鎖相熱成像無損檢測系統(tǒng)激勵源的設(shè)計

謝 飛，林茂松，朱玉玉,2

（1.西南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，綿陽 621010；2.電子科技大學(xué) 自動化工程學(xué)院，成都 610054）

0 引言

紅外熱成像無損檢測（NDT）因具有快速，無接觸，非交互，能夠在大的檢測區(qū)域上進(jìn)行實(shí)時測量而廣泛的應(yīng)用于航天，航空，機(jī)械，醫(yī)療，石化，電力等領(lǐng)域。以前的研究主要集中在光學(xué)熱成像無損檢測的原理，各種應(yīng)用和信號處理算法[1～3]。然而，很少引入激勵源的設(shè)計。由于寬頻率范圍（通常為0.01Hz至幾百kHz）和高功率（通常為幾百W至幾kW）的要求，設(shè)計和開發(fā)用于熱成像的激勵源是非常具有挑戰(zhàn)性的。常用的方法是使用高壓線性放大器，但缺點(diǎn)是它受增益帶寬積（GBP）的限制，可能導(dǎo)致效率低下[4]。近年來，數(shù)字控制電源轉(zhuǎn)換器已被證明能夠提供高效的電能管理能力，廣泛應(yīng)用于工業(yè)，電力牽引系統(tǒng)，可再生能源系統(tǒng)，分布式發(fā)電和汽車領(lǐng)域[5]。因此，本文提出了一種在數(shù)字控制策略下具有高性能的激勵源的結(jié)構(gòu)拓?fù)洹Ｑ兄屏艘慌_最大輸出功率為2.0kW，頻帶范圍為0.01Hz～100kHz，用于驅(qū)動鹵素?zé)舻臉訖C(jī)。

1 設(shè)計目的及理論依據(jù)

在熱成像無損檢測技術(shù)中，不同激勵方式?jīng)Q定了不同實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計和數(shù)據(jù)采集方式。在光學(xué)熱成像技術(shù)中，被檢測試件受到光學(xué)熱源（如閃光燈或鹵素?zé)簦┑募睿嚰砻姹患訜幔a(chǎn)生的熱波向試件內(nèi)部傳遞，若試件中存在缺陷則熱波的傳遞受阻，最終導(dǎo)致零件表面溫度分布不均，這種溫度變化由紅外熱像儀記錄，得到時序熱像圖，提取并分析熱像圖中信息從而獲得缺陷的特征信息[6]。同步觸發(fā)器從PC接收“啟動”命令，然后觸發(fā)紅外攝像機(jī)和激勵源同步工作。其實(shí)驗(yàn)示意圖如圖1所示。

圖1 光學(xué)熱成像實(shí)驗(yàn)示意圖

在鎖相熱成像中，預(yù)設(shè)電流是幅度調(diào)制電流，其通過將低頻正弦信號與高頻信號組合形成，該高頻信號可如下表示：

式(1)中Im是電流的最大值，flock和fcarr分別表示鎖相頻率和載波頻率。圖2是鎖相模式下激勵源電流示意圖。

根據(jù)熱波理論，缺陷的探測深度取決于熱擴(kuò)散的長度，可以表示為：

圖2 鎖相模式下激勵源電流示意圖

其中α為熱擴(kuò)散系數(shù)（m2?s），flock為鎖相頻率，k為材料的導(dǎo)熱率（W?mK），ρ為材料密度（kg?m3），cp為比熱容（J?（kg.K））。對于特定材料，μth的值由鎖相頻率確定。樣品被周期性加熱，樣品表面上的溫度也周期性地變化。由于頻率的變化幾乎等于鎖相頻率，可以通過傅里葉分析來抑制諸如非均勻加熱，環(huán)境反射和表面發(fā)射率變化之類的干擾[7]。對于具有不同結(jié)構(gòu)和特性的特定樣品，激勵源的鎖相頻率應(yīng)手動設(shè)置。鎖相頻率的范圍通常在0.01Hz至幾十kHz之間調(diào)節(jié)，載波頻率范圍是幾十到幾百Hz[8]。

2 激勵源的構(gòu)成及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.1 激勵源的主電路構(gòu)成

整個激勵源系統(tǒng)主要由FPGA系統(tǒng)、半橋電路、全橋電路、多級驅(qū)動電路、輔助電源電路、觸摸式液晶屏及鹵素?zé)舻葮?gòu)成。其主電路拓?fù)鋱D如圖3所示，Vin采用一電壓輸出能力可達(dá)250VDC、電流輸出能力達(dá)直流10A的桌面電源；半橋電路部分包含輸入電容Cin1、兩大功率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、四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(chǎn)生信號經(jīng)多級驅(qū)動電路放大后用以驅(qū)動Q1～Q6，鹵素?zé)舸釉赩out兩端。

圖3 激勵源主電路拓?fù)鋱D

2.2 正弦生成電路

該電路包括一個半橋電路和一個LC低通濾波器，如圖4所示，可以看作是降壓電路。當(dāng)Q1導(dǎo)通且Q2關(guān)斷時，Vin對電感器Lf充電。并提供給負(fù)載，Vo1=Vin。當(dāng)Q1關(guān)閉且Q2導(dǎo)通時，Lf放電和環(huán)路電流通過Q2體二極管續(xù)流，Vo1=0V。在穩(wěn)定狀態(tài)下，Vo1的平均電壓由下式給出：

圖4 正弦生成電路

其中ton是Q1的導(dǎo)通時間，toff是Q1的關(guān)斷時間。T是開關(guān)周期，α是占空比。在該設(shè)計中，根據(jù)正弦模式，開關(guān)頻率1/T設(shè)置為100kHz，占空比α從10%變化到90%。根據(jù)正弦模式，該電路可以工作在連續(xù)電流模式（CCM）和不連續(xù)電流模式（DCM）。為了獲得更小的紋波電壓，它應(yīng)該在CCM中工作，同時需要選擇合適的電感器Lf。假設(shè)IL是電感電流的平均值，?iL是電感電流的紋波值，IL和?iL可表示為：

其中α=Uo/Vin，L是濾波器電感器Lf的值。結(jié)合式(4)和式(5)應(yīng)滿足如下關(guān)系式：

為了滿足式(6)并考慮一個阻值R≈50的鹵素?zé)簦_關(guān)周期T=10μs且占空比的最小值為10%，電感器的最小值為225μH。

2.3 激勵源的FPGA系統(tǒng)

圖5顯示了使用FPGA芯片的SPWM和PWM信號生成邏輯框圖。基于自然采樣方法[9,10]，可以通過比較預(yù)先設(shè)置的正弦和三角信號的離散值來生成SPWM信號。通過使用DDS模塊生成正弦信號，該DDS模塊由頻率調(diào)諧字（M）寄存器，相位累加器和正弦查找表（Sin-LUT）組成。

圖5 SPWM和PWM信號生成邏輯的框圖

頻率調(diào)整器（M）在時鐘（Fref）控制下被添加到相位累加器，然后相位累加器的值被用作偏移地址以查找Sin-LUT以獲得正弦的幅度值正弦頻率等于相位累加器的溢出頻率。

其中N=33是相位累加器的位，fref=1kHz，頻率分辨率為1.16415×10-7Hz，時鐘Fclk=100MHz被除法器分頻以產(chǎn)生PWM信號。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

所提出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在實(shí)驗(yàn)樣機(jī)上得到驗(yàn)證。樣機(jī)圖和參數(shù)分別如圖6和表1所示。本節(jié)介紹從樣機(jī)中獲得的各種實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表1 系統(tǒng)的參數(shù)和型號

圖6 樣機(jī)圖

3.1 激勵源測試結(jié)果

在輸入電壓等于250VDC和25Ω的電阻負(fù)載的條件下測試激勵源。鎖定頻率在不同的預(yù)設(shè)頻率下測量，該頻率在0.01Hz～10Hz之間變化，如表2所示。可以看出，最大誤差控制在0.2%以內(nèi)。

表2 鎖相頻率的測量

鎖相熱成像模式下的輸出波形通過傅立葉變換處理，結(jié)果如圖7所示。可以看出，輸出不僅包括基波分量，還包括諧波分量和直流分量。根據(jù)式(8)，平均輸出功率約為535W，而基波分量的功率達(dá)到總輸出功率的90.5%。

圖7 時域和頻域中的波形

3.2 激勵源的應(yīng)用

為了驗(yàn)證所提出的激勵源的有效性，已經(jīng)進(jìn)行了一項實(shí)驗(yàn)，其中鉛-鋼樣品通過工業(yè)EP粘合劑粘合。這種結(jié)構(gòu)樣品經(jīng)常用于核工業(yè)，需要檢測該樣品的內(nèi)部缺陷。使用具有不同直徑的若干人造缺陷來模擬脫粘缺陷，如圖8(a)所示。可以看出當(dāng)flock（鎖定）被選擇為0.05Hz時，已經(jīng)很好地檢測到缺陷。圖8(b)和圖8(c)分別示出了時域中的幅度圖像和Sp1點(diǎn)的溫度演變圖。

圖8 測試樣品和測試結(jié)果

4 結(jié)論

設(shè)計了一種用于熱成像無損檢測的功能激勵源，可以滿足光學(xué)熱成像的激勵要求。已經(jīng)研究了所提出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，工作原理和電路的設(shè)計過程。設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了頻率范圍為0.01Hz～100kHz的2kW樣機(jī)。已經(jīng)驗(yàn)證了激勵源的性能指標(biāo)，例如頻率精度，鎖相熱成像模式中的諧波能量含量。此外，采用所提出的方法和樣機(jī)對具有粘結(jié)結(jié)構(gòu)的鉛-鋼樣品的內(nèi)部缺陷進(jìn)行了檢測，檢測結(jié)果表明所設(shè)計的激勵源安全可靠。