趙柳權(quán),武 麗,朱玉玉,2

(1.西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院,四川 綿陽 621010；2.電子科技大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院,四川 成都 610054)

1 引 言

主動(dòng)式紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)是一門融合多學(xué)科、多種應(yīng)用技術(shù)的實(shí)用型工程技術(shù),在無損檢測(cè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,該技術(shù)具有檢測(cè)精度高、檢測(cè)速度快及非接觸等優(yōu)點(diǎn)。該技術(shù)是采用主動(dòng)控制的熱激勵(lì)方式,激勵(lì)熱源對(duì)檢測(cè)試件加熱,然后通過熱像儀檢測(cè)分析試件的熱學(xué)信息變化。作為紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)的主要組成部分,熱激勵(lì)技術(shù)的研究對(duì)紅外熱成像檢測(cè)效果有著直接影響[1-5]。

目前,在熱激勵(lì)技術(shù)應(yīng)用方面,國外多采用信號(hào)發(fā)生器和功率放大器組合對(duì)鹵素?zé)暨M(jìn)行激勵(lì),但功率放大器體積大、效率低；國內(nèi)對(duì)紅外熱成像技術(shù)的各方面研究起步晚,陶勝杰等研制了一種基于市電電壓數(shù)字功率控制的鎖相激勵(lì)源,激勵(lì)源核心組成仍是功率放大器[6]；劉俊巖等采用了線性調(diào)頻熱激勵(lì)方式應(yīng)用在紅外熱波成像檢測(cè)[7]。韋浩等設(shè)計(jì)了基于FPGA的閃光燈激勵(lì)源,但體積過大且電壓要滿足200 V以上的要求,僅適用于大型閃光燈,不便于攜帶[8]。

本文針對(duì)激勵(lì)設(shè)備體積大、不易攜帶和工作模式單一等問題,在文獻(xiàn)[8]的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)改造一種以TMS320F28335數(shù)字控制器為核心,使用容量為60 Ah的24 V鋰電池組供電的新型便攜式多模態(tài)無損檢測(cè)熱激勵(lì)源,該激勵(lì)源輸出功率可達(dá)1000 W左右,功率密度大,且具有三種激勵(lì)模式,如鎖相激勵(lì)、鎖相多頻激勵(lì)和脈沖模式,模式切換電路中使用半導(dǎo)體器件替代單刀雙擲開關(guān)或繼電器,有效減小設(shè)備體積,集成度高,便于攜帶。

2 系統(tǒng)方案總體設(shè)計(jì)

如圖1所示,紅外熱成像激勵(lì)電源系統(tǒng)主要由功率電路、DSP控制電路、輔助電源三部分組成。功率電路部分主要包括半橋電路、全橋電路以及模式切換電路等部分,該部分是激勵(lì)鹵素?zé)糌?fù)載多模式工作的核心部分；DSP控制電路部分主要由TMS320F28335芯片及其外圍電路組成,主要實(shí)現(xiàn)對(duì)半橋電路和全橋電路的驅(qū)動(dòng)控制和保護(hù)功能控制以及產(chǎn)生激勵(lì)電源的模式切換信號(hào)；輔助電源部分主要對(duì)各個(gè)部分芯片提供正常供電。

圖1 激勵(lì)源系統(tǒng)框圖

3 激勵(lì)電源系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 功率電路拓?fù)浣M成

功率電路部分主要包括半橋電路拓?fù)?、全橋電路拓?fù)洹⒛Ｊ角袚Q電路。其主電路拓?fù)鋱D如圖2所示,VDC是激勵(lì)電源系統(tǒng)直流輸入電壓,采用24 V電池組產(chǎn)生,前級(jí)由輸入電容C1、開關(guān)管Q1～Q2和輸出LC濾波器組成半橋低頻正弦產(chǎn)生電路,中間級(jí)由開關(guān)管Q3～Q4構(gòu)成模式切換電路,后級(jí)由濾波電容C2和開關(guān)管Q5～Q8組成全橋脈沖電路。

圖2 功率主電路拓?fù)鋱D

3.2 激勵(lì)源電路工作原理分析

半橋電路部分采用了正弦脈寬調(diào)制(SPWM)技術(shù)對(duì)開關(guān)管Q1～Q2進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制。為簡化分析,取t時(shí)刻驅(qū)動(dòng)半橋的PWM占空比為D(t),半橋電路工作過程如下:開關(guān)周期為TS,在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)根據(jù)開關(guān)管的狀態(tài)可分為TON和TOFF兩個(gè)階段。當(dāng)處于TON階段,開關(guān)管Q1為導(dǎo)通狀態(tài),開關(guān)管Q2為關(guān)斷狀態(tài),電感電流處于上升階段,電感處于蓄能狀態(tài)；當(dāng)處于TOFF階段,開關(guān)管Q1為關(guān)斷狀態(tài),開關(guān)管Q2為導(dǎo)通狀態(tài),電感電流會(huì)通過開關(guān)管Q2續(xù)流,繼續(xù)為電容和負(fù)載釋放能量,電感電流處于衰減階段。

為保證半橋電路工作在連續(xù)導(dǎo)電模式,一般需要考慮濾波電感Lf和濾波電容Cf的取值。電感Lf的取值和電感紋波電流的最大值有關(guān)。電感的具體分析計(jì)算如下:

電感兩端電壓為:

(1)

對(duì)于半橋電路,公式(1)可以等效寫成如下表達(dá)式:

(2)

SPWM每個(gè)開關(guān)周期為TS,假設(shè)正弦波的調(diào)制系數(shù)為M,則驅(qū)動(dòng)半橋電路的占空比為:

D(t)=Msin(wt)

(3)

半橋電路輸出電壓與對(duì)應(yīng)時(shí)刻的占空比有關(guān),其計(jì)算值為:

VM=VDC×D(t)

(4)

綜合公式(1)～(4),整理得出:

(5)

對(duì)公式(5)進(jìn)行一階求導(dǎo),并令導(dǎo)數(shù)為零,最后得出:

(6)

給定最大調(diào)制系數(shù)M=1,將式(6)代入公式(5),求得電感紋波電流最大值為:

(7)

假定電感紋波電流最大值為輸出電流的20 %,驅(qū)動(dòng)半橋電路的SPWM周期為20 μs,直流輸入電壓為24 V,輸出電流40 A左右,則所需濾波電感Lf最小值為15 μH?？紤]工程應(yīng)用因素,選擇濾波電感Lf的感值為47 μH,根據(jù)LC濾波器的截止頻率得到濾波電容的容值為:

(8)

截止頻率設(shè)定為2200 Hz,根據(jù)公式(8)得到電容容值為110 μF。工程上濾波電容采用多層瓷片電容,濾波效果好。

中間級(jí)模式切換電路是對(duì)激勵(lì)源工作模式進(jìn)行控制,激勵(lì)源工作模式包括鎖相模式、鎖相多頻模式和脈沖模式,當(dāng)Q3導(dǎo)通,Q4關(guān)斷時(shí),激勵(lì)源工作在脈沖模式,當(dāng)Q3關(guān)斷,Q4導(dǎo)通時(shí),激勵(lì)源工作在鎖相模式,鎖相多頻模式是鎖相模式的擴(kuò)展,在鎖相模式的基礎(chǔ)上,可以設(shè)置模式參數(shù)來實(shí)現(xiàn)。

后級(jí)全橋脈沖電路本質(zhì)是方波逆變電路,開關(guān)管Q5～Q8由周期為20 μs,占空比為50 %的方波驅(qū)動(dòng)控制,從而產(chǎn)生幅值正負(fù)交替的方波。

3.3 模式切換電路設(shè)計(jì)

如圖3所示,中間級(jí)由開關(guān)管Q3～Q4并聯(lián)構(gòu)成模式切換電路,開關(guān)管Q3～Q4的漏極分別連接輸入24 V和半橋低頻正弦輸出,通過控制開關(guān)管Q3～Q4的開關(guān)狀態(tài),從而實(shí)現(xiàn)模式的切換功能。

圖3 光耦驅(qū)動(dòng)電路原理圖

控制器TMS320F28335輸出的模式切換信號(hào)功率很小,無法直接控制開關(guān)MOS管,因此必須設(shè)計(jì)外圍驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)MOS管的控制。本文采用PS2701系列的光耦芯片,設(shè)計(jì)了光耦驅(qū)動(dòng)電路,如圖3所示,DSPDRV信號(hào)由控制器TMS320F28335產(chǎn)生,DRVOUT為輸出信號(hào),驅(qū)動(dòng)原理為:當(dāng)DSPDRV信號(hào)為低電平時(shí),經(jīng)過光耦PS2701后,輸出信號(hào)DRVOUT為高電平,則MOSFET導(dǎo)通,反之,則MOSFET關(guān)斷,此設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)的光電隔離,保證系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。

4 激勵(lì)源系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

激勵(lì)源控制系統(tǒng)軟件部分主要有串口通信、SPWM生成、模式切換信號(hào)和PWM信號(hào)等模塊組成,主要功能包括實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)的串口通信、激勵(lì)源工作模式的選擇、輸出參數(shù)的設(shè)置和狀態(tài)檢測(cè)保護(hù)等功能,激勵(lì)源控制系統(tǒng)程序流程圖如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)程序流程圖

5 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果與分析

按照?qǐng)D1所示系統(tǒng)框圖搭建激勵(lì)源實(shí)物,負(fù)載為六個(gè)額定功率為150 W的德國歐司朗鹵素?zé)?整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖5所示。圖6中的手持式檢測(cè)設(shè)備包括鹵素?zé)絷嚵?中心為紅外熱像儀,示意圖如圖6所示。圖5中的熱激源系統(tǒng)為本文設(shè)計(jì)研發(fā)的實(shí)物形式,其外形尺寸為32 cm×15 cm×12 cm,與傳統(tǒng)熱激勵(lì)設(shè)備相比體積大大縮小,而且整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)重量僅為10 kg左右,滿足便于攜帶的要求。

圖5 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖6 手持式檢測(cè)設(shè)備示意圖

在鋰電池電壓為25.2 V的測(cè)試條件下,對(duì)熱激勵(lì)源的鎖相多頻模式和脈沖模式進(jìn)行實(shí)驗(yàn),利用實(shí)驗(yàn)室示波器對(duì)系統(tǒng)的輸出電壓波形捕獲,圖7為鎖相多頻模式下,設(shè)置輸出頻率為0.1 Hz、0.2 Hz和0.4 Hz的電壓波形,縱向柵格為10 V/格,可以看出無明顯畸變,圖8為脈沖模式下,設(shè)置加熱時(shí)間為2 s,冷卻時(shí)間為1 s,波形顯示無明顯過電壓振蕩,處于系統(tǒng)安全電壓36 V以下。

熱激勵(lì)源工作在脈沖模式下,對(duì)碳釬維復(fù)合材料試件進(jìn)行熱激勵(lì),復(fù)合材料試件的人為缺陷位置示意圖如圖9所示,缺陷深度為1 mm,使用主成分分析法對(duì)檢測(cè)的圖像進(jìn)行處理,圖像處理結(jié)果如圖10所示,由于5號(hào)缺陷和10號(hào)缺陷直徑偏小,5號(hào)缺陷未能檢測(cè)到,10號(hào)缺陷檢測(cè)效果也不明顯,但是整體有效檢測(cè)正確率達(dá)到90 %。

圖7 鎖相多頻模式輸出電壓波形

圖8 脈沖模式輸出電壓波形

圖9 試件缺陷位置示意圖

圖10 試件檢測(cè)圖像處理結(jié)果圖

6 結(jié) 論

本文結(jié)合電力電子技術(shù),設(shè)計(jì)了一種以TMS32-0F28335為核心的新型便攜式多模態(tài)無損檢測(cè)熱激勵(lì)源,該激勵(lì)源利用MOSFET電路實(shí)現(xiàn)1000 W功率輸出和多模式切換,具有體積小、易攜帶、操作靈活、功率密度高等特點(diǎn),解決了傳統(tǒng)熱激勵(lì)設(shè)備的工作模式單一和體積過大問題,滿足了紅外熱成像無損檢測(cè)領(lǐng)域的現(xiàn)場定點(diǎn)檢測(cè)需求和小型試件檢測(cè)需求,提高了診斷效率。