锁相热成像无损检测系统激励源的设计

谢 飞，林茂松，朱玉玉,2

（1.西南科技大学 信息工程学院，绵阳 621010；2.电子科技大学 自动化工程学院，成都 610054）

0 引言

红外热成像无损检测（NDT）因具有快速，无接触，非交互，能够在大的检测区域上进行实时测量而广泛的应用于航天，航空，机械，医疗，石化，电力等领域。以前的研究主要集中在光学热成像无损检测的原理，各种应用和信号处理算法[1～3]。然而，很少引入激励源的设计。由于宽频率范围（通常为0.01Hz至几百kHz）和高功率（通常为几百W至几kW）的要求，设计和开发用于热成像的激励源是非常具有挑战性的。常用的方法是使用高压线性放大器，但缺点是它受增益带宽积（GBP）的限制，可能导致效率低下[4]。近年来，数字控制电源转换器已被证明能够提供高效的电能管理能力，广泛应用于工业，电力牵引系统，可再生能源系统，分布式发电和汽车领域[5]。因此，本文提出了一种在数字控制策略下具有高性能的激励源的结构拓扑。研制了一台最大输出功率为2.0kW，频带范围为0.01Hz～100kHz，用于驱动卤素灯的样机。

1 设计目的及理论依据

在热成像无损检测技术中，不同激励方式决定了不同实验系统的设计和数据采集方式。在光学热成像技术中，被检测试件受到光学热源（如闪光灯或卤素灯）的激励，试件表面被加热，产生的热波向试件内部传递，若试件中存在缺陷则热波的传递受阻，最终导致零件表面温度分布不均，这种温度变化由红外热像仪记录，得到时序热像图，提取并分析热像图中信息从而获得缺陷的特征信息[6]。同步触发器从PC接收“启动”命令，然后触发红外摄像机和激励源同步工作。其实验示意图如图1所示。

图1 光学热成像实验示意图

在锁相热成像中，预设电流是幅度调制电流，其通过将低频正弦信号与高频信号组合形成，该高频信号可如下表示：

式(1)中Im是电流的最大值，flock和fcarr分别表示锁相频率和载波频率。图2是锁相模式下激励源电流示意图。

根据热波理论，缺陷的探测深度取决于热扩散的长度，可以表示为：

图2 锁相模式下激励源电流示意图

其中α为热扩散系数（m2⁄s），flock为锁相频率，k为材料的导热率（W⁄mK），ρ为材料密度（kg⁄m3），cp为比热容（J⁄（kg.K））。对于特定材料，μth的值由锁相频率确定。样品被周期性加热，样品表面上的温度也周期性地变化。由于频率的变化几乎等于锁相频率，可以通过傅里叶分析来抑制诸如非均匀加热，环境反射和表面发射率变化之类的干扰[7]。对于具有不同结构和特性的特定样品，激励源的锁相频率应手动设置。锁相频率的范围通常在0.01Hz至几十kHz之间调节，载波频率范围是几十到几百Hz[8]。

2 激励源的构成及拓扑结构

2.1 激励源的主电路构成

整个激励源系统主要由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。其主电路拓扑图如图3所示，Vin采用一电压输出能力可达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、两大功率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、四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产生信号经多级驱动电路放大后用以驱动Q1～Q6，卤素灯串接在Vout两端。

图3 激励源主电路拓扑图

2.2 正弦生成电路

该电路包括一个半桥电路和一个LC低通滤波器，如图4所示，可以看作是降压电路。当Q1导通且Q2关断时，Vin对电感器Lf充电。并提供给负载，Vo1=Vin。当Q1关闭且Q2导通时，Lf放电和环路电流通过Q2体二极管续流，Vo1=0V。在稳定状态下，Vo1的平均电压由下式给出：

图4 正弦生成电路

其中ton是Q1的导通时间，toff是Q1的关断时间。T是开关周期，α是占空比。在该设计中，根据正弦模式，开关频率1/T设置为100kHz，占空比α从10%变化到90%。根据正弦模式，该电路可以工作在连续电流模式（CCM）和不连续电流模式（DCM）。为了获得更小的纹波电压，它应该在CCM中工作，同时需要选择合适的电感器Lf。假设IL是电感电流的平均值，∆iL是电感电流的纹波值，IL和∆iL可表示为：

其中α=Uo/Vin，L是滤波器电感器Lf的值。结合式(4)和式(5)应满足如下关系式：

为了满足式(6)并考虑一个阻值R≈50的卤素灯，开关周期T=10μs且占空比的最小值为10%，电感器的最小值为225μH。

2.3 激励源的FPGA系统

图5显示了使用FPGA芯片的SPWM和PWM信号生成逻辑框图。基于自然采样方法[9,10]，可以通过比较预先设置的正弦和三角信号的离散值来生成SPWM信号。通过使用DDS模块生成正弦信号，该DDS模块由频率调谐字（M）寄存器，相位累加器和正弦查找表（Sin-LUT）组成。

图5 SPWM和PWM信号生成逻辑的框图

频率调整器（M）在时钟（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以获得正弦的幅度值正弦频率等于相位累加器的溢出频率。

其中N=33是相位累加器的位，fref=1kHz，频率分辨率为1.16415×10-7Hz，时钟Fclk=100MHz被除法器分频以产生PWM信号。

3 实验结果

所提出的拓扑结构在实验样机上得到验证。样机图和参数分别如图6和表1所示。本节介绍从样机中获得的各种实验结果。

表1 系统的参数和型号

图6 样机图

3.1 激励源测试结果

在输入电压等于250VDC和25Ω的电阻负载的条件下测试激励源。锁定频率在不同的预设频率下测量，该频率在0.01Hz～10Hz之间变化，如表2所示。可以看出，最大误差控制在0.2%以内。

表2 锁相频率的测量

锁相热成像模式下的输出波形通过傅立叶变换处理，结果如图7所示。可以看出，输出不仅包括基波分量，还包括谐波分量和直流分量。根据式(8)，平均输出功率约为535W，而基波分量的功率达到总输出功率的90.5%。

图7 时域和频域中的波形

3.2 激励源的应用

为了验证所提出的激励源的有效性，已经进行了一项实验，其中铅-钢样品通过工业EP粘合剂粘合。这种结构样品经常用于核工业，需要检测该样品的内部缺陷。使用具有不同直径的若干人造缺陷来模拟脱粘缺陷，如图8(a)所示。可以看出当flock（锁定）被选择为0.05Hz时，已经很好地检测到缺陷。图8(b)和图8(c)分别示出了时域中的幅度图像和Sp1点的温度演变图。

图8 测试样品和测试结果

4 结论

设计了一种用于热成像无损检测的功能激励源，可以满足光学热成像的激励要求。已经研究了所提出的拓扑结构，工作原理和电路的设计过程。设计并实现了频率范围为0.01Hz～100kHz的2kW样机。已经验证了激励源的性能指标，例如频率精度，锁相热成像模式中的谐波能量含量。此外，采用所提出的方法和样机对具有粘结结构的铅-钢样品的内部缺陷进行了检测，检测结果表明所设计的激励源安全可靠。