亚表面缺陷的实时成像检测

　　引 言

　　近年来，表面无损检测技术已经比较成熟，但对精细表面下(0.5~7mm) 的亚表面细小缺陷的快速、可视化检测却还没有理想的检测手段[1]。在已有的可用于亚表面缺陷成像检测的方法中，扫描电声显微镜要通过对成像信号的相位调节选取，在调制频率不变的情况下，才能实现对亚表面结构分层成像;热波成像也要通过改变调制频率，以得到不同深度上的热波的剖面像才可以对试样亚表面缺陷进行无损检测;超声显微镜的 C 扫描能够获得表面裂纹的表层和亚表面二维声学图像，由此可直观地看出裂纹的形状、分布和走向，并可获知裂纹在不同层面上的尺寸，据此可快速、准确地对缺陷进行定性和定量，能够为构件的安全评定和寿命评估提供切实可靠的依据。但以上的这些检测方法，系统都比较复杂、成本较高、对试件或环境有一定的特殊要求。而磁光/涡流成像(Magneto-optic/Eddy Current Imaging 或 MOI)检测技术，是国外20 世纪 90 年代开始研究的新的无损检测方法[2-7]，其采用传统的涡流激励方式，主要用于表面缺陷(裂纹、腐蚀) 的成像检测。与前面的几种成像检测方法相比，MOI 方法的最大优点就是检测速度快、准确，不需要清除表面覆层就可以进行检测。在 MOI 的基础上，提出一种利用脉冲信号激励产生涡流，以激光作为光源，以激光对被检测物体的照射取代传统的线圈探头的磁光/脉冲涡流成像( Magneto-optic/ Pulsed EddyCurrent Imaging 或 MOPI ) 检测方法，它不仅适合于金属表面、也适合于亚表面缺陷的快速、准确、可视化的检测。本文在分析了磁光/脉冲涡流实时成像检测机理的基础上，建立了的实验装置，给出了表面、亚表面缺陷成像检测的实验结果。

　　1 成像检测机理

　　1.1 磁致旋光效应

　　1845 年，法拉第(M. Faraday) 在实验上发现，当一束线偏振光通过非旋光性介质时，如果在介质中沿光传播方向加一外磁场 H (磁场强度为 B)，则光通过介质后，光振动的振动面转过一角度θ，这个磁场使介质产生旋光性的现象，称为法拉第效应或磁致旋光效应。转角θ 在材料确定的情况下，主要与光的波长、外磁场的强度、光在介质中经过的路程有关，转角度θ 的大小为[2]

式中B 为外磁场强度(A/m);l 为介质中的光程(m);V 为费尔德(Verdet)常数(rad/A)。上式说明，对于给定的介质，光振动面的旋转方向仅由磁场 B 的方向决定，与光的传播方向和 B 同向或反向无关,利用这一特点，可使光在介质中往返数次而使旋转角度加大[2-4]。

　　1.2 磁光/脉冲涡流成像装置

　　半导体激光器发出的光，经扩束、准直后经过起偏器 P1 成为线偏振光，然后由偏振分光镜 PBS分成两路，透射偏振光经法拉第磁光元件、物镜、1/4λ 波片后从被测导体表面返回，再一次经过 1/4λ波片、物镜、法拉第磁光元件，成为相对透射光偏振方向旋转了 90° 的线偏振光，该偏振光在偏振分光镜 PBS 处产生反射，经检偏器 P2 和透镜组被CCD 图像传感器接收，缺陷的图像由计算机显示和处理，如图1 所示。