亚表面缺陷的磁光/涡流实时成像检测技术的研究

【摘要】：无损探测材料内部缺陷长期以来都是一个研究领域。从20世纪90年代起，以美国为首的航空和航天大国便开始寻求一种适合于航行器(如飞机)的快速、准确、可视化的无损检测方法，这就是磁光／涡流成像(MOI-Magneto-optic Imaging)检测方法，经过十多年的努力，国外在该技术上已得到了较大的发展，而国内几乎还是一个空白。本文结合四川省科技攻关项目“脉冲涡流检测仪的研究”和四川省应用基础研究项目“利用磁光与涡流效应的可视化无损检测技术的研究”的内容，从脉冲涡流(PEC)检测技术的着手，重点对磁光／涡流成像(MOI)检测技术中的光学、机械、电子方面的设计、制作，对磁光／涡流成像的原理、实验装置、参数选择、样件制作、实验、图像分析与处理等方面的进行了较系统的研究，通过技术创新和探索，解决了MOI检测中的一些关键技术问题。 本文的主要研究工作可以归结为： 1、深入进行了法拉第电磁感应和磁光效应的理论分析和应用研究。磁致旋光效应主要与晶体的微观螺旋结构有关，而法拉第磁光效应不仅与晶体结构有关，还与晶体材料的磁性、光的波长、外磁场的强度和频率以及磁化强度等参数有关；旋光介质的旋光率具有色散性，一般随波长的增大而减小；静态(或弱)磁场下逆磁性磁光介质的法拉第旋转与外磁场成线性关系，(亚)铁磁性磁光介质的法拉第旋转与外磁场和磁化强度成正比；交变磁场作用下，法拉第效应的旋转角度随激励频率变化。根据以上结论，我们在应用法拉第磁光效应进行涡流检测时，就要根据检测材料的性质，选择相应晶体材料的磁光传感器、光波波长、外磁场强度和频率等参数，以获得最佳的检测效果。 2、脉冲涡流(PEC)检测方法的研究。建立了PEC检测装置，通过实验证明该方法是一种有潜力量化确定金属缺陷(裂纹)深度的方法，因为缺陷裂纹深度和脉冲涡流信号幅值峰值之间有密切的关系。PEC方法能够较准确地确定缺陷位置，但分辨率不太高；脉冲激励时，导体中的涡流信号是个振荡衰减 朱目成:亚表面缺陷的磁光/涡流实时成像检测技术的研究 信号，它在脉冲激励的上升沿(下降沿)产生，并随之衰减;通过适当地选 择脉冲重复频率，可以提高PEC检测缺陷深度的灵敏度。 3、MOI检测系统设计。创造性提出了利用磁光/涡流效应综合应用于对亚表面缺 陷实时成像检测的构想;以激光为光源，以激光对被检测物体的照射取代传 统的线圈探头，提高了检测速度和效率，使检测结果可视化:采用了脉冲激 励方法，有效地避免了激励线圈的过热现象。首次提出了根据激励方式的不 同，将MOI检测系统的原理划分为两种:旋转涡流法和层状涡流法。前者是 利用法拉第电磁感应的涡电流效应，而后者是利用Jackson的电磁感应原理。 MOI检测的原理是:交流(脉冲)激励线圈在金属试件上感应出涡流，因为 磁性物体表层缺陷会改变涡流场分布，相应地改变涡流激发的磁场，激光穿 过集成于该激励线圈中的旋光晶体时，其偏振方向会旋转一个角度，如果旋 光晶体的厚度、材料和入射光的大小、方向一定，则旋转角0的大小只与磁 化强度矢量M有关，如果试件在该区域含有缺陷，则缺陷处电涡流的流动 将发生变化，并引起该处的垂直磁场分量发生变化，此时，磁光传感元件将 磁场的这种变化转换成相应的光强度的变化，经CCD摄象机成为“黑(暗)” 或“亮”的图像，即实现了对亚表面缺陷的实时成像。 4、光学系统设计。对于由物镜和目镜所组成的光学显微成像系统，要使最后的 图像能够被CCD接收并输入到计算机中，就必须要求被测物体在经过物镜和 目镜后得到的像是实像。也就是说，被测物体应在物镜的一倍焦距和二倍焦 距之间，通过透镜成倒立的实像，且要在目镜的一倍焦距和二倍焦距之间， 这样最后得到的像是正立实像。MOI光路设计中，反射光路安排下，法拉第 旋转角将是原来的2倍，这就增强了缺陷的MOI成像的效果。 5、涡流传感器(线圈)的仿真分析。通过对涡流传感器线圈涡流密度沿径向的 分布、距离(提离)、激励频率、线圈的直径、线圈的匝数等参数变化对传 感器性能的影响分析，获得了对传感器参数设计有指导性的结论。 6、磁光传感元件分析。为了提高检测灵敏度，MOI检测装置中应采用法拉第旋 光率很高的掺秘铁石榴石磁性晶体(或薄膜作)为旋光介质(传感元件)。 该传感元件具有以下几个重要特性:(l)传感元件法拉第旋转度的大小与磁 化强度矢量在光的传播方向上的分量值成正比;(2)传感元件具有单轴磁性 异向特性。在外磁场作用下，垂直于传感元件表面方向介质的磁化强度大， 四川大学博士学位论文 而平行于传感元件表面方向介质的磁化强度小。分别将这两个方向称为传感 元件磁化的“易轴”和“硬轴”。在MOI检测中，磁光传感器只检测与缺陷有 关的磁场的法向分量。(3)当磁化“易轴”方向的磁场减小为零后，磁光传 感元件仍然将保持己有的磁化强度不变，即磁光传感元件具有“记忆”特性。 7、MOI图像的形成过程。理论分析和实验表明，要形成磁光/涡流图像，操作时 必须按照下列步骤进行，第一步，首先在围绕磁光传感器的偏压线圈中加上 宽度为0.0015占脉冲