一种基于图像融合的金属磁性材料缺陷检测装置的制作方法

本发明属于缺陷检测技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于图像融合的金属磁性材料缺陷检测装置。

背景技术：

在金属磁性材料的缺陷检测中，结合漏磁检测的磁光成像检测(Magneto-optic imaging，MOI)技术因其可视化、快速性、准确性而得到快速发展。磁光成像检测技术基于法拉第效应，将反映了缺陷信息的漏磁场(缺陷产生的漏磁场信息)转化为光强信息即漏磁场图像，通过分析漏磁场图像，从而实现对缺陷检测，进而评估出金属磁性材料的健康状态。

其中，漏磁检测是一种传统的无损检测技术，根据磁化方式的不同分为永磁、直流、交流和脉冲等形式。其中永磁和直流为静态磁场激励，交流和脉冲为动态磁场激励。传统的漏磁检测使用静态激励或者50Hz以上的动态高频旋转磁场激励，获得稳定的磁场信息。

静态的漏磁检测一般采用直流激励磁化或永磁磁化，对内部和表层缺陷均可有效检测，虽然该技术已经获得广泛的应用，但由于直流激励不仅检测速度慢、磁化器体积大、能耗高，检测完成后需要对试件退磁，而且在恒定的磁化场下，漏磁场恒定，信息量有限，不利于缺陷特征的提取。

动态的漏磁检测通常采用50Hz以上的高频旋转磁场进行激励。在国外，日本的Yasuhiro Kataoka用100Hz旋转磁场激励同时使用巨磁阻传感器检测旋转磁场激励下的漏磁信号获得了漏磁场的图像；印度的B.B.Lahiri等人研究了将漏磁检测运用到热成像检测中，使用单方向50Hz激励磁场、3mm槽状缺陷的设置，获取试件的红外热图像，实现了缺陷成像；东京大学的Shigeru Ando和TakaakkiNara采用150Hz旋转磁场激励并使用三相相关型图像传感器获得了缺陷引起的涡流交变磁场图像。在国内，李伟使用双U型正交激励阵列对试件施加6kHz旋转电磁场，并根据磁场探测阵列获得的信息反演出了16mm*40mm的半椭圆缺陷轮廓。而工业生产中，为了减小电路设计成本，激励旋转磁场常采用市电50Hz。

而低频漏磁检测现在还未引起足够重视。Keiji Tsukada使用单U型磁轭激励，施加1-50Hz激励，使用磁阻梯度计获得单个缺陷的漏磁信号。焦敬品等通过数值仿真和检测实验,研究了5-50Hz低频激励下，使用单一方向激励磁场检测单一方向缺陷时，裂纹深度和位置(上表面或下表面)的裂纹对漏磁场特征参数空间分布的影响。

以上几种方式中，高频激励由于涡流的趋肤效应，对内部缺陷的探测能力弱，产生的漏磁场信号弱。静态激励虽然漏磁场信号较强但是只能检测单个方向上的缺陷。而单方向的低频漏磁检测则相当于变幅值的静态激励，检测时间长且只对单方向缺陷敏感。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种基于图像融合的金属磁性材料缺陷检测装置，在提高内部缺陷探测能力的同时，获得清晰的缺陷轮廓图像，实现各个方向缺陷的快速可视化检测。

为实现上述发明目的，本发明基于图像融合的金属磁性材料缺陷检测装置，其特征在于，包括

一激励信号电路，用于产生50Hz以下、激励频率为fex的低频正弦、余弦功率信号，并加载在磁光成像系统中两个垂直摆放的U型磁轭上；

一磁光成像系统，用于使用两个垂直摆放的U型磁轭对金属磁性材料试件施加低频旋转磁场激励；磁光成像系统以红色自然光为光源，将各个方向上缺陷的漏磁场信息转化为光学信号，并使用CCD传感器采集激励信号整数周期内的光学信号，形成磁光图像序列；

一融合算法模块，用于对每个位置像素点在磁光图像序列中的幅值响应做傅里叶变换即转化到频域得到频率响应，然后将所有位置像素点频率响应中激励频率fex的n倍频响应组成一张频域图像y(nfex)，再取频域前1/10低频对应的频域图像即y(nfex),n＝1,2,..,L/10分别进行归一化后得到归一化频域图像y(nfex1)，最后，使用如下公式计算出融合后频域图像y^fuse上像素点幅值：

其中，L表示磁光图像序列的长度，表示融合后频域图像y^fuse中像素点(i,j)的幅值，y(nfex1)i,j为归一化频域图像y(nfex1)像素点(i,j)的幅值，(i,j)为图像的横纵坐标；

将融合后频域图像y^fuse上像素点幅值线性变换到灰度值范围内，得到金属磁性材料试件的缺陷图像。

本发明的目的是这样实现的。

本发明基于图像融合的金属磁性材料缺陷检测装置，在两副相互垂直的U型磁轭上分别施加正弦和余弦信号，合成方向随时间均匀变化但幅值不变的旋转磁场，用作金属磁性材料试件进行漏磁检测的激励磁场。若金属磁性材料试件中存在缺陷，则在缺陷上方产生漏磁场，再通过磁光成像系统将漏磁场信息转换为磁光图像，获取缺陷信息，最后将磁光图像序列的频域图像归一化后线性加权融合，再变换到灰度值范围内，得到金属磁性材料试件的缺陷图像。本发明采用50Hz以下的低频旋转磁场激励试件，实现对各个方向缺陷的有效激励，同时使用磁光成像技术采集单个激励周期内的磁光图像，再对各个方向的缺陷在频域中线性加权融合，实现各个方向缺陷的快速可视化检测。

同时，本发明基于图像融合的金属磁性材料缺陷检测装置还具有以下有益效果：

本发明可以有效增强各个方向上的缺陷信息并在单幅图像上显示，不施加滤波算法从而不会造成缺陷信息的失真，使用红色自然光抑制了光路中的干涉条纹和光强传输损耗。同时频域融合算法可以融合动态磁光图像实现全方向快速检测，大幅度消除静态干扰，增强周期性的漏磁信号，超低频磁场激励可以明显地增大激励信号的渗透深度，从而极大地提高了漏磁和磁光成像检测方法对开孔和埋孔缺陷的检测能力。

附图说明

图1是本发明中低频旋转磁场激励产生原理图；

图2是图1单个桥式放大器的原理图；

图3是本发明中磁光成像系统一种具体实施方式结构示意图；

图4是本发明频域图像线性加权融合一具体实施方式流程图；

图5是金属磁性材料试件一具体实例缺陷图；

图6是图5所示金属磁性材料试件的融合后频域图像及其二值化结果，其中，(a)为融合后频域图像，(b)为二值化结果；

图7是图5所示金属磁性材料试件采用现有动态漏磁检测所得的磁光图像。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

本发明基于图像融合的金属磁性材料缺陷检测装置分为硬件模块和软件模块，其中，硬件模块包括激励信号电路和磁光成像系统，软件模块包括融合算法模块。下面结合附图对各个模块进行详细说明

1、激励信号电路

在本实施例中，如图1所示，激励信号电路包括函数发生器101以及两个桥式放大器102、103。其中，函数发生器101提供相位相差90度的两路正弦信号，即正、余弦信号，由于函数发生器101带负载能力弱，因此使用桥式放大电路102、103对分别对正、余弦信号进行功率放大，得到50Hz以下、激励频率为fex的低频正弦、余弦功率信号，并加载在磁光成像系统中两个垂直摆放的U型磁轭201、202上。桥式放大电路102、103在保证信号失真较小的情况下，有效降低了因仪器温度升高引起的漂移，并使得输出电压增倍，输出功率变为原来四倍。

在本实施例中，正、余弦信号的功率放大分别由两个桥式放大器进行，单个桥式放大器的原理图如图2所示，由上方的基于运放A的反相比例运算放大电路和下方的基于运放B的同相比例运算放大电路组成，其中，两输出端接电阻RSN、电容CSN到地滤去高频噪声，低通滤波器截止频率使用如下公式计算

经桥式放大器后的低频正弦、余弦功率信号，加载在两个垂直摆放的U型磁轭上。为了使负载电路具有较小的阻抗角同时过流保护，应给磁轭串联一个与之相当的限流电阻R，这样就可以在不引起激振的情况下，使得负载阻抗较

小。本实施例中，单副磁轭的实部阻抗为4欧，因此使用3欧的电阻用来限流同时降低感性负载的阻抗角，负载电流为峰峰值1.5A、频率0.2Hz的正弦交流电。

2、磁光成像系统

使用U型磁轭对金属磁性材料试件施加低频的正、余弦正弦、余弦功率信号，根据圆的参数化方程，试件中产生大小不变方向均匀的低频旋转磁场，作为漏磁检测的激励。圆的参数化方程如下所示：

A为圆的半径，即磁场大小，θ代表当前点对应矢量与x轴的夹角，即磁场的方向，且θ＝2πft，f为激励信号的频率，t为时间，π为圆周率。

若金属磁性材料试件中存在缺陷，根据漏磁检测原理，缺陷在旋转磁场的激励下，会随时间的变化产生包含不同方向上的缺陷信息的漏磁场。因此可以使用以红色自然光为光源的磁光成像系统将各个方向上的缺陷的漏磁场信息转化为光学信号，使用红色可以保证较强的光强传输比，使用高强度的自然光而不是传统磁光检测使用的激光抑制光路中的干涉条纹，使用CCD传感器采集激励信号整数周期内的磁光图像序列。

如图3所示，进过桥式放大器放大后的正弦和余弦功率信号分别施加在两个相互垂直的磁轭201、202上，在中心检测区域产生旋转磁场，用作漏磁检测的激励，若金属磁性材料试件中存在缺陷，如图3所示的Z型缺陷，则在缺陷上方产生漏磁场，使用磁光成像系统来检测该漏磁场。磁光成像系统由高功率自然光红光点光源203、凸透镜204、起偏器205、磁光薄膜206、反射薄膜207、检偏器208、成像镜头209、CCD图像传感器210构成。

首先使用点光源203和凸透镜204产生一束均匀的红色自然光，经起偏器205后转换为偏振光，打在磁光薄膜206上，被底部的反射薄膜207反射后传输到检偏器208。当漏磁场存在时，根据法拉第效应，会使得漏磁场中的磁光薄膜206的特性发生改变，入射在磁光薄膜206上的线偏振光在存在漏磁场的点上偏振方向旋转了θ度，具体使用如下公式计算：

其中，i是入射角，γ是磁光薄膜中的折射角，V、n1、h分别是磁光薄膜的费尔德常数、折射率和厚度，B是入射点上的漏磁场磁感应强度。

使用检偏器208将线偏振光的偏转信息转化为光强信息，经成成像镜头209成像后被CCD图像传感器210所采集。为了防止频谱泄露，应采用激励信号整数周期采样的方法，本实施例中，为了实现快速测量，只采集激励信号单个周期内的磁光图像序列，之后传到计算机使用融合算法处理。

3、融合算法模块

如图4所示，对于采集到的激励信号单个周期内的磁光图像序列，对磁光图像序列中每个位置像素点的幅值响应做傅里叶变换，从而将磁光图像序列转化到频域中。分析磁光图像序列的频谱，可以获得不同种类缺陷的细节信息，例如在m条线状缺陷交叉区域内，对于单周期内的旋转激励磁场，当激励磁场旋转至与某一线状缺陷垂直时，该区域便产生一个较强的漏磁场波峰，故而m条缺陷的漏磁场单周期内有2m个波峰。因此在磁光图像序列的频谱图像中，n倍频包含n/2条线状缺陷交叉区域内的细节信息。并且，任意周期性信号的频谱在其倍频处也有一峰值，若能融合其倍频，便可有效抑制随机噪声对给定周期性漏磁信号的干扰。但高频信号对应的图像噪声增大，因此采用频域线性加权融合的方式，将激励频率fex的倍频信号的幅值对应的图像y(nfex)进行融合。具体融合方式为取频域前1/10的低频信号对应图像y(nfex)，权值随频率增大而增大，将y(nfex)归一化后得到y(nfex1)，使用如下公式计算出融合后图像上像素点幅值：

其中，L表示磁光图像序列的长度，表示融合后频域图像y^fuse中像素点(i,j)的幅值，y(nfex1)i,j为归一化频域图像y(nfex1)像素点(i,j)的幅值，(i,j)为图像的横纵坐标；

将融合后频域图像y^fuse上像素点幅值线性变换到灰度值范围内，得到金属磁性材料试件的缺陷图像。

如图5所示的Z型缺陷，总长度4mm，总宽度3.7mm，缺陷深度5.5mm，狭缝宽度0.8mm，试件厚度6mm。对磁轭施加峰峰值1.5A、频率0.2Hz的正、余弦激励，从缺陷的正面(开孔)方向进行漏磁检测，采集单个周期内Z型缺陷的磁光图像序列。通过频域线性加权融合算法，得到实验结果如图6所示。其中，(a)为融合后频域图像，(b)为对融合后频域图像果进行二值化处理并高斯滤波后的二值化结果。与图7中所示的采用传统单方向漏磁检测所得的磁光图像相比，可以看出本发明更为清晰地展示出了缺陷的轮廓，缺点是由于Z型缺陷的中心斜边处，漏磁场较强使得磁光图像的幅值较强，从而中心轮廓比侧边轮廓更明显。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。