1、磁光成像检测技术及其应用 Magneto-optic imaging（MOI）,自动化工程学院 程玉华 教授 2015.12.14,1,第一部分 无损检测概述 第二部分 MOI的发展现状 第三部分 MOI基本原理及构件 第四部分 仿真模型 第五部分 图像处理方法 第六部分 典型应用,目录 CONTENTS,磁光成像技术,2,“切开看瓜”有损,第一部分 无损检测概述,“隔皮猜瓜” 无损,3,航空航天、武器核工业、电站造船、铁路石油化工、锅炉压力容器建筑、冶金机械制造等,第一部分 无损检测概述,4,第一部分 无损检测概述,无损检测的方法和分类,目视检测 Visual Testing （缩写 VT）
2、； 超声检测 Ultrasonic Testing（缩写 UT）； 射线检测 Radiographic Testing（缩写 RT）； 磁粉检测 Magnetic particle Testing（缩写 MT）； 渗透检验 Penetrant Testing （缩写 PT）。,涡流检测Eddy current Testing （缩写 ET）； 漏磁检测 Magnetic flux leakage testing（缩写 MFL）； 磁光成像检测Magneto-optic imaging（MOI）,一、常规无损检测方法,二、新型电磁无损检测方法,5,第一部分 无损检测概述,无损检测方法比较,6,第
3、一部分 无损检测概述,7,第一部分 无损检测概述,缺陷信息特点：,检测信号微弱；信号耦合，情况复杂；电磁信号不可见,需求：,灵敏度高；信号解耦、成分分析、量化检测；可视化成像；,对比总结,8,第二部分 MOI的发展现状,1993美国航空航天局,2006法国航空航天研究院的线性磁光成像仪,国外发展现状,9,第一部分 无损检测概述,第二部分 MOI的发展现状,检测深度：3mm（铝材）,检测深度：3.125mm （铝材）,美国OI2公司的MOI308系列产品,10,第一部分 无损检测概述,第二部分 MOI的发展现状,国内发展现状,2007年四川大学周肇飞教授团队磁光成像平台装置图,本团队在光源、激励
4、源和磁光传感器等改进后提出的磁光成像系统,11,第二部分 MOI的发展现状,12,第三部分 MOI基本原理及构件,光源,激励源,起偏,检偏,成像,磁感应强度,被测对象,磁光传感器,磁芯,激励源,光源,应用示意图,3.1 磁光成像技术应用原理,外磁场是如何改变光波的传输特性的？,13,法拉第效应克尔效应磁线振双拆射(科顿一穆顿效应和瓦格特效应)磁圆振二向色性磁线振二向色性塞曼效应磁激发光散射,3.2 磁光效应,磁光效应是指具有固有磁矩的物质在外磁场的作用下电磁特性(如磁导率、 磁化强度、磁畴结构等)会发生变化，使光波在其内部的传输特性(如偏振状态、光强、相位、传输方向等)也随之发生变化的现象。,
5、第三部分 MOI基本原理及构件,14,3.2.1 自然旋光效应,1811 年, 阿喇果(Arago)在研究石英晶体的双折射特性时发现：一束线偏振光沿石英晶体的光轴方向传播时，其振动平面会相对原方向转过一个角度，如右所示。由于石英晶体是单轴晶体，光沿着光轴方向传播不会发生双折射，因而阿喇果发现的现象应属另外一种新现象，这就是旋光现象。,一定波长的线偏振光通过旋光介质时，光振动方向转过的角度 与在该介质中通过的距离 l 成正比:, 表征了该介质的旋光本领，称为旋光率，它与光波长、介质的性质及温度有关。,第三部分 MOI基本原理及构件,15,1846年，法拉第发现，在磁场的作用下，本来不具有旋光性的
6、介质也产生了旋光性，能够使线偏振光的振动面发生旋转，这就是法拉第效应。,3.2.2 法拉第效应,为法拉第效应旋光角为介质的厚度；B为平行与光传播方向的磁感强度分量；V称为费尔德(Verdet)常数,第三部分 MOI基本原理及构件,16,第三部分 MOI基本原理及构件,3.3 MOI系统构件,构件介绍与选择,3.3.4. 磁光传感器,3.3.1. 光源选择,3.3.2. 光路设计,3.3.3. 激励方式,17,3.3.1. 光源选择,第三部分 MOI基本原理及构件,对光源的需求：高方向性：利于传播，传输距离远。高单色性：利于法拉第效应旋转角度的量化和成像对比度。高亮度：经光路的衰减后，利于成像亮
7、度。相干性好：输出稳定性高。,18,第三部分 MOI基本原理及构件,3.3.1. 光源选择,一般光源（LED等）,激光 光源,光 源,半导体激光器,固体激光器,气体激光器,液体(燃料)激光器,优势体现在体积小，机械强度好，操作方便，但激光的效率和频率输出的稳定性不高,优点是能连续工作，工作越长激光的稳定性越好，单色性、相干性都非常好，而且价格低廉，操作简单，缺点是功率比 较低，且功率固定,优点是体积小、重量轻， 方向性、相干性较好，输出光源的功率可调，价格昂贵,输出波长可调，冷却简单，均匀性好，发散角较小，缺点是输出激光的稳定性差，不能长时间在高脉冲频率下工作。,激光单色性好，可避免不同波长偏
8、转角度不一致造成的图像模糊，提高图像清晰度,19,第三部分 MOI基本原理及构件,3.3.1. 光源选择,光源波长选择,实验所用磁光传感器：0.5mm的钆镓石榴石中加入3um的铋掺杂铁石榴石,可见光谱： 波长越小，光强传输比越低，而法拉第旋转角越大； 波长越大，光强传输比越高，而法拉第旋转角越小；,20,第三部分 MOI基本原理及构件,3.3.1. 光源选择,光强传输比高,法拉第旋转角大,灵敏度越高 成像效果越好,光源波长的最佳方案,21,第三部分 MOI基本原理及构件,3.3.1. 光源选择,由法拉第效应可知，不同介质的费尔德常数不同，因此在同一条件下，旋转同样角度所对应的最佳光源波长也不同
9、。,实验室选用的磁光薄膜材料（Bi：YIG 石榴石，主成分为：Y2.3Bi0.7Fe5O12；厚度：0.5mm； ）与上述实验的有所不同。实验室选用了波长为 632.8nm 的光源，且该波长属于可见光波段。半导体激光器和气体激光器中的氦氖激光器均满足要求，经下表对比，选用了气体氦氖激光器,波长： 632.8nm； 光斑直径： 0.8mm； 发散角： 1mrad； 功率： 4mW；,22,第三部分 MOI基本原理及构件,3.3.2. 光路设计,理想的光路示意图,23,第三部分 MOI基本原理及构件,3.3.2. 光路设计,光斑大小；激光光束很细，照射在磁光传感器上的光斑很小，造成单次可检测面积缩
10、小；入射角；磁光传感器（磁光薄膜）表面反射光会影响成像效果；,光路中存在的问题:,24,第三部分 MOI基本原理及构件,3.3.2. 光路设计,光斑解决方案-扩束镜,扩束原理图,北京卓立汉光（Zolix） 5 扩束镜，LBE633-5,扩束镜主要有两个用途：扩展激光束的直径减小激光束的发散角,25,第三部分 MOI基本原理及构件,3.3.2. 光路设计,入射角解决方案-布儒斯特角,布儒斯特定律,当自然光入射到介质表面时，反射光和折射光都是部分偏振光。,反射光中振动方向垂直入射面的成分比平行于入射面的成分占优势；,折射光中振动方向平行入射面的成分比垂直于入射面的成分占优势；,26,光从折射率为
11、n1 的介质射向折射率为 n2 的介质时，当入射角满足:,反射光就变为振动方向垂直于入射面的完全偏振光。而折射光仍为部分偏振光。,称为布儒斯特角,第三部分 MOI基本原理及构件,3.3.2. 光路设计,由布儒斯特定律可知，反射光为零,入射光为平行于入射面的线偏振光,入射角满足布儒斯特角,27,第三部分 MOI基本原理及构件,3.3.3. 激励方式,一、激励与漏磁场的关系,试件与缺陷一定的情况下：,激励的电流大小,磁轭的材料,绕线的匝数,决定,漏磁场强度,法拉第旋转角，成像效果,激励的频率 （直流、低频/高频交流）,？,28,激励源的磁轭、绕线匝数、电流大小-磁化,第三部分 MOI基本原理及构件
12、,3.3.3. 激励方式,无外磁场,顺 磁 质 磁 化,有外磁场,29,N为绕线匝数，i为电流，L为磁路长度,第三部分 MOI基本原理及构件,3.3.3. 激励方式,磁化率,相对 磁导率,绝对磁导率,铁磁材料有很大的磁导率。放入线圈中时可以使磁场增强102 -104倍。,决定材料,N决定匝数，i决定电流大小,L决定磁路长度,30,第三部分 MOI基本原理及构件,3.3.3. 激励方式,激励源的频率-趋肤效应,穿透深度（m） 角频率，=2f（rad/s） 磁导率（H/m） 电导率（S/m）,31,第三部分 MOI基本原理及构件,3.3.3. 激励方式,32,第三部分 MOI基本原理及构件,3.3
13、.3. 激励方式,二、漏磁场与缺陷的关系,表面裂纹,33,内部裂纹,第三部分 MOI基本原理及构件,3.3.3. 激励方式,内部裂纹深度越小,法拉第旋转角越大 成像效果越好,激励总磁场一定的情况,漏磁场垂直分量越大,34,要求试件饱和磁化 电量消耗大、缺陷信息量小,试件中磁场强度恒定、 涡流影响小、模型简单、 设备要求低,试件中磁场强度变化复杂 较深缺陷的检测困难,缺陷信息量丰富、 电量消耗小,针对磁性材料检测，本团队现提出低频交流激励，兼有直流与交流激励的优势。,磁性材料检测,非磁性材料检测,3.3.3. 激励方式,第三部分 MOI基本原理及构件,35,新型低频交流激励,传统的磁性材料缺陷可
14、视化检测中，直流激励和交流激励都有明显的缺点。新激励方法提供丰富的缺陷信息量、减小激励电量消耗、可覆盖较深缺陷。,低频信号激励使在一个周期内多点采样拍摄,原理方案,3.3.3. 激励方式,第三部分 MOI基本原理及构件,36,第三部分 MOI基本原理及构件,3.3.4. 磁光传感器,37,尽可能大的费尔德常数：提高磁光效应 磁光传感器的光吸收系数小，透射光反射强 磁光传感器尽可能薄：提高偏转角,第三部分 MOI基本原理及构件,3.3.4. 磁光传感器,38,第三部分 MOI基本原理及构件,3.3.4. 磁光传感器,39,无外磁场,有外磁场,磁畴：铁磁体材料在自发磁化的过程中为降低静磁能而产生分
15、化的方向各异的小型磁化区域,磁光薄膜中施加一定强度外磁场，磁畴的磁化方向发生转向，特有的纹理对缺陷检测有干扰,第三部分 MOI基本原理及构件,3.3.4. 磁光传感器,40,传统的磁光成像检测通过磁光薄膜折射，但由于其固有的磁畴结构，使图像传感器所成图像光强明暗程度差别不明显，造成斑点背景。,光在磁光薄膜中传播路径,磁畴影响下产生的斑点背景,第三部分 MOI基本原理及构件,3.3.4. 磁光传感器,41,仿真模型的作用：,1.将实验数据与仿真数据进行对比，验证方法的有效性 2.通过仿真数据优化系统参数,在磁光成像法中，被测量对象的特征被转化成能够被磁光传感器识别的磁场信息。因此在建立仿真模型时
16、主要针对的是被测对象中的电磁场，即是什么样的被测量特征会产生什么样的磁场信息。,常用的磁场建模方法：,有限单元模型,磁偶极子模型,第四部分 仿真模型,42,有限单元模型：,麦克斯韦方程,原理：基于麦克斯韦方程，将连续的空间划分成离散的单元，根据边界条件解微分方程。,特点：精度高、计算机要求高、运算速度慢,第四部分 仿真模型,43,磁偶极子模型：,原理：基于磁荷模型，根据磁荷分布计算缺陷处任一点的漏磁场强度。,特点：精度较高、运算速度快、计算机设备要求不高,第四部分 仿真模型,44,磁光成像的图像质量对被测信息的可视化效果有着决定性的影响，因此图像处理方法是该技术发展的重要分支。,磁光原始图像,
17、主要干扰源： 光照、噪声 磁畴及其畴壁,第四部分 仿真模型,45,基本原理：在处理图像过程中，只保留反应目标本身特征的信息，消除光照强度和照射不均匀性的影响。,retinex增强算法,原始图,经retinex算法增强的图像,参考文献：基于Retinex理 论的图像增强算法研究,第四部分 仿真模型,46,基本原理：一种非线性平滑技术，它将每一像素点的灰度值设置为该点某邻域窗口内的所有像素点灰度值的中值.,中值滤波算法,原始图,经灰度变换的图像,中值滤波之前需将图像灰度变换,第四部分 仿真模型,47,中值滤波算法,（a）常规中值滤波 （b）极值中值滤波 （c）加权中值滤波 （d）开关中值滤波 （e
18、）自适应中值滤波 （f）多阶段分层局部图像增强,缺陷信息,磁畴干扰,中值滤波无法消除磁畴的影响，对缺陷信息形成严重的干扰,第四部分 仿真模型,48,帧求差算法,参考文献：Motion-based filtering of magneto-optic imagers,通过作差法得到的图像,经过滤波处理之后再作差得到的图像,第五部分 图像处理方法,49,连通区域算法,将特征信息连通成有限个整体单元，面积较小的单元视为磁畴影响并消除，面积较大单元作为表示缺陷的有效特征。,本研究团队在图像处理中主要针对磁畴影响的消除，该连通算法能够有效抑制磁畴的干扰，突出了缺陷信息，有利于缺陷量化。,第五部分 图像处
19、理方法,50,检测飞机蒙皮、铆钉以及其他非磁性材料工件中的疲劳裂纹、腐蚀等缺陷,对象一,第六部分 典型应用,51,应用于飞机蒙皮、铆钉材料缺陷的磁光成像检测系统原理图,基本原理：基于非磁性金 属材料的涡流效 应将缺陷信息转 化成磁场信息并 利用磁光成像技 术转化成图像信 息。,对象一,第六部分 典型应用,52,在激光焊接过程中，跟踪低碳钢材料焊缝的位置以实现激光聚焦点的实时精确控制。,基本原理：将焊缝置于电 磁场中，磁光传 感器将由焊缝产 生的漏磁场转化 成图像信息，通 过计算机提取焊 缝的位置信息实 现激光的控制。,基于磁光成像法的激光焊接原理图,对象二,第六部分 典型应用,53,针对空气开
20、关在状态切换过程中产生的电弧，采用磁光成像法检测电弧的相关物理参数。,基本原理：利用磁光传感 器将由电弧产生 的磁场信息转化 成图像信息，并 从中提取出与电 弧物理参数相关 的特征信息。,基于磁光成像法的电弧检测原理图,对象三,第六部分 典型应用,54,检测飞机发动机、起落架以及其它铁磁性材料工件中的疲劳裂纹、腐蚀等缺陷。,对象四,第六部分 典型应用,55,应用于飞机发动机、起落架等磁性材料缺陷的磁光成像检测系统原理图,基本原理：施加于材料中 的直流或者低频 交流磁场在缺陷 处产生漏磁场， 将该磁场转化成 图像信息实现缺 陷的检测。,本研究团队正研究磁光成像法在磁性材料中的应用，应用磁偶极子模
21、型，采用低频交流激励，消除磁畴与磁畴壁的影响，实现磁光图像到漏磁场的影响，进而实现缺陷的量化。,对象四,第六部分 典型应用,56,谢 谢！,57,特征空间法：首先利用主成分分析法从一组训练集（无激励）图像中提取主成分，每一个主成分对应一个特征向量作为特征空间的一个基向量，构成多维特征空间。将一张检测图像（有激励）投影到该特征空间，得到一个坐标，再利用该特征空间重构该坐标所对应的图像。再做差。,58,自然旋光效应现象解释,不同旋光介质光振动矢量的旋转方向不同,并因此将旋光介质分为左旋和右旋。,1825年，菲涅耳对旋光现象提出了一种唯象的解释。按照他的假设,可以把进入旋光介质的线偏振光看作是右旋圆
22、偏振光和左旋圆偏振光的组合。,菲涅耳认为：在各向同性介质中, 线偏振光的右、左旋圆偏振光分量的传播速度 R 和 L 相等,因而其相应的折射率 nRc /R 和 nLc /L相等。,补充知识,59,而在右、左旋光介质中，右、左旋圆偏振光的传播速度不同,其相应的折射率也不相等。,在右旋晶体中,右旋圆偏振光的传播速度较快,R L ；左旋晶体中，左旋圆偏振光的传播速度较快，L R。,假设入射到旋光介质上的光是沿水平方向振动的线偏振光，按照归一化琼斯矩阵方法，可以把菲涅耳假设表示为,60,x 方向振动的线偏振光、振动方向与 x 轴成 角的线偏振光、左旋圆偏振光、右旋圆偏振光的标准归一化琼斯矢量形式分别为
23、：,如果右旋和左旋圆偏振光通过厚度为 l 的旋光介质后,相位滞后分别为,61,则其合成波的琼斯矢量为,引入,合成波的琼斯矢量可以写为,它代表了光振动方向与水平方向成 角的线偏振光。,62,入射的线偏振光光矢量通过旋光介质后，转过了 角:,x 方向振动的线偏振光,振动方向与 x 轴成 角的线偏振光,由(1)式和(2)式可以得到,63,(4)式还指出，旋转角度 与l 成正比,与波长有关，这些都是与实验相符的。,菲涅耳的解释只是唯象理论，它不能说明旋光现象的根本原因，不能回答为什么在旋光介质中二圆偏振光的速度不同。,这个问题必须从分子结构去考虑，即光在物质中传播时，不仅受分子的电矩作用，还要受到诸如分子的大小和磁矩等次要因素的作用。,64,
