磁光成像检测技术及应用021536.ppt

磁光成像检测技术及其应用Magneto opticimaging MOI 自动化工程学院程玉华教授2015 12 14 1 第一部分无损检测概述第二部分MOI的发展现状第三部分MOI基本原理及构件第四部分仿真模型第五部分图像处理方法第六部分典型应用 目录CONTENTS 磁光成像技术 2 切开看瓜 有损 第一部分无损检测概述 隔皮猜瓜 无损 3 航空航天 武器核工业 电站造船 铁路石油化工 锅炉压力容器建筑 冶金机械制造等 第一部分无损检测概述 4 第一部分无损检测概述 无损检测的方法和分类 目视检测VisualTesting 缩写VT 超声检测UltrasonicTesting 缩写UT 射线检测RadiographicTesting 缩写RT 磁粉检测MagneticparticleTesting 缩写MT 渗透检验PenetrantTesting 缩写PT 涡流检测EddycurrentTesting 缩写ET 漏磁检测Magneticfluxleakagetesting 缩写MFL 磁光成像检测Magneto opticimaging MOI 一 常规无损检测方法 二 新型电磁无损检测方法 5 第一部分无损检测概述 无损检测方法比较 6 第一部分无损检测概述 7 第一部分无损检测概述 缺陷信息特点 检测信号微弱 信号耦合 情况复杂 电磁信号不可见 需求 灵敏度高 信号解耦 成分分析 量化检测 可视化成像 对比总结 8 第二部分MOI的发展现状 1993美国航空航天局 2006法国航空航天研究院的线性磁光成像仪 国外发展现状 9 第一部分无损检测概述 第二部分MOI的发展现状 检测深度 3mm 铝材 检测深度 3 125mm 铝材 美国OI2公司的MOI308系列产品 10 第一部分无损检测概述 第二部分MOI的发展现状 国内发展现状 2007年四川大学周肇飞教授团队磁光成像平台装置图 本团队在光源 激励源和磁光传感器等改进后提出的磁光成像系统 11 第二部分MOI的发展现状 12 第三部分MOI基本原理及构件 光源 激励源 起偏 检偏 成像 磁感应强度 被测对象 磁光传感器 磁芯 激励源 光源 应用示意图 3 1磁光成像技术应用原理 外磁场是如何改变光波的传输特性的 13 法拉第效应克尔效应磁线振双拆射 科顿一穆顿效应和瓦格特效应 磁圆振二向色性磁线振二向色性塞曼效应磁激发光散射 3 2磁光效应 磁光效应是指具有固有磁矩的物质在外磁场的作用下电磁特性 如磁导率 磁化强度 磁畴结构等 会发生变化 使光波在其内部的传输特性 如偏振状态 光强 相位 传输方向等 也随之发生变化的现象 第三部分MOI基本原理及构件 14 3 2 1自然旋光效应 1811年 阿喇果 Arago 在研究石英晶体的双折射特性时发现 一束线偏振光沿石英晶体的光轴方向传播时 其振动平面会相对原方向转过一个角度 如右所示 由于石英晶体是单轴晶体 光沿着光轴方向传播不会发生双折射 因而阿喇果发现的现象应属另外一种新现象 这就是旋光现象 一定波长的线偏振光通过旋光介质时 光振动方向转过的角度 与在该介质中通过的距离l成正比 表征了该介质的旋光本领 称为旋光率 它与光波长 介质的性质及温度有关 第三部分MOI基本原理及构件 15 1846年 法拉第发现 在磁场的作用下 本来不具有旋光性的介质也产生了旋光性 能够使线偏振光的振动面发生旋转 这就是法拉第效应 3 2 2法拉第效应 为法拉第效应旋光角为介质的厚度 B为平行与光传播方向的磁感强度分量 V称为费尔德 Verdet 常数 第三部分MOI基本原理及构件 16 第三部分MOI基本原理及构件 3 3MOI系统构件 构件介绍与选择 3 3 4 磁光传感器 3 3 1 光源选择 3 3 2 光路设计 3 3 3 激励方式 17 3 3 1 光源选择 第三部分MOI基本原理及构件 对光源的需求 高方向性 利于传播 传输距离远 高单色性 利于法拉第效应旋转角度的量化和成像对比度 高亮度 经光路的衰减后 利于成像亮度 相干性好 输出稳定性高 18 第三部分MOI基本原理及构件 3 3 1 光源选择 一般光源 LED等 激光光源 光源 半导体激光器 固体激光器 气体激光器 液体 燃料 激光器 优势体现在体积小 机械强度好 操作方便 但激光的效率和频率输出的稳定性不高 优点是能连续工作 工作越长激光的稳定性越好 单色性 相干性都非常好 而且价格低廉 操作简单 缺点是功率比较低 且功率固定 优点是体积小 重量轻 方向性 相干性较好 输出光源的功率可调 价格昂贵 输出波长可调 冷却简单 均匀性好 发散角较小 缺点是输出激光的稳定性差 不能长时间在高脉冲频率下工作 激光单色性好 可避免不同波长偏转角度不一致造成的图像模糊 提高图像清晰度 19 第三部分MOI基本原理及构件 3 3 1 光源选择 光源波长选择 实验所用磁光传感器 0 5mm的钆镓石榴石中加入3um的铋掺杂铁石榴石 可见光谱 波长越小 光强传输比越低 而法拉第旋转角越大 波长越大 光强传输比越高 而法拉第旋转角越小 20 第三部分MOI基本原理及构件 3 3 1 光源选择 光强传输比高 法拉第旋转角大 灵敏度越高成像效果越好 光源波长的最佳方案 21 第三部分MOI基本原理及构件 3 3 1 光源选择 由法拉第效应可知 不同介质的费尔德常数不同 因此在同一条件下 旋转同样角度所对应的最佳光源波长也不同 实验室选用的磁光薄膜材料 Bi YIG石榴石 主成分为 Y2 3Bi0 7Fe5O12 厚度 0 5mm 与上述实验的有所不同 实验室选用了波长为632 8nm的光源 且该波长属于可见光波段 半导体激光器和气体激光器中的氦氖激光器均满足要求 经下表对比 选用了气体氦氖激光器 波长 632 8nm 光斑直径 0 8mm 发散角 1mrad 功率 4mW 22 第三部分MOI基本原理及构件 3 3 2 光路设计 理想的光路示意图 23 第三部分MOI基本原理及构件 3 3 2 光路设计 光斑大小 激光光束很细 照射在磁光传感器上的光斑很小 造成单次可检测面积缩小 入射角 磁光传感器 磁光薄膜 表面反射光会影响成像效果 光路中存在的问题 24 第三部分MOI基本原理及构件 3 3 2 光路设计 光斑解决方案 扩束镜 扩束原理图 北京卓立汉光 Zolix 5扩束镜 LBE633 5 扩束镜主要有两个用途 扩展激光束的直径减小激光束的发散角 25 第三部分MOI基本原理及构件 3 3 2 光路设计 入射角解决方案 布儒斯特角 布儒斯特定律 当自然光入射到介质表面时 反射光和折射光都是部分偏振光 反射光中振动方向垂直入射面的成分比平行于入射面的成分占优势 折射光中振动方向平行入射面的成分比垂直于入射面的成分占优势 26 光从折射率为n1的介质射向折射率为n2的介质时 当入射角满足 反射光就变为振动方向垂直于入射面的完全偏振光 而折射光仍为部分偏振光 称为布儒斯特角 第三部分MOI基本原理及构件 3 3 2 光路设计 由布儒斯特定律可知 反射光为零 入射光为平行于入射面的线偏振光 入射角满足布儒斯特角 27 第三部分MOI基本原理及构件 3 3 3 激励方式 一 激励与漏磁场的关系 试件与缺陷一定的情况下 激励的电流大小 磁轭的材料 绕线的匝数 决定 漏磁场强度 法拉第旋转角 成像效果 激励的频率 直流 低频 高频交流 28 激励源的磁轭 绕线匝数 电流大小 磁化 第三部分MOI基本原理及构件 3 3 3 激励方式 无外磁场 顺磁质磁化 有外磁场 29 N为绕线匝数 i为电流 L为磁路长度 第三部分MOI基本原理及构件 3 3 3 激励方式 磁化率 相对磁导率 绝对磁导率 铁磁材料有很大的磁导率 放入线圈中时可以使磁场增强102 104倍 决定材料 N决定匝数 i决定电流大小 L决定磁路长度 30 第三部分MOI基本原理及构件 3 3 3 激励方式 激励源的频率 趋肤效应 穿透深度 m 角频率 2 f rad s 磁导率 H m 电导率 S m 31 第三部分MOI基本原理及构件 3 3 3 激励方式 32 第三部分MOI基本原理及构件 3 3 3 激励方式 二 漏磁场与缺陷的关系 表面裂纹 33 内部裂纹 第三部分MOI基本原理及构件 3 3 3 激励方式 内部裂纹深度越小 法拉第旋转角越大成像效果越好 激励总磁场一定的情况 漏磁场垂直分量越大 34 要求试件饱和磁化电量消耗大 缺陷信息量小 试件中磁场强度恒定 涡流影响小 模型简单 设备要求低 试件中磁场强度变化复杂较深缺陷的检测困难 缺陷信息量丰富 电量消耗小 针对磁性材料检测 本团队现提出低频交流激励 兼有直流与交流激励的优势 磁性材料检测 非磁性材料检测 3 3 3 激励方式 第三部分MOI基本原理及构件 35 新型低频交流激励 传统的磁性材料缺陷可视化检测中 直流激励和交流激励都有明显的缺点 新激励方法提供丰富的缺陷信息量 减小激励电量消耗 可覆盖较深缺陷 低频信号激励使在一个周期内多点采样拍摄 原理方案 3 3 3 激励方式 第三部分MOI基本原理及构件 36 第三部分MOI基本原理及构件 3 3 4 磁光传感器 37 尽可能大的费尔德常数 提高磁光效应 磁光传感器的光吸收系数小 透射光反射强 磁光传感器尽可能薄 提高偏转角 第三部分MOI基本原理及构件 3 3 4 磁光传感器 38 第三部分MOI基本原理及构件 3 3 4 磁光传感器 39 无外磁场 有外磁场 磁畴 铁磁体材料在自发磁化的过程中为降低静磁能而产生分化的方向各异的小型磁化区域 磁光薄膜中施加一定强度外磁场 磁畴的磁化方向发生转向 特有的纹理对缺陷检测有干扰 第三部分MOI基本原理及构件 3 3 4 磁光传感器 40 传统的磁光成像检测通过磁光薄膜折射 但由于其固有的磁畴结构 使图像传感器所成图像光强明暗程度差别不明显 造成斑点背景 光在磁光薄膜中传播路径 磁畴影响下产生的斑点背景 第三部分MOI基本原理及构件 3 3 4 磁光传感器 41 仿真模型的作用 1 将实验数据与仿真数据进行对比 验证方法的有效性2 通过仿真数据优化系统参数 在磁光成像法中 被测量对象的特征被转化成能够被磁光传感器识别的磁场信息 因此在建立仿真模型时主要针对的是被测对象中的电磁场 即是什么样的被测量特征会产生什么样的磁场信息 常用的磁场建模方法 有限单元模型 磁偶极子模型 第四部分仿真模型 42 有限单元模型 麦克斯韦方程 原理 基于麦克斯韦方程 将连续的空间划分成离散的单元 根据边界条件解微分方程 特点 精度高 计算机要求高 运算速度慢 第四部分仿真模型 43 磁偶极子模型 原理 基于磁荷模型 根据磁荷分布计算缺陷处任一点的漏磁场强度 特点 精度较高 运算速度快 计算机设备要求不高 第四部分仿真模型 44 磁光成像的图像质量对被测信息的可视化效果有着决定性的影响 因此图像处理方法是该技术发展的重要分支 磁光原始图像 主要干扰源 光照 噪声 磁畴及其畴壁 第四部分仿真模型 45 基本原理 在处理图像过程中 只保留反应目标本身特征的信息 消除光照强度和照射不均匀性的影响 retinex增强算法 原始图 经retinex算法增强的图像 参考文献 基于Retinex理论的图像增强算法研究 第四部分仿真模型 46 基本原理 一种非线性平滑技术 它将每一像素点的灰度值设置为该点某邻域窗口内的所有像素点灰度值的中值 中值滤波算法 原始图 经灰度变换的图像 中值滤波之前需将图像灰度变换 第四部分仿真模型 47 中值滤波算法 a 常规中值滤波 b 极值中值滤波 c 加权中值滤波 d 开关中值滤波 e 自适应中值滤波 f 多阶段分层局部图像增强 缺陷信息 磁畴干扰 中值滤波无法消除磁畴的影响 对缺陷信息形成严重的干扰 第四部分仿真模型 48 帧求差算法 参考文献 Motion basedfilteringofmagneto opticimagers 通过作差法得到的图像 经过滤波处理之后再作差得到的图像 第五部分图像处理方法 49 连通区域算法 将特征信息连通成有限个整体单元 面积较小的单元视为磁畴影响并消除 面积较大单元作为表示缺陷的有效特征 本研究团队在图像处理中主要针对磁畴影响的消除 该连通算法能够有效抑制磁畴的干扰 突出了缺陷信息 有利于缺陷量化 第五部分图像处理方法 50 检测飞机蒙皮 铆钉以及其他非磁性材料工件中的疲劳裂纹 腐蚀等缺陷 对象一 第六部分典型应用 51 应用于飞机蒙皮 铆钉材料缺陷的磁光成像检测系统原理图 基本原理 基于非磁性金属材料的涡流效应将缺陷信息转化成磁场信息并利用磁光成像技术转化成图像信息 对象一 第六部分典型应用 52 在激光焊接过程中 跟踪低碳钢材料焊缝的位置以实现激光聚焦点的实时精确控制 基本原理 将焊缝置于电磁场中 磁光传感器将由焊缝产生的漏磁场转化成图像信息 通过计算机提取焊缝的位置信息实现激光的控制 基于磁光成像法的激光焊接原理图 对象二 第六部分典型应用 53 针对空气开关在状态切换过程中产生的电弧 采用磁光成像法检测电弧的相关物理参数 基本原理 利用磁光传感器将由电弧产生的磁场信息转化成图像信息 并从中提取出与电弧物理参数相关的特征信息 基于磁光成像法的电弧检测原理图 对象三 第六部分典型应用 54 检测飞机发动机 起落架以及其它铁磁性材料工件中的疲劳裂纹 腐蚀等缺陷 对象四 第六部分典型应用 55 应用于飞机发动机 起落架等磁性材料缺陷的磁光成像检测系统原理图 基本原理 施加于材料中的直流或者低频交流磁场在缺陷处产生漏磁场 将该磁场转化成图像信息实现缺陷的检测 本研究团队正研究磁光成像法在磁性材料中的应用 应用磁偶极子模型 采用低频交流激励 消除磁畴与磁畴壁的影响 实现磁光图像到漏磁场的影响 进而实现缺陷的量化 对象四 第六部分典型应用 56 谢谢 57 特征空间法 首先利用主成分分析法从一组训练集 无激励 图像中提取主成分 每一个主成分对应一个特征向量作为特征空间的一个基向量 构成多维特征空间 将一张检测图像 有激励 投影到该特征空间 得到一个坐标 再利用该特征空间重构该坐标所对应的图像 再做差 58 自然旋光效应现象解释 不同旋光介质光振动矢量的旋转方向不同 并因