（测试计量技术及仪器专业论文）探测亚表面缺陷的磁光显微成像检测技术研究.pdf

四川大学博士学位论文 探测亚表面缺陷的磁一光显微成像检测技术研究 测试计量技术及仪器专业 研究生：程玉华指导教师：周肇飞 近年来，加工制造、材料、冶金、装配等行业技术的发展非常迅速，技术 的发展就对材料和构件的表面和亚表面的质量提出了越来越高的要求，同时， 为了使这些技术能应用于大批量商品生产，没有齐全的质量检测手段是不行的。 在影响材料和构件质量和安全性的诸多因素中，表面缺陷的危害性极大，而隐 藏在材料和构件亚表面的缺陷往往又是一些致命缺陷的起点，更具有隐蔽性和 危险性，所以无损检测技术的一个重要方面就是对材料和构件亚表面缺陷进行 检测。 在无损检测技术发展的初期，主要强调采用不破坏材料及其结构原有性质 的方法获取材料及其结构中的缺陷或者损伤情况，随着科学技术的发展，人们 不再满足于仅通过原始的检测信息对材料或结构( 产品) 等进行质量或者缺陷与 损伤的简单判别，而是希望能够通过一种可视化无损检测技术，直观、形象、 准确地“看见”材料内部的实际情况。探测亚表面缺陷的可视化无损检测技术 就是在这种强烈需求背景下问世并快速发展的。 目前情况下，表面无损检测技术已经比较成熟，但对亚表面缺陷却没有理 想的检测手段，比较成熟的传统检测手段在检测亚表面缺陷时都表现出一定的 局限性。如渗透法只适于检测表面开口缺陷；x ，y 射线照相法、超声波检测 法等适于探测深层内部缺陷；后来出现了磁粉检测和电磁感应检测，但是影响 因素复杂，分辨力低。为了克服这些缺点，国内外曾经热过一阵子的激光冲击、 超声显微镜等新技术，也因为系统复杂、成本高、性能不理想等原因没有发展 成为成熟技术。因此开展亚表面缺陷可视化无损检测技术的研究，研制出针对 亚表面缺陷检测的可视化仪器，不但具有学术意义，而且具有重要的实用价值。 亚表面缺陷的磁光涡流成像检测技术研究 光电技术在非接触无损检测技术中的应用为亚表面缺陷的检测提供了一个 有效的解决途径，本项研究综合利用了涡流效应和磁一光法拉第效应，提出了一 种新的涡流无损检测技术，即磁一光显微成像检测技术，实现了对亚表面缺陷的 可视化无损检测。本项研究深入地分析了磁一光显微成像检测系统的工作原理： 以脉冲信号激励线圈，使其在受检金属试件中感生出涡流，若试件表层存在缺 陷则会改变该涡流的分布，相应地改变涡流激发的磁场，进而引起该处的垂直 磁场分量发生变化，磁一光传感器( 磁一光石榴石薄膜) 在该磁场的作用下会产生 磁一光效应，使经过的线偏振光的偏振方向发生一定的偏转，包含了缺陷信息的 偏振光经偏振分光镜反射后被c c d 摄像头接收，从而实现了对试件亚表面缺陷 的可视化实时成像检测。 在此研究的基础上，本项研究着重对光路成像、磁光传感器、图像传感器、 激励线圈和激励频率等各种影响磁一光成像的因素进行了系统的研究，在多次实 验的基础上合理选择最佳参数，对磁一光成像检测系统进行了逐步改进和完善， 达到了预期的效果。通过技术创新和探索，本项研究取得的研究成果如下： ( 1 ) 本项研究工作首次准确、可靠地探测到了试件表面下( 亚表面) 的缺陷， 迄今尚未见有同样成果报道。 ( 2 ) 本检测系统采用半导体激光器作为光源，充分利用了激光偏振性强的特 点。在光路设计中采用反射光路，不仅充分利用了磁一光效应( 法拉第旋转角是 原来的2 倍) ，增强了缺陷磁一光成像的效果，还能完全避免反射光回到激光器， 实现了低噪声光路。 ( 3 ) 本检测系统采用环形锰锌铁氧体作磁芯设计了涡流激励装置。这种磁芯 自身的涡流损耗小，具有增强磁场和聚焦磁场的特性。这种设计有利于在较高 的频激励下充分发挥激励线圈的磁光效应和电涡流效应，保证检测系统的精度 和灵敏度。 ( 4 ) 本检测系统采用间歇式脉冲激励的方法去获得涡流磁场，相对于传统的 涡流检测方法，本方案不仅取得了激励线圈获得涡流的作用，还有效地减轻了 激励线圈的过热现象。 ( 5 ) 本项研究从理论上推导出了检测距离( 提离) 、线圈的尺寸和输入频率等 参数对涡流激励装置性能的影响，并通过试验进一步验证，获得了涡流激励装 置参数设计的依据。 四川大学博士学位论文 ( 6 ) 本项研究选择b i ：y i g 石榴石磁光薄膜材料作为检测系统的磁光传感 器。本文对磁光薄膜的磁光性能和特点进行了综合分析和比较，根据试验本身 探测灵敏度高的实际需要，最终选定b i ：g 石榴石磁光薄膜材料作为磁光传感 器。该磁光薄膜具有低的光吸收和高的法拉第旋转角( 法拉第旋光率0 ，可为 3 0 0 0 0 n a n ) ，磁光优值很高，相对于常见的磁光玻璃，更能有效提高系统的检 测灵敏度。 ( 7 ) 本项研究制作出了亚表面存在缺陷的试件，并做了大量的磁光成像实 验分析和研究，验证了磁光显微成像检测技术的可行性。通过对获得的亚表面 缺陷图像的分析得出：在相同频率的激励下，缺陷距离表面越近，其磁光成像 就越清晰；不同材料，在相同的测试条件下，其磁一光成像清晰度是不一样的； 不同类型的缺陷，其磁一光图像有不同的直方图，根据直方图的形状，可以初步 确定缺陷的类型。 。 ( 8 ) 本项研究设计了图像处理软件来对磁光图像进行捕获和优化处理。由 于获得的磁光图像中存在大量的干扰，如光发送的变化、少数石榴石磁畴变化 及噪声等，因而直接从c c d 摄像头所获得的磁光图像的分辨率是比较低的， 本系统借助m a t l a b 工具箱对磁一光图像进行了处理，有效的增强了磁光成像的 效果、提高图像检测分辨率，从而提高了系统检测的可靠性。 总之，磁一光显微成像检测技术是一个集光学成像、电路设计、图像捕获与 保存、图像处理等为一体的检测技术，该技术不仅具有传统电涡流检测技术适 用性强、非接触耦合、检测装置轻便等优点，还具有检测效率高、检测准确率 高、使用方便简单，能够实现对表面及亚表面细小缺陷的可视化实时检测，检 测结果直观易懂并且易于保存等特点。 关键词：无损检测；可视化涡流检测；亚表面缺陷；图像传感器；磁光效应； 图像处理 四川大学博士学位论文 r e s e a r c ho nt h ev i s u a ld e t e c t i o no fs u b s u r f a c e d e f e c t su s i n gm a g n e t o - o p t i cm i c r o s c o p e t e c h n o l o g y m a j o r m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lt e c h n o l o g ya n di n s t r u m e n t s ， c a n d i d a t e ：c h e n gy u h u as u p e r v i s o r z h o uz h a o f e i w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm a n u f a c t u r ep r o c e s s i n g , m a t e r i a l ，m e t a l l u r g y a n d 勰s 即1 b i yt e c h n o l o g i e si nr e c e n ty e a r s ，t h e r ea r em u c hh i g h e rr e q u i r e m e n t sf o r t h eq u a l i t yo fs u r f a c ea n ds u b s u r f a c eo fm a t e r i a l sa n dc o m p o n e n t s ，i na d d i t i o n , c o m p r e h e n s i v eq u a l i t y - i n s p e c t i o nm e t h o d sa r er e q u i r e df o rt h em e r c h a n d i s e s m a n u f a c t u r i n g w i t hl a r g eq u a n t i t y s u r f a c ed e f e c t sw i t h p o t 既瞄a ld a m a g e a r eo n eo f t h ed a n g 删e l e m e n t sa f f e c t i n gt h eq u a l i t ya n ds a f e t yo f m a t e r i a l sa n dc o m p o n e n t s ， a n dt h ed e f e c t sa tt h es u b s u r f a c ew h i c ha l em o r es h d e da n dd a n g e r o u sa r ea l w a y s t h er e a s o l 丝f o rt h ef a t a lo n e s o n eo ft h ei m p o r t a n tf u n c t i o n so fn o n d e s t r u c t i v e t e s t i n g0 m d i st od e t e c tt h ed e f e c t s 砒t h es u r f a c ea n ds u b s u r f a c eo fm a t e r i a l sa n d c o m p o n e n t s i nt h ee a r l yd e v e l o p m e n ts t a g eo f n d t ，o b t a i n i n gt h ei n f o r m a t i o no f t h ed e f e c t s a n dd a m n i f i c a t i o no f t h em a t e r i a l sa n dc o m p o n e n t sw i t h o u td a m a g i n gt h e r ei n t r i n s i c c h a r a c t e r si se m p h a s i z e d w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g y , v i s u a ln d ti n s t e a d o f t h et r a d i t i o n a lt e s t i n gm e t h o d si sh i g h l yr e q u i r e dw h i c hi su s e dt o s e e ”t h ei n n e r s t a t ei n t u i t i o n i s t i c l ya n dv i s u a l l y i ti sa tt h i sr e q u i r e m e n tb a c k 伊d u n dt h a tt h ev i s u a l n d to ft e s t i n gt h ed e f e c t sa tt h es u b s u r f a c ec o m e si n t ob e i n ga n dd e v d 叩sv e r y f a s t t h es u r f a c en o n d e s t r u c t i v et e s t i n g t e c h n o l o g yh a sb e e nm a t u r en o w a d a y s ， w h i l et h e r ei sn oi d e a lt e s t i n gm e t h o df o rd e t e c t i n gt h es u b s u r f a c ed e f e c t s t h e r ea r e 。 i v 四川大学博士学位论文 s o m el i m i t a t i o n sf o rt h ec o n v e n t i o n a lt 鼯t m gm e t h o d si n c l u d i n gu l t r a s o m c ，x - r a y a n de d d yc u r r e n tm e t h o d s u l t r a s o n i ct e s t i n g ，f o re x a m p l e ，r e q u i r e sac o u p l i n gl i q u i d b e t w e e nt h et r a n s d u c e ra n dt h es p e c i m e n , w h i c hm a k e sn o n d e s t r u c t i v et e s ts l o wa n d t e d i o u s r a d i o g r a p h yt e s t i n gi n v o l v e st h eu s eo fe x p e n s i v ea n dc u m b e r s o m e e q u i p m e r i t i nt r a n s m i s s i o no fx - r a yt h es o u r c ea n dt h er e c e i v e rh a v et ob eo n o p p o s i t es i d e so f t h ei n s p e c t i o ns u r f a c e ，w h i c hc o m p l i c a t e st h ea d j u s t m e n to f t h et e s t s e t u p i na d d i t i o nt ob e i n gt i m ec o n s u m i n g , r a d i o g r a p h yt e c h n i q u e sr e q u i r es p e c i f i c p r e c a u t i o n st on d tp e r s o n n e la g a i n s tr a d i a t i o nh a z a r d s s ot os t u d yo nt h ev i s u a l i n s p e c t i o nt e c h n o l o g ya n dt od e v e l o pt h ev i s u a li n s t r u m e n t sf o rt h es u r f a c e & s u b s u r f a c ed e f e c t sh a v en o to n l ya c a d e m i cs i g n i f i c a n c e ，b u ta l s op r a c t i c a lv a l u e t b ec o m b i n a t i o no fp h o t o v o l t a i ct e c h n o l o g ya n dn o c o n t a c tn o n d e s t r u c t i v e t e s t i n gt e c h n o l o g yb e c o m e st h ee f f e c t i v es o l u t i o nf o rd e t e c t i n gt h es u b s u r f a c e d e f e c t s i n t e g r a t i n gt h ee d d ye f f e c tf u l l yw i t hf a r a d a y sm a g n e t o - o p t i ce f f e c t ，t h i s p a p e rr a i s e s an e wn d tt e c h n o l o g y , w h i c hi sc a l l e dm a g n e t o - o p t i cm i c r o s c o p y t e c h n o l o g y ，t or e a l i z et h ev i s u a ln d tf o rt h es u b s u r f a c ed e f e c t s t h eo p e r a t i o n p r i n c i p l ei sa n a l y z e dd e e p l yi nt h i sp a p e r t h ec o i le x c i t e db yt h ei m p u l s es i g n a l i n d u c e se d d yc u r r e n ti nt h em e t a ls p e c i m e n i f t h e r ea l ed e f e c t sa tt h es u b s u r f a c eo f t h es p e c i m e n , t h em a g n e t i cf i e l de x c i t e db yt h ee d d yc u r r a n tw i l lb ev a r i e dw i mt h e c h a n g eo fe d d yc u r r e n td i s t r i b u t i o n , a n dt h e ns od o e st h ev e r t i c a lp a r to ft h e m a g n e t i cf i e l d b yt h ec h a n g eo ft h i sm a g n e t i cf i e l d , t h em a g n e t o - o p t i cs e n s o r ( m a g n e t o o p t i cg a r n e tf i l m ) w i l li n d u c et h em a g n e t o - o p t i ce f f e c tt oc h a n g et h e p o l a r i z e dd i r e c t i o no fl i n e a rp o l a r i z e dl i g h t a f t e rb e i n gr e f l e c t e db yt h ep o l a r i z a t i o n b e a m s p l i t t e r , t h el i n e a lp o l a r i z e dl i g h tw i t hd e f e c ti n f o r m a t i o nc a nb er e c e i v e db y t h ec c dt os h o wt h ei m a g e ，s ot h er e a l - t i m ea n dv i s u a li m a g i n gi n s p e c t i o nf o rt h e s u b s u r f a c ed e f e c t so f t h es p e c i m e ni sr e a l i z e d 、 、o nt h eb a s i so ft h ep r i n c i p e , i nt h i sp a p e r , v a r i o u sf a c t o r sw h i c hi n f l u e n c et h e q u a l i t yo ft h em a g n e t o - o p t i ci m a g e s ，i n c l u d i n gt h eo p t i c a li m a g i n gs y s t e m ， m a g n e t o - o p t i cs e n s o r , i m a g es e n s o r , e x c i t e dc o i la n de x c i t e df r e q u e n c ye t c a l e r e s e a r c h e ds y s t e m a t i c a l l y , t h eo p t i m a lp a r a m e t e r sa r ed e t e r m i n e db a s e do nt h e e x p e r i m e n tr e s u l t s ，a n dt h em a g n e t o - o p t i cm i c r o s c o p ys y s t e ma r ei m p r o v e da n d 四川大学博士学位论文 c o n s u m m a t e dg r a d u a l l yt om e e tt h ea n t i c i p a t e dr e q u i r e m e n t s t h ef o l l o w i n gi st h e m a i na c h i e v e m e n t s lt h i sr e s e a r c hi st h ef i r s to n et h a th a sd e t e c t e dt h ef l a w sa tt h es u b s u r f a c eo f t h es p e c i m e nd i r e c t l ya n dc o r r e c t l y 2 u s i n gt h es e m i c o n d u c t o rl a s e ra st h el i g h ts o u r c ef o ri t ss t r o n gp o l a r i z a t i o n c h a r a c t e r t h er e f l e c t e dl i g h ti nt h eo p t i c a ls y s t e mn o to n l ye n h a n c e st h ea b i f i t yo f t h em a g n e t o - o p t i ci m a g e sb ym a k i n gf u l lu s eo ft h em a g n e t o - o p t i ce f f e c t ( t h e f a r a d a yr o t a t i o na n g l ei st w i c ea so r i # n a lo n e ) ，b u ta l s or e a l i z e st h el o wn o i s e o p t i c a lr o u t eb yk e e p i n gt h er e f l e c t e dl i g h tf r o me n t e r i n gt h el a s e r 3 u t i l i z i n gt h ei n t e r m i t t e n tp u l s ee x c i t a t i o nm e t h o dt oo b t a i nt h ee d d yc u r r e n t m a g n e t i cf i l e df o rt h i st e s t i n gd e v i c e c o m p a r e dw i t ht h ec o n v e n t i o n a lt e s t i n g m e t h o d s ，t h i sd e s i g nc a l ln o to n l yi n d u c et h ee x c i t a t i o nc o i lt oo e h i e v et h ee d d y c u r r e n t , b u ta l s ow e a k e nt h eo v e r h e a t i n go f t h ec o i le f f e c t i v e l y 4 u s i n ga n n u l a rm n - z nf e r r i t e a st h em a g n e t i cc , o r eo ft h ee d d yc u r r e n t e x c i t a t i o nd e v i c e 眦l o we d d yc u r r e n tw a s t a g e , t h i sf e r r i t em a g n e t i cc o r ei s f e a t u r e dw i t he n h a n c e m e n ta n df o c a l i z a t i o no ft h em a g n e t i cf i l e d i ti se a s yt oe x e r t t h em a g n e t o - o p t i ce f f e c ta n de d d yc u r r e n te f f e c to ft h ec o i lw i t hh i 曲f r e q u e n c yt o e n s n l et h ep r e c i s i o na n ds e n s i t i v i t yo f t h et e s t i n gs y s t e m 5 t h ei n f l u e n c et ot h ee d d yc u r r e n te x c i t a t i o nb yt h ep a r a m e t e r si n c l u d i n gt h e d e t e c td i s t a n c e ( 1 i f l - o 固，d i m e n s i o no ft h ec o i la n di n p u tf r e q u e n c ya r ed e d u c e di n t h i sp a p e ra n di sp r o v e db y e x p e r i m e n t st oo b t a i nt h ee v i d e n c eo f d e s i g n i n gt h ee d d y c u r r e n te x c i t a t i o nd e v i c ef u rt h e m a g n e t o - o p t i ci m a g i n gs y s t e m 6 c h o o s i n gg a r n e tm a g n e t o - o p t i cf i l m i ：y i g ) a st h em a g n e t o - o p t i cs e n s o ri n t h i sd e v i c e b a s e do nt h ec o m p a r i s o na n da n a l y s eo f t h em a g n e t o - o p t i cp e - r f o r m a n c e a n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h em a g n e t o - o p t i cf i l m sa n dt h ea c t u a lr e q u i r e m e n t si nt h e e x p e r i m e n t s ，t h eg a r n e tf i l m i ：y i g ) i sc h o s e na st h em a g n e t o - o p t i cs e n s o r c o m p a r e d 、i t hc o m m o nm a g n e t o - o p t i cg l a s s t h eg a r n e tf i l mw i t hf e a t u r e so fl o w o p t i c a la b s o r p t i o n , h i g hf a r a d a yr o t a t i o na n g l ea n dh i g hm a g n e t o - o p t i c a lf i g u r eo f m e r i tc a l li m p r o v et h et e s t i n gs e n s i t i v i t ye f f e c t i v e l y 7 s p e c i m e nw i 也f l a wa tt h es u b s u r f a c ea r ed e s i g n e d , a n dp l e n t i f u le x p e r i m e n t s “ 四川大学博士学位论文 a n a l y s ea n dr e s e a r c hh a v ep r o v e dt h ef e a s i b i l i t yo f t h em a g n e t o o p t i cm i c r oi m a g i n g d e t e c t i o n t h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o nc a nb eo b t a i n e db ya n a l y z i n gt h ei m a g e so f s u b s u r f a c ed e f e c t s ：w i t ht h ee x c i t a t i o na tt h es a h l ef r e q u e n c y , t h ec l o s e r 也ed i s t a n c e t ot h es u r f a c ei s ，t h ec l e a r e rt h ei m a g ei s ；w i t ht h ed i f f e r e n tm a t e r i a la t 也es a m e t e s t i n gc o n d i t i o n , t h ed i f f e r e n td e f m i t i o no ft h em a g n e t o - o p t i ci m a g e sa r ef o u n d ；t h e a p p r o x i m a t ef i g u r eo f t h ed e f e c t sc a nb ed e t e r m i n e db yt h eh i s t o g r a mo f t h ei m a g e s 8 d e s i g n i n gi m a g ep r o c e s s i n gs o r w a r et oc a p t u r e a n d o p t i m i z et h e m a g n e t o - o p t i ci m a g e s m a n yf a c t o r s ，s u c ha st h ev a r i e t yo fl i g h t , m a g n e t i cd o m a i n c h a n g e so fg a r n e t sa n dv a r i o u sn o i s e sd i s t u r bt ot h er c c c i v a dm a g n e t o o p t i ci m a g e ， t h e i m a g e s a r oa l w a y sw i t hl o wr e s o l u t i o n w i t ht h em a t l a b t o o l b o x ，t h e m a g n e t o - o p t i ci m a g ei so p t i m i z e d 晰也h i g hr e s o l u t i o ni nt h i sp a p e r , a n dt h e r e l i a b i l i t yo f t h i st e s t i n gs y s t e mi si m p r o v e d i nc o n c l u s i o n , t h em a g n e t o - o p t i ci m a g i n gd e t e c t i o nt e c h n o l o g y i n t e g r a t i n gt h e o p t i c si m a g i n g ，e l e c t r i c - c i r c u i td e s i g n i n g , i m a g ec a p t u r i n ga n ds a v i n gw i t hi m a g e p r o c e s s i n gi sf e a t u r e dw i t hn o to n l ys t r o n gp r a c t i c a b i l i t y , c o n t a c t l e s sc o u p l i n g ， p o r t a b l ed e v i c ea sc o n v e n t i o n a le d d ya l 胤tt e s t i n gt e c h n o l o g y , b u ta l s oh i g h e f f i c i e n c y , h i g hp r e c i s i o na n de a s yc o n t r 0 1 i tr e a l i z e st h ev i s u a lr e a l - t i m ed e t e c t i o n o ft h ed e f e c t sa tt h es u r f a c ea n ds u b s u r f a c e , a n dt h et e s t i n gr e s u l t sa r ev i s u a la n d u n d e r s t a n d a b l e ，e a s yt ob ed o w n l o a d e da n ds a v e d ， k e y w o r d s ：n o n d e s t r u c t i v et a s t i n g , v i s u a le d d yc u r r e n tt e s t i n g , s u b s u r f a c ed e f e c t ， i m a g es e n s o r , m a g n e t o - o p t i ce f f e c t ，i m a g i n gp r o c e s s 四川大学博士学位论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得四川大学或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料，与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在四川大学读书期间在导师指导下取得的，论文成 果归四川大学所有，特此声明。 1 0 8 指导教 研究 堂畔 皿辎 四川大学博士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的来源及研究的意义 检测技术作为现代信息社会重要技术的基础，已经几乎渗透到人类的一切 活动领域。现代检测技术与其他技术紧密结合在一起，其工作原理、方法和手 段直接决定了信息技术系统的功能和质量。无损检测技术( n d t = n o n d e s t r u c t i v e t e s t i n g ) 是现代检测技术的一个重要组成部分，是在不损伤被检测对象的条件 下，利用材料内部结构异常或缺陷存在所引起的对热、声、光、电、磁等反应 的变化，来探铡各种工程材料、零部件、结构件等内部和表面的缺陷，并对缺 陷的类型、性质、数量、形状、位置、尺寸、分布及其变化作出判断和评价。 无损检测的目的在于定量掌握缺陷与强度的关系，评价构件的允许负荷、使用 寿命和剩余寿命，定期检测设备在制造和使用过程中产生的结构不完整性及疲 劳的情况，以便改进制造工艺，提高产品质量，及时发现故障，从而保证设备 安全、可靠运行l l 。 、 在无损检测技术发展初期，主要强调采用不破坏材料及其结构原有性质的 方法来获取材料及其结构中的缺陷或者损伤的情况。随着科学技术的发展，人 们不再满足于仅通过原始的检测信息对材料或结构( 产品) 等进行质量或者缺陷 与损伤的简单判别，而是希望能够通过无损检测技术，直观、形象、准确地“看 见”材料内部的实际情况。可视化无损检测技术就是在这种强烈需求背景下闯 世并快速发展的。 在通常情况下，材料或者结构( 产品) 内部是光学不透明的，因此需要采用 合理的方法或技术来获取材料或结构内部的物理信息，然后通过对这些原始检 测信息进行处理和重构，才能将材料或结构内部的情况以直观的可视化图像形 式再现出来。例如可以借助磁场、声波、射线、微波等手段，利用其在材料内 部的穿透能力来获取其内部的可视化信息，通过合理的传感器技术、扫描技术 和信息重构技术，得到材料或结构内部的可视化图像。 近年来，激光和光电技术在信息和军事技术方面的发展非常迅速，人们对 了解亚表层( s u b - s u r f a c e ) 质量、探测精细表面下细小缺陷的需求也越来越迫切。 对于那些使用超精密反射镜的精密装置，例如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( m e m s - m i e r o e l e e t r o n i em e c h a n i s ms y s t e m ) 、强激 四川大学博士学位论文 光、高灵敏度光电探测装置等，无一例外的都对反射镜反射面的质量有非常高 的要求，为了保证反射镜反射面的质量，必须要对反射镜的基底进行详细的检 查，即对反射镜的亚表层进行无损检测。微电子机械技术的发展推动了微型飞 行器、微型卫星、微型机器人等一系列微型新技术产品的出现，对于运行在极 限工作状态下这些产品，环境对它们的材料和结构的要求非常苛刻，为了能够 及时发现亚表面的疲劳损伤，保证设备安全可靠地运行，就必须对它们进行定 时检查。同时，为了使这些技术能应用于批量商品生产，没有齐全的质量检测 手段是不行的。 另一方面，在影响材料和构件质量和安全性的诸多因素中，表面缺陷的危 害性极大，而隐藏在材料和构件亚表面的缺陷往往又是一些致命缺陷的起点， 更具有隐蔽性和危险性。比如大型涡轮机、核实验装备、大型军事装备、航天 飞机等一系列大型装备，它们的零部件所受力的强度都非常大，所以在每次使 用前都需要对它们进行详细地检测，否则可能会导致非常严重的后果。1 9 9 8 年 美国“阿洛哈”( a l o e ) 航空事件就是一个例子，飞机爬升到巡航高度时，飞 机客舱中段上方一大块天花板突然脱落，飞机瞬间变成了“敞篷跑车”，造成 了非常严重的后果，后经调查认为事故是因为飞机蒙皮表面下的铆钉脱落而造 成的，而导致铆钉脱落的主要原因就是因为金属疲劳。上海东方航空的“麦道 飞机事件”也是一例，后来经专家测试鉴定，起因是因为前起落架的销子中某 种金属成分含量过量，成分构成不合理，使销子内部产生裂缝，当飞机升至9 0 0 米高空后，销子断裂，导致起落架收放失效。可见，对亚表面裂纹或腐蚀进行 可靠的、定期的无损检测是非常有必要的。 ， 目前情况下，表面无损检测技术已经比较成熟，但对亚表面缺陷却没有理 想的检测手段。比较成熟的传统检测手段对亚表面缺陷的检测都有一定的局限 性。如渗透法只适于检测表面开口缺陷；) c ，1 ，射线照相法、超声波检测法等适 于探测深层内部缺陷；后来出现了磁粉检测和电磁感应检测，但是影响因素复 杂，分辨力也比较低，为了克服这个缺点，国内外曾经热过一阵子的激光冲击、 超声显微镜等新技术，也因为系统复杂、成本高、性能不理想等原因没有发展 成成熟技术。因此开展亚表面检测技术的研究，研制出针对亚表面检测的可视 化仪器，不但具有学术意义，而且具有重要的实用意义。 电涡流检测技术以其适用性强、非接触耦合、检测装置轻便、检测快速等 2 四川大学博士学位论文 优点而在冶金、化工、电力、航空、航天、核工业等部门得到较广泛的应用1 4 】。 本文所研究的磁光显微成像检测技术是综合利用动态法拉第磁光效应和电涡 流效应而提出的一种新的电磁涡流检测技术，它可以快速、精确地实现对表面 及亚表面细小缺陷的可视化无损检测，使“非可视现象实时可视化”。 本项研究以四川省科技攻关项目“脉冲涡流检测仪的研究”( 0 4 g g 0 0 6 - 0 2 2 3 1 和i 匹l j i l 省应用基础研究项目“利用磁光与涡流效应的可视化无损检测技 术的研究”( 0 2 g y 0 2 9 0 2 2 ) 为研究背景，受国家自然科学基金的资助，对磁光 显微成像检测技术中的光学成像系统、机械系统、脉冲信号系统、试验参数的 选择，试验样件的制作、试验图像的分析与处理等方面进行了深入的研究，并 做了大量的试验和分析，取得了预期的效果。 1 2 无损检测技术概述 无损检测是在不损害被检验对象使用性能的前提下，利用材料内部结构异 常或缺陷存在所引起的对热、声、光、电、磁等反应的变化来探测各种工程材 料、零部件、结构件等内部和表面缺陷，并对缺陷的类型、性质、数量、形状、 位置、尺寸、分布及其变化作出判断和评价。通过无损检测能够了解和评价材 料、产品、设备构件甚至生物等的性质、状态或内部结构等等，因此在工业生 产、物理研究、生物工程以及医疗诊断等广大领域获得极大的重视，并得到了 迅速发展。目前，无损检测技术通常的方法有渗透检测0 e n c t r a t et e s t i n g ) 、磁 粉检测( m a g n e t i cp a r t i c l et e s t i n g ) 、射线检钡1 ( r a d i o g r a p