（测试计量技术及仪器专业论文）亚表面缺陷的磁光涡流成像检测技术研究.pdf

四川大学硕士学位论文 亚表面缺陷的磁光涡流成像检测技术研究 测试计量技术及仪器号业 研究生：况淑青指导教师：周肇飞 近年来，随着冶金、材料、加工制造及装配等行业技术的飞速发展，对检 测精细表面和表层质量的要求越来越高，并希望能够对表面下细小缺陷作出准 确、可靠、实时的自动化检测，这为传统的无损检测带来了新的挑战。 光电技术在非接触无损检测技术中的应用为检测亚表面缺陷提供了一个有 效的解决途径。本文就对一种新的涡流无损检测技术磁光涡流成像检测技 术( m i o ) 进行了研究，这种方法既能保留传统涡流探伤的优点，又可实现对亚 表面细小缺陷的可视化无损检测，检测结果实时成像，灵敏度高。 磁光涡流成像检测是电涡流效应和法拉第磁光效应的综合应用，其基本原 理是：以脉冲信号激励线圈使其在受检金属试件中感生出涡流，若试件表层存 在缺陷则会改变该涡流的分布，并引起该处的垂直磁场分量发生变化，相应地 改变涡流激发的磁场；磁光传感器在该磁场的作用下会产生磁光效应，使经过 的激光的偏振方向发生偏转；包含了缺陷信息的光线经偏振分光镜反射后被c c d 接收，就可以对所检出的缺陷进行实时成像。 文章从深入分析检测的原理及理论上的可行性入手，着重对光路、磁光传 感器、图像传感器、激励线圈和激励频率等各种影响磁光涡流成像的因素进行 了系统的研究，并在多次实验的基础上合理选择最佳参数，对磁光涡流检测系 统进行逐步改进、完善。 系统中采用半导体激光为光源，以激光对被检测物体的照射取代了传统的 线圈探头，提高了检测速度和效率，使检测结果可视化。 相对于常规的涡流检测采用正弦电流的激励方式，本检测装置采用间歇式 脉冲激励方法，可以显著提高检测的深度，并可以提高检测的分辨率和可靠性， 亚表面缺陷的磁光涡流成像检测技术研究 且能有效地避免激励线圈的过热现象。 涡流传感器采用u 型放置式激励线圈，以锰锌铁氧体为磁芯，其自身的涡 流损耗小，具有增强磁场和聚焦磁场的特性，易于发现试件表面和表层的裂纹 缺陷，利于在较高的频激励下充分发挥激励线圈的磁光效应和电涡流效应，保 证检测系统的精度和灵敏度。 在m i o 检测系统中，法拉第磁光晶体是非常关键的一个元件，其磁光性能 对于整个系统性能有重要的影响。本文对磁光玻璃与磁光薄膜两种常用磁光传 感器件的性能、特点进行了综合分析、比较，根据试验本身探测灵敏度高的实 际需要，最终选定b i ：y i g 石榴石磁光薄膜材料作为磁光传感器，相对于常见 的磁光玻璃，更能有效提高系统的检测灵敏度。 m i o 检测系统获得的包含有缺陷信息的光强信号采用图像传感器进行接 收。本文对c c d 与c m o s 两种常用的图像传感器了分析、比较因c c d 灵敏度、 分辨率较高，噪声较低等方面的优势，选择了以c c d 为感光芯片的摄像头拾取 来自亚表面缺陷所产生的磁光涡流图像，以获得较高的图像质量。 为了充分发挥传感器的电涡流效应，在利用检测系统进行检测时必须合理 设置有关参数，即确定传感器与被测零件的相对大小、间距、线圈匝数及粗细、 以及合理的激励信号频率等。由于这些参数的设置是与涡流场的分布规律密切 相关，因此在具体的设计中，影响传感器的各种因素包括激励频率、被测试件 的性质( 电导率、磁导率、缺陷) 、激励线圈的几何参数及检测距离等都是关键 的因素。因此我们在实验中根据测试的实际情况进行了反复验证。力求获得最 佳的检测结果。 实验中，我们通过对各种材料( 铜、铝、铁) 的不同缺陷( 表面孔、槽： 亚表面孔、槽) 进行检测，验证了磁光涡流成像检测系统的可行性。由于获得 的磁光图像中存在大量的干扰因素，因此，我们采用软件图像处理技术，有效 的增强了磁光成像的效果，提高了图像检测分辨率和检测的可靠性。 总之，磁光涡流成像检测系统是集磁光成像、电路、数据采集处理、图像 显示等为一体的检测系统，能够实现对亚表面细小缺陷的可视化实时检测。该 技术具有如下优点： ( 1 ) 可克服常规涡流检测法检测面积小，速度慢等缺点，能快速覆盖被检 区域，检测速度是常规的涡流方法的5 一l o 倍，且准确度优于常规涡流检测。 四川大学硕士学位论文 ( 2 ) 检测前不需要对油漆等覆盖物进行清除，因为磁光涡流成像的质量基 本不受其影响，只要保证待检测表面具有照好的反射性即可。 ( 3 ) 检测结果可视、直观易懂、易于保存。 ( 4 ) 磁光涡流成像仪使用方便简单，可对表层及亚表面缺陷进行实时成像 检测。 关键词：无损检测激光涡流效应磁光成像脉冲激励 亚表面缺陷的磁光涡流成像幢测技术研究 s t u d y o nt h em a g n e t o o p t i c e d d yc u r r e n ti m a g i n g t e c h n o l o g yf o rs u b s u r f a c em i c r o d e f e c t s m a j o r ：m e a s u r e m e n tt e c h n o l o g ya n di n s t r u m e n t p o s t g r a d u a t e ：k u a n gs h u q i n gs u p e r v i s o r ：z h o uz h a o f e i i nr e c e n ty e a r s ，w eh a v em a d eg r e a tp r o g r e s si nt h ef i e l do fm e t a l l u r g y , m a t e r i a l ， m a n u f a c t u r e ，a s s e m b l y , e t c h o wt od e t e c tt h ef i n es u r f a c ea n ds u b s u r f a c ei sp a i d m o r ea n dm o r ea t t e n t i o n ar e a l t i m e ，r e l i a b l e ，a c c u r a t ea n dv i s u a lt e s t i n gm e t h o di s e x p e c t e d t h a ti sac h a l l e n g et ot h ec o n v e n t i o n a ln o n d e s t r u c t i v et e s t i n g ( n d n t h ea p p l i c a t i o no f p h o t o e l e c t r i ct e c h n o l o g t yp r o v i d e sa ne f f e c t i v ep a t ht ot e s tt h e s u b s u r f a c em i c r o d e f e c t s i nt h i sp a p e r , p r e s e n tan e wm a g n e t o o p t i c | e d d yc u r r e n t i m a g i n g ( m 0 1 ) ，w h i c hn o to n l yp r e s e r v e st h em e r i t so fc o n v e n t i o n a le d d yc u r r e n t t e s t i n g ，b u ta l s or e a l i z e st h ev i s u a ln d t f o rs u b s u r f a c em i c r o - d e f e c t s t h er e s u l ti s r e a l - t i m e ，a n dh i g h j ys e n s i t i v e m a g n e t o o p t i c ，e d d yc u r r e n ti m a g i n gi sb a s e do nf a r a d a y se l e c t r o m a g n e t i c i n d u c t i o na n dt h el a wo fm a g n e t i co p t i ce f f e c t t h ep r i n c i p l ei s ：a l t e r n a t i n gc u r r e n t e x c i t e df r o mt h ee x c i t a t i o nc o i li n d u c e st r a n s i e me d d yc u r r e n ta tt h es u r f a c eo r s u b s u r f a c eo ft h em e n t a ls a m p l e i tc a ni n f l u e n c et h ei n d u c e dm a g n e t i cf i e l d w h e n t h el a s e rp e n e t r a t e st h eo p t i c a lr o t a t i o nc r y s t a lf i l m ，t h ep o l a r i z a t i o no ft h el i g h tw i l l h a v ead e f l e x i o na n g l e i ft h e r ea r es o m ed e f e c t si nt h es a m p l e ，t h e yw i l lv a r yt h e d i s t r i b u t i o no fe d d yc u r r e n tf i e l d ，a n dt h e nc h a n g et h ew h o l em a g n e t i cf i e l d m e a n t i m e ，t h em a g n e t o o p t i cs e n s o rw h i c hi sp a r a l l e lt ot h es u r f a c eo ft h es a m p l e c o n v e y st h i sc h a n g et oc o r r e s p o n d i n go p t i c a li n t e n s i t yc h a n g e f i n a l l yi ti sr e c e i v e d b yc c d t or e a l i z ev i s u a ln o n d e s t r u c t i v et e s t b a s e do nt h eb a s i ct h e o r y , w ef o c u so nf a c t o r sw h i c hi n f l u e n c em a g n e t o o p t i c 4 四川大学颂十学位论文 e d d yc u r r e n ti m a g i n go ft h es y s t e m ，i n c l u d i n gt h ed e s i g no fo p t i c a ls y s t e m ， m a g n e t o o p t i cs e n s o r ，e x c i t a t i o nc o i l ，p u l s ee x c i t i n g ，i m a g ep r o c e s s i n ga n ds oo i l as e m i c o n d u c t o rl a s e ri su s e da st h el i g h ts o u r c e r e p l a y i n gm e a s u r i n gc o i l b yl a s e r , t h et e s t i n ge f f i c i e n c ya n dp r e c i s i o na r ei n c r e a s e d ，a sw e l la st h er e s u l t sa r e v i s u a l c o m p a r e dw i t hc o n v e n t i o n a ls i n u s o i d a ie x c i t i n gc u r r e n t ，m o ih s e st h eb a t c h p l u s ee x c i t a t i o n ，w h i c hc a nd r a m a t i c a l l y i n c r e a s e t h et e s t i n gd e p t h ，i m p r o v et h e r e s o l u t i o no f t h es y s t e m ，a n da l s oa v o i do v e r h e a to f t h ee x c i t a t i o nc o i le f f e c t i v e l y f a r a d a ym a g n e t o o p t i cc r y s t a lp l a y sa l li m p o r t a n tr o l ei nt h et e s t i n gs y s t e m i nt h i s p a p e r , w ec o m p a r e t h e p e r f o r m a n c ea n d f e a t u r eo ft w oc o m m o n m a g n e t o o p t i cs e n s o r s - - m a g n e t o o p t i cg l a s sa n dm a g n e t o o p t i cc r y s t a l f i l m t h e b i ：y i gm a g n e t o o p t i cf i l mi sp r e f e r r e dt om e e tt h es e n s i t i v i t yn e e do f t h es y s t e m t h eo p t i c a li n t e n s i t ys i g n a lw i t i ld e f e c t si n f o r m a t i o ni n c l u d e di sr e c e i v e db y c c d w ec o m p a r et h ep e r f o r m a n c ea n df e a t u r eo ft w oi m a g es e n s o r s - - c c da n d c m o si nt h ep a p e r b e c a u s eo ft h ep r e d o m i n a n c ei ns e n s i t i v i t y , r e s o l u t i o na n dl o w n o i s e ，c c di sm o r es u i t a b l ef o rt h es y s t e mt oi n c r e a s et h ei m a g eq u a l i t y i no r d e rt o s u f f i c i e n t l ye x p l o i tt h ee d d ye f f e c t ，s o m er e l a t e dp a r a m e t e r s i n c l u d i n ge x c i t a t i o nf r e q u e n c y , t h ec o i ld i a m e t e r , d i s t a n c ed e t e c t e d ( 1 i f t - o f f ) ，n u m b e r o ft u r n so fc o i l ，a n ds oo n , m u s tb es e tr e a s o n a b l y w h o l eo ft h e s ea r ei m p o r t a n t f a c t o r st oi n f l u e n c et h ee d d yc u r r e n td e n s i t yd i s t r i b u t ea n db o t hi n f l u e n c et h e s e n s i t i v eo f t h es y s t e m i ne x p e r i m e n t s ，w et e s t s a m p l e so fd i f f e r e n t m a t e r i a l i n c l u d i n gc o p p e r , a l u m i n u ma n di r o n ，w i t hd i f f e r e n td e f e c t s ，s u c ha sa p e r t u r ea n df i l l i s t e r t h r o e i g h m u l t i p l ee x p e r i m e n t s ，w eh a v ep r o o f e dt h ef e a s i b i l i t yo ft h em o is y s t e m b e c a u s e t h e r ea r em a n yd i s t u r b i n ge l e m e n t si nt h e m a g n e t o o p t i ci m a g e ，s o m ei m a g e p r o c e s s i n gi su s e d t or e m o v en o i s ea n di n c r e a s et h er e l i a b i l i t y i ng e n e r a l m a g n e t o o p t i c e d d yc u r r e n ti m a g i n gt e s t i n gs y s t e mi sam i x t u r eo f p h o t o e l e c t r i ct e c h n o l o g y , c i r c u i t ，d a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n ga n di m a g ed i s p l a y e t c ，w h i c hh a sr e a l i z e dt h er e a l - t i m ea n dv i s u a lt e s to fs u b s u r f a c e i th a st h e c h a r a c t e r i s t i c sa sf 0 1 】o w s ： 垩童堑竺堕塑堡垄塑堕堕堡笪型苎查堡茎 ( 1 ) t h ed e t e c t e da r e ac a nb ec o v e r e dr a p i d l ya n dt h et e s t i n gs p e e di sa b o u t5 - 1 0 t i m e so f c o n v e n t i o n a le d d yc u r r e n tt e s t i n g ( 2 ) t h ec l e a r a n c eo fs u r f a c ec l a d d i n gi sn o tn e e d e db e f o r et e s t i n g ，b e c a u s et h e i m a g eq u a l i t y i sn o ti n f l u e n c e do nt h ew h o l e ，a n dt h eo n l yt h i n g i st h eb e t t e r r e f l e c t i n gp r o p e r t yo ft h em e a s u r e ds u r f a c e ( 3 ) t h er e s u l t sa r ev i s i b l ea n dp e l l u c i d ，a n dc a nb ee a s i l yp r e s e r v e d k e y w o r d s ：n o n d e s t r u c t i v et e s t i n g ，l a s e r ，e d d ye f f e c t ，p l u s e e x c i t a t i o n ， m a g n e t o o p t i ci m a g i n g 6 四川大学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的来源及研究的意义 检测技术是现代信息社会的重要技术基础，与现代生产和科学技术相结合， 几乎渗透到人类的一切活动领域，其原理、方法和手段直接决定了信息技术系 统的功能和质量。 无损检测( n d t n o n d e s t r u c t i v et e s t in g ) 是检测技术的一个重要组成部 分，它是在不损伤被检测对象的条件下，利用材料内部结构异常或缺陷存在所 引起的对热、声、光、电、磁等反应的变化，来探测各种工程材料、零部件、 结构件等内部和表面缺陷，并对缺陷的类型、性质、数量、形状、位置、尺寸、 分布及其变化作出判断和评价，目的在于定量掌握缺陷与强度的关系，评价构 件的允许负荷、寿命或者剩余寿命，检测设备在制造和使用过程中产生的结构 不完整性及缺陷情况，以便改进制造工艺，提高产品质量，及时发现故障，保 证设备安全、可靠运行。 射线检测、超声检测、磁粉检测、渗透检测、泄漏检测和涡流检测等是目 前常用的无损检测方法，其中涡流检测作为一种应用广泛的无损检测手段，与 其他方法相比有其独到的优点。与液体渗透法相比其优越性表现在：获得结果 快，测试时不需要对样品进行清洗，能显示近表面裂纹，可以非接触测量；与 磁粉法相比，涡流对磁性和非磁性材料都非常有效；与超声波法相比，它不需 要用像超声波法所使用的机械耦合系统，而且探头比较简单，易于制造，可以 实像检测自动化。因此涡流检测可以弥补其他检测方法的不足，特别适应于导 电材料的表面和近表面缺陷的检测。 1 1 1 涡流检测的特点 涡流检测是在材料无损评价和检测领域中一种重要而广泛使用的方法，现 代涡流和电磁检测技术提供了一种独到的、低成本的、高速大规模的检测方法， 使其在无损检测领域中具有重要的地位。涡流无损检测的主要特点如下“1 ： ( 1 ) 涡流检测不需要耦合剂。涡流检测中无论是激励电磁场影响试件，或 者是试件中涡流的变化被探头检测到，都是一种电磁波。从物理学可知，电磁 亚表面缺陷的磁光涡流成像检测技术研究 波不仅具有波动性而且是一种粒子流，这与超声波不同，因为超声波只具有波 动性，不具有粒子流，所以超声波检测一定要接触式检测或者再探头和工件之 间加入耦合剂。由于电磁波是粒子流，所以，探头和试件之间无需加入耦合剂。 ( 2 ) 涡流检测速度快，易于实现自动化。由于涡流检测无需耦合介质，可 实现非接触检测，所以检测速度快。对管、棒等材料检测，一般每分钟可以达 到几十米，线材每分钟可以检测上干米，易于实现现代化的自动检测，特别适 合在线普查。 ( 3 ) 涡流检测对工件表面或近表面的缺陷，有很高的检出灵敏度，而且在 一定范围内具有良好的线性指示，可以刘大小不同的缺陷进行评估，所以可以 用作质量管理和控制。 ( 4 ) 涡流检测可用于高温检测。由于高温下导电工件仍有导电的性质，而 且检测时不需接触工件又不用耦合介质，因而可在高温状态下进行检测。 ( 5 ) 除了能够进行导电金属材料的检测外，还可以检验能感生出涡流的非 金属材料，如石墨等。荠可适用于异型材和小零件的检测，反应速度快，可以 实时显示检测结果。 涡流检测是以法拉第电磁感应原理为基础的，当载有交变电流的检测线圈 靠近被检试件时，由于线圈磁场的作用，试件会感生出漩涡状电流，也就是涡 流。涡流的大小、相位及流动性受到试件导电性能等的影响，而涡流的反作用 又使检测线圈的阻抗发生变化，因此通过线圈阻抗的变化或线圈上感应电压的 变化，就可以得到被测材料有无缺陷的结论。 涡流检测的灵敏度取决于所产生的涡流的密度，在不引起试件过热的条件 下，涡流密度越大，要检测的参数所引起的涡流密度变化越大，检测灵敏度就 越高。交变的激励磁场在试件中感生出涡流，涡流也会在周围空间形成交变磁 场并在线圈中感应电动势。这样，线圈中的磁场就是激励电流和涡流共同感生 的合成磁场，其中包含了试件的电导率、磁导率、缺陷、厚度等等信息，只要 试件的其他各种因素对涡流产生影响，就有可能应用涡流检测来检测试件的各 种性能。 因此涡流检测具有广泛的应用性，不仅适用于导电材料的缺陷检测，还可 用于材料或工件电、磁特性的测量以及非铁磁性基体上非导电覆层厚度的测量， 四川大学硕士学位论文 因此在材质分选，电导率、磁导率测量，防护层厚度测量，热处理状况和材料 硬度分析等方面也有着广泛的应用。”。 但是涡流检测有其自身的缺点，比如涡流的渗透深度很大程度上会受到集 肤效应的影响，激励线圈的频率高时，试件表面涡流密度大，检测灵敏度高， 但是涡流渗透深度低；随着激励频率的降低，涡流渗透深度增加，但表面涡流 密度下降，检测灵敏度也降低。因此涡流对试件靠近表层和近表层有较高的检 测灵敏度，但很难渗透到较厚的试件中心，即使在低频条件下可以达到较大的 检测深度，但随之产生的检测灵敏度显著降低使得涡流检测往往达不到期望的 要求。 近年来随着冶金、材料、加工制造、装配等行业技术的飞速发展，对精细 表面和表层质量检测的要求越来越高，并希望能对表面下细小缺陷作出准确、 可靠、实时的自动化检测，这就对涡流检测提出了新的要求。例如飞机上数千 个扣件或搭接部位紧固件孔( 螺栓7 l 或铆钉孔) 周围产生的疲劳裂纹、铝蒙皮 铆接处的裂纹及蒙皮的腐蚀损伤等，为了处理这巨大的工作，明显就需要寻求 一种快速、精确和高效的检测方法。传统的涡流检测遇到了挑战，即( 1 ) 多层 结构的缺陷或腐蚀检测；( 2 ) 扣件下的缺陷( c u f c r a c k su n d e rt h ef a s t e n e r ) 检测；( 3 ) 靠近物体边缘的表层及亚表面的缺陷检测。但是传统的涡流检测方 法，其探头尺寸相对较小，在检测面积大，试件需作全面扫查时，检测工作要 消耗大量时间。 此外，涡流检测会受到试件包括缺陷、导电率、导磁率、尺寸等各种因素 的影响，因此可以应用于检测试件的各种性能，这是优点，但反过来，又由于 它易受各种其他因素的影响，使输出信号较为复杂，且难以将各种干扰信号与 所需要的缺陷响应区分开来，因此传统的涡流检测结果可靠性受到一定的影响； 并且传统涡流检测线圈的输出信号一般是时变的模拟量( 电压或电流) ，虽然 可以使用分析交流电路阻抗相似的电路和仪器对信号的幅度相位等进行测定， 但由于干扰因素的存在和缺陷本身的千差万别，难以对缺陷的性质( 大小、形 状、位置等) 进行定量的分析，获得准确的结果，且该方法要求有专门训练的 操作人员，以便对测试数据进行解释。为此，研究和开发一种快速、精确检测 的新技术，对于航空和其他工业都是相当重要、很有现实意义的课题。 业表面缺陷的戳光涡流戚像检测技术研究 1 1 2 磁光涡流检测技术 本文对一种新的涡流无损检测技术磁光涡流成像检测技术进行了研 究。磁光涡流成像技术，是一种探索中的涡流无损枪测方法t 4 - 11 1 , 人们对它的 希望是既可实现对亚表面细小缺陷的可视化无损检测，义可实现快速、精确实 时检测。为制造出更为人性化的仪器，伎“不可视现象可视化”，是目前个 重要的研究方向，这既是信息技术的任务，也是我们课题研究的出发点。 磁光涡流成像技术是现代航空器无损检测的一次革命，也提供了一种合成 材料检测的新方法4 “。美国p r i 仪器公司于九十年代开发出了第一台磁光涡流 成像仪( m a g n e t o - o p t i c a le d d yc u r r e n t m a g e r ，m o i ) ，该装置在检测航空器搭 接件的缺陷和腐蚀时仅需要花费传统的涡流检测1 l o 一1 5 的时问，而且，该装 置对缺陷和腐蚀检测提供了现实的、实时的成像。m o i 检测技术特别适台对飞机 铝结构表层或亚表面缺陷的检测m ，。 磁光涡流成像拄术是基于法拉第电磁感应定律和法拉第磁光效应的综合 应用，其原理是：阱脉冲信号激励线圈使其在受检金属试件中感生出涡流，若 试件表层存在缺陷则会改变该涡流的分布，相应地改变涡流激发的磁场；磁光 传感器( 磁光石榴石薄膜) 在该磁场的作用下会产生磁光效应，使经过的激光 的偏振方向发生偏转；包含了缺陷信息的光线经偏振分光镜反射后被c c d 接 收，就可咀对所检出的缺陷进行实时成像。 m o i 无损检测技术具有以下特点： ( 1 ) 可克服常规涡流检测法检测面积小，速度慢等缺点，能快速覆盖被检 区域，检测速度是常规的涡流方法的5 一l o 倍，且准确度高，优于常规涡流检测 准确度。 ( 2 ) 检测结果可以采用彩色摄像系统实时成像，图像质量高，直观易懂， 可通过录像保存。 ( 3 ) 由于提离效应，在检查诸如有损耗的飞机部件时，常规的涡流检测方 法要求除去油漆，否则油漆厚度或表面不平将会引起图像失真，难于判断，而 磁光涡流检测则没有这个问题，并且对大小裂纹都很敏感。 ( 5 ) 磁光涡流成像仪使用方便简单，可对表层及亚表面缺陷进行实时成像 ( 5 ) 磁光涡流成像仪使用方便简单，可对表层及亚表面缺陷进行实时成像 检测。 d 四川大学硕士学位论文 1 2 磁光涡流成像的国内外研究现状 随着工业的发展，对材料、产品检测的要求不断提高，并且由于涡流检测 自身的特点，人们逐渐认识到常规涡流检测方法的局限性，它对解决某些问题 显得无能为力，如干扰信号很容易与有用信号混淆在一起，使输出信号较为复 杂，且难以将各种干扰信号与所需要的缺陷响应区分开来，使传统的涡流检测 结果可靠性受到一定的影响。常规涡流检测方法，探头线圈小，适合于薄、细 材料检测，在检测面积大，试件需作全面扫查时，检测工作要消耗大量时间， 而且必须由训练有素的人员进行操作对测试结果进行解释。目前对精细表面 和表层质量检测的要求越来越高，并希望能对表面下细小缺陷作出准确、可靠、 实时的自动化检测，这都对涡流检测提出了新的要求。 进入二十世纪九十年代，国外一些学者便开始寻求一种快速、易于解释的 涡流检测方法，其中就包括磁光涡流成像( m o i ) 检测方法。最初设计的m o 的是为了飞机机身铝组件( 铆钉连接) 的缺陷无损检测“。m o i 检测仪，产生 了与疲劳裂纹或隐藏腐蚀在尺寸和形状上非常相似的现实图像，m o i 的特点是使 操作者相对容易、快速地进行检测，较传统的涡流检测方法快5 到1 0 倍，减少 操作疲劳。 g l f i t z p a t r i c k 及其所在的“物理仪器研究所”设计的m o i “1 ，用涡流和 法拉第磁光效应，直接检测直径为7 5 m m 的圆形区域并在该区域产生个可视的 缺陷图像。这个方法的主要优点是检测时间减少到以前的i 8 ，m o i 产生容易解 释的缺陷成像。1 9 9 3 年，f i t z p a t r i c k ，g e r a l dl 等人首次在m a t e r i a l s e v a l u a t i o n 上发表了磁光涡流成像一种新的无损检测技术，讨论了m o i 在飞机构件缺陷检测中的初步应用，但图像不很清晰；后来对m o i 检测中的涡 流激励方式进行了改变，由原来的单方向正弦激励改为旋转或多方向涡流激励， 激励信号在相位上相差9 0 0 ，改善缺陷的磁光图像效果。同时，为提高识别有无 缺陷的铆钉图像的能力，该法通过附加一个可提高检测可靠性的图像处理过程， 即通过形态学和神经网络相结合的处理方法，大大地改善了m o i 的检测铆钉缺 陷区域的图像质量。 后来，n a t h ，s 和s u n ，b 等为了增强m o i 的检测能力，专门进行了对m o i 的图像进行处理方法的研究，通过对图像的大面积均值、形态滤波、相关滤波， 亚表面缺陷的磁光涡流成像检测技术研究 进一步改善了m o i 成像的质量”1 。 最近，国外的研究资料表明“”，m o i 方法也被应用于某些合成材料、焊接 缺陷的无损检测中( 合成材料中含有导电的铜或铝丝掩蔽物) ，在不久的将来， 当飞机用大量的合成材料( 不锈钢、钛合金以及含有少量碳元素的碳纤维材料) 制造时，该m o i 方法将起到更为重要的作用。 目前，国外的m o i 检测仪，已许可用于b o e i n g 、l o c k h e e d 等飞机的检测中， 美国空军、国家航空和宇宙航行局n a s a 和很多其它部门也开始使用m o i 技术“。 m o i 检测技术在国外飞机例检中已经发挥其重要作用。 图1 1 国外资料中磁光涡流成像检测仪的扫查头原理图 国内在m o i 技术的研究方面起步较晚。 1 9 9 9 年无损检测第2 7 卷第1 2 期刊登了武汉汽车工业大学戴蓉等“磁 光涡流成像一种新的无损检测技术”的论文“”1 该论文简要介绍了磁光涡 流成像技术的工作原理、成像装置、主要特点和应用场合，是对国外文献的一 个综述。 2 0 0 0 年南昌航空工业学院学报第1 4 卷第2 期刊登了该学院任吉林等“磁、 光涡流成像技术的有限元分析”一文“，介绍了磁、光涡流成像的有限元模 型对典型的飞机构件缺陷( 如连接飞机表面两个铝层的紧固件下面的裂纹) 进 行模拟，模拟结果表明，其磁场垂直分量的变化对这种结构来说是相当灵敏的， 采用m o i 技术可以用来探测隐藏在紧固件帽下面的缺陷。 2 0 0 1 年仪表技术与传感器第1 2 期刊登了任吉林等“磁光成像技术在涡 6 四川大学硕士学位论文 流检测中的应用”一文“，在介绍m o 原理的基础上，对航空构件进行了m o i 数值模拟，分析了m o i 检测技术在航空构件检测中的可能性。 这是国内关于m o i 检测技术的仅有的几篇报道。这些报道，都没有形成能 直观地看到亚表面缺陷的实验结果披露，更没有形成完整的、系统的m o i 检测 理论和实现方法。 此后，四川大学激光应用技术研究所开始着手对m o i 技术进行研究，“利用 磁光与涡流效应的可视化无损检测技术的研究”作为四川省应用基础研究项目 立项( 0 2 g y 0 2 9 - 0 2 2 ) ，经过几年的研究，已经搭建起了m o i 系统的基础框架”， 在此基础上，我们又近一步深入分析系统的原理，改进光路，对磁光传感器、 图像传感器、激励线圈和激励频率等影响磁光涡流成像的因素进行了进一步分 析、研究，在实验的基础上合理选择最佳参数，对磁光涡流检测系统进行了逐 步改进、完善。总的来说，目前主要是针对特定试件在规定条件下进行的实验 研究，如何进一步提高m o i 检测仪的成像分辨率以及应用于现场检测的研究将 在今后的工作中逐步开展。 表面缺陷的磁光涡流成像检测技术研究 第2 章磁光涡流成像检测的理论基础 磁光涡流成像检测是有机结合了电涡流效应和法拉第磁光效应，通过放置 在导电试件上方的交流激励线圈产生涡流感应，为了实现表面下( 亚表面) 缺 陷的检测目标，磁光传感器( 磁光石榴石薄膜) 被安放在靠近试件的位置，在 涡流磁场的作用下会产生磁光效应，使经过的激光的偏振方向发生偏转；包含 了缺陷信息的光线经偏振分光镜反射后被c c d 接收，就可以对所检出的缺陷进 行实时成像。 2 1 自然旋光现象 如图2 一i 所示，当线偏振光在某些晶体 材料中传播时，其偏振面会以光的传播方向 为轴线旋转一定的角度，这就是所谓的旋光 现象；能使偏振愿旋转的物质称为旋光物 质。旋转角度6 与光在材料中通过的路径， 成正比： 6 = p l ( 2 - 1 )图2 _ 1 自然旋光现象 式中p 一材料的旋光系数，是与旋光物质和入射光波长有关的常量。”。 通过数理方法分析旋光现象，将在材料中沿z 轴传播的线偏振光的电场强 度矢量用琼斯矢量表示，并用复数来表示三角函数，则有下列结论：线偏振光 可看成左旋和右旋圆偏振光的叠加，其折射率分别为n 和n + 。若介质有旋光性， 即p ：m 0 ，则n 和n + 就不相等；同样，旋向不同的两种圆偏振光的折射率不相等， 由它们合成的线偏振光的电矢量就会旋转“。 噼建， 四川大学硕士学位论文 2 2 法拉第磁光效应 1 8 4 5 年，法拉第( m ，f a r a d a y ) 在实验上发现，当一束线偏振光通过非旋光 性介质时，如果在介质中沿光传播方向加一外磁场h ( 磁场强度为曰) ，则光通 过介质后，光振动( 指电矢量g ) 的振动面转过一角度6 ，这个磁场使介质产 生旋光性的现象，称为法拉第效应或磁致旋光效应。如图2 - 2 所示“。 i 哆质 ll i川1 1 1 川l h9 。 i | | | tf 一 入时光 u j u v u v u ：透射光 f 单色| 茭箭毙jk 一，一一 f 图2 - 2 法拉第效应示意图 事实上，外磁场h 在介质中产生回转矢量g 与磁场h 的大小成正比，即 g = h( 2 2 ) 式中： 一磁致回转系数。 当光通过置于磁场中的介质时，偏振面也会发生旋转，这就是法拉第磁光 效应。设外磁场h 在光传播方向上的分量为h 。，则g 在光传播方向女。上的分 量g s 为： g s = 7 h s( 2 3 ) 可以得出： 户：了一g s ：要盟( 2 - 4 ) l 行 式中：五波长 将上式代x ( 2 1 ) 式6 = p l ，可得到： 亚表面缺陷的磁光涡流成像检测技术研究 0 ：罢盟，( 2 - 5 ) an 令：v ：要上，b ：h ；，则上式变为： a 盯 6 = v b l ( 2 - 6 ) 式中：6 一光振动面的法拉第旋转角； v 一为旋光介质的费尔德( v e r d e t ) 常数； 卜一光在介质中通过的路程； b 外加磁场强度在光传播方向上的分量。 公式( 2 - 9 ) 对于顺磁介质和抗磁介质，在磁场不很强时，皆是适合的。而 不同介质，振动面旋转方向不同。习惯e 规定：光振动面旋转绕向与磁场方向 满足右手螺旋关系的称为右旋介质，其v o ：反向旋转的称为“左旋”介质， v 0 。 对于铁磁或亚磁介质，法拉第旋转角为： 6 = v ( b + 7 m ) j ( 2 7 ) 式中：y 一为磁致回转系数，m 一为介质中的磁化强度。 通常在铁磁介质中，b m ，上式可近似为： 6 = m( 2 - 8 ) 这意味着法拉第旋转角与磁化强度成正比。磁化有饱和现象，磁化强度趋 向饱和值m ，6 也趋向饱和。对于给定的介质，光振动面的旋转方向仅由磁场曰 的方向决定，与光的传播方向和b 同向或反向无关。这是法拉第效应与固有旋 光物质旋光效应的重要区别，利用这一特点，可使光在介质中往返数次而使旋 转角度加大。 法拉第磁光效应可简单解释为：线偏振光总可分解为左旋和右旋的两个圆 偏振光，无外磁场时，介质对这两种圆偏振光具有相同的折射率和传播速度， 通过，距离的介质后，对每种圆偏振光引起了相同的相位移，因此透过介质叠加 1 n 四川大学硕士学位论文 后的振动面不发生偏转；当有外磁场存在时，由于磁场与物质的相互作用，改 变了物质的光特性，这时介质对右旋和左旋圆偏振光表现出不同的折射率和传 播速度”“。二者在介质中通过同样的距离后引起了不同的相位移，叠加后的振 动面相对于入射光的振动面发生了旋转。 在磁光涡流无损检测技术中，通常采用交变电场( 如间歇式脉冲信号) 来 感应出交变磁场，并用这个交变磁场来对通过磁光介质的线偏振光产生作用， 而磁光介质在交变磁场作用下的法拉第效应与静态的法拉第效应有所不同。通 过对自然旋光现象和法拉第磁光效应机理的研究，我们可以得知，自然旋光现 象主要与晶体的微观螺旋结构有关，而磁光效应不仅与晶体结构有关，还与晶 体材料的磁性、入射光的波长、外磁场的强度和频率等参数有密切的关系“。 因此在应用法拉第磁光效应进行涡流检测时，要根据试件的性质，选择相应的 光源、激励磁场的强度、频率及合适的磁光传感器等参量，以便于在实验中获 得最佳的检测效果。 对于利用磁光效应的磁场传感器多数采用具有足够大的v e r d e t 常数的材料 作为传感材料，以提高检测灵敏度，对高性能的传感器，还要求其有较好的温 度特性。近年来随着对法拉第磁光晶体研究的逐步深入，稀土钇铁石榴石薄膜 类材料( y i g 以及类y i g 单晶薄膜) 因其低的光吸收和高的法拉第旋转角，已经 成为光纤光隔离器中法拉第旋转部件的核心材料，而且也广泛应用于光波导、光 电检测等领域。例如在y i g 石榴石晶体中掺b i 或c e 元素后会使薄膜的磁光效 应大大提高，拉第旋转角分别可达2 2 0 0 ( o e r a ) 和- - 3 3 0 0 ( o e r a ) ，薄膜的磁光 优值有了很大改善，在光信息处理领域有很大的应用价值。 亚表面缺路的磁光涡流成像检测技术研究 2 3 涡流效应 2 3 1 涡流 由于电磁感应，当导体处在变化的磁场中或者相对于磁场运动时，其内部 就会感应出电流，这些电流的特点是：在导体内部白成闭合回路，呈漩涡状流 动，因此称之为涡旋电流，简称涡流。 图2 - 3 涡流效应原理幽 磁光涡流检测亦是涡流效应的一项重要应用，其基本原理可以表述为：当 载有交变电流的检测线圈靠近导电试件时，由于激励线圈磁场的作用，试件中 会产生涡流，而涡流的大小、相位及流动形式受到试件导电性能的影响，同时 产生的涡流也会形成一个磁场，这个磁场与线圈磁场方向相反，从而改变线圈 的相关电参数，这就是涡流效应，如图2 3 所示。 图2 4 是采用数字模拟技术对缺陷两侧涡流分布