磁光/涡流成像无损检测技术的研究

　　1　前　言

　　无损探测材料内部缺陷长期以来一直是一项重要研究课题[1、2]。从二十世纪九十年代起,以美国为首的航空和航天大国便开始研究磁光/涡流成像(MOI2Magneto2optic Imaging)检测方法[3-8],它是一种适合于航行器(如飞机)的快速、准确、可视化的无损检测方法,经过十多年的努力,国外在该技术上已得到了较大的发展,而国内在该技术上的研究较少。本文在四川省应用基础研究项目资助下,开展了利用磁光与涡流效应的可视化无损检测技术的研究,建立了磁光/涡流成像实验装置,初步实验表明了磁光/涡流成像检测技术的实用性。

　　2　基本原理

　　磁光/涡流成像检测的基本原理是: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,旋转角度θ的大小为[3]:

　　对于铁磁或者亚磁介质,B<<γM,法拉第旋转角θ与磁化强度M成正比;对于顺磁或者抗磁介质,磁场不很强时,B>>γM,θ的大小由磁场强度B决定。为了获得较大的偏转,要求所用的磁光介质材料具有较大的费尔德常数。

　　根据涡流检测原理,如果被测试件的检测区域含有缺陷,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,磁光传感元件将涡流磁场的这种变化转换成相应的光强度的变化,经CCD摄像机成为“黑(暗)”或“亮”的图像,即实现了对表面或亚表面缺陷的实时成像。

　　图1为我们建立的磁光/涡流成像检测的实验装置原理图。采用半导体激光光源、激光扩束、准直后经过起偏器P1成为线偏振光,然后由偏振分光镜分成两路,透射光经集成在线圈中的磁光元件、透镜、1/4λ波片到达被测试件表面并反射回来,由于光束两次经过1/4λ波片,激励线圈在未通电时波片已经使线性偏振光的偏振方向旋转了90°,于是,从被测试件表面反射回来的光束再次到达偏振分光镜时只能被反射,这样就防止回光影响激光器正常工作,也便于安装图像接收装置;激励线圈通电后,被测导体中的涡流产生包含缺陷信息的磁场,安装于激励线圈内的法拉第晶体受磁场影响使反射回光的偏振面产生不同程度旋转,再经检偏器P2后,成为灰度图像并被CCD摄像头接收,最后,缺陷的磁光/涡流成像由计算机显示和处理。其中,激励线圈为螺旋空心线圈,由脉冲信号发生器和功率放大器驱动。法拉第晶体安装于激励线圈内以提高效率。为了使磁光传感元件对被测导体(缺陷)的涡流感应磁场更为敏感,磁光传感元件应无限靠近(理论上)被测试件。