單DC/DC升壓型便攜式PECT電源系統設計

張廷堯，王曉娜，侯德鑫，葉樹亮

(中國計量大學工業與商貿計量技術研究所，浙江杭州310018）

脈沖渦流熱成像(PECT)技術作為一種結合脈沖電渦流和紅外熱成像技術的無損檢測方法，具有非接觸、檢測范圍廣、熱圖結果直觀等優勢[1]，適用于零件近表面缺陷的檢測。目前該技術主要關注熱圖像處理、熱激勵以及不同材料檢測機理等方面，并開發了一系列的檢測系統。西安交通大學提出一種電磁熱模擬方法，對重型燃氣輪機進行了有效定量分析[2]。中國石油大學對玻璃纖維增強型聚合物檢測，提供一種非導電材料的檢測應用場景[3]。德國無損檢測研究院與Siemens 公司協作，分別設計了固定式與便攜式兩種渦流熱成像檢測系統[4]，用于渦輪葉片裂紋檢測；其便攜式系統由感應加熱電源與便攜式熱像儀組成。然而目前的研究及檢測系統大多基于商業電源，這些激勵源存在著效率低、均勻性差等問題[5]。近年來，也有針對于激勵電源的相關研究。王曉娜等[6]采用線圈纏繞U 型磁軛結構的探頭，提升了加熱過程中電磁耦合效率以及加熱均勻性；該團隊還設計了一套能夠有效改善單路激勵對裂紋方向敏感性和檢測靈敏度的雙路正交激勵電源系統[7]。為解決激勵源存在的諧振頻率畸變問題，英國紐卡斯爾大學Tian G Y 團隊提出一種快速諧振頻率跟蹤回路[8]。這些研究雖然改善了激勵源存在的問題，但由于選擇市電直接或間接供能，仍有著不便移動、操作繁瑣等問題。對于一些船舶、橋梁等特殊場景，無法滿足現場檢測的需要，因此由鋰電池供電的便攜式無損檢測設備有著較大的應用需求。目前，磁粉檢測作為一種近表面裂紋檢測方法，已有團隊研發出了采用鋰電池供電的便攜式磁粉檢測裝置[9]；這種裝置雖然脫離了線纜的束縛，但由于輸出功率小，表面缺陷檢測效果并不理想。因此綜上所述，采用鋰電池供電的便攜式脈沖渦流熱成像檢測系統有較大的應用價值。

本文提出一種便攜式電源系統設計思路，該設計采用鋰電池供電，有效解決了脈沖渦流熱成像檢測系統存在的操作繁瑣、不便移動等問題；同時其激勵電源采用“鋰電池+超級電容”結構，有效地減小了大功率激勵電源的體積質量，極大地滿足了現場檢測中脈沖渦流熱成像技術的應用需求。

1 便攜式系統電源拓撲結構與系統組成

常規脈沖渦流熱成像系統包括脈沖感應加熱電源、實現控制與熱圖數據處理的上位機、熱像儀以及實驗樣品等。感應加熱電源經電感線圈在樣品上方產生快速變化的磁場，樣品被感應出渦流從而產生焦耳熱。當樣品表面存在缺陷，熱流受到阻礙；熱量集聚在裂紋附近，導致裂紋端點與鄰近的非裂紋區域有著較大的溫度差異，即“尖端效應”[10]。同時，采用熱像儀記錄樣品表面溫度隨時間和空間改變的信息；再由算法識別異常溫度點，直觀反映裂紋信息，從而完成裂紋識別[11-12]。作為關鍵部分的脈沖激勵電源，其性能對系統檢測能力起著決定性作用。

PECT 系統在工作時需要較大的脈沖功率輸出，僅用鋰電池供電，配置的電池組質量和體積較大，這會影響便攜性。超級電容器作為一種新式儲能元件，常被應用在大功率脈沖激勵場景中，利用超級電容可大功率放電特點[13]，可使電源體積減小、質量減輕。所以，對于PECT 用電池組，采用了鋰電池與超級電容組合方式來構建。

目前“鋰電池+超級電容”組合主要采用并聯或串聯[14]。由于脈沖激勵源具有短時間、大功率輸出特點，故采用串聯式結構。文獻[15]介紹了一種“雙DC/DC 升壓”串聯式結構，如圖1(a)所示。本文在圖1(a)基礎上，搭建了如圖1(b)所示的“單DC/DC 升壓”拓撲結構。

圖1 “鋰電池+超級電容”串聯式結構

如圖1所示，在(a)結構內，鋰電池由第一級DC/DC 模塊升壓后向超級電容充能，超級電容經第二級DC/DC 模塊升壓后，由H 橋釋放能量。該結構中，鋰電池、超級電容、H 逆變橋的工作電壓選擇靈活，超級電容均可選擇低工作電壓點（低體積質量），提升了系統安全性，且系統可根據需要設置合適的輸出電壓。在(b)結構內，鋰電池經DC/DC 模塊升壓為超級電容充能，超級電容直接向H 橋進行放電輸出。該結構中，超級電容的工作電壓完全由輸出需求決定且不可隨意更改，為保證大功率輸出一般選擇高電壓工作點，同時增加了對DC/DC 模塊的設計要求。但(b)結構與(a)結構相比，減少了組成單元的數量，增大了系統的能量利用效率。同時(a)結構中，額外的第二級DC/DC 模塊限制了超級電容的大功率放電的能力。

為提高能量利用效率以及功率輸出能力，采用圖1(b)所示的“單DC/DC 升壓”結構，設計了如圖2所示的便攜式檢測系統。

圖2 便攜式檢測系統框圖

便攜式檢測系統有“電源部分”、上位機以及檢測裝置三個組成單元。“電源部分”中，鋰電池負責系統能量供應；多路供電模塊分別為熱像儀、控制單元、電壓電流采集以及驅動單元等提供不同的電壓；DC/DC 模塊、超級電容、H 逆變橋等構成串聯式結構，通過磁軛探頭釋放能量。控制板由FPGA與AVR 組成。FPGA 單元包括電壓控制模塊、頻率跟蹤模塊、繼電器控制模塊以及安全保護模塊；分別控制DC/DC 工作模式、H 逆變橋的兩路MOS 的導通關斷過程，以及監控超級電容的電壓狀態并響應系統異常情況的保護機制。AVR 單片機完成與上位機和FPGA 控制單元的通信功能。檢測裝置由電感線圈纏繞磁軛而成的磁軛探頭、熱像儀以及檢測試樣，三者保證一定位置關系組成。上位機用于控制電源啟停以及保存并處理熱像儀的熱圖信息。激勵開始時，上位機下發開始激勵信號，熱像儀與激勵電源同步啟動。激勵過程中，H逆變橋產生交變電壓信號。此時樣品表面被加熱，熱像儀采集其表面的溫度變化。激勵結束后，系統自動對超級電容進行復電操作，同時上位機顯示熱圖處理結果，系統等待下一次激勵操作。

2 系統激勵電源設計

“電源部分”作為檢測系統的重要單元，其激勵主要單元包括鋰電池、Buck-boost 型DC/DC、超級電容、H 逆變橋、繼電器以及等效RLC 回路等，電源簡化電路如圖3所示。

圖3 系統激勵電源簡化電路

圖3 中，U1為鋰電池；C1、M1、M2、M3、M4、L1、C2組成Boostbuck 型DC/DC 模塊；SC為超級電容，U2為其電壓值；功率MOS 管Q1、Q2、Q3、Q4組成H 逆變橋，SW1、SW2、SW3、SW4對應四個MOS 管的控制信號，U3為其輸出電壓；等效RLC 回路由等效電阻R、位于磁軛上的電感線圈L、諧振電容C組成；其中等效電阻R與回路線阻、電感線圈幾何參數以及加熱材料等因素決定，一般由實驗得出；K1、K2為繼電器；I0、IL1分別為等效RLC 回路電流與DC/DC 模塊中L1的電流。為保證激勵電源安全穩定工作，FPGA 作為激勵電源主要控制單元，其控制策略如圖4所示。

圖4 激勵電源開關控制策略

圖4 中，Us、T1分別表示超級電容的單體過壓信號以及其模組過溫信號；θ、Im分別表示I0的相位與幅值信息，T2為H 逆變橋的過溫信號；Um為對超級電容設定的工作電壓閾值，調整其值即可改變系統激勵功率大小。LTC3779 為一款升降壓型DC/DC 電源芯片，主要滿足超級電容由零電壓到工作電壓的充電需求，M1、M2、M3、M4對應DC/DC 模塊的四路開關控制信號。S0為電源開始激勵信號，S1為PWM 輸出狀態信號，S2為激勵結束信號，S3為超級電容開始充電信號，S4為系統保護信號，S5為充電結束信號，S6代表DC/DC 模塊的使能信號，S7為加熱過程中RLC 回路容性狀態信號（電壓滯后電流）。實際工作過程中，電源有5 個工作狀態，其狀態轉化如圖5所示。

圖5 系統工作狀態轉換圖

電源系統正常工作時（S4=0），當接收到電源啟動信號S0，進入“等待1”狀態；此時打開繼電器K2。延時一定時間后S1有效，進入“加熱”狀態；此時啟動頻率跟蹤模塊，輸出四路PWM 波：SW1、SW2、SW3、SW4信號，實時采集回路電流I0并調整PWM 波的輸出頻率來維持RLC 回路處于“弱感性”狀態（電壓超前電流較小角度）。設定的加熱時間到達后，S2有效，進入“等待2”狀態；此時打開繼電器K1。延時一定時間后S3有效，進入“充電”狀態，此時S6有效；LTC3779 控制器開啟，超級電容開始進行充電。當S5有效（U2≥Um）時，充電結束進入“初始”狀態；此時等待下一次加熱開始（S0有效），到此系統完成一次正常的充放電過程。當正常工作中檢測到Us、T1、Im、T2、S7這些保護信號時，S4有效，系統進入“保護”狀態，關閉一切輸出信號；系統恢復正常后，S4置0，系統進入“初始”狀態，等待下一個加熱過程。

3 系統樣機測試與實驗

為檢驗便攜式電源系統設計的實用性，搭建了圖6所示的便攜式檢測系統樣機實驗平臺；對其質量、體積、輸出功率、續航時間以及裂紋檢測效果進行測試。

圖6 便攜式檢測系統樣機實驗平臺

樣機實驗平臺中，鋰電池選擇24 V、20 Ah 模組，超級電容選用100 V、6.5 F 模組，檢測系統各模塊參數如表1所示。

表1 系統組成模塊參數

3.1 輸出功率驗證

實驗選擇45#試樣為測試對象，等效RLC 回路中：L約為36.3 μH，C為0.44 μF，等效阻抗R約為3.3 Ω；諧振頻率約39.8 kHz。設置加熱時間為0.3 s，改變超級電容的電壓閾值。采用電壓探頭、電流探頭（普源RP1005C）分別測量工作過程中超級電容電壓U2、RLC 回路電壓U3及電流I0，結果如圖7所示。

圖7 便攜式電源系統實驗波形

圖7 中，RLC 回路電壓為50 V，電流有效值約15 A，即激勵功率為0.75 kW。加熱過程中（I0≠0），可見電壓電流平穩，并能保證相角在一定角度范圍內；加熱停止（I0=0）后，U2電壓上升，到達預定電壓后停止充電，由于超級電容有內阻，導致U2的測量電壓出現小幅度下降。示波器水平時基為0.2 s/格，即超級電容充電時間為0.7 s，此時系統工作周期為1 s。當設置電壓閾值為80 V，加熱時間仍為0.3 s，測得電流有效值為24 A，電容充電時間為2 s，即激勵功率為1.92 kW 條件下，系統工作周期為2.3 s。綜上，系統最大輸出功率為1.9 kW；加熱時間0.3 s 條件下，系統回電時間為0.7～2 s；可滿足實際中持續激勵的需要。

3.2 續航時間驗證

便攜式檢測系統續航時間是實際檢測中一個重要參數。設置輸出功率為1.9 kW、激勵時間0.3 s、系統循環時間為2.3 s；作為系統唯一能量來源的鋰電池，通過測試其開路電壓來測試系統的續航能力。重復激勵100 次，靜置一段時間后，測得實驗前后的鋰電池開路電壓分別為29.4 和29.1 V；鋰電池為20 Ah，電壓范圍為24.5～29.4 V。根據開路電壓法，鋰電池SOC值與其開路電壓值近似為線性關系[16]，即可推算得知：重復激勵100 次后，鋰電池電量下降約6%。因此可推算得到實際過程中，檢測系統在激勵功率1.9 kW、激勵時間300 ms 條件下可重復工作1 666 次。此時系統回電時間2.3 s，即最大功率輸出下，系統連續工作時間約為1.1 h。

3.3 裂紋檢測效果

為驗證電源系統的激勵效果，采用熱像儀FLIR A35、45#焊縫裂紋標準試樣進行實際裂紋檢測實驗。如圖8所示，(a)為實際焊縫樣品，其表面進行了噴漆處理；圖(b)為垂直(1 號)與水平(2 號)兩個方向上裂紋分布示意圖，其水平方向為焊縫的整體形狀走向。實驗設置激勵功率為1.7 kW，諧振頻率為39.8 kHz、加熱時間0.3 s。實驗數據采用自適應異常提取算法[17]，處理后的檢測效果如圖8(c)、(d)所示。

圖8(c)、(d)中黑色框標記位置，即分別對應1 號裂紋、2 號裂紋；由于焊縫存在著凹凸不平的“褶皺”，其主要分布在試樣的水平方向上，從而在裂紋附近能看到條狀的熱量聚集。檢測結果表明，1.7 kW 功率條件下可明顯檢測到裂紋存在，即該電源系統設計能較好滿足脈沖渦流熱成像技術的功率需求。

圖8 45#焊縫裂紋標準試樣與檢測效果

4 結論

針對脈沖渦流熱成像技術現場檢測的需求，本文在“單DC/DC 升壓”結構基礎上，設計了一套便攜式脈沖渦流熱成像檢測系統。文中給出系統激勵電源控制策略并通過樣機實驗平臺對其性能參數與裂紋檢測效果進行驗證，結果表明：便攜式檢測系統樣機凈重8.4 kg，輸出功率可達1.9 kW,持續工作時間為1.1 h。該電源系統設計檢測能力得到了明顯改善，能更好地滿足現場檢測的應用需求并提供一定的應用參考價值。