探測(cè)亞表面缺陷的磁-光顯微成像檢測(cè)技術(shù)研究.pdf

1、近年來(lái)，加工制造、材料、冶金、裝配等行業(yè)技術(shù)的發(fā)展非常迅速，技術(shù)的發(fā)展就對(duì)材料和構(gòu)件的表面和亞表面的質(zhì)量提出了越來(lái)越高的要求，同時(shí)，為了使這些技術(shù)能應(yīng)用于大批量商品生產(chǎn)，沒有齊全的質(zhì)量檢測(cè)手段是不行的。在影響材料和構(gòu)件質(zhì)量和安全性的諸多因素中，表面缺陷的危害性極大，而隱藏在材料和構(gòu)件亞表面的缺陷往往又是一些致命缺陷的起點(diǎn)，更具有隱蔽性和危險(xiǎn)性，所以無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的一個(gè)重要方面就是對(duì)材料和構(gòu)件亞表面缺陷進(jìn)行檢測(cè)。 在無(wú)損檢測(cè)技術(shù)發(fā)展

2、的初期，主要強(qiáng)調(diào)采用不破壞材料及其結(jié)構(gòu)原有性質(zhì)的方法獲取材料及其結(jié)構(gòu)中的缺陷或者損傷情況，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們不再滿足于僅通過原始的檢測(cè)信息對(duì)材料或結(jié)構(gòu)(產(chǎn)品)等進(jìn)行質(zhì)量或者缺陷與損傷的簡(jiǎn)單判別，而是希望能夠通過一種可視化無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，直觀、形象、準(zhǔn)確地“看見”材料內(nèi)部的實(shí)際情況。探測(cè)亞表面缺陷的可視化無(wú)損檢測(cè)技術(shù)就是在這種強(qiáng)烈需求背景下問世并快速發(fā)展的。 目前情況下，表面無(wú)損檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)比較成熟，但對(duì)亞表面缺陷卻沒有理想的

3、檢測(cè)手段，比較成熟的傳統(tǒng)檢測(cè)手段在檢測(cè)亞表面缺陷時(shí)都表現(xiàn)出一定的局限性。如滲透法只適于檢測(cè)表面開口缺陷；x、γ射線照相法、超聲波檢測(cè)法等適于探測(cè)深層內(nèi)部缺陷；后來(lái)出現(xiàn)了磁粉檢測(cè)和電磁感應(yīng)檢測(cè)，但是影響因素復(fù)雜，分辨力低。為了克服這些缺點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外曾經(jīng)熱過一陣子的激光沖擊、超聲顯微鏡等新技術(shù)，也因?yàn)橄到y(tǒng)復(fù)雜、成本高、性能不理想等原因沒有發(fā)展成為成熟技術(shù)。因此開展亞表面缺陷可視化無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的研究，研制出針對(duì)亞表面缺陷檢測(cè)的可視化儀器，不但具

4、有學(xué)術(shù)意義，而且具有重要的實(shí)用價(jià)值。 光電技術(shù)在非接觸無(wú)損檢測(cè)技術(shù)中的應(yīng)用為亞表面缺陷的檢測(cè)提供了一個(gè)有效的解決途徑，本項(xiàng)研究綜合利用了渦流效應(yīng)和磁-光法拉第效應(yīng)，提出了一種新的渦流無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，即磁-光顯微成像檢測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)亞表面缺陷的可視化無(wú)損檢測(cè)。本項(xiàng)研究深入地分析了磁-光顯微成像檢測(cè)系統(tǒng)的工作原理：以脈沖信號(hào)激勵(lì)線圈，使其在受檢金屬試件中感生出渦流，若試件表層存在缺陷則會(huì)改變?cè)摐u流的分布，相應(yīng)地改變渦流激發(fā)的磁場(chǎng)，進(jìn)

5、而引起該處的垂直磁場(chǎng)分量發(fā)生變化，磁-光傳感器(磁-光石榴石薄膜)在該磁場(chǎng)的作用下會(huì)產(chǎn)生磁-光效應(yīng)，使經(jīng)過的線偏振光的偏振方向發(fā)生一定的偏轉(zhuǎn)，包含了缺陷信息的偏振光經(jīng)偏振分光鏡反射后被CCD攝像頭接收，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)試件亞表面缺陷的可視化實(shí)時(shí)成像檢測(cè)。 在此研究的基礎(chǔ)上，本項(xiàng)研究著重對(duì)光路成像、磁光傳感器、圖像傳感器、激勵(lì)線圈和激勵(lì)頻率等各種影響磁-光成像的因素進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，在多次實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上合理選擇最佳參數(shù)，對(duì)磁-光成像檢測(cè)

6、系統(tǒng)進(jìn)行了逐步改進(jìn)和完善，達(dá)到了預(yù)期的效果。通過技術(shù)創(chuàng)新和探索，本項(xiàng)研究取得的研究成果如下： (1)本項(xiàng)研究工作首次準(zhǔn)確、可靠地探測(cè)到了試件表面下(亞表面)的缺陷，迄今尚未見有同樣成果報(bào)道。 (2)本檢測(cè)系統(tǒng)采用半導(dǎo)體激光器作為光源，充分利用了激光偏振性強(qiáng)的特點(diǎn)。在光路設(shè)計(jì)中采用反射光路，不僅充分利用了磁-光效應(yīng)(法拉第旋轉(zhuǎn)角是原來(lái)的2倍)，增強(qiáng)了缺陷磁-光成像的效果，還能完全避免反射光回到激光器，實(shí)現(xiàn)了低噪聲光路。

7、 (3)本檢測(cè)系統(tǒng)采用環(huán)形錳鋅鐵氧體作磁芯設(shè)計(jì)了渦流激勵(lì)裝置。這種磁芯自身的渦流損耗小，具有增強(qiáng)磁場(chǎng)和聚焦磁場(chǎng)的特性。這種設(shè)計(jì)有利于在較高的頻激勵(lì)下充分發(fā)揮激勵(lì)線圈的磁．光效應(yīng)和電渦流效應(yīng)，保證檢測(cè)系統(tǒng)的精度和靈敏度。 (4)本檢測(cè)系統(tǒng)采用間歇式脈沖激勵(lì)的方法去獲得渦流磁場(chǎng)，相對(duì)于傳統(tǒng)的渦流檢測(cè)方法，本方案不僅取得了激勵(lì)線圈獲得渦流的作用，還有效地減輕了激勵(lì)線圈的過熱現(xiàn)象。 (5)本項(xiàng)研究從理論上推導(dǎo)出了檢測(cè)距離(提

8、離)、線圈的尺寸和輸入頻率等參數(shù)對(duì)渦流激勵(lì)裝置性能的影響，并通過試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證，獲得了渦流激勵(lì)裝置參數(shù)設(shè)計(jì)的依據(jù)。 (6)本項(xiàng)研究選擇Bi：YIG石榴石磁光薄膜材料作為檢測(cè)系統(tǒng)的磁．光傳感器。本文對(duì)磁光薄膜的磁光性能和特點(diǎn)進(jìn)行了綜合分析和比較，根據(jù)試驗(yàn)本身探測(cè)靈敏度高的實(shí)際需要，最終選定Bi：YIG石榴石磁光薄膜材料作為磁光傳感器。該磁光薄膜具有低的光吸收和高的法拉第旋轉(zhuǎn)角(法拉第旋光率θ<,f>，可為3000°/mm)，磁光優(yōu)

9、值很高，相對(duì)于常見的磁光玻璃，更能有效提高系統(tǒng)的檢測(cè)靈敏度。 (7)本項(xiàng)研究制作出了亞表面存在缺陷的試件，并做了大量的磁-光成像實(shí)驗(yàn)分析和研究，驗(yàn)證了磁．光顯微成像檢測(cè)技術(shù)的可行性。通過對(duì)獲得的亞表面缺陷圖像的分析得出：在相同頻率的激勵(lì)下，缺陷距離表面越近，其磁光成像就越清晰；不同材料，在相同的測(cè)試條件下，其磁-光成像清晰度是不一樣的；不同類型的缺陷，其磁-光圖像有不同的直方圖，根據(jù)直方圖的形狀，可以初步確定缺陷的類型。

10、 (8)本項(xiàng)研究設(shè)計(jì)了圖像處理軟件來(lái)對(duì)磁．光圖像進(jìn)行捕獲和優(yōu)化處理。由于獲得的磁光圖像中存在大量的干擾，如光發(fā)送的變化、少數(shù)石榴石磁疇變化及噪聲等，因而直接從CCD攝像頭所獲得的磁．光圖像的分辨率是比較低的，本系統(tǒng)借助Matlab工具箱對(duì)磁-光圖像進(jìn)行了處理，有效的增強(qiáng)了磁．光成像的效果、提高圖像檢測(cè)分辨率，從而提高了系統(tǒng)檢測(cè)的可靠性。 總之，磁-光顯微成像檢測(cè)技術(shù)是一個(gè)集光學(xué)成像、電路設(shè)計(jì)、圖像捕獲與保存、圖像處理等為一體的檢