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探测亚表面缺陷的磁—光显微成像检测技术研究

程玉华

   近年来,加工制造、材料、冶金、装配等行业技术的发展非常迅速,技术的发展就对材料和构件的表面和亚表面的质量提出了越来越高的要求,同时,为了使这些技术能应用于大批量商品生产,没有齐全的质量检测手段是不行的。在影响材料和构件质量和安全性的诸多因素中,表面缺陷的危害性极大,而隐藏在材料和构件亚表面的缺陷往往又是一些致命缺陷的起点,更具有隐蔽性和危险性,所以无损检测技术的一个重要方面就是对材料和构件亚表面缺陷进行检测。 在无损检测技术发展的初期,主要强调采用不破坏材料及其结构原有性质的方法获取材料及其结构中的缺陷或者损伤情况,随着科学技术的发展,人们不再满足于仅通过原始的检测信息对材料或结构(产品)等进行质量或者缺陷与损伤的简单判别,而是希望能够通过一种可视化无损检测技术,直观、形象、准确地“看见”材料内部的实际情况。探测亚表面缺陷的可视化无损检测技术就是在这种强烈需求背景下问世并快速发展的。 目前情况下,表面无损检测技术已经比较成熟,但对亚表面缺陷却没有理想的检测手段,比较成熟的传统检测手段在检测亚表面缺陷时都表现出一定的局限性。如渗透法只适于检测表面开口缺陷;χ、γ射线照相法、超声波检测法等适于探测深层内部缺陷;后来出现了磁粉检测和电磁感应检测,但是影响因素复杂,分辨力低。为了克服这些缺点,国内外曾经热过一阵子的激光冲击、超声显微镜等新技术,也因为系统复杂、成本高、性能不理想等原因没有发展成为成熟技术。因此开展亚表面缺陷可视化无损检测技术的研究,研制出针对亚表面缺陷检测的可视化仪器,不但具有学术意义,而且具有重要的实用价值。 光电技术在非接触无损检测技术中的应用为亚表面缺陷的检测提供了一个有效的解决途径,本项研究综合利用了涡流效应和磁-光法拉第效应,提出了一种新的涡流无损检测技术,即磁-光显微成像检测技术,实现了对亚表面缺陷的可视化无损检测。本项研究深入地分析了磁-光显微成像检测系统的工作原理: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,相应地改变涡流激发的磁场,进而引起该处的垂直磁场分量发生变化,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,使经过的线偏振光的偏振方向发生一定的偏转,包含了缺陷信息的偏振光经偏振分光镜反射后被CCD摄像头接收,从而实现了对试件亚表面缺陷的可视化实时成像检测。 在此研究的基础上,本项研究着重对光路成像、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-光成像的因素进行了系统的研究,在多次实验的基础上合理选择最佳参数,对磁-光成像检测系统进行了逐步改进和完善,达到了预期的效果。通过技术创新和探索,本项研究取得的研究成果如下: (1)本项研究工作首次准确、可靠地探测到了试件表面下(亚表面)的缺陷,迄今尚未见有同样成果报道。 (2)本检测系统采用半导体激光器作为光源,充分利用了激光偏振性强的特点。在光路设计中采用反射光路,不仅充分利用了磁-光效应(法拉第旋转角是原来的2倍),增强了缺陷磁-光成像的效果,还能完全避免反射光回到激光器,实现了低噪声光路。 (3)本检测系统采用环形锰锌铁氧体作磁芯设计了涡流激励装置。这种磁芯自身的涡流损耗小,具有增强磁场和聚焦磁场的特性。这种设计有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。 (4)本检测系统采用间歇式脉冲激励的方法去获得涡流磁场,相对于传统的涡流检测方法,本方案不仅取得了激励线圈获得涡流的作用,还有效地减轻了激励线圈的过热现象。 (5)本项研究从理论上推导出了检测距离(提离)、线圈的尺寸和输入频率等参数对涡流激励装置性能的影响,并通过试验进一步验证,获得了涡流激励装置参数设计的依据。 (6)本项研究选择Bi:YIG石榴石磁光薄膜材料作为检测系统的磁-光传感器。本文对磁光薄膜的磁光性能和特点进行了综合分析和比较,根据试验本身探测灵敏度高的实际需要,最终选定Bi:YIG石榴石磁光薄膜材料作为磁光传感器。该磁光薄膜具有低的光吸收和高的法拉第旋转角(法拉第旋光率6,可为3000°/mm),磁光优值很高,相对于常见的磁光玻璃,更能有效提高系统的检测灵敏度。 (7)本项研究制作出了亚表面存在缺陷的试件,并做了大量的磁-光成像实验分析和研究,验证了磁-光显微成像检测技术的可行性。通过对获得的亚表面缺陷图像的分析得出:在相同频率的激励下,缺陷距离表面越近,其磁光成像就越清晰;不同材料,在相同的测试条件下,其磁-光成像清晰度是不一样的;不同类型的缺陷,其磁-光图像有不同的直方图,根据直方图的形状,可以初步确定缺陷的类型。 (8)本项研究设计了图像处理软件来对磁-光图像进行捕获和优化处理。由于获得的磁光图像中存在大量的干扰,如光发送的变化、少数石榴石磁畴变化及噪声等,因而直接从CCD摄像头所获得的磁-光图像的分辨率是比较低的,本系统借助Matlab工具箱对磁-光图像进行了处理,有效的增强了磁-光成像的效果、提高图像检测分辨率,从而提高了系统检测的可靠性。 总之,磁-光显微成像检测技术是一个集光学成像、电路设计、图像捕获与保存、图像处理等为一体的检测技术,该技术不仅具有传统电涡流检测技术适用性强、非接触耦合、检测装置轻便等优点,还具有检测效率高、检测准确率高、使用方便简单,能够实现对表面及亚表面细小缺陷的可视化实时检测,检测结果直观易懂并且易于保存等特点。……   
[关键词]:无损检测;可视化涡流检测;亚表面缺陷;图像传感器;磁光效应;图像处理
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:四川大学2007年
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