关注。传统的锁相热激励源(ES)由于输出功率低、锁相频率不可调，导致红外热像仪采集不清晰、图像分析效果不理想，很多产品已不能满足后级系统对光照强度的要求。通过对光锁相热成像(LIT)需求的分析，从电力电子的角度入手，采用功率器件搭建创新型拓扑，设计了一种最大输出交流电压250V、电流10A的新型大功率红外热成像(ITI)检测热激励源。详细叙述了该锁相热成像激励源的构成、参数计算及工作过程、原理，并通过试验对其进行了测试和验证。将该大功率激励源应用于红外热成像无损检测领域，降低了后级系统对时序热波信号进行数据采集的难度，有利于对缺陷进行更精确的分析。后期将实现系统多级并联，使其输出更高功率，满足红外热成像无损检测系统对更大功率激励源的需求。

红外热成像； 无损检测； 锁相热成像； 激励源； FPGA； 桥式电路； 大功率； 频率可调

0 引言

红外热成像无损检测是一项潜力巨大的新兴无损检测技术。作为跨学科、跨应用领域的通用型实用技术[1-2]，其应用研究技术主要包含：热激励技术(加热技术)、热成像技术、热图像处理技术[3]。

红外热成像无损检测技术用于探伤，即检测试件内部有无缺陷。“有伤”与“无伤”试件分别响应外界热激励条件形成差别，并最终在被检物表面形成温差。通过获取这些温度的差异，并对采集到的信息作出处理，即可达到检测的目的。被测物的表面形状、尺寸、材料、所处环境和存在的损伤特征，都可能影响检测结果。针对各类检测问题，设计出效率高、适用面广的热激励源，是成功应用红外热成像检测技术的基础。因此，针对被检测试件的热激励技术是红外热成像无损检测的关键技术之一[4]。

1 设计目的及理论依据

在热成像无损检测技术中，不同的激励方式决定了不同的检测系统设计与数据采集方式。在光学热成像技术中，热光源(如卤素灯)照射被检测试件使其表面被加热，产生的热波向其内部扩散。若试件中存有缺陷，则热波传递受阻，最终导致被测物表面温度分布不均。通过红外热像仪观测并记录这种温度变化，得到时序热像图，提取并分析热像图中数据以获得缺陷的特征信息[5]。光学热成像系统示意图与检测原理图分别如图1、图2所示。

图1 系统示意图

图2 检测原理图

根据热激励信号的不同，可将热成像技术分为锁相热成像和脉冲热成像[6]。锁相热成像系统中使用的是周期性调制热源。由该类热源对待测试件进行周期性激励。若待测试件存在缺陷，则热波会被该缺陷反射回表面，试件的表面温度分布将发生周期性变化。红外热像仪观测被测物表面的温度分布情况，但观测到的时序热像图中存在直流分量、噪声信号等众多干扰信号。若缺陷尺寸较小，或是有疲劳损伤，则其对表面温度分布的影响极微弱。通常所需信号被淹没在噪声中，很难从原始时序热图中提取出来。

锁相的优点是将微弱信号从这些干扰信号中分辨出来。分辨微弱周期性信号的一个重要方法就是提高激励热源的单频信号的幅度。常见的热激励源是对2个不同频率(高频和低频)的正弦波信号进行调制后，通过功率放大器放大。事实上，这种方式所得信号幅值受功率放大器的限制往往不大。实际试验中，由于一个方波可被分解为多种不同频率正弦波相叠加，所以正弦热源可由方波热源代替。在后续的数据处理中，只需对方波中的各高次谐波信号进行抑制，提取基频响应信号，即可达到单频正弦热源的效果[7]。因此，能否针对上述要求设计出产生高幅度、以方波为载波的正弦调制波信号的热激励源，将是光锁相热成像技术被成功使用的基础。而本激励源输出交流电压为250V、电流为10A、最大输出功率达2.5kW的激励信号，从而使后级系统较理想地分辨出微弱周期信号。

以方波为载波的正弦调制波信号如图3所示。

图3 调制波信号示意图

图3中，fLock-in为锁相频率，和热传播深度μ直接相关。

热传播深度μ与热传播系数α的关系为：

(1)

式中：α值由材料自身特性决定。对于特定的材料，α值是一定的。若想增加热传播深度μ，则必须减小锁相频率fLock-in。但若锁相频率过小，热波向周围扩散明显，不能近似看成其在试件内是一维传播，这将导致缺陷周围出现光环，影响观测者对真实缺陷的判断[6]。为了减少热波向周围扩散并达到较好的检测深度，本激励源锁相频率可调范围设置为0.01～10Hz。

2 激励源系统的构成及工作原理

2.1激励源的主电路构成

整个激励源系统主要由现场可编程门阵列(field-programmablegatearray,FPGA)系统、半桥电路、全桥电路、多级驱动电路、辅助电源电路、触摸式液晶屏及卤素灯等构成。

激励源主电路拓扑图如图4所示。图4中：Uin采用电压输出能力可达250VDC、电流输出能力达直流10A的桌面电源；半桥电路部分包含输入电容Cin1、2个大功率金氧半场效晶体管(metal-oxide semiconductor field OE-effect transistor，MOSFET)以及滤波电感Lf、滤波电容Cf；全桥电路部分由输入电容Cin2、4个功率MOSFET组成；辅助电源电路为系统提供+5V与+12V的辅助电压；触摸式液晶屏控制FPGA，产生的信号经多级驱动电路放大后用以驱动MOS管Q1～Q6；卤素灯串接在Uout两端。

图4 激励源主电路拓扑图

2.2激励源的FPGA系统

随着电子应用领域的不断扩展，FPGA系统以其独特的优势，正空前迅速地渗透到各行各业[8]。其时序逻辑电路采用VerilogHDL语言，用来产生脉冲宽度调制(pulsewidthmodulation,PWM)与正弦脉冲宽度调制(sinusoidalPWM,SPWM)控制信号。系统软核NiosII源程序采用C语言编写，用来接收触摸式液晶屏串口信号，并通过改写寄存器的值来控制时序逻辑电路。FPGA系统工作示意图如图5所示。图5中，硬件时序电路由VerilogHDL语言综合而成。软件与硬件描述语言部分均采用模块化设计，如主程序模块、定时器模块、串口模块、逻辑处理模块、SPWM产生模块、全桥PWM产生模块等。模块化增强了系统针对性，降低了程序复杂度，使程序设计、调试和维护等操作趋于简单，提升了可靠性。

图5 FPGA系统工作示意图

本激励源采用Altera公司的Cyclone IV FPGA作为主控制器，其时钟频率倍频到100MHz，使其应用在高频场合应用时也能保持较高的精度(如，在100kHz高频时，误差为0.001)。其内含的软核控制串口液晶屏便于进行二次开发，可设计出更友好、便利的人机交互界面。

2.3激励源工作原理

2.3.1工作过程

激励源输入端Uin采用0～250VDC可调的实验室用桌面电源。由FPGA系统产生的控制信号经多级驱动芯片放大后，用以驱动半桥和全桥的MOSFETQ1～Q6。其中：控制半桥MOSFETQ1的是载波频率为100kHz、调制波频率在0.01～10Hz可调的SPWM信号；控制Q2的信号为与Q1信号互补的SPWM信号；根据所选功率MOSFETIXFK_64N60P的导通与关断时间分别约为100ns的特点，同时为了保留充足的裕量以免MOSFET损耗过大，其死区时间取600ns。电压Uin经过Q1、Q2交替开断控制后成为一个高压的SPWM电压信号，所得信号经Lf、Cf滤波后成为一个正弦电压。该正弦电压既是半桥电路部分的输出，又是全桥电路部分的输入。控制全桥MOSFETQ3、Q6的是频率为100kHz、占空比为50%的PWM信号，该信号同时控制Q3、Q6，使其开断同步。控制Q4、Q5的信号为与Q3、Q6信号互补的PWM信号，其死区时间也取600ns。上述正弦电压经全桥电路后，便可得到如图3所示的高幅度、以方波为载波的正弦调制波信号。该电压信号加在卤素灯两端所产生的光即可作为锁相热成像激励源，照射在试件上使其加热。其中，液晶屏主要用于设置SPWM控制频率与系统工作时间。

2.3.2工作原理

半桥电路部分工作时可等效为Buck降压电路，如图6所示。

图6 Buck降压电路图

当仅Q1导通时，电路为充电状态，输入电压Uin直接加在负载R两端，回路电流按指数趋势增加。当Q1关断时，电路为放电状态，回路电流经Q2体二极管续流[9]；若此时导通Q2，则回路电流可同时经Q2及其体二极管续流。由于Q2的导通电阻很小(约为96mΩ)，这将大大减小续流时的损耗，提高系统能量转换效率。一个周期T结束后，驱动Q1导通并重复上个周期过程，电路工作于稳态时，输出电压平均值为：

(2)

式中：ton为Q1导通时间；toff为Q1关断时间；T为一个开关周期；α为导通占空比；Uin为输入电压[9]。

由式(2)可知，当Uin不变时，α与U0成正比。当α=1时，输出电压平均值Uo=Uin为最大。本系统中，SPWM波载波频率保持100kHz，占空比α在0.1～0.9范围内按正弦规律变化，这就相当于以Uin的0.1～0.9降压，Uo=(0.1～0.9)Uin。这些按正弦规律变化的Uo组合起来便得到了一个正弦波，其频率即为SPWM波的调制波频率，电压最小值为0.1Uin，最大值为0.9Uin。

按照电感电流是否连续，Buck电路可分为电流连续模式(continuous conduction mode,CCM)和电流断续模式(discontinuous conduction mode,DCM)两种[10]。为了使负载电流连续且纹波较小，Buck电路必须工作在CCM，则需串联电感值较大的Lf。设IL为iL的平均值，ΔiL为iL纹波值。则在该模式下，稳态时有：

(3)

(4)

又有：

(5)

由式(4)和式(5)可得：

(6)

由式(3)和式(6)可得：

(7)

全桥电路部分工作原理与H桥式电机驱动电路类似，将直流电机替换为电阻R，即可实现正负压输出。全桥电路原理如图7所示。

图7 全桥电路原理图

半桥电路输出正弦电压作为全桥电路的输入，当FPGA系统控制Q3、Q6导通时，Uin2正向加在负载R两端，形成一个正向电流；控制Q4、Q5导通时，Uin2反向加在负载R两端，形成一个反向电流。这样一正一反在占空比为50%的100kHz频率下工作，即可将半桥输出的高幅度正弦信号调制为图3所示信号。该信号即为无损检测系统所需的激励信号。

3 试验结果与分析

该激励源系统各功率器件参数见表1。

表1 各功率器件参数

其中，卤素灯可根据输出功率需求选择使用1～2盏。每盏卤素灯工作阻值约为50Ω，两盏并联后为25Ω，Uin=250V时最大输出电流可达10A。

通过试验与测试，得到了较为理想的波形。当Uin=100V、fLock-in=0.5Hz时，全桥输出波形(即前文所述高幅度、以方波为载波的正弦调制波信号)如图8所示。

图8 全桥输出波形

此时，半桥输出为10V(0.1Uin)～90V(0.9Uin)的正弦波。该激励源的fLock-in、Uin皆在一定范围内可调，所得信号中的直流分量可通过后期数据处理得到抑制。将1～2盏卤素灯(图7中的负载R)先并联再串联在全桥输出两端，其发出的光就可作为红外热成像无损检测的热激励源。

4 结束语

红外热成像以其特有的技术优势，在无损检测领域中得到了迅速发展。作为其重要的检测方法之一，锁相热成像因能直观、快速、准确、实时地检测试件缺陷，在航空航天、车辆工程及船舶制造业等领域应用广泛。

针对以往光锁相热激励源单频信号幅度低功率不足的缺点，通过对红外热成像无损检测激励源的需求分析，从电力电子技术的角度入手，克服了采用功率放大器输出电压幅值低的缺陷，自主研制了一套最大输出交流电压250V、电流10A的新型大功率光锁相热激励源，并成功应用于红外热成像无损检测系统。其输出波形理想，输出电压幅值高、功率大，输出相位精确并基于FPGA可在一定范围内调节锁相频率，是对加热方法的改进与创新。后期将实现系统多级并联，使其输出功率更高，满足红外热成像无损检测系统对大功率激励源的需求。

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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，在读硕士研究生，主要从事电力电子技术、控制科学与工程方向的研究。E-mail282357854@qq.com。

朱玉玉(通信作者)，男，硕士，副教授，主要从事电力电子技术、仪器仪表方向的研究。E-mail:154828389@qq.com。