摘要：提出一种适合于金属亚表面缺陷的可视化无损检测方法——磁光/脉冲涡流成像方法。该方法以脉冲信号激励产生涡流，以激光对被检测物体的照射取代传统涡流检测的线圈探头，通过磁光传感元件将缺陷引起的磁场变化转换成相应的光强度的变化，由传统的显微镜、照明系统、偏振器和 CCD 图像传感器组成的光学系统将光强变化转换为“明”或“暗”图像，实现了对缺陷的实时成像检测。本文论述了磁光/脉冲涡流实时成像检测机理，给出了一种实验装置。通过对金属表面/亚表面缺陷实验，表明该检测方法快速、准确，可实现微/纳米级缺陷的成像检测。
引 言
近年来，表面无损检测技术已经比较成熟，但对精细表面下(0.5~7mm) 的亚表面细小缺陷的快速、可视化检测却还没有理想的检测手段[1]。在已有的可用于亚表面缺陷成像检测的方法中，扫描电声显微镜要通过对成像信号的相位调节选取，在调制频率不变的情况下，才能实现对亚表面结构分层成像;热波成像也要通过改变调制频率，以得到不同深度上的热波的剖面像才可以对试样亚表面缺陷进行无损检测;超声显微镜的 C 扫描能够获得表面裂纹的表层和亚表面二维声学图像，由此可直观地看出裂纹的形状、分布和走向，并可获知裂纹在不同层面上的尺寸，据此可快速、准确地对缺陷进行定性和定量，能够为构件的安全评定和寿命评估提供切实可靠的依据。但以上的这些检测方法，系统都比较复杂、成本较高、对试件或环境有一定的特殊要求。而磁光/涡流成像(Magneto-optic/Eddy Current Imaging 或 MOI)检测技术，是国外20 世纪 90 年代开始研究的新的无损检测方法[2-7]，其采用传统的涡流激励方式，主要用于表面缺陷(裂纹、腐蚀) 的成像检测。与前面的几种成像检测方法相比，MOI 方法的最大优点就是检测速度快、准确，不需要清除表面覆层就可以进行检测。在 MOI 的基础上，提出一种利用脉冲信号激励产生涡流，以激光作为光源，以激光对被检测物体的照射取代传统的线圈探头的磁光/脉冲涡流成像( Magneto-optic/ Pulsed EddyCurrent Imaging 或 MOPI ) 检测方法，它不仅适合于金属表面、也适合于亚表面缺陷的快速、准确、可视化的检测。本文在分析了磁光/脉冲涡流实时成像检测机理的基础上，建立了的实验装置，给出了表面、亚表面缺陷成像检测的实验结果。
1 成像检测机理
1.1 磁致旋光效应
1845 年，法拉第(M. Faraday) 在实验上发现，当一束线偏振光通过非旋光性介质时，如果在介质中沿光传播方向加一外磁场 H (磁场强度为 B)，则光通过介质后，光振动的振动面转过一角度θ，这个磁场使介质产生旋光性的现象，称为法拉第效应或磁致旋光效应。转角θ 在材料确定的情况下，主要与光的波长、外磁场的强度、光在介质中经过的路程有关，转角度θ 的大小为[2]
式中B 为外磁场强度(A/m);l 为介质中的光程(m);V 为费尔德(Verdet)常数(rad/A)。上式说明，对于给定的介质，光振动面的旋转方向仅由磁场 B 的方向决定，与光的传播方向和 B 同向或反向无关,利用这一特点，可使光在介质中往返数次而使旋转角度加大[2-4]。
1.2 磁光/脉冲涡流成像装置
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，透射偏振光经法拉第磁光元件、物镜、1/4λ 波片后从被测导体表面返回，再一次经过 1/4λ波片、物镜、法拉第磁光元件，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 PBS 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，如图1 所示。
实验装置中的法拉第晶体(FRG) 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。图1 反射光路安排下，法拉第旋转角将是原来的2倍。这就增强了表面或亚表层缺陷的MOPI成像中的图像-背景对比度。该装置的核心部件，一是磁光传感元件，二是脉冲涡流激励，三是适当的光学成像系统[8]。
1.3 磁光传感元件
在MOPI 装置中的磁光传感元件是一个在厚度为 0.5mm，直径为 40mm 的 GGG 基体上生长一层厚约0.3μm 的掺铋铁石榴石薄膜。该传感元件薄膜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”。当磁化“易轴”方向的磁场减小为零后，磁光传感元件仍然将保持已有的磁化强度不变，即磁光传感元件具有“记忆”特性。传感元件材料较其它光学玻璃有更高的法拉第旋光率，以便在磁场的作用下光经过薄膜后获得更大的偏转角度。
1.4 脉冲涡流激励方法
磁光/脉冲涡流检测仪器中，要求在试件中产生与传感器尺寸相当或稍大点的均匀层状涡流。1962 年Jackson 给出了法拉第感应定律另外一种形式，也就是：
上式表示，任何导电率为σ 的导体接近一时变磁场(强度)B 时，将感应一时变的电场(强度)E，那么，导体中的时变电流密度为
根据Lenz 定律，涡流总是产生与原磁场 B 方向相反的磁场，且也产生电流密度，从表面到体内按指数规律逐渐减少，即：
式中z 为导体表层下的深度，z≤0;δ 为取决于导体磁导率和电导率的导体集肤深度;J0为导体表层的电流密度。
如果使磁场以及层状电流与磁光传感元件的“硬轴”方向保持平行，这就意味着，在试件中没有缺陷或腐蚀时，磁场感应的涡流将对传感器的磁化强度产生很小影响甚至没有影响。因此，仅仅只有由缺陷、腐蚀等产生的相对弱的磁场(平行于磁光传感元件“易轴”) 才能被传感元件检测到并成像。由于采用了间隙式脉冲涡流激励方式，有效地避免了线圈中由于大电流通过而产生的过热现象。
1.5 成像过程
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，则缺陷处的涡流流动将发生变化，并引起该处的垂直磁场发生变化，此时，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，经光学系统、CCD 转换为“明”或“暗”图像，即实现对缺陷的实时成像。要实现对缺陷的磁光/脉冲涡流成像，在操作上就必须注意施加的各种信号之间的时序关系。首先，在围绕磁光传感器的偏压线圈中加上一定宽度的脉冲电流信号，以便清除磁光传感元件上先前的图像，并使其视场背景亮度均匀。其次，在清除磁光传感元件上先前的图像的脉冲信号之后，在激励线圈中加上大小恒定的偏流，从而形成磁偏场;与此同时，接通施加到线圈上的矩形波脉冲激励信号(通过一变压器) 电源，使被测物体(导体) 感应出涡流。该过程中矩形脉冲电流和偏流同时作用。如果被测导体中有缺陷，则可观察到缺陷的像[3]。然后，断开激励电源，由于磁光传感元件具有磁记忆功能，所以图像将一直保持直到在偏压线圈中再次通过用于清除先前图像的电脉冲。图2 给出了这三种信号在时序上的关系。
2 实 验
在磁光/脉冲涡流成像检测中，选择适合的晶体材料的磁光传感元件、光波波长、外磁场的强度和频率等参数，以获得最佳的检测效果是必要的。实验中的激光器为：功率12mW(扩束型) 半导体激光器，波长650nm，红光，光斑直径为 10mm;磁光元件材料为：Y2.3Bi0.7Fe5O12，尺寸 Φ40mm×0.5mm;激励线圈用0.4mm 的紫铜丝绕制。
2.1 表面凹槽缺陷成像
实验样件(凹槽缺陷标样)是尺寸为 200mm×50mm×10mm 的铝板，表面采用线切割加工，槽宽0.5mm、深度分别为0.5mm、1.0mm、2.0mm的凹槽缺陷。在激励线圈为 1000 匝，线圈电压 10V，电流2.5A，方波信号的频率分别为1500Hz、2000Hz、3000Hz、4000Hz 的实验条件下，对凹槽深度为1.0mm 的标样进行成像检测实验，得到该凹槽缺陷标样的一组 MOPI 图像，如图 3 所示。对这四张图像分析不难看出，在其它参数保持不变的情况下，改变线圈激励信号频率，就会改变 MOPI图像的效果。上述的图像中，当脉冲方波激励频率为3000Hz 时，其图像清晰、对比度强、缺陷图像明显。
2.2 盲孔(亚表面)缺陷成像
用一块尺寸为120mm×30mm×10mm 的航空铝合金作为试件，铝件表面经精细加工。样件正面有三个钻孔缺陷，孔的直径分别为Φ1.0mm，Φ1.5mm，Φ2mm，孔为盲孔，孔深分别为 9.5mm、9.0mm、8.5mm。激励线圈的电气参数如表1 所示。
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图4(a);然后，给线圈通以间隙式脉冲激励(方波)，在样件上扫描得到图4(b)、4(c)、4(d)三幅图像，明显看出磁光图像的光斑中含有一个圆形缺陷。初步可以看出，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。
3 结 论
以激光为光源，以脉冲信号激励产生涡流，将法拉第磁光效应和涡流效应紧密结合的磁光/脉冲涡流实时成像检测是一种提高检测速度、使缺陷检测结果实时、可视化的现实、可行的无损检测新方法。磁光/脉冲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，在目前的实验条件下，该方法可实现微纳米级的精度测量[2-4]。
参考文献：
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基金项目：四川省应用基础研究项目(02GY029-022)
作者简介：王雅萍(1963-)，女(汉族)，河北承德人，副教授，主要研究方向为测试技术与传感器。E-mail: wangyaping@swust.edu.cn
