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1、华中科技大学机械学院1http:/www.hust,edu,cn磁光涡流检测技术磁光涡流检测技术- -概论概论涡流检测是一种重要的无损检测手段，它采用通有高频交流 电的线圈产生的磁场在被检导电试件上感应出交变涡流,此涡 流又会感生出磁场，该感生磁场的大小、相位及其空间分布 与被检试件的几何形状、物理性质(如电导率、磁导率)及不 连续性(如缺陷、裂纹等)有关。通过涡流感生磁场所反映出 来的试件的信息就能检测试件的缺陷。目前，常规涡流检测技术的发展主要集中在信号检出电 路、信号处理电路、显示技术和计算机技术应用的改进上， 而这些都增加了电路和系统的复杂性。近年来，在航空构件 无损检测中开始应用的磁
2、光/涡流成像检测技术。磁-光成像 技术的采用，引起了涡流检测仪器设备的变革，并促进了涡 流检测技术的新发展，是近年来新兴的无损检测方法。华中科技大学机械学院2http:/www.hust,edu,cn磁光涡流检测技术磁光涡流检测技术- -分类分类磁光涡流成象技术主要用于检查飞机机翼大梁、衍条与 机身框架连接部位紧固件孔(螺校孔和铆钉孔)周围产生的 疲劳裂纹、铝蒙皮铆接处的裂纹及蒙皮的腐蚀损伤等。采 用25.6102.4kHz的涡流工作频率，飞机铝合金构件的疲 劳裂纹清晰可见，如果用较低的频率(如6.4kHz)，则可对 皮下裂纹和腐蚀损伤等缺陷清晰成象。磁光涡流成象技 术适用于对飞机硬铝合金、钛
3、合金、高强度结构钢等构件 的探伤，也可用于碳纤维复合材料的检测以及为防闪电而 埋设了铜丝或铝丝网的复合材料的检测。华中科技大学机械学院3http:/www.hust,edu,cn磁光涡流检测技术磁光涡流检测技术- -特点特点（1）探伤准确度高。研究表明，磁光涡流成象技术的 探伤性能等同甚至优于在飞机检查中采用的常规涡流方法 。 （2）探伤效率高。磁光涡流实时成象一次即可完成对 磁光传感元件覆盖区域的检测，其探伤速度是常规涡流方 法的510倍，极大减轻了检测人员的劳动强度，缩短了飞 机检修时间，从而可产生极大的经济效益。 （3）检测结果图象化。直观易懂，可通过录象保存。检 测工人上岗培训时间短。
4、 （4）检测前不需对油漆等表面覆层进行清除。因为磁光 涡流成象的质量不受小提离距离影响，而常规涡流检测 则必须对表面覆层进行清除。 （5）可对表面及亚表面缺陷进行实时成象检测，检测的 深度主要取决于涡流的渗透深度，成象的清晰度受缺陷深 度影响，缺陷越深成象越不清晰。华中科技大学机械学院4http:/www.hust,edu,cn磁光涡流检测技术磁光涡流检测技术- -基本原理基本原理磁光/涡流成像技术原理是法拉第电磁感应定律与法拉第磁光 效应的综合运用。根据法拉第磁光效应：以平行于外加磁场方 向传播的线性偏振光，当穿过磁场中的旋光介质时，其偏振平 面会被扭转。光源发出的光由起偏器变成线性偏振光，
5、将检偏 器与起偏器的透光轴调整为一致方向。当没有施加外磁场时， 线性偏振光传播穿过旋光介质时，其偏振平面不会发生扭转， 线性偏振光将全部通过检偏器；当加上外磁场后，线性偏振光 在传播穿过旋光介质时，其偏振平面将发生扭转，而只有与检 偏器透光轴方向平行的光分量才能通过检偏器，故此时通过检 偏器的光强度将会减弱；如果线性偏振光的偏振平面被扭转到 与检偏器透光轴方向垂直时，则没有光线通过检偏器。将线性 偏振光的偏振平面的扭转角度定义为法拉第旋光度，华中科技大学机械学院5http:/www.hust,edu,cn磁光检测检测技术磁光检测检测技术- -基本问题基本问题 = ()/() 式中:为法拉第旋光
6、率；为通过旋光介质的入射 光波矢量；为旋光介质的厚度；为旋光介质的磁化强度矢 量。由(1)式可见，如果旋光介质的厚度、材料和入射光的大 小、方向一定,则的大小只与磁化强度矢量有关。因此， 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、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。华中科技大学机械学院6http:/www.hust,edu,cn磁光检
7、测检测技术磁光检测检测技术- -物理模型物理模型为了进行磁光/涡流成像，必须在被测试件的成 像区域内产生直线流动、均匀分布的层状电涡流 . 变压器由一定匝数的初级线圈和单匝次级线圈 绕在铁氧体、软铁或类似的芯子材料上组成。在 初级线圈中通以一定电压的单频正弦交变电流， 则次级线圈中有感应电流流过。将单匝的次级线 圈与一定尺寸的薄铜片作适当连接，此感应电流 将均匀流过铜片，形成平面层状电流，其强度由 变压器的参数来决定。将此载有时变层状电流的 铜片靠近被测的导体试件，由于电磁感应，试件 中将感生出流动方向相反的层状电涡流，并在该 区域感应出垂直于层状电流的磁场。此时,若该 试件的被测区域存在缺陷
8、，由于缺陷对电涡流的 流动产生影响，从而引起了该区域的垂直磁场发 生变化。利用磁光传感元件就能将磁场的这种变 化转换成相应的光强度的变化，从而达到对缺陷 进行实时成像的目的。华中科技大学机械学院7http:/www.hust,edu,cn磁光检测检测技术磁光检测检测技术- -装置装置光源发出的光经起偏器变为线偏振光投射到磁光传感元件上，光线通过传 感元件后，经反射再次穿过磁光传感元件，故光矢量振动面偏转角度共为 2。在检偏器后观察，由于检测区域光场的明暗情况与光矢量振动面的偏 转角度以及检偏器透光轴的方向有关，在没有缺陷时，观察到检测区域的 亮度均匀，调整检偏器透光轴方向，使观察到的亮度最强。
9、当检测到有缺 陷的区域时，由于缺陷使涡流的直线流动路径发生畸变，引起该局部区域 磁场的变化，从而使偏振光在通过磁光传感元件相应部位时产生不同的旋 转角度，这样就会观察到表示缺陷存在的暗斑纹。华中科技大学机械学院8http:/www.hust,edu,cn磁光检测检测技术磁光检测检测技术- -过程过程首先在围绕磁光传感元件的偏压 线圈中加上宽度约为 0.0001s的 电脉冲，使视场为均匀亮度，然 后在偏压线圈中加上大小恒定的 偏流，从而产生磁偏场，与此同 时，接通变压器电源，在被测导 体中感应出涡流，如有缺陷存在 ，即可观察到缺陷的象，然后断 开变压器激励电源，由于传感元 件具有记忆，所以图象将
10、保留直 至在偏压线圈中再次通过电脉冲 。成象时图象的刷新时间为每秒 26次，检测过程中变压器的通电 时间仅为检测周期的20，有效 地避免了铜片中由于大电流通过 产生发热现象。华中科技大学机械学院9http:/www.hust,edu,cn磁光检测检测技术磁光检测检测技术- -有限元模型有限元模型磁光/涡流成像技术很适合飞机表面现场检测，例如飞机表面铆钉或缺陷的 存在使涡流在其流动方向上发生扭转，从而会产生垂直于飞机表面的磁场。 该磁场的变化可由测量线性偏振光的偏振平面的转动角度来监视，其图像由 依赖于垂直的磁场分量的像素强度来获取。进行磁光/涡流成像检测时，参 数的选择包括操作频率、源输入电流
11、和感应元件参数等。对于每一种具体的 检测结构，这些参数都要进行测试。所以，如果不使用适当的被测试件的计 算模型，要调整这些参数是极其困难的。有限元分析法就是用来获取这种结 构的场图的图像。这些通过有限元模型获得的图像与真实的磁光/涡流成像 图像非常相似，所以可用来研究采用磁光/涡流成像方法检测隐藏裂纹的可 能性。有限元模型的分析是用一个具有足够剖分密度的离散化系统来代替原 来的连续系统。为了得到被检测结构的磁场的场图，可以通过求取矢量磁位 的数值后，由=来计算的数值。在推导前假设有：（1）源电流密度和场强随时间成正弦变化；（2）在每个元素中,材料的电导率和磁导率在其求解范围内为常数；（3）在相
12、邻的元之间,材料的连续性允许变化。 华中科技大学机械学院10http:/www.hust,edu,cn磁光检测检测技术磁光检测检测技术- -影响因素影响因素通过对自然旋光现象和法拉第磁光效应的研究,可以得知,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、磁化强度等参数有密切的关系。旋光介质的旋光率有色 散性,一般随波长的增大而减小;静态(或弱)磁场下磁光介质的 法拉第旋转与外磁场成线性关系;交变磁场下,法拉第效应亦与 外磁场密切相关,磁后效等形式的损耗也会对磁光效应有影响; 随着外场频率的增加,损耗增大,交变法拉
13、第旋转的实部将减小 。静态法拉第旋转的实部通常大于交变法拉第旋转的实部。根 据以上结论,在应用法拉第磁光效应进行涡流检测时,就可以根 据被检测材料的性质,通过选择相应晶体材料的磁光传感器、光 波波长、外磁场的强度和频率等参数,在操作中获得最佳的检测 效果。华中科技大学机械学院11http:/www.hust,edu,cn磁光传感器的选用磁光传感器的选用- -概论概论根据法拉第磁光效应:以平行于外加磁场方向传播的线性偏振光,当穿过位于磁场中的旋 光介质时,光线的偏振平面会被扭转,其扭转的角度称为法拉第转角,即f。当旋光介质 的厚度、材料和入射光的大小、方向一定时,f的大小只与磁化强度有关。将涡流
14、检测 技术中的涡流感生磁场用作法拉第磁光效应中的外加磁场,则在被检试件不同区域显示 出的不同法拉第转角f (可以根据应用波长用肉眼或通过视频成像技术进行观测)也能 反映出试件的缺陷信息,这就是被称为磁光/涡流成像检测技术的基本原理。对于实际的 检测装置,要求磁光传感器具有以下几个特性以保证检测的有效性： （1）尽可能大的磁光旋转系数以提高图像的对比度； （2）尽可能高的温度稳定度以保证执行过程的稳定； （3）近似线性的磁光响应曲线以获得简洁的调节操作。铁石榴石材料在以上几个方面表现出来的优越特性使之成为磁光/涡流成像检测 可选用的有效的磁光传感器。目前常用的石榴石材料主要有单晶聚合态和薄膜态两
15、种。 用聚合石榴石晶体可制成非常灵敏的磁场传感器,同时还可以由绕在一个导体上的几个 聚合石榴石来制成电流传感器。而厚膜石榴石还常被用作旋转、位置、磁场和电流等传 感器。下面介绍了几个影响传感器执行的重要特性及基于铁石榴石的磁光传感器的部分 应用。华中科技大学机械学院12http:/www.hust,edu,cn磁光传感器的选用磁光传感器的选用- -石榴石传感器石榴石传感器聚合石榴石的磁光灵敏度法拉第旋转在磁光/涡流成像检测中具有重要的意义,正是因为在不同形状、不 同物理性质和不同连续状态下的导体区域中光线被扭转的角度不同,才使得成像检测 成为可能。因此磁光响应是石榴石重要的磁光特性。铁磁性铁石
16、榴石的典型响应曲 线可以理想化为与外加磁场强度(可一直增大到等于饱和场sat)近似成线性关系 的法拉第旋转。利用sat可产生一个饱和法拉第转角f,sat。响应曲线的线性部 分是磁光传感器执行中最有效的部分。由上式可见,灵敏度与饱和法拉第转角f, sat和饱和场sat有关,基本上取决于磁光传感材料的磁和磁光特性。华中科技大学机械学院13http:/www.hust,edu,cn磁光传感器的选用磁光传感器的选用- -石榴石传感器石榴石传感器归一化磁光灵敏度 式(2)中, f, sat依赖于晶体材料的结构和成分、操作温度和光波 波长,而sat则依赖于晶体材料的结构和成分以及操作温度。因为铁石榴 石是铁磁性的,所以在聚合传感器中,sat也与依赖于晶体形状的退磁效应 有关。对于磁化系数1(相当于软磁材料),其饱和场sat与饱和磁化 sat是成比例的,有：sat=effsat （3）此处eff是有效退磁因子,其大小由磁介质
