1、华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院1http:/www.hust,edu,cn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高频交流电的线圈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光/涡流成像检测技术。磁-
2、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。无损检测技术华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院2http:/www.hust,edu,cn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
3、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华中科技大学机械学院3http:/www.hust,edu,cn（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）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
4、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华中科技大学机械学院4http:/www.hust,edu,cn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，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
5、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华中科技大学机械学院5http:/www.hust,edu,cn=()/()式中:为法拉第旋光率；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
6、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华中科技大学机械学院6http:/www.hust,edu,cn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
7、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，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华中科技大学机械学院7http:/www.hust,edu,cn光源发出的光经起偏器变为线偏振光投射到磁
8、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。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华中科技大学机械学院8http:/www.hust,edu,cn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
9、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华中科技大学机械学院9http:/www.hust,edu,cn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
10、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，
11、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华中科技大学机械学院10http:/www.hust,edu,cn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
12、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华中科技大学机械学院11http:/www.hust,edu,cn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
13、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
14、的石榴石材料主要有单晶聚合态和薄膜态两种。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华中科技大学机械学院12http:/www.hust,edu,cn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。铁磁性铁石榴石的典型响应
15、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华中科技大学机械学院13http:/www.hust,edu,cn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
16、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,其大小由磁介质的形状及尺寸决定。以薄壁筒形聚合石榴石传感器为例,退磁因子是薄壁筒长度与直径的比值的函数。在晶体材料的结构和成分以及操作温度一定的情况下,磁光灵敏度可通过减小eff或sat来增大。因此在消除eff受/和长度的影响后,灵敏度便能被归一化,并可在不同的石榴石成分间进行比较。一般聚合石榴石的归一化长度灵敏度表示为:=eff/（4）华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院14http:/www.hust,edu,cn对钇铁石榴石(3512或)而言,在1.3波
17、长时,0.14/.如果用镓来取代铁(34a112)就能将增大到0.6/.对于薄壁筒形石榴石,退磁因子和归一化磁光灵敏度结合起来可以评价磁灵敏度。晶体可被附着在端面上来提供更长的长度和更高的灵敏度,因为对于链接增长的晶体而言其eff更小。相邻的晶体甚至在不接触时仍会因退磁效应而显示出灵敏度的变化。这种邻近效应能增大小距离间隔的晶体的灵敏度,如图所示。该图显示了在1.3波长时测量得到的一束穿过两个共轴线的薄壁筒(=2.5,=2)的光束的磁光灵敏度。从图中可以看出,随着晶体间隔的增大,有效退磁因子eff将减小,导致归一化磁光灵敏度也随之减小。华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院15http:/w
18、ww.hust,edu,cn磁光灵敏度的温度稳定性 对磁光传感器而言,传感系统的磁光灵敏度的温度稳定性也是一个重要的问题。（一因为在磁光涡流检测中,用以激励涡流的大电流将在靠近传感器的导体试件上产生大量的热,从而导致传感器的温度也随之升高,所以在操作中sat的温度稳定性是同样重要的。而sat的变化源于饱和磁化受温度的影响。在1 3这一对磁光传感器有效的波长处,34a112(sat3.2,4sat400)的灵敏度在温度从23变化到115时,变动不到5%。温度稳定性同样受传感系统的光学设计的影响。当检测光束的直径等于薄壁筒交叉部分的大小时,石榴石晶体的灵敏度非常稳定。采用较小直径的光束检测面时,则
19、显示出有不稳定的响应,这是因为单个磁畴的作用与总体平均的不同。图显示了在1.3波长时,用0.5直径的光束以不同位置入射在2直径的晶体上所测得的法拉第旋转(以归一化灵敏度表示)。虚线1表示穿过入射面的水平扫描,实线2表示穿过入射面的垂直扫描。由图可见,垂直入射时灵敏度的波动比水平入射时的大,这是因为垂直入射的有效光径比水平入射的要小。华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院16http:/www.hust,edu,cn一束沿直径为2的筒以不同方位入射的直径为0.5的光束的法拉第旋转华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院17http:/www.hust,edu,cn石榴石薄膜传感器的线性度 对于
20、铁石榴石薄膜而言,只要具有比较理想的传感器参数,便可制成结构适用的磁光传感器。例如,近年出现了在-2080温度范围内磁光温度变动小于0.5%的石榴石薄膜,可以用液相外延法(LPE)生成,并已在磁光传感器中得到广泛应用。石榴石薄膜能沿与薄膜平面相垂直的磁各向异性易轴方向生成。这种薄膜有盘旋状或其它形状的磁畴结构,并能象法拉第旋转一样引起入射光线的衍射。当薄膜被用于偏振系统时,衍射能引起非线性响应,且响应阶次已知。用一透镜依阶次(直到并包括2阶)来聚集并检测光线,证明能够提高线性度。这种改进的设计对于60z磁场(直到磁场强度接近100/)有1%的线性。华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院18h
21、ttp:/www.hust,edu,cn石薄膜传感器的电流传感应用 石榴石薄膜传感器主要被用作磁场传感器,但将它们耦合到一个环绕在导体上的开口环形线圈时也能用来测量电流。这种传感器目前主要用于电缺陷的检测,并且能够满足电流测量在整个操作范围内至少1%的精度要求。据报道,改进的石榴石薄膜传感器在0.1533/场强之间对60的磁场显示出有高于1%的线性度,且在-2080的范围内有2%的温度稳定度,这表明这些传感器能很好地用于测量。华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院19http:/www.hust,edu,cn石榴石薄膜磁光传感系统 一个简单的没有偏振片的传感器能利用从盘旋状的薄膜磁畴发出衍射
22、光,并用光纤作空间滤色镜来制成。当饱和场与所用薄膜垂直时,光线不发生衍射,而是以高传导率耦合到接收光纤中。对于小场而言,磁畴引起光损耗就象从接收光纤中散射出光线。当薄膜磁畴形成一个二元磁格时,传导率为：Tcos2f,sat+(/sat)2sin2f,sat （5）对于f,sat=90的薄膜来说,可以调节到最大。在这种情况下,传导率与场呈二次型变化。然而,对于小场而言,要求采用偏转以获得高灵敏度。衍射型薄膜传感器可以不用偏振片,但要有一个光源、检测器、22耦合器、透镜和反射型石榴石薄膜。最近,出现了更简单的去掉22耦合器和检测器的传感器系统。在这个系统中,当应用连续电流时,通过检测激光器的极限电压可检测折射回激光器的光线。因此,激光器可同时发射并检测光线。但这种方法显示出偏振效应,可能要求在系统中进行必要的补偿。华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院20http:/www.hust,edu,cn铁石榴石晶体可被用做磁光传感器以感应磁场的变化,采用高灵敏度的聚合石榴石晶体也能测量交流电流和场。在磁光传感器的应用上,石榴石晶体薄膜显示出了较高的磁光灵敏度和较宽的温度稳定范围。位置和旋转,与电流和磁场一样,也能用偏振测量法或衍射调制法来测量。新型石榴石材料的开发将为石榴石薄膜磁光传感器的应用开辟更广阔的前景
