渦流無損檢測成像技術(shù)研究進(jìn)展

梁遠(yuǎn)遠(yuǎn)，楊生勝，文 軒，銀 鴻

（蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點實驗室，蘭州 730000）

0 引言

渦流無損檢測（Eddy Current Non-destructive Testing，ECNDT）作為工業(yè)領(lǐng)域材料無損檢測的常用技術(shù)之一，相較于常規(guī)的超聲波、X射線、磁粉、液體滲透等檢測方法，具有成本低與可高速識別非鐵磁金屬組件內(nèi)部或表面的裂紋、腐蝕、空洞和殘余應(yīng)力的優(yōu)點，是工業(yè)品質(zhì)量控制非常重要的技術(shù)手段，據(jù)統(tǒng)計現(xiàn)代無損檢測工作約有35%采用ECNDT來完成[1-4]。近年來，隨著磁傳感器性能的提高及信號處理技術(shù)的發(fā)展，渦流無損檢測趨向于成像化、定量化、智能化，尤其渦流無損檢測成像技術(shù)逐漸成為研究熱點。

渦流無損檢測成像技術(shù)通過缺陷渦流信號特征直觀表征導(dǎo)體缺陷二維或三維空間狀態(tài)，方便檢測人員快速準(zhǔn)確地評估材料中缺陷的形狀、大小、深度及分布情況，并及時地推斷缺陷發(fā)生及生長趨勢，具有良好的應(yīng)用潛力和市場前景。早在20世紀(jì)末期，一些發(fā)達(dá)國家便已提出阻抗掃描成像（Imped-ance Scan Imaging，ISI）、磁光渦流成像（Magneto-Optical Eddy Current Imaging，MOECI）以及渦流層析成像（Eddy Current Tomography，ECT）等渦流無損檢測成像技術(shù)理念[5]。近年來國外一些渦流探傷儀制造公司逐漸將渦流無損檢測成像技術(shù)工程化[6-7]，大量工程化產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于檢測飛機(jī)緊固件附近表面或近表面的裂紋和腐蝕缺陷。相較而言，國內(nèi)對渦流無損檢測成像技術(shù)的研究尚在起步階段。因此，引入阻抗掃描成像、磁光渦流成像以及渦流層析成像等當(dāng)前主要的渦流檢測成像技術(shù)，分析其基本原理，歸納研究概況，并對各自特點進(jìn)行了比較，試圖為國內(nèi)渦流無損檢測成像技術(shù)的研究及應(yīng)用提供參考。

1 阻抗掃描成像

1.1 阻抗掃描成像原理

阻抗掃描成像是利用導(dǎo)體材料缺陷對線圈阻抗的影響進(jìn)行成像的。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，將通有交變電流的線圈置于導(dǎo)電材料上方，導(dǎo)電材料表面及近表面會在線圈激勵磁場作用下感應(yīng)出渦流。因感應(yīng)渦流分走了線圈中部分電磁能量，線圈電阻會增加；同時，渦流磁場與激勵磁場方向相反會使空間凈磁場減弱，導(dǎo)致線圈感抗減?。划?dāng)導(dǎo)體材料中存在缺陷時，感應(yīng)渦流會減弱，從而引起線圈電阻減小，線圈感抗增加。因此，線圈阻抗變化信息包含了導(dǎo)體材料中缺陷的大小及分布信息。

當(dāng)線圈處于導(dǎo)電材料表面任意位置上方時，線圈都可輸出阻抗變化量。由于線圈的空間位置坐標(biāo)和線圈輸出的阻抗變化量有一一映射的關(guān)系，利用固定有線圈的掃描裝置按一定掃描方式對導(dǎo)體試件待測區(qū)域進(jìn)行高精度掃描后，將線圈空間位置坐標(biāo)和線圈阻抗變化量結(jié)合，通過圖像重建，便能得到試件待檢區(qū)域表面或近表面的二維或三維阻抗掃描圖像。掃描方式一般采用C掃描，因此阻抗掃描圖像又稱阻抗C掃描圖像。典型的阻抗C掃描圖像如圖1所示，可以看出，C掃描圖像中顏色或灰度的深淺代表了材料的損傷程度，顏色或灰度越深的位置表示材料損傷越嚴(yán)重。

圖1 阻抗C掃描成像圖Fig.1 Impedance C-scan imaging

1.2 阻抗掃描成像研究概況

近年來，國內(nèi)外對阻抗掃描成像算法開展了大量研究，試圖增強(qiáng)缺陷邊緣輪廓，提升阻抗掃描圖像質(zhì)量。1991年，Macecek等[8]提出了針對缺陷區(qū)域的圖像增強(qiáng)算法，極大地提高了缺陷區(qū)域的對比度。1994年，Gramz等[9]為去除圖像受污染區(qū)域，提出了運(yùn)用線性維納濾波器（Wiener Filter）和非線性維納濾波器對C掃描圖像進(jìn)行濾波處理，實驗結(jié)果表明維納濾波適用于去除圖像的污染區(qū)域。2001年，Taniguchia等[10]提出采用不可分扇形濾波器對圖像去噪，成功估計出缺陷形狀。2008年，Hasanzadeh等[11]發(fā)現(xiàn)渦流C掃描圖像存在非靜態(tài)特性，且噪聲和缺陷直方圖具有相同的強(qiáng)度，導(dǎo)致線性圖像處理技術(shù)的應(yīng)用效果不佳，為此設(shè)計了一種基于最大似然準(zhǔn)則的最優(yōu)信號適應(yīng)性（Signal-adaptive Maximum Likelihood，SAML）濾波器以增強(qiáng)渦流C掃描圖像缺陷。同時，通過假設(shè)該濾波器的渦流噪聲模型符合非零平均復(fù)高斯過程，對理想的SAML濾波器進(jìn)行修正以進(jìn)一步減少出錯概率、增強(qiáng)對缺陷細(xì)節(jié)和缺陷邊緣的識別。仿真和實驗結(jié)果表明當(dāng)信號能量大于噪聲方差時，SAML和MASML（即修正后的SAML）濾波器都可成功估計缺陷細(xì)節(jié)信息和去除噪聲，并且性能優(yōu)于維納濾波器；2017年，Reyno等[12]為消除二維C掃描平面和試件表面不重合引起的成像誤差，以參考表面與缺陷區(qū)域邊緣處渦流檢測數(shù)據(jù)間殘差平方和為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行最優(yōu)化處理，并根據(jù)優(yōu)化結(jié)果對C掃描檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，實驗結(jié)果表明采用該方法處理的C掃描圖像位置精度可達(dá)0.052 mm以內(nèi)。

1.3 阻抗掃描成像特點

阻抗掃描成像優(yōu)點是采用高精度掃描裝置，可以較大程度消除由探頭擺動、被檢表面不平整、制造過程誤差和損傷引起的提離（Lift-off），可以精確定位檢測位置，可重復(fù)性高，成像分辨率高。但阻抗掃描成像也存在一些缺點，運(yùn)用高精度掃描裝置意味著成像成本較高，同時這樣的裝置一般體積較大，不適用于原位檢測成像。另外，C掃描圖像只能定性反映缺陷的存在，不能測定缺陷的大小與形狀等信息。這是因為線圈的單元點擴(kuò)展函數(shù)與缺陷大小或形狀函數(shù)的卷積結(jié)果會對C掃描圖像造成污染，從而造成C掃描圖像中缺陷邊緣輪廓和實際缺陷邊緣輪廓存在較大差異，不利于缺陷參數(shù)的定量估計。因此需額外設(shè)計處理效果好、實時性高的圖像處理算法。

從適用性方面看，由于高頻激勵可以減小阻抗信號信噪比，因此阻抗掃描成像主要用于導(dǎo)電試件的表面和近表面渦流檢測。

2 磁光渦流成像

2.1 磁光渦流成像原理

磁光渦流成像是一種根據(jù)法拉第磁光效應(yīng)和電磁感應(yīng)定律提出的新電磁渦流檢測成像技術(shù)。法拉第磁光效應(yīng)（如圖2所示）指出[13]，磁場會改變某些物質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)，即當(dāng)一束線偏振光沿磁場方向穿過特定物質(zhì)時，偏振光的偏振面會發(fā)生旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)角稱為法拉第旋轉(zhuǎn)角β，表示為：

式中：v為與物質(zhì)性質(zhì)、光頻率有關(guān)的常數(shù)，稱為費(fèi)爾德常數(shù)；d為物質(zhì)中的光路長度；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度。

結(jié)合渦流場分布信息，利用法拉第磁光效應(yīng)就可對材料缺陷進(jìn)行成像檢測。如圖3所示，若給感應(yīng)薄片施加交變電流則導(dǎo)電試件內(nèi)部會感應(yīng)出層流狀渦流，渦流產(chǎn)生的磁場正切于試件表面，若試件存在異常則會在異常處產(chǎn)生一個垂直于試件表面的磁通密度分量。傳感器由一片生長在釓鎵石榴石基質(zhì)上的鉍摻雜鐵石榴石薄膜組成。這些薄膜具有三種生成磁光圖像的關(guān)鍵性質(zhì)，即具有單軸磁各向異性、磁記憶性以及相對較大的法拉第旋轉(zhuǎn)角θf。于是當(dāng)線偏振光垂直入射傳感器時，反射光偏振面旋轉(zhuǎn)角近似為：

式中：k為入射光矢量；l為傳感器厚度；M為傳感器局部磁化強(qiáng)度，且M的方向總是與傳感器易磁化軸平行，即垂直于傳感器表面。

圖2 磁光效應(yīng)示意圖Fig.2 Diagram of Magneto-optical effect

圖3 磁光渦流成像系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic of Magneto-optical eddy current imaging system

反射光經(jīng)過分析器處理后，產(chǎn)生垂直磁通密度的試件區(qū)域在磁光圖像上會呈現(xiàn)為“暗區(qū)”或“亮區(qū)”，通過對這些異常區(qū)域的觀察，很容易判斷出缺陷的大小及分布情況。典型的磁光渦流圖像如圖4所示。

圖4 磁光渦流圖像Fig.4 Magneto-optical eddy current images

2.2 磁光渦流成像研究概況

國內(nèi)外主要通過優(yōu)化仿真模型、改變檢測方式、改善磁光傳感器性能等來提高磁光渦流成像的檢測能力。

這種“活到老、學(xué)到老”的勁頭感染了張允和，86歲那年，為了重新編印張家的家庭刊物《水》，她決定學(xué)習(xí)打字。她的老師，自然就是周有光。

通過磁光圖像精確估計缺陷的走向、大小和形狀，需要對電磁場進(jìn)行建模分析。早期研究人員采用有限元法（Finite Element Method，F(xiàn)EM）計算磁場分布，進(jìn)而根據(jù)磁場分布仿真缺陷的特性[14]。但FEM需要求解的相關(guān)方程眾多，求解誤差較大，精確度和算法復(fù)雜性相矛盾[15]。因此Lee等[16]在磁光渦流成像模型仿真研究中引入偶極子模型（Dipole Model，DM）[17]，該方法認(rèn)為裂紋處存在偶極子磁荷，當(dāng)給試件施加靜磁場時，缺陷處會聚集偶極矩方向與外加磁場方向相反的偶極子[18]。圖5為采用偶極子模型法對長寬10 mm×0.7 mm、深度1 mm、2 mm和3 mm的裂紋進(jìn)行磁光渦流成像的實驗和仿真[19]?？梢钥闯觯殴鈭D像中兩個黑色區(qū)域代表裂紋兩端，隨著裂紋深度的增加磁光圖像中黑色區(qū)域會擴(kuò)大。由于趨膚效應(yīng)，隨著激勵頻率的增加渦流密度會向表面集中，磁光圖像中相應(yīng)的黑色區(qū)域會縮小。

圖5 不同激勵頻率下裂紋的磁光圖像Fig.5 Different frequencies for magneto-optical images of cracks

為提高磁光渦流成像的圖像分辨率，2012年Agalidi等[20]提出一種渦流—磁圖—磁光成像技術(shù)（Eddy Current-Magnetograph-Magneto-Optic Imaging，EC-MG-MOI），其核心思路在于通過引入中間柔性磁介質(zhì)與試件表面接觸以精確獲取渦流漏磁場信息，對磁圖進(jìn)行磁光成像從而提高磁光渦流成像的靈敏度。實驗結(jié)果表明利用EC-MG-MOI法可以對試件表面劃痕、摩擦力、表面粗糙度、裂紋、外來夾雜物、焊接缺陷和內(nèi)應(yīng)力進(jìn)行高清晰度的可視化評價。

近年來研究人員還從磁光傳感器、圖像處理方面入手提高磁光渦流成像質(zhì)量。2017年，Berzhansky等[21]提出一種具有高磁光活性的納米摻鉍鐵石榴石薄膜制備技術(shù)，通過應(yīng)用光子學(xué)和等離子體技術(shù)制備出不同類型磁各向異性單晶石榴石薄膜磁光傳感器。對這些磁光傳感器的實驗結(jié)果表明，易磁化軸各向異性薄膜對缺陷附近渦流磁場分布的磁光成像效果最好。2018年，Gao等[22]用50 Hz交變電磁場激勵對未焊透、表面裂紋和亞表面裂紋等焊接缺陷進(jìn)行了磁光渦流成像。實驗結(jié)果表明，采用交變磁場激勵能顯著改善靜磁場激勵磁光成像的圖像飽和問題，通過圖像增強(qiáng)、圖像融合等方法可大幅提高圖像對比度，增強(qiáng)對焊接缺陷的識別能力。

2.3 磁光渦流成像特點

磁光渦流成像的優(yōu)點是利用磁光傳感器直接將磁場信息轉(zhuǎn)換為人眼可感知的光信號，不需要復(fù)雜的信號處理程序，因此成像實時性較好，可對試件表面及亞表面大片區(qū)域進(jìn)行快速、精確及實時檢測。由于磁光渦流成像激勵層是流狀渦流而不是圓環(huán)狀渦流，因此對任意走向缺陷都敏感。此外，磁光渦流圖像直觀，檢測人員不需要培訓(xùn)便能判斷缺陷的類型、形狀及大小等信息。

磁光渦流成像技術(shù)的不足是磁光傳感器造價昂貴，成像成本較高。

在應(yīng)用方面，磁光渦流成像基本適用于任何導(dǎo)電試件表面和亞表面的渦流檢測成像及由鐵磁材料組成的復(fù)合材料成像。

3 渦流層析成像

3.1 渦流層析成像原理

渦流層析成像是利用反演算法對試件電導(dǎo)率分布剖面進(jìn)行圖像重建的一種渦流無損檢測成像方法?；驹硎牵喝艚o激勵線圈施加一交變電流，則該交變電流會在導(dǎo)電試件內(nèi)感應(yīng)出渦流。而試件電導(dǎo)率分布會影響試件中渦流密度分布，可通過一組傳感器測量試件附近的磁通密度分布，并求解相應(yīng)的渦流檢測數(shù)據(jù)反演問題，重建試件電導(dǎo)率剖面[23]。缺陷的大小、形狀及位置信息對電導(dǎo)率分布影響極大，通過分析試件電導(dǎo)率圖像就可對試件缺陷信息進(jìn)行評判。渦流層析成像系統(tǒng)由三部分組成：環(huán)繞成像對象外圍的一組由激勵線圈和磁傳感器所組成的陣列探頭、數(shù)據(jù)分析模塊以及計算機(jī)。其中，計算機(jī)圖像重建算法是實現(xiàn)渦流層析成像的關(guān)鍵[24]。有時為簡化渦流層析成像探頭結(jié)構(gòu)，會將激勵線圈同時作為磁傳感器使用，所對應(yīng)的渦流層析成像系統(tǒng)通常如圖6所示。

3.2 渦流層析成像研究概況

國內(nèi)外對渦流層析成像檢測的研究主要集中于電導(dǎo)率剖面圖像重建算法設(shè)計。渦流層析成像反演問題的未知量個數(shù)（即剖面圖像重建所需像素點個數(shù)）大于測量數(shù)據(jù)數(shù)量，因此這是一個嚴(yán)格不適定且非線性的反演問題。不適定性的存在會導(dǎo)致問題的解對測量誤差和噪聲異常敏感，即不同電導(dǎo)率分布的測量數(shù)據(jù)可能會反演出相同的電導(dǎo)率圖像。此外，非線性也對反演算法提出了更高的要求。為簡化反演問題求解，通常假設(shè)響應(yīng)是線性的，即不考慮像素間的相互影響，可以應(yīng)用線性方程（矩陣運(yùn)算）對其進(jìn)行求解。

圖6 典型渦流層析成像系統(tǒng)示意圖Fig.6 Schematics of a typical eddy current tomography experiment

當(dāng)前渦流層析成像的反演方法主要包括基于對正演模型進(jìn)行二階和高階近似的迭代算法、確定與隨機(jī)算法、預(yù)計算數(shù)據(jù)庫法、統(tǒng)計法、總變差正則化法以及水平集正則化法等[25-32]。其中迭代算法應(yīng)用較廣，2001年，Lionheart等[33]提出電磁感應(yīng)層析成像的標(biāo)準(zhǔn)反演方法應(yīng)是類牛頓法的迭代算法，在此基礎(chǔ)上研究人員相繼在反演程序中引入貝葉斯多層感知器（Bayesian Multi-layer Perceptron，BMLP）、模擬退火法（Simulated Annealing，SA）及遺傳算法（Genetic Algorithm，GA）等迭代算法[34-35]。此外，一些應(yīng)用在X射線無損檢測領(lǐng)域的迭代算法也逐漸用于渦流層析成像，如代數(shù)重建算法（Algebraic Reconstruction Technique，ART）和同步迭代重建算法（Simultaneous Iterative Reconstruction Technique，SIRT）等[36]。但迭代算法存在計算負(fù)荷大、耗時久的缺點，并且可能得到錯解（局部最?。?。因此在2011年，Tamburrinoa等[37]提出采用單調(diào)成像算法對渦流檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行反演的方案，這是一種新興的快速非迭代算法，最初主要用于求解橢圓型問題（如電阻層析成像問題），后來逐漸發(fā)展為求解拋物線型問題（如渦流層析成像）。單調(diào)成像法需要計算的矩陣維度等于磁傳感器陣列的磁傳感器數(shù)量，而磁傳感器陣列通常僅由少量磁傳感器組成，所以矩陣的維度是適中的。因此，該算法的計算成本低，很適用于實時成像。后續(xù)的相關(guān)研究也驗證了這一點。2015年，Su等[38]將單調(diào)成像法應(yīng)用于脈沖渦流檢測時域數(shù)據(jù)反演，實驗結(jié)果表明單調(diào)成像法成像實時性良好。2016年，Tamburrino等[39]在單調(diào)成像法中引入檢測對象幾何對稱特性，大幅簡化了反演算法，仿真結(jié)果表明該反演算法可用于外部和內(nèi)部缺陷圖像重建。2017年，Ventre等[40]基于單調(diào)成像法設(shè)計了一種渦流層析成像系統(tǒng)，實驗表明該系統(tǒng)在成像性能和可行性方面都具有良好的應(yīng)用前景。

除圖像重建算法之外，空間分辨率和測量數(shù)據(jù)精度也是決定成像質(zhì)量好壞的關(guān)鍵。2014年，Salach等[41]研制了空間分辨率更高的實驗裝置以提升測量數(shù)據(jù)精度，如圖7所示，該裝置的關(guān)鍵在于電信號處理單元的設(shè)計。結(jié)果表明，該實驗裝置能顯著提升各類腐蝕響應(yīng)信號幅值精度，如銅腐蝕響應(yīng)信號幅值精度可提升60%，鋼腐蝕響應(yīng)信號幅值精度可提升400%，測量穩(wěn)定，測量數(shù)據(jù)可重復(fù)性高。

圖7 渦流層析成像電信號處理單元框圖Fig.7 Schematic block diagram of the electronic signal processing unit in eddy current tomography

3.3 渦流層析成像特點

渦流層析成像的優(yōu)點是通過試件電導(dǎo)率圖像得到的試件缺陷圖像較阻抗掃描成像檢測結(jié)果更為精確，更利于完成對缺陷的判斷、定級等工作。

但是，渦流層析成像也存在一些不足。首先，“軟場效應(yīng)”問題增加了圖像重建算法的設(shè)計難度，即電磁場是非線性場，而圖像重建是一個非線性問題，這就需要依靠復(fù)雜算法近似求解。而復(fù)雜算法會增加程序運(yùn)行時間，使成像實時性變差。其次，一般渦流層析成像系統(tǒng)會采用磁屏蔽層隔絕外界干擾，磁屏蔽層對于系統(tǒng)靈敏度矩陣、成像質(zhì)量及測量場合等都有較大影響，并且屏蔽層設(shè)計增加了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。

在應(yīng)用方面，和阻抗掃描成像不同，渦流層析成像可以選擇直接輸出磁場強(qiáng)弱信息的霍爾元件和磁阻傳感器作為檢測器件，不受線圈低頻響應(yīng)差的影響。因此可選擇低頻渦流檢測方法，直接對更深的亞表面缺陷進(jìn)行檢測成像，其適用的缺陷檢測深度范圍較阻抗掃描成像更大。

4 總結(jié)

渦流無損檢測成像技術(shù)是目前工業(yè)領(lǐng)域材料無損檢測的研究熱點之一。當(dāng)前的渦流無損檢測成像技術(shù)主要有阻抗掃描成像、磁光渦流成像及渦流層析成像。其中阻抗掃描成像起步早，具有成像簡單，成本較低的優(yōu)點，但存在掃描工作繁瑣、缺陷邊緣輪廓識別困難的缺點。為此國外在圖像處理算法設(shè)計方面集中研究，提出了許多信號與圖像的濾波算法，取得了一定的效果。磁光渦流成像將電磁場信息直接轉(zhuǎn)換為人眼易識別的光信號，成像實時性較好且對任意走向的缺陷都敏感，但裝置較昂貴限制了其應(yīng)用。近年來國外在檢測方式、磁光元件性能方面做了不少優(yōu)化，極大地提升了磁光渦流成像質(zhì)量。渦流層析成像設(shè)備簡單、成本低，但是成像速度、成像質(zhì)量都極度依賴圖像重建算法，且所采用的迭代算法計算負(fù)荷大、求解時易陷入局部最小。為此國外提出采用非迭代算法對渦流檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像重建，改善了成像實時性和成像質(zhì)量。

結(jié)合國外對渦流無損檢測成像技術(shù)進(jìn)行的理論及實驗研究，建議設(shè)計更高效的濾波算法以增強(qiáng)阻抗掃描圖像缺陷輪廓，同時考慮更低成本的磁光材料、優(yōu)化磁光傳感器制造工藝以降低磁光渦流成像設(shè)備的成本和體積，還應(yīng)對非迭代算法繼續(xù)優(yōu)化以降低渦流層析成像耗時，提升成像質(zhì)量。