磁光成像检测技术及应用课件.ppt

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1、磁光成像检测技术及其应用磁光成像检测技术及其应用Magneto-optic imagingMagneto-optic imagingMagneto-optic imagingMagneto-optic imaging（MOIMOIMOIMOI）自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院程玉华程玉华程玉华程玉华 教授教授教授教授2015.12.142015.12.142015.12.142015.12.141第一部分第一部分 无损检测概述无损检测概述第二部分第二部分 MOIMOI的发展现状的发展现状第三部分第三部分 MOIMOI基本原理及构件基本原理及构件第四部分第四部分 仿真模型

2、仿真模型第五部分第五部分 图像处理方法图像处理方法第六部分第六部分 典型应用典型应用目录目录 CONTENTS磁光成像技术磁光成像技术2“切开看瓜”有损第一部分第一部分第一部分第一部分 无损检测概述无损检测概述无损检测概述无损检测概述“隔皮猜瓜”无损3l 航空航天、武器航空航天、武器l 核工业、电站核工业、电站l 造船、铁路造船、铁路l 石油化工、锅炉石油化工、锅炉l 压力容器压力容器l 建筑、冶金建筑、冶金l 机械制造等机械制造等第一部分第一部分第一部分第一部分 无损检测概述无损检测概述无损检测概述无损检测概述4第一部分第一部分第一部分第一部分 无损检测概述无损检测概述无损检测概述无损检测概

3、述n n无损检测的方法和分类无损检测的方法和分类目视检测目视检测 Visual Testing Visual Testing（缩写（缩写 VTVT）；）；超声检测超声检测 Ultrasonic TestingUltrasonic Testing（缩写（缩写 UTUT）；）；射线检测射线检测 Radiographic TestingRadiographic Testing（缩写（缩写 RTRT）；）；磁粉检测磁粉检测 Magnetic particle TestingMagnetic particle Testing（缩写（缩写 MTMT）；）；渗透检验渗透检验 Penetrant Testin

4、g Penetrant Testing（缩写（缩写 PTPT）。）。涡流检测涡流检测Eddy current Testing Eddy current Testing（缩写（缩写 ETET）；）；漏磁检测漏磁检测 MagneticMagneticfluxfluxleakageleakagetestingtesting（缩写（缩写 MFLMFL）；）；磁光成像检测磁光成像检测Magneto-optic imagingMagneto-optic imaging（MOIMOI）一、常规无损检测方法一、常规无损检测方法一、常规无损检测方法一、常规无损检测方法二、新型电磁无损检测方法二、新型电磁无损检测

5、方法二、新型电磁无损检测方法二、新型电磁无损检测方法5第一部分第一部分第一部分第一部分 无损检测概述无损检测概述无损检测概述无损检测概述检测方法检测方法基本原理基本原理对试件的对试件的要求要求适用的缺陷适用的缺陷类型类型优缺点优缺点超声检测超声检测（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、非金金属、非金属及复合材料属及复合材料的铸、锻、焊件与板材。被测刚才厚度可达被测刚才厚度可达10m主要检测工件

6、的内部内部缺陷缺陷，同时也可发现工件表面的裂纹表面的裂纹优点优点检测厚度大、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。缺点缺点对缺陷的显示不直观显示不直观，技术难度大技术难度大，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

7、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。优点优点不受工件形状限制，能永久保存，记录缺陷直观。缺点缺点检验成本高，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优点灵敏度高，速度快，操作简

8、单，费用低廉，直观显示缺陷的位置、形状和大小。缺点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表面的缺陷陷。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

9、外形轮廓限制。缺点只能检测表面缺陷只能检测表面缺陷，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。无损检测方法比较无损检测方法比较6第一部分第一部分第一部分第一部分 无损检测概述无损检测概述无损检测概述无损检测概述检测方法检测方法基本原理基本原理对试件的要对试件的要求求适用的缺陷类适用的缺陷类型型优缺点优缺点涡流检测涡流检测（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

10、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壁厚或涂镀层涂镀层厚度厚度的测量。.优点优点检测速度高，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

11、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。缺点缺点只适用于磁性材料；检测结果不直观，无法可视化显示

12、，难以判别缺陷的种类、性质以及形状、尺寸等。磁光成像磁光成像检测检测（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，利用法拉第磁致旋法拉第磁致旋光效应光效应，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30mm的内部缺陷优点优点灵敏度极高，速度快；检测图形化，完检测

13、图形化，完全可视全可视；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第一部分第一部分第一部分第一部分 无损检测概述无损检测概述无损检测概述无损检测概述缺陷信息特点：缺陷信息特点：u 检测信号微弱；检测信号微弱；u 信号耦合，情况复杂；信号耦合，情况复杂；u 电磁信号不可见电磁信号不可见需求：需求：u 灵敏度高；灵敏度高；u 信号解耦、成分分析、量化检测；信号解耦、成分分析、量化检测；u 可视化成像；可视化成像；对比总结对比总结8第二部分第二部分第二部分第二部分 MOIMOIMOIMOI的发

14、展现状的发展现状的发展现状的发展现状19931993美国航空航天局美国航空航天局20062006法国航空航天研究法国航空航天研究院的线性磁光成像仪院的线性磁光成像仪国外发展现状国外发展现状9第一部分第一部分第一部分第一部分 无损检测概述无损检测概述无损检测概述无损检测概述第二部分第二部分第二部分第二部分 MOIMOIMOIMOI的发展现状的发展现状的发展现状的发展现状检测深度：检测深度：3mm3mm（铝材）（铝材）检测深度：检测深度：3.125mm3.125mm （铝材）（铝材）美国美国OI2OI2公司公司的的MOI308MOI308系列系列产品产品10第一部分第一部分第一部分第一部分 无损检

15、测概述无损检测概述无损检测概述无损检测概述第二部分第二部分第二部分第二部分 MOIMOIMOIMOI的发展现状的发展现状的发展现状的发展现状国内发展现状国内发展现状20072007年四川大学周肇飞教授年四川大学周肇飞教授团队磁光成像平台装置图团队磁光成像平台装置图本团队在光源、激励源和磁本团队在光源、激励源和磁光传感器等改进后提出的磁光传感器等改进后提出的磁光成像系统光成像系统11第二部分第二部分第二部分第二部分 MOIMOIMOIMOI的发展现状的发展现状的发展现状的发展现状12第三部分第三部分第三部分第三部分 MOIMOIMOIMOI基本原理及构件基本原理及构件基本原理及构件基本原理及构件

16、光源光源激励源激励源起偏起偏检偏成像成像磁感应强度磁感应强度被测对象被测对象磁光传感器磁光传感器磁光传感器磁光传感器磁芯磁芯激励源激励源光源应用示意图应用示意图3.1 3.1 磁光成像技术应用原理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？13n 法拉第效应pp 克尔效应克尔效应pp 磁线振双拆射磁线振双拆射(科顿一穆顿效应和瓦格特效应科顿一穆顿效应和瓦格特效应)pp 磁圆振二向色性磁圆振二向色性pp 磁线振二向色性磁线振二向色性pp 塞曼效应塞曼效应pp 磁激发光散射磁激发光散射3.2 3.2 磁光效应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

17、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。第三部分第三部分第三部分第三部分 MOIMOIMOIMOI基本原理及构件基本原理及构件基本原理及构件基本原理及构件143.2.1 3.2.1 自然旋光效应自然旋光效应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。石英石英石英石英光轴光轴光轴光轴一定波长的线偏振光通过

18、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。第三部分第三部分第三部分第三部分 MOIMOIMOIMOI基本原理及构件基本原理及构件基本原理及构件基本原理及构件151846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 3.2.2 法拉第效应法拉第效应p为法拉第效应旋光角p 为介质的厚度；p B为平行与光传播方向的磁感强度分量；p V称为费尔德(Verdet)常数第三部分第三部分第三部分第三部分 MOIMOIMOIMO

19、I基本原理及构件基本原理及构件基本原理及构件基本原理及构件16第三部分第三部分第三部分第三部分 MOIMOIMOIMOI基本原理及构件基本原理及构件基本原理及构件基本原理及构件3.3 MOI3.3 MOI系统构件系统构件构件介构件介绍与选绍与选择择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173.3.1.3.3.1.光源选择光源选择第三部分第三部分第三部分第三部分 MOIMOIMOIMOI基本原理及构件基本原理及构件基本原理及构件基本原理及构件对光源的需求：对光源的需求：对光源的需求：对光源的需求：p 高方向性：利于传播，传输距离远。p 高单色性：利于法

20、拉第效应旋转角度的量 化和成像对比度。p 高亮度：经光路的衰减后，利于成像亮度。p 相干性好：输出稳定性高。18第三部分第三部分第三部分第三部分 MOIMOIMOIMOI基本原理及构件基本原理及构件基本原理及构件基本原理及构件3.3.1.3.3.1.光源选择光源选择一般光源（一般光源（LEDLED等）等）激光激光光源光源光光源源半导体激光器半导体激光器固体激光器固体激光器气体激光器气体激光器液体液体(燃料燃料)激光激光器器优势体现在体积小，机械强度优势体现在体积小，机械强度好，操作方便，但激光的效率好，操作方便，但激光的效率和频率输出的稳定性不高和频率输出的稳定性不高优点是能连续工作，工作越长

21、优点是能连续工作，工作越长激光的稳定性越好，单色性、激光的稳定性越好，单色性、相干性都非常好，而且价格低相干性都非常好，而且价格低廉，操作简单，缺点是功率比廉，操作简单，缺点是功率比较低，且功率固定较低，且功率固定优点是体积小、重量轻，优点是体积小、重量轻，方向方向性、相干性较好，输出光源的性、相干性较好，输出光源的功率可调，价格昂贵功率可调，价格昂贵输出波长可调，冷却简单，输出波长可调，冷却简单，均匀性好，发散角较小，均匀性好，发散角较小，缺点是输出激光的稳定性缺点是输出激光的稳定性差，不能长时间在高脉冲差，不能长时间在高脉冲频率下工作。频率下工作。激光激光激光激光单色性好，可避免不同波长偏

22、转角度单色性好，可避免不同波长偏转角度不一致造成的图像模糊，提高不一致造成的图像模糊，提高图像清晰度图像清晰度19第三部分第三部分第三部分第三部分 MOIMOIMOIMOI基本原理及构件基本原理及构件基本原理及构件基本原理及构件3.3.1.3.3.1.光源选择光源选择光源波长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第三部分第三部分第三部分第三部分 MOIMOIMOIMOI基本原理及构件基本原理及构件基本原理及构件基本原理及构件3.3.1.3.3

23、.1.光源选择光源选择光强光强传输传输比高比高法拉第法拉第旋转角旋转角大大灵敏度越高灵敏度越高成像效果越好成像效果越好光源波长的最光源波长的最佳方案佳方案21第三部分第三部分第三部分第三部分 MOIMOIMOIMOI基本原理及构件基本原理及构件基本原理及构件基本原理及构件3.3.1.3.3.1.光源选择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：Y2.3Bi0.7Fe5O12；厚度：0.5mm；）与上述实验的有所不同。实验室选用了波长为波长为 632.8nm 632.8n

24、m 的光源的光源，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气体氦氖激光器波长：波长：632.8nm632.8nm；光斑直径：光斑直径：0.8mm0.8mm；发散角：发散角：1mrad L；左旋；左旋晶体中，晶体中，左旋圆偏振光的传播速度较快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，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，按照归一化按照归一化琼斯矩阵方法琼斯矩阵方法，可以把菲涅耳假设表示为可以把菲涅耳假设表示为61 x 方向振动的线偏振光、振动方向与方向振动的线偏振光、振动

25、方向与 x 轴成轴成 角的线偏振角的线偏振光、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：分别为：如果右旋和左旋圆偏振光通过厚度为如果右旋和左旋圆偏振光通过厚度为 l 的旋光介质后的旋光介质后,相位滞相位滞后分别为后分别为nl62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。63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64(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。6566可编辑