基于低频正交激励的磁光成像缺陷检测研究

发布时间：2020-04-13 05:54

【摘要】：碳钢因其强度高、塑性好、耐冲击、性能可靠等特点,在石油、化工、电力等领域的设备关键构件中应用广泛,其结构损伤检测和健康状态评估对质量控制和安全可靠运行具有至关重要的作用。磁光成像检测作为一种直观、可视化无损检测技术,在缺陷检测方面得到了广泛的研究和应用。然而,当前磁光成像技术的研究主要针对直流、工频或者涡流激励展开,受材料磁滞和成像技术的限制,磁光图像频谱单一,只能识别简单形状缺陷;而实际构件中缺陷形状复杂,当前检测技术无法准确有效识别。为此,本文在国家自然科学基金委的资助下,从磁光成像检测方法的理论、模型、检测平台、识别方法等四个方面,开展基于低频正交激励的磁光成像复杂形状缺陷检测研究,主要研究内容和创新点如下:(1)以分子环电流模型为基础,构建了漏磁场螺线管模型。深入研究磁偶极子模型和分子环电流模型,分析二者优缺点,构建基于环电流的螺线管模型。在理论上,该模型克服了磁偶极子模型高度依赖于磁荷分布的设定的问题,分析了磁阻、试件端面、内部环电流等对环电流模型的影响机理,解决了大试件小缺陷仿真难题,验证了漏磁场螺线管模型的有效性和准确性,而且指出了同等仿真精度下,螺线管模型的计算速度优于有限元方法。为了实现交变激励下缺陷漏磁场动态建模,引入Jiles-Atherton(JA)磁滞回线,构建交变激励下缺陷漏磁场动态螺线管模型,为复杂形状缺陷的检测提供了可靠的理论模型。(2)以螺线管相互作用力为依据,提出了复杂形状缺陷的螺线管模型,研究了正交磁场下复杂形状缺陷的漏磁场分布规律。针对实际构件中缺陷方向和形状的未知性,分析了单向激励情况下,简单缺陷和复杂形状缺陷的漏磁场特征,指出单向激励无法有效激励不同角度简单缺陷和复杂形状缺陷的漏磁场。为解决上述问题,引入正交激励并分析了其复杂形状缺陷的漏磁场特征,构建了基于螺线管之间相互作用力的复杂形状缺陷漏磁场螺线管模型,给出了复杂形状缺陷漏磁场的拐点畸变和中线畸变特征的理论解释;并与磁偶极子模型、有限元方法进行仿真对比分析,验证了复杂形状缺陷漏磁场螺线管模型的有效性。(3)以低频正交激励为核心,设计了磁光成像检测平台,并对其激励频率进行优化。为满足试件有效磁化、频谱信息丰富、高质量磁光图像采集等要求,对磁光成像检测平台中磁轭、激励源、光源、磁光传感器、图像采集器等关键部件进行设计。通过理论分析和仿真,分析了不同正交激励频率下缺陷漏磁场序列中单周期内漏磁场强度信息,选取最佳激励频率,实现复杂形状缺陷的高质量磁光图像序列采集,为复杂形状缺陷的准确识别提供了实验平台。(4)以磁光图像序列时频域特征为依据,提出了一种基于像素级决策的复杂形状缺陷识别方法。结合复杂形状缺陷漏磁场特征,将磁光图像分为不同特征区域,分析磁光图像序列中不同区域的时频域特征。针对畸变干扰的乘性噪声特性和畸变造成的图像失真与对比度失衡问题,提出了一种多尺度同态滤波频域增强算法,限制对比度自适应直方图均衡化(Contrast Limited Adaptive Histogram Equalization,CLAHE)作为同态滤波参数,作用于幅度频域谱,实现幅度频谱归一化和畸变区域对比度均衡化的多尺度频域增强。结果表明,该频域增强方法可有效分割畸变区域,并准确识别复杂形状缺陷,且进一步实验表明可有效检测铁磁性构件中更为复杂的缺陷。从理论模型、仿真与实验结果,均证明本文提出的基于低频正交激励的磁光成像检测平台普适性广,对铁磁性构件结构损伤具有很强的实用价值和指导意义。
【图文】：

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过磁光传感器。根据法拉第磁光效应，当一束线偏振光穿过置于试件表光传感器时，若存在漏磁场，则线偏振光的偏振方向将旋转一定的角度与漏磁场强度成正比；然后使用检偏器对旋转后的线偏振光进行检偏，信息转化成光强度信息，通过成像系统对旋转后的光强度信息进行成像用计算机技术和图像处理方法识别磁光图像中的缺陷信息。磁光成像检测方法在 1993 年被首次公开发表，由 Fitzpatrick 在进行研究缺陷和裂纹检测时首次提出[39]，然后与美国 Physical Research Instrumen联合，研发了第一台磁光成像检测仪。1994 年，，波音飞机公司公布了磁术在飞机缺陷探测方面的进展和应用方案，此后，磁光成像技术相继被及军备公司广泛应用于军用飞机及航天器检修维护中[40]。到 2005 年，st（Qi2）公司收购 PRI 公司的磁光成像技术成果，期间由公司 Qingying ard Dougherty 对磁光成像系统中的光路设计进行了深入的讨论[41]，并z-200kHz 的变频涡流激励，实现对飞机紧固件表面和表层的裂纹，及表层陷的检测，经改进 2012 年先后推出了 MOI307/MOI308 等产品，如图 1

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最终通过成像系统将缺陷信息进行可视化成像，从而实现缺陷可视化检测。漏磁检测基本原理如图2-2 所示。（a）（b）图 2-2 漏磁检测原理示意图。（a）无缺陷的磁感应线；（b）有缺陷的磁感应线图 2-2（a）为无缺陷的铁磁性构件被磁化后的磁感应线分布，图 2-2（b）为有缺陷的铁磁性构件被磁化后的磁感应线分布。在磁感应线通过试件内部时，如果存在缺陷，则将在缺陷处表面空间产生漏磁场。2.1.1.2 法拉第旋光效应与传统漏磁检测相比，磁光成像检测技术最突出的优点是利用磁光传感器能够实现缺陷可视化，检测效率高，结果更加直观。法拉第旋光效应作为磁光成像检测可视化的基础，将缺陷产生的漏磁场信息转化为光强信息，从而实现缺陷的可视化，其基本原理如图 2-3 所示。当一束线偏振光穿过旋光介质时，如果在偏振光的传播方向上存在一个外加磁场，则线偏振光的偏振方向将发生旋转，旋转角度满足公式（2-1）： VBL（2-1）其中，V 为旋光介质的费尔德常数，B 为外加磁场在偏振光的传播方向上的磁感应强度，L为在外加磁场作用下光在旋光介质中传播的距离。由公式（2-1）可知
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP274.5

【参考文献】