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:

　　1)传感元件具有单轴磁性异向特性。在外磁场作用下,垂直于传感元件表面方向介质的磁化强度大,而平行于传感元件表面方向介质的磁化强度小。分别将这两个方向称为传感元件磁化的“易轴”和“硬轴”。

　　式中k为通过传感器的入射光波矢量,h为传感器的厚度,M为薄膜介质的磁化强度矢量,k,M分别为矢量的模。注意,M的方向总是“向上”或“向下”,并一直沿磁化的“易轴”方向。

　　如果一束线性偏振光垂直入射并穿过有恒定的磁化强度M作用的磁光传感器,并反射经过同样的区域,那么,相对于磁化强度矢量M的法拉第旋转角的积累与k·M成正比。即

　　因为ΔM=0,Δk=-2k,因此,在图2反射光路安排下,法拉第旋转角将是原来的2倍。这就增强了缺陷的磁光涡流成像的效果。

　　4　测试示例

　　4.1　参量设定

　　在磁光涡流成像检测中,选择适当的晶体材料的磁光传感元件、光波波长、外磁场强度和频率等参量,以获得最佳的检测效果。实验中的激光器为:功率12 mW(扩束型)半导体激光器,波长650 nm,红光,光斑直径为10 mm;磁光元件材料为Y2.3Bi0.7Fe5O12,尺寸为16 mm×1 mm;激励线圈用0.4 mm的紫铜丝绕制,线圈的电气参量如表1所示。

　　4.2　试验样件

　　用一块尺寸为120 mm×30 mm×10 mm的航空铝合金作为试件;样件正面有三个钻孔缺陷(盲孔),孔与孔之间以及孔与边缘之间的间隔均为5 mm,如图3所示。孔的直径分别为1.0 mm,1.5 mm,2.0 mm。孔深分别为9.5 mm, 8.5 mm,8.0 mm。铝件表面经精细加工,表面光洁,具有良好的反光性能。因为检测装置采用了反射光路安排(以增大法拉第旋转角,是原来的2倍),待测件表面质量好,成像中的噪声成分就少,对缺陷的检测准确性就高,这就增强了缺陷的磁光涡流成像的效果。钻孔标样的主要优点是简单,此类标样的制作和复制花费少,不需用昂贵的工具或机械,一个标样同另一个标样的响应一致性相当高,一般在百分之几以内,对缺陷检测敏感。

　　4.3　测试结果

　　实验测试结果如图4所示。用CCD摄像头记录线圈没有通电时航空铝合金背面正对缺陷孔位置的光学成像如图4(a)所示;然后,给线圈通以间隙式脉冲激励(方波),在样件上扫描,对于表层下深度分别为0.5 mm,1.5 mm,2.0 mm的孔缺陷扫描得到图4(b),(c),(d)三幅图像,从图中可明显看出,图像的光斑中含有一个圆形缺陷,且可以初步看出,在相同频率的激励下,缺陷孔距表面越近,其磁光成像就越是清晰(图4未经过图像处理)。

　　5　结　　论

　　新型磁光涡流成像检测装置综合利用法拉第磁光效应和电涡流效应,将缺陷引起的磁场变化转化为激光偏振光偏振面的变化,经过检偏器后再转换为光的强度变化,从而产生了“明”或“暗”的缺陷图形。这种方法不仅保持了传统涡流探伤方法的优点,而且用激光磁光传感元件取代了测量线圈,简化了传统涡流检测中的信号处理问题,实现了对亚表面细小缺陷的可视化无损检测。

　　磁光涡流成像检测的深度主要取决于涡流的渗透深度(与矩形脉冲信号频率有关),检测(成像扫描)面积的大小取决于激光光斑的直径大小。该检测技术特别适用于被检面积大(如飞机机身铝组件、钢和钛合金铝结构)的表层及亚表层缺陷(如腐蚀、靠近铆钉处的疲劳裂纹)检测,可实现微纳米级的精度测量[3,4]。

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　　作者简介:朱目成(1964—),男,四川成都人,博士研究生,主要从事光电检测与传感器的教学科研工作。E2mail: zmcheng@swust.edu.cn

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