红外磁光成像无损检测系统及方法与流程

本发明涉及一种红外磁光成像无损检测系统，主要应用于工件的缺陷检测，或者用于检测成型铸件的质量，以及检测在使用铸件的工作状态。包括工件表面的微小划痕、凹陷、夹渣、裂纹以及焊接过程中的未焊透、为融合、烧穿、焊瘤、气孔、咬边、弧坑等缺陷检测。

背景技术：

汽车、航天航空、轮船等都运用大量的金属铸件，金属制品与我们的生活息息相关。由于工作条件恶劣、工作量大及质量要求高等各种随机干扰因素的影响，铸件会不可避免地会产生裂纹、气孔、夹渣等缺陷。为了保证其产品质量，必须及时和有效地检测出缺陷。在实际生产过程中，除了目测表面缺陷与成型缺陷外，通常还需要采用无损检测技术来检测缺陷，因此一种有效的缺陷无损检测方法具有重要的现实意义。

目前国内外对于缺陷的无损检测主要集中在以下几种方法：(1)磁粉检测方法，即在被检测工件上均匀布满磁粉，磁化后被测工件工件缺陷会产生不规则的磁力线，这些缺陷将会通过磁粉的分布展现出来。磁粉检测一般用于铁磁性工件的表面及近表面缺陷的检测，其成本较低，灵敏度较高并且对被测工件无形状要求。但是被测工件要求必须是顺磁性材料，在检测前，必须先对工件表面进行处理，以确保工件表面光滑，确保不会因为表面不平或者伤痕而影响磁力线的分布，影响检测结果。(2)渗透检测方法，其原理是基于液体的毛细管作用，是检测工件表面开口缺陷的无损检测方法，具体包括荧光和着色两种方法。荧光检测的原理是将被测工件浸入荧光液中，因毛细管现象，在缺陷内部吸满了荧光液。除去表面液体，由于光电效应荧光液在紫外线的照射下，发出可见光而显现缺陷。着色检测的原理和荧光检测相似，它不需要专门设备，只是用显像粉将吸附在缺陷内的着色液吸出工件表面而显现缺陷。该方法在检测工件表面开口裂纹时灵敏度极高，对表面潮湿或者存在涂层的试样，会极大影响检测效果，而且该方法的判定很大程度上取决于检测员的经验。(3)射线检测方法，是利用射线(x射线、γ射线等)穿过被测物体过程中具有一定的衰减规律，根据通过工件各部位衰减后的射线强度来检测工件内部缺陷的一种方法。不同物体其衰减程度不同，衰减的程度由物体的厚度、物体的材料种类以及射线的种类而决定。射线检测主要用于检测工件工件内部体积型缺陷，且工件的厚度不易超过80mm，可根据材料的衰减系数做相应的加厚或者减薄。该方法检测成本高，检测设备较大，产生的射线辐射对人体伤害极大，对微裂纹缺陷的检测灵敏度较低。(4)超声波检测方法，其原理是利用超声波在被测工件内传播时，会受到被测工件材料声学特性和其内部组织变化的影响，通过超声波的影响程度以及状况分析，来探测材料性能以及结构的变化。该检测方法的检测效率较高，并且成本较低，但相对其它检测方法，对操作人员的要求较高。该方法对于区别不同种类的缺陷有一定的难度，其最大的缺点就是检测时需要耦合剂。(5)涡流检测方法，其检测原理是基于电磁感应现象，变化的磁场在导体工件中产生涡流，如果在工件中存在缺陷、夹杂、电导率变化或结构变化时，会影响涡流的流动，使得叠加磁场发生变化，根据磁场的变化可以判断工件的缺陷。该方法具有检测效率高、适用于在线检测、无需耦合剂和非接触检测等优点，并且对近表面或者表面缺陷的灵敏度较高。但是只适合导电材料表面和近表面的检测，难以判断缺陷的种类、形状和大小。(6)其它检测方法。如激光全息无损检测，是将物体表面和内部的缺陷，通过外界加载的方法，使其在相应的物体表面造成局部的变形，用全息照相来观察和比较这种变形，并记录下不同外界载荷作用下的物体表面的变形情况，进行观察和分析，而后判断物体内部是否存在缺陷。声发射检测技术，是物体在外界条件作用下，缺陷或物体异常部位因应力集中而产生变形或断裂，并以弹性波形式释放出应变能，用仪器检测和分析声发射信号并确定声发射源的技术。红外线检测技术，在检测时可以将一恒定的热流注入工件，如果工件内存在缺陷，由于缺陷区与无缺陷区的热扩散系数不同，那么在工件表面的温度分布就会有差异，内部有缺陷与无缺陷区所对应的表面温度就不同，由此所发出的红外光波(热辐射)也就不同，利用红外探测器可以响应红外光波并转换成相应大小电信号的功能，逐点扫描工件表面就可以获得工件表面温度的分布状况，从而发现工件表面温度异常区域，确定工件内部缺陷的部位。

综上分析可知，以上使用的无损检测方法都有其不足。磁粉检测限于铁磁性材料，且对工件表面有严格要求；渗透检测限于表面开口缺陷；射线检测检测成本高，检测设备较大，产生的射线辐射对人体伤害极大；超声波检测对操作人员的要求较高，区别不同种类的缺陷有一定的难度且需要耦合剂；涡流检测只适合导电材料表面和近表面的检测，且难以判断工件缺陷的种类、形状和大小；激光全息无损检测取决于物体内部的缺陷在外力作用下能否造成物体表面的相应变形；声发射检测技术由于声发射信号的强度一般很弱，需要借助灵敏的电子仪器才能检测；红外检测技术主要测量工件表面热状态,不能确定工件内部的热状态，与其它检测仪器或常规监测设备相比价格昂贵。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于克服上述现有工件缺陷检测技术的不足，提供一种检测精度高、运行可靠、简单易用、无污染的工件缺陷红外磁光成像无损检测系统及方法。

为达到上述目的，本发明提出了一种基于磁光成像与红外照射相结合的无损检测方法。红外加热器对焊缝或工件进行加热，使工件和微小缺陷处的温升不一样，使工件励磁后进行磁光成像。将焊缝与工件的磁光图像反馈给计算机，然后应用图像处理对整条焊缝质量实现检测的新技术。磁光成像传感器在该磁场的作用下产生磁光效应，使传感器中的偏振光在通过磁光传感介质时产生不同的旋转角度，包含了缺陷磁场分布信息的光线经偏振分光镜反射后被电荷耦合器件接收并实时成像。计算机控制器采集缺陷磁光图像并进行缺陷图像识别和缺陷位置的计算。

本发明用红外加热器，对工件进行红外辐射加热，被测工件有缺陷处和没有缺陷处温度变化而引起磁导率的变化。由于不同的缺陷种类和工件的磁导率随温度的变化率不一样，而且缺陷处会出现温差。温差除了取决于试样材料的热物理性质外，还与缺陷的尺寸、距表面的距离及它的热物理性质有关。对铁而言，当磁场强度较弱时.其导磁系数随温度的增加而增加。在中等磁场强度时，导磁系数随温度增加到一定程度后再急骤减小，到居里温度后，导磁系数即变到1.材料的磁性消失。当磁场强度甚强时.最初导磁系数不受温度的影响，但过了某一温度后，导磁系数急骤地随温度增加而减小、以达居里温度为止。在较弱的磁场强度下，由于试样局部温差的存在，导磁率会随温度有较大的变化，那么磁场强度的分布就出现差异，所采集到的磁光图像就会更加形象的反映出缺陷的形态特征。红外光谱在电磁波谱中位于微光及可见光之间，波长范围是0.78～1000μm。在实验过程中可以通过红外加热器调节光的波长找到最适合的实验条件来获得磁光图像。也可以设定温度监控器的值控制检测时的温度值(温度值的变化范围15～75℃，在这个温度范围内，磁场强度较弱时导磁率随温度的增加而增加。超出此范围，导磁率随温度的升高急剧下降至居里温度)。而装设在传感器下的磁场发生器产生感应磁场，进而在工件上感应出磁场，若有缺陷存在时，其磁力线会受到影响，在缺陷处将发生畸变，这一畸变的磁力线将产生畸变的磁场，并引起该处的垂直磁场分布发生变化。

磁光成像传感器在该磁场的作用下产生磁光效应，使磁光成像传感器中的偏振光在通过磁光传感介质时产生不同的旋转角度，包含了缺陷磁场分布信息的光线经偏振分光镜反射后被电荷耦合器件接收并实时成像，生成磁光缺陷图像。

上述磁光成像传感器将缺陷磁光图像传输到计算机控制器，计算机控制器对缺陷图像进行处理、识别和缺陷的位置计算，实现对缺陷的实时精确检测。

与现有缺陷检测技术相比，本发明采用的技术方案具有下述有益效果：

1)本发明采用红外磁光成像传感技术，在工件缺陷的检测过程中，红外加热器对焊缝或工件进行加热，使工件和微小缺陷处的温升不一样，导磁率出现较大差异，又磁场发生器产生磁场，并在被测工件缺陷处感应出差异较大的畸变磁场，同时由磁光成像传感器生成工件缺陷图像，计算机控制器实现工件缺陷图像识别和工件缺陷位置的计算。该方法可实现金属工件工件缺陷的非接触无损检测，不仅检测精度高，而且运行安全可靠、简单易用、无污染。

2)由于磁光成像传感器和红外加热器的配合，使得计算机控制器能够获取被检测位置工件的微小缺陷情况，成像更加清楚，自动化程度高，检测速度快。

附图说明

图1为本发明的设备底板结构分布图；

图2为本发明的设备接口分布图；

图3为本发明的设备底板结构分布结构框图；

图4为本发明的设备接口分布结构框图；

图5为本发明的外观框图；

图6为本发明的工作示意图；

图7为本发明的工作控制图。

图中各编号含义：1-轮子，2-温度监控器，3-红外加热器，4-磁光传感器，5-磁铁N极，6-磁铁S极，7-手柄，8-电源线接口，9-控制器接口，10-输出数据接口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

本发明运用了金属的导磁率会随温度的变化而变化的原理：当物体的温度同环境温度存在差异时，就会在物体内部产生热量的流动。在实施无损检测时，如果向一个试件注入热量，其中一部分热流必然向内部扩散，并引起试样温度分布的变化。对于无缺陷的物体，当热流均匀注入时，热流能够均匀的向内部扩散或从表面扩散，因而温度场分布也是均匀的；当物体内部存在隔热性缺陷时，热流会在缺陷处受阻，造成热量堆积，导致表面出现温度高的局部热区；当物体内部含有导热性缺陷时，试样表面就会出现温度较低的局部冷区。由以上几种情况可看出，当试样内部存在缺陷时，就会在试样有缺陷区和无缺陷区形成温差。且该温差除了取决于试样材料的热物理性质外，还与缺陷的尺寸、距表面的距离及它的热物理性质有关。

本发明还运用了法拉第磁光效应原理：当一束偏振光通过介质时，若在光束传播方向存在一个外磁场，那么此偏振光通过偏振面将发生偏转，偏转角依赖于磁场强度。

本发明应用磁光成像技术，通过磁场发生器以交变信号激励磁场在工件工件上感应出磁场，而磁场的分布在工件缺陷处将发生畸变，引起该处的垂直磁场分量发生变化，相应地改变感应磁场。磁光成像传感器在该磁场的作用下产生磁光效应，使磁光成像传感器中的偏振光在通过磁光传感介质时产生不同的旋转角度，包含了工件缺陷的磁场信息的光线经偏振分光镜反射后被电荷耦合器件接收并实时成像。

如图所示，本发明为一种工件缺陷红外磁光成像无损检测方法，包括电磁铁、温度监控器、红外加热器和磁光成像传感器。下方放置工件，通过计算机控制器发出指令启动磁场发生器在工件处产生磁场。所述磁光成像传感器主要部分包括激光光源、起偏器、CMOS传感器、检偏器和磁光晶片。磁光成像传感器属于非接触测量方式，成像直观、可靠性好、测量精度高、功耗低并且信息传输速率高。磁光成像传感器工作的同时在工件表面的上方，通过精确控制磁场发生器使得工件的工件缺陷附近产生感应磁场，由于工件缺陷存在，感应磁场在焊缝附近具有其特殊变化。当偏振光平行通过感应磁场反射后旋转一定的角度，再通过检偏器可以针对性地实现旋转后的偏振光的通过或截止，最后由CMOS摄像机获取并成像，所得的图像即包含了工件缺陷信息的磁光图像。

整个工件缺陷磁光成像无损的工作均由计算机控制器系统进行控制，图6是本发明红外磁光成像无损检测方法工作示意图。首先计算机控制红外加热器工作，使工件温度升高，当温度监控器检测的工件温度达到设定值后，控制器控制磁场发生器产生磁场，同时发出指令启动磁光成像传感器工作，同步协调磁光成像传感器采集工件磁光图像，并将获得的磁光图像输入到计算机控制器。然后由相应的图像识别算法对工件缺陷图像进行处理，获取工件缺陷的类型及位置，实现工件缺陷的实时检测。可以手持手柄检测工件，也可以计算机控制器设定运动速度实现自动检测。显著提高了系统的实时性和测控技术的自动化程度。所采用的控制系统能自动修正测量误差，提高工件缺陷的检测精度。

系统的工作原理：用本装置和方法测量工件缺陷时，将本装置置于工件上并使得磁光成像传感器晶片对正工件表面。计算机控制器控制红外加热器给被测物加热，温度监控器检测到预定温度后反馈给控制器，进而控制磁场发生器产生磁场，同步协调磁光成像传感器采集工件缺陷的磁光图像，并将工件缺陷磁光图像传递到计算机控制器，由计算机控制器实现工件缺陷的图像处理、工件缺陷位置计算和工件缺陷类型识别。传感器显示实时检测的工件缺陷图像、类别、大小等信息。由于计算机控制器运算速度快以及图像处理技术的发展，可以实现工件缺陷的实时检测。

在不脱离本发明精神或必要特性的情况下，可以其它特定形式来体现本发明。应将所述具体实施例各方面仅视为解说性而非限制性。因此，本发明的范畴如随附申请专利范围所示而非如前述说明所示。所有落在申请专利范围的等效意义及范围内的变更应视为落在申请专利范围的范畴内。