Устройство для магнитооптической визуализации дефектов в электропроводящих материалах и их автоматической фиксации
DEVICE FOR MAGNETO-OPTICAL VISUALIZATION OF DEFECTS IN ELECTRICALLY CONDUCTIVE MATERIALS AND THEIR AUTOMATIC FIXATION

Изобретение относится к области дефектоскопии физики, и в частности к формированию и обработке оптического изображения дефектов в металлических изделиях и может быть использовано для автоматического неразрушающего контроля в промышленном производстве при серийном изготовлении и эксплуатации изделий на предприятиях автомобильной, авиационной, кораблестроительной и станкостроительной отраслей, при производстве и эксплуатации сельскохозяйственных инструментов и агрегатов и т.д., а также при проведении комплексных исследований неразрушающим контролем.
x
y
z
5-u
u
12
Известен магнитооптический элемент и считывающее устройство (Патент RU 2692047 С1 МПК G06K 19/02, G02F 1/09, G11B 11/105 (2006.01), опубл. 19.06.2019 Бюл. №17), для считывания информации с магнитного носителя информации, имеющее в своем составе магнитооптический элемент, состоящий из гранатовой подложки и преобразовательной пленки с составом BiPbPtFeMeO, где Me - металл Аl или Ga; x=0,6 - 1,5; у=0,007 - 0,028; z=0,01 - 0,038; u=0,8 - 1,3, отличающееся тем, что содержит источник магнитного поля, выполненный с возможностью наведения магнитного поля в области размещения считываемого магнитного носителя информации.
Недостатками указанного технического решения является невозможность исследования немагнитных материалов, что значительно ограничивает разнообразие исследуемых объектов, а также необходимость в субъективной обработке информации оператором контроля, что увеличивает время исследования и может увеличить количество ошибок.
Известен способ магнитооптической дефектоскопии стенок трубопроводов (RU 2156991 С1 МПК G02F 1/09, F17D 5/06(2006.01) опубл. 2000.09.27), заключающийся в возбуждении магнитного потока в исследуемом образце, воздействии полями рассеяния дефектов на пленку магнитооптического материала, освещении поляризованным светом пленки магнитооптического материала, пропускании отраженного от магнитооптического материала светового пучка через анализатор, формировании изображения дефектов, введении изображения в память компьютера для последующей обработки, отличающийся тем, что анализатор ориентирован под углом π/2 к плоскости поляризации падающего на магнитооптический материал света, производится измерение суммарной величины прошедшего через анализатор светового потока, производится регистрация только тех визуализированных участков трубопровода, суммарный фотосигнал от которых превышает пороговое значение.
Недостатками данного решения являются ограниченность исследования только магнитных материалов и невозможность использования магнитооптических элементов с магнитной кристаллографической анизотропией отличной от анизотропии «легкая ось», поскольку для магнитооптических элементов с иным типом анизотропии («легкая плоскость» или «угловая фаза») необходимо изменять соотношение углов поляризатора и анализатора для достижения большей контрастности.
Устройство для магнитооптической визуализации дефектов в электропроводящих материалах (Патент RU 150342 U1 МПК G01N 27/90 (2006.01), опубл. 10.02.2015 Бюл. №4) выбрано в качестве прототипа. Оно включает индуктор вихревых токов и регистрирующее устройство, отличающееся тем, что дополнительно содержит магнитооптический элемент, выполненный из высококоэрцитивной эпитаксиальной пленки феррита-граната с низкой температурой магнитного упорядочения и проводящим зеркально-защитным покрытием, источник непрерывного белого света, телекамеру, оптические оси которых направлены на магнитооптический элемент через анализатор и поляризатор, импульсный источник синего света, соединенный через первый блок питания с коммутатором, соединенным через второй блок питания с источником непрерывного света, через третий блок питания с зеркально-защитным покрытием магнитооптического элемента, через генератор импульсов с усилителем и с индуктором вихревых токов.
Общими с данным устройством признаками являются наличие индуктора вихревых токов и регистрирующее устройство, содержащее магнитооптический элемент, выполненный из эпитаксиальной пленки феррита-граната с большой магнитооптической активностью и зеркально-защитным покрытием, телекамеры, оптические оси которых направлены на магнитооптический элемент через анализатор и поляризатор, импульсного источника света.
Недостатком данного технического решения является невозможность автоматической фиксации дефектов, что усложняет процесс сканирования исследуемого объекта.
Технической задачей изобретения является создание устройства, обеспечивающего автоматизацию процесса сканирования исследуемого объекта, увеличение скорости проведения сканирования, с последующей обработкой оператором только отмеченных проблемных мест.
Поставленная задача решается тем, что устройство для магнитооптической визуализации дефектов в электропроводящих материалах и их автоматической фиксации, включающее индуктор вихревых токов и регистрирующее устройство, содержащее магнитооптический (МО) элемент, выполненный из эпитаксиальной пленки феррита-граната с зеркально-защитным покрытием, CCD-камеру, оптическая ось которой направлена на магнитооптический элемент через анализатор, дополнительно содержит импульсный источник белого света, оптическая ось которого совпадает с осью поляризатора, соединенный через последовательно соединенные блок питания, коммутатор, генератор импульсов с усилителем и индуктором вихревых токов и линзовую систему, оптическая ось которой совпадает с анализатором и CCD камерой, устройство автоматической фиксации дефектов, соединенное через источник питания с коммутатором, источником импульсного белого света и CCD-камерой, и соединенное с устройством регистрации дефектов и LCD дисплеем.
Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков и обеспечиваемым изобретением техническим результатом, состоит в следующем: использование принципа вычитания изображений обеспечивает фиксацию дефектов не оператором, как в прототипе, а с помощью электронного блока с микроконтроллером для автоматической фиксации дефектов, за счет чего обеспечивается полная автоматизация процесса сканирования. Последнее увеличивает скорость проведения сканирования благодаря тому, что оператору не нужно отвлекаться на постоянный мониторинг изображения на экране. При помощи автоматической обработки результатов значительно уменьшается количество ошибок, появляющиеся вследствие человеческого фактора, который практически полностью исключается в результате автоматизации. Благодаря автоматической фиксации результатов только в местах, в которых обнаружены несплошности, а не полной записи всего пути сканирования, облегчается хранение результатов, занимающих значительно меньше места на цифровом носителе.
На фиг. 1 представлена блок схема предлагаемого технического решения.
На фиг. 2 представлены примеры попиксельного вычитания двух изображений для автоматической фиксации дефектов.
Устройство для магнитооптической визуализации дефектов в электропроводящих материалах и их автоматической фиксации (фиг. 1) включает индуктор вихревых токов 1, магнитооптический элемент 2, телекамеру 3, анализатор 4, поляризатор 5, импульсный источник света 6, блок питания 7, коммутатор 8, генератор импульсов 9, усилитель 10, устройство автоматической фиксации дефектов 11, разъем для подключения персонального компьютера 12, объект исследования 13, линзовая система 14, регистрирующее устройство 15, LCD дисплей 16, устройство хранения данных 17 и корпус 18 на котором расположен разъем для подключения питания 19.
Визуализирующее устройство содержит магнитооптический (МО) элемент 2, выполненный из эпитаксиальной пленки феррита-граната с зеркально-защитным покрытием, CCD-камеру 3, оптическая ось которой направлена на магнитооптический элемент через анализатор 4, импульсный источник белого света 6, оптическая ось которого совпадает с осью поляризатора 5, соединенный через последовательно соединенные блок питания 7, коммутатор 8, генератор импульсов 9 с усилителем 10 и индуктором вихревых токов 1, и линзовую систему 14, оптическая ось которой совпадает с осями анализатора 4 и CCD камеры 3. Дополнительно содержит электронный блок с микроконтроллером для автоматической фиксации дефектов 11, соединенное с регистрирующим устройством 15, LCD дисплеем 16 на котором может отображаться изображение получаемое с визуализирующего устройства, устройством хранения данных 17, CCD-камерой 3, и через блок питания 7 с коммутатором 8. Все элементы устройства жестко закреплены внутри корпуса 18, на интерфейсе которого расположены LCD дисплей 16, регистрирующее устройство 15, а на боковой грани разъем для подачи питания 220 V 19 на блок питания 7 и разъем для подключения персонального компьютера 12.
Устройство работает следующим образом:
Устройство для магнитооптической визуализации дефектов в электропроводящих материалах и их автоматической фиксации включает размещение магнитооптического элемента 2 на объекте исследования 13, возбуждение в последнем вихревых токов с помощью индуктора переменного поля 1 и визуализацию вихревых магнитных полей с помощью устройства визуализации, в котором предусмотрено фиксирование результата распределения вихревых магнитных полей в различные моменты их возбуждения, реализованное посредством стробоскопирования света 6, подающегося через поляризатор 5 на магнитооптический элемент 2 и синхронизированного с подачей тока в индуктор 1 через последовательно соединенные блок автоматической фиксации дефектов 11, коммутатор 8, генератор импульсов 9 и усилитель 10.
Фиксация необходимых для обработки устройством изображений может быть реализована тремя способами:
1. Осуществляется последовательная засветка магнитооптического элемента в двух различных фазах возбуждения тока индуктора. В первой фазе, в которой влияние вихревых токов настолько мало, что камерой фиксируется фон, который наводится полем индуктора и другими возможными магнитными полями (поле подмагничивания, поле самого материала и др.) (далее - первое изображение) и во второй фазе, где воздействие магнитных полей вихревых токов на магнитооптический элемент максимально, что позволяет зафиксировать изображение дефекта на общем фоне, описанном ранее (далее - второе изображение).
2. Получение магнитооптического изображения в одинаковых условиях с бездефектного участка исследуемого объекта, где регистрируется фон, создающийся магнитными полями вихревых токов и тока возбуждения (далее - первое изображение); и с дефектного участка, где на этом фоне проявляется изображение дефекта (далее - второе изображение).
3. Получение изображения при очень малом поле возбуждения в индукторе, при котором влияние вихревых токов настолько мало, что камерой фиксируется фон, который наводится полем индуктора и другими возможными магнитными полями (поле подмагничивания, поле самого материала и др.) (далее - первое изображение) и при большем поле возбуждения, где воздействие магнитных полей вихревых токов на магнитооптический элемент максимально, что позволяет зафиксировать изображение дефекта на общем фоне, описанном ранее (далее - второе изображение).
Обработка в устройстве 11 включает в себя попиксельное вычитание второго изображения из первого (или первого из второго), благодаря чему удаляется фоновое изображение, после чего на темном фоне (или белом, в зависимости от настройки) в инверсном цвете и с максимальным контрастом отображается сигнал дефекта. Таким образом, при сканировании бездефектного участка объекта исследования 13 будет отображаться лишь темная картина, а при попадании сканера на дефектный участок возникает инверсное (белое) изображение дефекта, появление которого автоматически фиксируется с дополнительной подачей сигнала на регистрирующее устройство 15. На устройстве хранения данных 17 сохраняются результаты фиксации дефектов.
При необходимости в разъем 12, подключается персональный компьютер для передачи и анализа информации или изменения/обновления программного обеспечения на устройстве.
Примеры реализации метода автоматической фиксации дефектов, используемого в описанном устройстве, полученные на макете магнитооптического вихретокового дефектоскопа, представлены на фиг. 2: в - попиксельное вычитание двух изображений, фонового (а), и изображения с дефектом (б), полученных при различных фазах поля возбуждения, а - при слабом поле возбуждения, где виден только фон, б - при большем поле возбуждения с проявлением дефекта, на магнитооптическом элементе - монокристаллической висмутсодержащей пленке феррита граната, выращенной методом жидкофазной эпитаксии на подложке из гадолиний-галлиевого граната, обладающей магнитной кристаллографической анизотропией типа «легкая плоскость».
Примеры используемых составляющих для создания прототипа устройства:
Индуктор вихревых токов 1 - катушка на 41 виток с индуктивностью 93 мН; индукция генерируемого магнитного поля 4,4 мТл, сопротивление 100 мОм; или индуктор планарного поля имеющего следующие параметры: длина магнитопровода 70 мм, ширина 10 мм, толщина 11 мм, длина наконечников 19,6 мм, угол наконечников с плоскостью поверхности исследуемого образца 15°, сопротивление 570 мОм; индукция генерируемого магнитного поля в центре 4 мТл.
3
5
12
3
5
12
Магнитооптический элемент 2 - висмут содержащая пленка феррита-граната, выращенная методом жидкофазной эпитаксии на немагнитной монокристаллической гадолиний-галиевой подложке, например, с параметрами: 1. С кристаллографической анизотропией типа «легкая ось», состав (BiSmLu)(FeGa)O, толщина 5 мкм, поле насыщения 25 Э, период доменной структуры 22 мкм, коэрцитивная сила 1,4 Э, поле анизотропии 1620 Э, намагниченность насыщения 52 Гс, удельное фарадеевское вращение 0,62 град/мкм, фактор качетсва 31,4. 2. С кристаллографической анизотропией типа «легкая плоскость», составом (BiPrLuTmGd)(FeAlGa)O, толщина 12 мкм, поле насыщения 235 Э, коэрцитивная сила 217 Э, удельное фарадеевское вращение 0,73 град/мкм.
Телекамера 3 - Olympus Microscope Digital Camera XM10-IR.
Анализатор 4 и поляризатор 5 - линейный пленочный дихроичный поляризатор Photonics cloud GCL-05.
Импульсный источник света 6 - светодиодная матрица HPR40E-48K100BG (100W, Blue), работающая на длине волны 468-470 нм.
Блок питания 7 - источник питания с выходными параметрами 30 В и 3 А.
Коммутатор 8 - изготовлен на базе программируемого микроконтроллера.
Генератор импульсов 9 - программируемый микроконтроллер, прошивкой которого задается форма и частота импульсов в индукторе, момент и длительность серии импульсов.
Усилитель 10 - собран на двух полевых транзисторах, функционирующих в ключевом режиме.
Линзовая система 14 - состоит из нескольких прозрачных в оптическом диапазоне линз обеспечивающих увеличение изображения до 5 крат.
Устройство автоматической фиксации 11 - устройство, изготовленное на базе программируемого микроконтроллера.
В качестве регистрирующего элемента 15, выступает светодиод, который при подаче сигнала от устройства автоматической фиксации 11 информирует оператора о наличии дефекта.
LCD дисплей 16 - Цветной графический LCD дисплей с диагональю 7 дюймов и разрешением 1024×600рх, с емкостной сенсорной панелью, RGB/LVDS, 7inch Capacitive Touch LCD (D).
Устройство хранения данных 17 - 120-гигабайтный SSD-накопитель Kingston UV500.