其他检测技术

一、磁记忆检测技术

1. 磁记忆检测技术原理

任何物质都是由原子组成的，而原子又是由原子核和电子组成的。电子不停地做两种运动，即环绕原子核的运动和本身的自旋运动。这两种运动可看作形成了一个个闭合电流，由此将产生一个个磁矩，这些磁矩便产生磁效应。一般将由电子绕核运动产生的磁矩称为轨道磁矩，而电子的自旋运动产生的磁矩称为自旋磁矩。铁磁性物质的自旋磁矩在无外加磁场的条件下自发地取向一致，这种行为称为自发磁化。铁磁体在被磁化之前，其内部早已存在自发磁化的小区域，这些自发磁化了的小区域称为磁畴。在外加磁场磁化前，磁畴的磁化向量是无序分布的，总磁矩为零；被磁化后，在外加磁场的作用下，磁畴取向于磁场方向，铁磁物质便表现出强烈的磁性。评价组成不同物体的物质的磁性大小，常用单位体积中的磁矩来表示，称为物质的磁化强度M。

计算漏磁场的分布如图10−9所示。

图10−9 漏磁场分量的空间分布曲线

（1）漏磁场垂直分量Hy/Hoy−x 曲线在中点（即应力集中点）有过零值点，且靠近中点两侧各有一个大小相等、正负相反的极值。

（2）漏磁场的水平分量Hx/Hox−x曲线与纵轴对称，在中心处有极大值。

磁记忆检测仪正是基于漏磁场强度的法向分量Hp（y）改变符号的性质，通过对Hp（y）过零点的检测来判断应力集中的部位，对有可能形成缺陷的部位实行早期诊断。

2. 磁记忆检测仪器

磁记忆检测仪器是基于磁记忆效应原理开发出来的无损检测设备，它与其他电磁检测设备一样，都是由传感器、主机及其他辅助设备组成的。如图10−10所示为典型的磁记忆检测仪器的原理框图，它包括由磁敏传感器、温度传感器、测速装置组成的探头，由滤波器、放大器及A/D转换器等组成的信号处理电路，显示及键控装置，CPU系统等。其中，传感器是磁记忆检测仪器中相当重要的部件，传感器性能的好坏对检测结果的影响非常大。

图10−10 磁记忆检测仪器的原理框图

3. 磁记忆检测的应用

金属磁记忆方法的本质为漏磁检测方法。金属磁记忆法具有高灵敏度（能按危险程度对缺陷和应力集中区加以分类）的特点，能够区别出弹性变形区和塑性变形区，能确定金属层滑动面位置和产生疲劳裂纹的区域，能显示出裂纹在金属组织的走向，确定裂纹是否继续发展。磁记忆检测是继声发射后第二次利用结构自身发射信息进行检测的方法，能提供被检测对象实际应力—变形状况的信息，并找出应力集中区的形成原因。当然，该方法目前不能单独作为缺陷定性的无损检测方法，在实际使用中，必须辅助以其他的无损检测方法。

磁记忆检测方法的主要优点如下：

（1） 不需要清理金属被测表面或做其他准备工作，可以在保持金属原始状态下进行检测。

（2） 传感器和被测表面间不需要充填耦合剂，传感器可以离开金属表面。

（3）不需要采取专门的充磁装置（即不需要主动励磁设备），而是利用管道工作过程中的自磁化现象。

（4）应力集中点是未知的，可以准确地在检测过程中确定。

（5）检测仪器体积小、质量小，有独立的电源及记录装置，检测速度快。

金属磁记忆方法的应用和发展有以下几方面：研究金属的物理和力学性能；各工业部门中技术对象的检测和诊断；在制造过程中检测机械零件质量；检测修理工艺质量；建立各种设备部件状态的数据库；完善检测装置和处理检测结果的软件；检测方法的标准化等。

1）管道的磁记忆检测

机械应力集中是各种不同用途管道（包括电站汽、水管道，油管道等）破坏的主要原因。现有的无损检测方法只能用于査找常见的缺陷，而不能进行管道的早期诊断。利用金属磁记忆检测新技术可以检验管道外表面和管道金属内部的应力分布状态，以达到早期诊断的目的。

采用磁记忆检测方法对管道进行诊断，是沿着管道表面探测散射磁场Hp的法向分量，通过对金属残余磁特性的分析，指示管道工作应力与残余应力作用下的应力集中区域。

管道磁记忆检测方法的应用范围如下：

（1）找出在最大应力条件下易损伤的管段、弯管及坡口。

（2）评估管道及其支、吊架系统的实际应力变形情况。

（3）确定管道金属腐蚀、疲劳、蠕变等正在加剧的最大应力集中区域。

（4）找出管道的卡死部位，确定支、吊架系统及固定系统不正常工作的情况及原因。

（5）确定管道的监测部位，以观察其以后运行中的情况。

（6）缩小管道检验工作量及检验时间，减少管道更换量。

（7）利用典型金属样品确定实际使用寿命。

2）磁记忆检测方法在对接焊缝中的应用

各种不同工艺用途的管道和容器以及重要结构的焊接接头会突然发生脆性疲劳损坏，有时会导致具有重大后果的严重事故。现有的常规无损检测方法不能在破坏前期实现对焊接接头的早期诊断。而制造厂对焊接接头进行检测时，基本任务也是找出超过允许标准的具体缺陷。当应力等级和均匀性、几何形状偏差、焊缝组织变化、塑性变形以及其他因素对焊接接头的可靠性产生影响时，必须采取从整体上对接头状态进行鉴定的诊断方法。

采用磁记忆检测方法可以实施对焊缝状态的早期诊断。根据磁记忆检测原理可知，在焊接接头中其他条件相同的情况下，焊缝中会有残余磁化现象产生，其残余磁化分布的方向和性质完全取决于焊接完成后金属冷却时形成的残余应力和变形的方向与分布情况，因此在焊缝的应力集中部位或在金属组织不均匀处和有焊接缺陷的地方，散射磁场的法向分量Hp具有突跃性变化，散射磁场Hp改变符号并具有零值。这样，通过读出在焊接过程中形成的散射磁场，就可以完成对焊缝实际状态的整体鉴定，同时确定每道焊缝中残余应力和变形以及焊接缺陷的分布。

二、磁光/涡流成像技术

1. 概述

磁光/涡流成像（Magneto-Optic Imaging，MOI）技术运用了涡流感应和法拉第磁光效应，在被测试件中的磁光成像区域产生直线流动、均匀分布的层状电涡流，如果试件中被成像区域有缺陷，则缺陷处电涡流的流动将发生变化，从而引起该处磁场发生变化，再用磁光传感元件将磁场的变化转换成相应发光强度的变化，即可对缺陷进行实时成像。

法拉第磁光效应的原理简述如下：以平行于外磁场方向传播的线性偏振光传播穿过磁场中的旋光介质时，其偏振平面会被扭转，如图10−11所示。由光源发出的光通过起偏器后变成线性偏振光（检偏器的透光轴方向与起偏器一致）。如果没有施加外磁场，线性偏振光传播穿过旋光介质时其偏振平面不产生转动，线性偏振光将全部通过检偏器；如果施加了外磁场，线性偏振光在传播穿过磁光介质时，其偏振平面将发生转动，而只有与检偏器透光轴平行的光分量才能通过检偏器，故此时在检偏器后观察到的发光强度将会减弱；如果光的偏振平面与检偏器透光轴垂直，将没有光线通过检偏器。

图10−11 法拉第磁光效应

法拉第旋光度定义为磁光片光偏振平面的旋转角度θ，其计算式为：

式中 fθ ——磁光片的法拉第旋光率，（°）；

K ——通过旋光介质的入射光波矢量；

h ——旋光介质的厚度，mm；

M ——旋光介质的磁化强度矢量。

由式（10−13）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有关。为了提高检测的灵敏度，磁光/涡流成像装置通常采用法拉第旋光率 fθ或其他磁性晶体作为旋光介质。典型的磁光传感元件有在直径为3 in[1]、厚度为0.02 in的钆镓石榴石（GGG）晶体上生长一层厚度约为3 µm的掺铋钇铁石榴石晶体薄膜。

2. 磁光/涡流检测装置

磁光/涡流检测成像装置如图10−12所示，成像装置由光源、起偏器（提供偏振光）、偏压线圈（用于清除磁光片原来记忆的图像）、涡流线圈及涡流电源（提供磁光片旋转所用磁场，即涡流产生部分）、磁光敏感元件（磁光片、背面带光反射层）和检偏器（显示光学图像）等部分组成。

工件中涡流产生部分如图10−13所示。变压器的初级线圈、次级线圈由薄铜片制成，次级产生的涡电流为280～350 A。磁光片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。

图10−12 磁光/涡流检测成像装置

1—重叠接合部件；2—偏压线圈；3—起偏器；4—光源；

5—检偏器；6—磁光传感器；7—感应铜片

图10−13 涡流线圈示意

1—次级线圈；2—变压器；3—初级线圈；

4—导电铜片；5—感应电涡流

由光源发出的光经起偏器变为线性偏振光，投射到磁光传感元件上，光线通过传感元件后，经反射层反射回来再次穿过磁光传感元件，故光矢量偏振平面的偏转角为2 θ。

成像过程为：先在围绕磁光传感元件的偏压线圈中加上宽度约为0.001 s的电脉冲，清除磁光片原来记忆的图像，调节检偏器的角度，在检偏器视场呈现均匀的最高亮度。随后涡流线圈和偏压线圈轮流通电，在涡流线圈通电后，偏压线圈通电前，当检测到该区域有缺陷时，由于缺陷使涡流的电流流动路径发生变化，从而引起该局部区域的磁场发生变化，并使线性偏振光在通过磁光传感元件的相应部位时产生不同的旋转角度，在检偏器上便能观察到表示缺陷存在的图像。由于传感元件具有“记忆”能力，所以图像将保留，直至在偏压线圈中再次通过电脉冲。成像时图像的刷新时间为 1/26 s，检测过程中涡流线圈的通电时间仅为检测周期的20%，这可有效避免涡流线圈中由于大电流通过而产生的发热现象。

一个实际缺陷的磁光/涡流成像情况如图10−14所示，在图中可看到涡流线圈和被测试件中的电流轨迹。在一个完整的电流周期中，用实线来表示前半周期（或正半周）电流，用虚线来表示后半周期（或负半周）电流。试件中感应涡流的畸变是由于被测试件的不连续性（如洞、铆钉或裂纹等）引起的，通常会产生一个垂直于被测试件表面的可检测的磁场。注意，只有这个磁场才位于平行于磁光传感元件的磁化易轴方向，故此才能由磁光传感元件检测出来。图中还分别用实线和虚线描绘出对应于一个完整的电流周期的正半和负半周期间在被测试件中感应涡流产生磁场的垂直分量。这些时变电磁场通常与裂纹或腐蚀等缺陷相联系，且在该装置所采用的频率下能轻易穿透薄（相对于被测试件的表皮深度而言）铜片（涡流线圈），所以能影响磁光传感元件的磁化状态。

图10−14 缺陷及其磁光/涡流图像

1—感应涡流；2—缺陷；3—工件；4—导电铜片上的层状电流；

5—反射表面；6—磁光传感器及图像

3. 磁光/涡流成像检测技术的特点

（1）可对表面和近表面缺陷进行快速实时成像检测。检测的深度主要取决于涡流的渗透深度，成像的清晰度则受缺陷深度影响，缺陷越深，成像越不清晰。

（2）探伤准确度高。研究表明，磁光/涡流成像技术的探伤性能等同甚至优于采用的常规涡流方法。

（3）探伤效率高。磁光/涡流实时成像一次即可完成对磁光传感元件覆盖区域的检测，其探伤速度为常规涡流方法的5～10倍。

（4）检测前不需对油漆或贴花纸等表面覆层进行清除。因为磁光/涡流成像的质量不受小距离（0.04 cm）的影响，而常规涡流检测则必须对表面覆层进行清除。

（5）检测的结果图像化，直观易懂，且操作直接简便，检测人员经短期培训基本上即可胜任检测工作。

（6）检测结果很容易用录像进行保存或直接用电视屏幕进行监测。

磁光/涡流成像检测技术自20世纪90年代初开始引入无损检测，发展得相当迅速。目前主要用于航空部门对飞机进行维修检查，可对表面及近表面的疲劳裂纹、腐蚀损伤等缺陷进行实时成像检测，具有快速、直观、准确、结果易于记录等特点。