磁光成像检测技术及应用.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,磁光成像检测技术及其应用,Magneto-optic imaging,（,MOI,）,自动化工程学院,程玉华 教授,2015.12.14,1,第一部分 无损检测概述,第二部分,MOI,的发展现状,第三部分,MOI,基本原理及构件,第四部分 仿真模型,第五部分 图像处理方法,第六部分 典型应用,目录,CONTENTS,磁光成像技术,2,“切开看瓜”有损,第一部分 无损检测概述,“隔皮猜瓜”无损,3,航空航天、武器,核工业、电站,造船、铁路,石油化工、锅炉,压力容器,建筑、冶金,机械制造等,第一部分 无损检测概述,4,第一部分 无损检测概述,无损检测的方法和分类,目视检测,Visual Testing,（缩写,VT,）；,超声检测,Ultrasonic Testing,（缩写,UT,）；,射线检测,Radiographic Testing,（缩写,RT,）；,磁粉检测,Magnetic particle Testing,（缩写,MT,）；,渗透检验,Penetrant,Testing,（缩写,PT,）。,涡流检测,Eddy current Testing,（缩写,ET,）；,漏磁检测,Magneticfluxleakagetesting,（缩写,MFL,）；,磁光成像检测,Magneto-optic imaging,（,MOI,）,一、常规无损检测方法,二、新型电磁无损检测方法,5,第一部分 无损检测概述,检测方法,基本原理,对试件的,要求,适用的缺陷,类型,优缺点,超声检测（,UT,）,利用超声波入射被检工件，当超声波遇有缺陷时会全部或部分反射，反射回来的超声波被探头接收，通过仪器内部的电路处理，在仪器的荧光屏上就会显示出不同高度和有一定间距的波形。可以根据波形的变化特征判断缺陷在工件中深度、位置和形状。,适合于,金属、非金属及复合材料,的铸、锻、焊件与板材。,被测刚才厚度可达,10m,主要检测工件的,内部缺陷,，同时也可发现工件,表面的裂纹,优点,检测厚度大、灵敏度高、速度快、费用低廉、对人体无害，能对缺陷进行定位和定量。,缺点,对缺陷的,显示不直观,，,技术难度大,，容易受到主客观因素影响，以及结果不便于永久保存，对工件表面要求平滑，难于对缺陷作精确定性和定量，要求富有经验的检验人员才能辨别缺陷种类。,射线检测（,RT,）,利用射线源向工件发出射线，因工件的材料结构或缺陷的存在，使透过工件的射线强度发生不均匀变化，经照相底片感光和显影处理后，获得该工结构和缺陷相对应的投影图像。通过对图像的观察分析，确定工件内缺陷的种类、大小和分布状况。,适用于任何材料，无特殊加工要求，不限形状，厚度不能太大,检测铸件和焊件等构件的,内部缺陷,，尤其是体积型缺陷，如气孔、夹渣、缩孔、疏松等，对片状缺陷检出较难。,优点,不受工件形状限制，能永久保存，记录缺陷直观。,缺点,检验成本高，工件厚度受限制，对人体有伤害，需考虑安全防护问题。,磁粉检测（,MT,）,将铁磁性材料直接通以电流或置于磁场中，使其磁化。磁力线遇到缺陷时，会绕过缺陷而产生漏磁，漏磁场将吸引磁粉，在合适的光照下形成目视可见的磁痕，从而显示出不连续性的位置、大小、形状和严重程度。,检测铸件、锻件、焊缝和机械加工零件等,铁磁性材料,的表面和近表面缺陷，如裂纹,表面及近表面缺陷,优点,灵敏度高，速度快，操作简单，费用低廉，直观显示缺陷的位置、形状和大小。,缺点,只能探测铁磁性材料，不能发现内部缺陷，难于确定缺陷深度。,渗透检验（,PT,）,在清洗过的工件表面施加含有色泽和荧光物质的渗透剂，由毛细管现象使之渗入缺陷并留在空腔内，然后洗去表面多余的渗透剂，再涂上一层显影剂，借毛细管吸附作用，使缺陷中的渗透剂吸出。通过色泽对比或紫外线照射激发荧光物质发光，从而将缺陷的图像显现出来。,用于检验有色和黑色金属的铸件、锻件、粉末冶金件、焊接件以及各种陶瓷、塑料、玻璃制品,裂纹、气孔、分层、缩孔、疏松、折叠及其它开口于,表面的缺陷,。,优点,操作简单，设备简单，投资小，效率高，对表面缺陷，一般不受试件材料种类及其外形轮廓限制。,缺点,只能检测表面缺陷,，不能显示缺陷的深度、缺陷内部的形状和尺寸，无法或难于检查多孔材料，检测结果受表面粗糙度影响，难于定量控制检验操作程序，多凭检验人员经验认真程度和视力的敏锐程度，紫外线和某些溶剂对身体有害。,无损检测方法比较,6,第一部分 无损检测概述,检测方法,基本原理,对试件的要求,适用的缺陷类型,优缺点,涡流检测（,ET,）,建立在电磁感应原理基础之上的一种无损检测方法，它适用于导电材料。给一个线圈通入交流电，在一定条件下通过的电流是不变的。如果把线圈靠近被测工件，像船在水中那样，工件内会感应出涡流，受涡流影响，线圈电流会发生变化。由于涡流的大小随工件内有没有缺陷而不同，所以线圈电流变化的大小能反映有无缺陷。,适用于,导电材料,，表面光滑，形状简单,用于检测导电材料的,表面和近表面,的缺陷，对热处理质量进行监控，涡流检测还可用于工件,壁厚,或,涂镀层厚度,的测量。,.,优点,检测速度高，检测成本低，操作简便；探头与被检工件可以不接触，不需要耦合介质；检测时可以同时得到电信号直接输出指示的结果，也可以实现屏幕显示；能实现高速自动化检测，并可实现永久性记录。,缺点,只适用于导电材料，难以用于形状复杂的试件；只能检测材料或工件的表面、近表面缺陷；检测结果不直观，难以判别缺陷的种类、性质以及形状、尺寸等。,漏磁检测（,MFL,）,铁磁材料被磁化后，起表面和近表面缺陷在材料表面形成漏磁场，通过磁场传感器检测漏磁场以发现缺陷的无损检测技术。,由于漏磁场强度与缺陷深度和大小有关，因此可以通过磁场传感器测得漏磁场信号分析来获得构件上产生缺陷的情况。,适用于铁磁性材料,检测厚度可达,30mm,的壁厚范围，可以同时检测内外壁缺陷。,优点,易于实现自动化；较高的检测可靠性；,可实现缺陷的初步定量，还可对缺陷的危害程度进行初步评价；高效能、无污染。采用传感器获取信号，检测速度快且无任何污染。,缺点,只适用于磁性材料；检测结果不直观，无法可视化显示，难以判别缺陷的种类、性质以及形状、尺寸等。,磁光成像检测（,MT,）,铁磁材料被磁化后材料表面或内部缺陷在表面形成漏磁场，利用,法拉第磁致旋光效应,，偏振光在通过磁光传感器时，发生偏转，利用,CCD,等成像系统将经过检偏器后的偏振光成像，从而直观、可视化的实现了表面及亚表面疲劳裂纹无损成像检测。,由于漏磁场强度与缺陷深度和大小有关，因此利用,法拉第磁致旋光效应,，,偏振角度根据漏磁场强度变化，从而,来获得构件上产生缺陷的情况,适用于铁磁性材料,表面及内部缺陷,，理论上检测深度与漏磁检测相当，可检测达,3,0mm,的内部缺陷,优点,灵敏度极高，速度快；,检测图形化，完全可视,；易于实现自动化；较高的检测可靠性；,可实现缺陷的初步定量，还可对缺陷的危害程度进行初步评价；,缺点,只适用于磁性材料；检测结果易受、光源、光路等影响。,7,第一部分 无损检测概述,缺陷信息特点：,检测信号微弱；,信号耦合，情况复杂；,电磁信号不可见,需求：,灵敏度高；,信号解耦、成分分析、量化检测；,可视化成像；,对比总结,8,第二部分,MOI,的发展现状,1993,美国航空航天局,2006,法国航空航天研究院的线性磁光成像仪,国外发展现状,9,第一部分 无损检测概述,第二部分,MOI,的发展现状,检测深度：,3mm,（铝材）,检测深度：,3.125mm,（铝材）,美国,OI2,公司的,MOI308,系列产品,10,第一部分 无损检测概述,第二部分,MOI,的发展现状,国内发展现状,2007,年四川大学周肇飞教授团队磁光成像平台装置图,本团队在光源、激励源和磁光传感器等改进后提出的磁光成像系统,11,第二部分,MOI,的发展现状,12,第三部分,MOI,基本原理及构件,光源,激励源,起偏,检偏,成像,磁感应强度,被测对象,磁光传感器,磁芯,激励源,光源,应用示意图,3.1,磁光成像技术应用原理,外磁场是如何改变光波的传输特性的？,13,法拉第效应,克尔效应,磁线振双拆射,(,科顿一穆顿效应和瓦格特效应,),磁圆振二向色性,磁线振二向色性,塞曼效应,磁激发光散射,3.2,磁光效应,磁光效应是指具有固有磁矩的物质在外磁场的作用下电磁特性,(,如磁导率、磁化强度、磁畴结构等,),会发生变化，使光波在其内部的传输特性,(,如偏振状态、光强、相位、传输方向等,),也随之发生变化的现象,。,第三部分,MOI,基本原理及构件,14,3.2.1,自然旋光效应,1811,年,阿喇果,(Arago),在研究石英晶体的双折射特性时发现：一束线偏振光沿石英晶体的光轴方向传播时，其振动平面会相对原方向转过一个角度，如右所示。由于石英晶体是单轴晶体，光沿着光轴方向传播不会发生双折射，因而阿喇果发现的现象应属另外一种新现象，这就是旋光现象。,石英,光轴,一定波长的线偏振光通过旋光介质时，光振动方向转过的,角度,与在该介质中通过的,距离,l,成正比,:,表征了该介质的旋光本领，称为,旋光率,，它与,光波长、介质的性质及温度有关,。,第三部分,MOI,基本原理及构件,15,1846,年，法拉第发现，在磁场的作用下，本来不具有旋光性的介质也产生了旋光性，能够使线偏振光的振动面发生旋转，这就是法拉第效应。,3.2.2,法拉第效应,为法拉第效应旋光角,为介质的厚度；,B,为平行与光传播方向的磁感强度分量；,V,称为费尔德,(,Verdet,),常数,第三部分,MOI,基本原理及构件,16,第三部分,MOI,基本原理及构件,3.3 MOI,系统构件,构件介绍与选择,3.3.4.,磁光传感器,3.3.1.,光源选择,3.3.2.,光路设计,3.3.3.,激励方式,17,3.3.1.,光源选择,第三部分,MOI,基本原理及构件,对光源的需求：,高方向性：利于传播，传输距离远。,高单色性：利于法拉第效应旋转角度的量,化和成像对比度。,高亮度：经光路的衰减后，利于成像亮度。,相干性好：输出稳定性高。,18,第三部分,MOI,基本原理及构件,3.3.1.,光源选择,一般光源（,LED,等）,激光,光源,光,源,半导体激光器,固体激光器,气体激光器,液体,(,燃料,),激光器,优势体现在体积小，机械强度好，操作方便，但激光的效率和频率输出的稳定性不高,优点是能连续工作，工作越长激光的稳定性越好，单色性、相干性都非常好，而且价格低廉，操作简单，缺点是功率比较低，且功率固定,优点是体积小、重量轻，方向性、相干性较好，输出光源的功率可调，价格昂贵,输出波长可调，冷却简单，均匀性好，发散角较小，缺点是输出激光的稳定性差，不能长时间在高脉冲频率下工作。,激光,单色性好，可避免不同波长偏转角度不一致造成的图像模糊，提高图像清晰度,19,第三部分,MOI,基本原理及构件,3.3.1.,光源选择,光源波长选择,实验所用磁光传感器：,0.5mm,的钆镓石榴石中加入,3um,的铋掺杂铁石榴石,可见光谱：,波长越小，光强传输比越低，而法拉第旋转角越大；,波长越大，光强传输比越高，而法拉第旋转角越小；,20,第三部分,MOI,基本原理及构件,3.3.1.,光源选择,光强传输比高,法拉第旋转角大,灵敏度越高,成像效果越好,光源波长的最佳方案,21,第三部分,MOI,基本原理及构件,3.3.1.,光源选择,由法拉第效应可知，不同介质的费尔德常数不同，因此在同一条件下，旋转同样角度所对应的最佳光源波长也不同。,实验室选用的磁光薄膜材料（,Bi,：,YIG,石榴石，主成分为：,Y,2.3,Bi,0.7,Fe,5,O,12,；厚度：,0.5mm,；）与上述实验的有所不同。实验室选用了,波长为,632.8nm,的光源,，且该波长属于可见光波段。半导体激光器和气体激光器中的氦氖激光器均满足要求，经下表对比，选用了,气体氦氖激光器,波长：,632.8nm,；,光斑直径：,0.8mm,；,发散角：,L,；左旋晶体中，,左旋圆偏振光的传播速度较快,，,L,R,。,假设入射到旋光介质上的光是沿水平方向振动的线偏振光，按照归一化,琼斯矩阵方法,，,可以把菲涅耳假设表示为,60,x,方向振动的线偏振光、振动方向与,x,轴成,角的线偏振光、左旋圆偏振光、右旋圆偏振光的标准归一化琼斯矢量形式分别为：,如果右旋和左旋圆偏振光通过厚度为,l,的旋光介质后,相位滞后分别为,n,l,61,则其合成波的琼斯矢量为,引入,合成波的琼斯矢量可以写为,它代表了光振动方向与,水平方向成,角的线偏振光,。,62,入射的线偏振光光矢量通过旋光介质后，,转过了,角,:,x,方向振动的线偏振光,振动方向与,x,轴成,角的线偏振光,由,(1),式和,(2),式可以得到,63,(4),式还指出，,旋转角度,与,l,成正比,与波长有关,，,这些都是与实验相符的,。,菲涅耳的解释只是,唯象理论,，它不能说明旋光现象的根本原因，不能回答为什么在旋光介质中二,圆偏振光的速度不同,。,这个问题必须从,分子结构,去考虑，即光在物质中传播时，不仅受分子的电矩作用，还要受到诸如分子的大小和磁矩等次要因素的作用。,64,