磁光成像技术在航空构件涡流检测中的应用

　　1　引言

　　涡流检测是采用一个载有交流电的线圈靠近被测导电试件,通过观察因导电试件中产生的涡流而感应的反磁场引起的线圈阻抗的变化来实施的。线圈阻抗的变化通常采用涡流显示仪显示探头的阻抗轨迹来进行。这种方式可以有效地发现缺陷,但并不直观。采用磁光/涡流成像技术可在电视监控器上得到材料裂纹和腐蚀的实时图像,使涡流NDE技术获得新的改进,这种方法加快了检测的执行速度并增强了对信号解释的可靠性。

　　2　磁光/涡流成像检测原理

　　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,如图1所示。

　　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,其计算式为:

式中:θf为法拉第旋光率;K为通过旋光介质的入射光波矢量;h为旋光介质的厚度;M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θ的大小只与磁化强度矢量M有关。因此,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　磁光/涡流成像的物理模型

　　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,为此可采用如图(2)所示的装置[2]。

　　图2中的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交流电,则次级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。