精细表面下细小缺陷的磁光涡流成像实时探测

　　1　引　言

　　近年来由于激光和光电技术在信息与军事方面的飞速发展,出现了探测精细表面下细小缺陷的难题。一方面表面质量愈来愈受到重视,因为强激光、高灵敏度光电探测装置等都离不开超精细反射面;另一方面,集成电路技术与精密机械制造技术相结合的微电子机械系统(MEMS)已经引出了微型飞行器、微型卫星、微型机器人等一系列新技术,为了使这些技术能批量生产,形成商品,需要齐全的质量检测手段。目前表面无损检测技术已经比较成熟,但对精细表面下的亚表面却没有理想的检测手段。

　　对精细表面下(0.5~7 mm)细小缺陷的检测,传统的方法如渗透法,只适合于检测表面开口缺陷;x,γ射线照相法、超声波检测法等适合于探测深层内部缺陷;磁粉检测和电磁感应检测,影响因素复杂,检测分辨力低[1,2]。磁光涡流成像(MOI)技术是一种新兴的涡流无损检测方法[3~7],它综合应用了法拉第电涡流效应与法拉第磁致旋光效应,可实现对亚表面细小缺陷的可视化无损检测。

　　2　基本原理

　　当一束线偏振光通过非旋光性介质时,如果沿着光的传播方向加一外磁场,则光通过介质后,它的振动面会偏转一角度θ,这就是法拉第磁致旋光效应或法拉第磁光效应,如图1所示[8,9]。通过对自然旋光现象和法拉第磁光效应的研究可以得知,介质的自然旋光效应主要与晶体的微观螺旋结构有关,而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量有密切的关系。

　　其中γ为磁光系数,M为磁化强度,B为外磁场强度,l为介质中的光程,V为费尔德常数,其单位为rad/A。对于铁磁或者亚磁介质,BnγM,法拉第旋转角θ与磁化强度成正比;对于顺磁或者抗磁介质,磁场不很强时,BmγM,θ的大小由磁场强度决定。为了获得较大的偏转,所用晶体材料还需具有较大的费尔德系数。掺Ce的钇铁石榴石(Ce∶YIG)具有巨磁光法拉第旋转效应,是一种最具应用前景的新型磁光材料[10,11]。

　　根据涡流检测原理可知,只要在被测试件中的被测区域内产生直线流动和分布均匀的层状电涡流,此电涡流会在空间感应出垂直于被测试件的磁场。如果试件中在该区域含有缺陷,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发生变化;此时,便可采用与该磁场平行放置的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,即可对缺陷进行实时成像。

　　3　实验装置

　　图2是实验装置的原理图。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,透射光经过λ/4波片成为圆偏振光,经过法拉第磁光元件(PRG)从被测导体表面反射回来后再一次经过λ/4波片,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。实验装置中的法拉第晶体安装在激励线圈内以提高效率,为了能对被测导体内感应涡流的磁场更敏感,法拉第晶体应该无限接近(理论上)被测导体。该装置的核心部件一是磁光元件,二是适当的光学成像系统,以完成对缺陷的成像。对于磁光元件,要求具有以下性能: