精细表面下细小缺陷的磁光/涡流成像研究

　　0　引言

　　近年来,由于激光和光电技术在信息与军事技术方面的飞速发展,出现了探测精细表面下细小缺陷的难题。一方面零件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,但对精密表面以下的亚表面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无能为力,如渗透法只适于检测表面开口缺陷;χ、γ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[1,2]。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。磁光/涡流显微成像技术,是一种新兴的涡流无损检测方法[3],综合应用了电涡流效应与法拉第磁致旋光效应,目标是实现对亚表面细小缺陷的可视化无损检测。对不可视效应的可视化研究是目前一个重要研究方向,这既是信息技术的任务,也是我们课题研究的出发点。

　　磁光/涡流显微镜的原理是:交流激励线圈在金属试件上感应出涡流,因为磁性物体表层缺陷会改变涡流场分布,相应地改变涡流激发的磁场;激光穿过集成于该线圈中的旋光晶体时,偏振方向发生偏转;通过检偏器来实现对裂缝的无损可视化检测。选择合适的光路,就可以以高空间分辨率实现磁场实时测量。这个光学系统包括传统的显微镜。照明装置、分光镜和CCD摄像机。本文作者介绍了基本物理原理和新型传感器的设计,并通过实验获得的数据效果与传统涡流传感器进行比较。

　　1　基本原理

　　1·1　涡流效应

　　当线圈通以交变电流i时,将产生交变磁场Ф,该磁场使被测导体产生电涡流i2,而该电涡流又会产生与线圈磁场方向相反的磁场Ф2,如图1所示,这就是交变磁场作用下的电涡流效应。因为Ф2对线圈的电参数会产生影响,也会对交变磁场Ф产生影响,通过观察这些参数的改变,可以测出材料内的缺陷甚至硬度等。

　　1·2　法拉第磁光效应及应用

　　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,光(指电矢量)的振动面会偏转一角度θ,这种磁场使介质产生旋光性的现象,称为法拉第磁致旋光效应或法拉第磁光效应。图2说明了这一效应的大意[4]。通过对自然旋光现象和法拉第磁光效应的研究,我们得知,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、频率以及磁化强度等参数有密切的关系。法拉第旋转角θ为