季玉坤,高向東*,張南峰，2,張艷喜,游德勇,肖小亭,孫友松

(1.廣東工業(yè)大學(xué) 廣東省焊接工程技術(shù)研究中心,廣東 廣州 510006;2.黃埔海關(guān)技術(shù)中心，廣東 東莞 523076)

0 引 言

無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在保證產(chǎn)品質(zhì)量和提高經(jīng)濟(jì)效益中承擔(dān)著重要角色,高效、環(huán)保、低成本的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)將備受青睞。目前,國(guó)內(nèi)外常用的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)有射線法、渦流法、超聲波法、磁粉法、滲透法以及磁光成像法[1-2]。

射線法是利用強(qiáng)度均勻的射線透射工件時(shí)強(qiáng)度衰弱的不同,檢測(cè)工件中是否存在缺陷,利用暗通道先驗(yàn)估計(jì)單個(gè)X射線圖像的射線強(qiáng)度和給定目標(biāo)的透射函數(shù),可提高射線檢測(cè)的可視化[3-4]。但射線具有輻射生物效應(yīng),對(duì)人體健康及環(huán)境都不利。渦流法是基于電磁感應(yīng)現(xiàn)象,通有交流電的線圈置于待測(cè)工件表面,交流線圈產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)使工件產(chǎn)生漩渦狀的感應(yīng)電流,用探測(cè)線圈去檢測(cè)感應(yīng)電流引起的磁場(chǎng)變化,進(jìn)而可知工件內(nèi)部缺陷等信息[5-6]。由于渦流有難以克服的趨膚效應(yīng)問(wèn)題,渦流檢測(cè)也只限于形狀規(guī)則的工件表面進(jìn)行。超聲波法利用超聲波在被測(cè)工件內(nèi)部傳播時(shí)受到材料組織變化的影響,通過(guò)反射波的變化程度來(lái)探測(cè)工件缺陷,近年來(lái)激光超聲檢測(cè)、電磁超聲檢測(cè)等新型超聲檢測(cè)技術(shù)發(fā)展迅速,并能有較好的檢測(cè)效果[7]。但由于聲束的覆蓋范圍較大,獲取圖像的橫向分辨率極易被弱化。磁粉法是漏磁檢測(cè)范疇,在磁化工件表面涂上磁粉,可形成在光照下人眼可見的裂痕,從而可分析出工件缺陷特征,通過(guò)高速攝像機(jī)的圖像測(cè)量揭示了裂紋形狀與粘著磁顆粒形狀之間的關(guān)系,更能準(zhǔn)確獲得裂紋信息[8-10]。不過(guò)磁粉法處理過(guò)程復(fù)雜,人為因素影響較大。滲透法是利用滲透液來(lái)顯示構(gòu)件表面缺陷的一種探傷方法[11-12],但滲透法檢測(cè)精度易受到表面涂層形狀及濕度的影響,滲透時(shí)間較長(zhǎng),檢測(cè)效率較低。

以上無(wú)損檢測(cè)技術(shù)均有各自的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍,相比而言,磁光成像傳感無(wú)損檢測(cè)是一種結(jié)合磁、光和電等物理學(xué)科的技術(shù),筆者就磁光成像傳感無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的原理、磁光圖像處理算法、應(yīng)用領(lǐng)域以及未來(lái)發(fā)展方向進(jìn)行系統(tǒng)地分析和綜述。

1 磁光成像基本原理

1.1 磁路及漏磁機(jī)理分析

磁路可表示為通過(guò)磁通的閉合路徑,將磁路與電路類比分析,相似之處在于電路中的電動(dòng)勢(shì)、電流、電阻、電導(dǎo)率分別對(duì)應(yīng)著磁路中磁動(dòng)勢(shì)、磁通、磁阻、磁導(dǎo)率。磁路中的歐姆定律滿足方程:

F=Rm×Φ

(1)

式中:F—磁動(dòng)勢(shì);Rm—磁阻;Φ—磁通。

磁路與電路一個(gè)重要的不同點(diǎn)在于實(shí)際磁路中存在漏磁現(xiàn)象,當(dāng)磁鐵兩極放在工件表面時(shí),工件內(nèi)部會(huì)形成磁路,方向是從磁鐵N極指向S極,如果工件內(nèi)部不連續(xù)時(shí),則磁路會(huì)在不連續(xù)處發(fā)生局部畸形產(chǎn)生磁極,由于空氣磁阻與工件磁阻不同,從而產(chǎn)生漏磁現(xiàn)象[13-14]。通過(guò)磁路和漏磁理論,說(shuō)明導(dǎo)磁性工件缺陷信息可由漏磁場(chǎng)信息來(lái)表示,提取工件漏磁場(chǎng)信息,進(jìn)而分析工件缺陷特征。

1.2 法拉第效應(yīng)

法拉第效應(yīng)基本原理如圖1所示。

圖1 法拉第效應(yīng)基本原理

一束自然光經(jīng)過(guò)起偏器變成線偏振光(入射光),線偏振光通過(guò)旋光性介質(zhì)時(shí),如果在介質(zhì)中沿光傳播方向上加一磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的外加磁場(chǎng),光通過(guò)介質(zhì)的路徑長(zhǎng)度為L(zhǎng),則光振動(dòng)的振動(dòng)面將轉(zhuǎn)過(guò)角度θ,這種外加磁場(chǎng)使介質(zhì)產(chǎn)生旋光性的現(xiàn)象,稱為法拉第效應(yīng)或磁致旋光效應(yīng)[15],角度θ滿足方程:

θ=VBL

(2)

式中:V—菲德爾常數(shù),由于偏振光旋轉(zhuǎn)角θ的變化,從而引起光強(qiáng)大小的改變。

磁光成像檢測(cè)原理如圖2所示。

圖2 磁光成像檢測(cè)原理

磁光成像檢測(cè)硬件部分由磁光傳感器、工件、電磁鐵以及勵(lì)磁電源組成。光源由LED產(chǎn)生自然光,經(jīng)過(guò)起振器變成線偏振光,線偏振光由反射鏡和凸鏡經(jīng)磁光介質(zhì)到達(dá)鏡面涂層,在工件產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)附近返回,并經(jīng)過(guò)檢偏器被CMOS相機(jī)獲取,最終生成光強(qiáng)圖(磁光圖像)。結(jié)合1.1和1.2分析可知,漏磁場(chǎng)信息包含工件缺陷信息,磁場(chǎng)信息又可以用光強(qiáng)信息表示,簡(jiǎn)而言之,磁光圖像可以包含工件缺陷信息。

1.3 磁光成像檢測(cè)系統(tǒng)

磁光成像檢測(cè)系統(tǒng)示意圖如圖3所示。

圖3 磁光成像無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)示意圖

該系統(tǒng)主要由磁光傳感器、勵(lì)磁裝置、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、夾具、磁光圖像采集系統(tǒng)以及待測(cè)工件組成。其中,勵(lì)磁裝置中的勵(lì)磁方式可分為恒定磁場(chǎng)勵(lì)磁、交變磁場(chǎng)勵(lì)磁、旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)勵(lì)磁等。磁光傳感器檢測(cè)工件的有效磁場(chǎng)范圍在[-2,2] kA/m內(nèi),超出會(huì)導(dǎo)致磁光圖像飽和,無(wú)法獲取準(zhǔn)確的工件缺陷信息,因此一般采用非恒定勵(lì)磁方式。

兩種勵(lì)磁焊接缺陷磁光圖像對(duì)比圖如圖4所示。

缺陷類型實(shí)物圖拋光圖交變磁場(chǎng)勵(lì)磁第一幀第二幀第三幀旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)勵(lì)磁第一幀第二幀第三幀未熔合表面裂紋亞表面裂紋無(wú)缺陷

圖4 兩種勵(lì)磁焊接缺陷磁光圖像對(duì)比圖

對(duì)于表面及亞表面缺陷的檢測(cè)一般利用交變磁場(chǎng)會(huì)有較好的檢測(cè)效果,復(fù)合磁場(chǎng)能夠解決工件內(nèi)部缺陷信息檢測(cè)問(wèn)題,旋轉(zhuǎn)激勵(lì)下的磁光圖像適合獲取工件內(nèi)部不同方向和未知形狀的缺陷信息。在磁光圖像檢測(cè)焊接缺陷的過(guò)程中,通過(guò)交變磁場(chǎng)檢測(cè)焊件表面及亞表面裂紋,為下一步分析檢測(cè)提供較為清晰的圖像信息,而旋轉(zhuǎn)勵(lì)磁下獲得的磁光圖像更容易分辨出不同方向下焊接缺陷類型[16-17]。

針對(duì)某一類型缺陷可以選擇合適的勵(lì)磁方式,但如何確定最佳勵(lì)磁方式中的具體參數(shù)仍有待解決。比如交變磁場(chǎng)中勵(lì)磁頻率對(duì)不同深度缺陷的靈敏度不同,研究缺陷深度與最佳勵(lì)磁頻率的規(guī)律是重點(diǎn)內(nèi)容;在復(fù)合磁場(chǎng)勵(lì)磁的過(guò)程中,恒定磁場(chǎng)與交變磁場(chǎng)所占比重對(duì)采集完整的缺陷信息尤為重要,確定兩者在復(fù)合勵(lì)磁時(shí)的權(quán)重還未解決。

針對(duì)以上如何選取最佳勵(lì)磁方式的問(wèn)題,除研究其基本原理以及仿真驗(yàn)證以外,應(yīng)設(shè)計(jì)大量相關(guān)的工藝試驗(yàn),通過(guò)試驗(yàn)總結(jié)出不同類型缺陷應(yīng)采用的最佳勵(lì)磁方式。

2 磁光圖像優(yōu)化算法

2.1 圖像信息提取

圖像信息提取是圖像信息分析的前提,其實(shí)質(zhì)是對(duì)二維矩陣進(jìn)行各種數(shù)學(xué)變換,獲得人們所需的圖像信息[18]。圖像信息提取方法包括灰度共生矩陣、圖像信息融合等。

灰度共生矩陣是利用空間(距離和角度)像素對(duì)出現(xiàn)的聯(lián)合概率表示,描述圖像紋理特征。通過(guò)提取圖像的能量W1、熵W2、慣性矩W3和自相關(guān)性W44個(gè)紋理特征信息,分別反映圖像紋理的粗細(xì)度、清晰度、非均勻程度和一致性[19-20]。

文獻(xiàn)[21]首先將實(shí)驗(yàn)獲取的256級(jí)動(dòng)態(tài)焊接缺陷磁光圖像轉(zhuǎn)化為16級(jí)圖像,然后通過(guò)灰度共生矩陣提取磁光圖像的能量、熵、對(duì)比度以及相關(guān)性,最后利用圖像信息融合技術(shù)將每個(gè)焊接樣本的3張圖像的4個(gè)信息融合為1張圖像中,得到的FW1、FW2、FW3、FW4作為焊接缺陷檢測(cè)預(yù)測(cè)模型的輸入信息,用方程表示為:

F=aF1+bF2+cF3

(3)

式中:F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3—圖像特征參數(shù);a，b，c—不同權(quán)重,和為1。

2.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型

目前,在利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)磁光圖像缺陷信息的過(guò)程中,主要研究工作集中在標(biāo)準(zhǔn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)上。

磁光成像神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型如圖5所示。

圖5 磁光成像神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型

標(biāo)準(zhǔn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)首要工作是確定輸入量,比如可以通過(guò)主成分分析(PCA),獲得磁光圖像的前3列信息作為網(wǎng)絡(luò)模型輸入量(Y1,Y2,Y3),將真實(shí)值(缺陷類型)轉(zhuǎn)化作為輸出[22],可將標(biāo)準(zhǔn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與其他優(yōu)化算法一起使用達(dá)到更好的預(yù)測(cè)效果,徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)就是其中之一,其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練精度[23]。為更進(jìn)一步獲得更多磁光圖像所蘊(yùn)含的工件缺陷信息,可結(jié)合卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)預(yù)測(cè)模型,CNN是直接將圖像作為輸入信息,輸出為預(yù)測(cè)結(jié)果,有效避免圖像信息提取時(shí)產(chǎn)生噪聲或者提取信息不完整的情況。在CNN模型的基礎(chǔ)上,繁衍出了許多更加高效的算法,Faster R-CNN可實(shí)現(xiàn)圖像上的目標(biāo)檢測(cè),通過(guò)Faster R-CNN理論設(shè)計(jì)一套表面缺陷檢測(cè)系統(tǒng),可有效檢測(cè)圓柱形金屬工件表面缺陷[24-26]。

在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和深度學(xué)習(xí)迅速發(fā)展的背景下,磁光圖像傳感檢測(cè)與人工智能結(jié)合是要解決的主要技術(shù)難點(diǎn)之一。實(shí)現(xiàn)智能檢測(cè)的關(guān)鍵一步是軟硬件結(jié)合,由于深度學(xué)習(xí)模型需要大量的運(yùn)算,要求硬件平臺(tái)應(yīng)具備高效可靠的運(yùn)算能力。目前一些搭載GPU+NPU的硬件系統(tǒng)隨之產(chǎn)生,提供強(qiáng)大的運(yùn)算能力,使得利用深度學(xué)習(xí)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)成為了可能。

3 磁光成像技術(shù)在無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用

3.1 航空航天業(yè)

磁光成像傳感檢測(cè)技術(shù)較早應(yīng)用于航空航天業(yè),可實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)蒙皮和鉚釘?shù)裙ぜ毕莸臋z測(cè)[27]。利用磁光成像傳感檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)飛機(jī)工件缺陷的首要工作是采集到工件缺陷的磁光圖像并建立缺陷損傷圖像庫(kù),然后利用圖像處理及缺陷分類等算法,為這些圖像的特征識(shí)別提供定量依據(jù),可以將分類算法植入到數(shù)字信號(hào)處理器板內(nèi),完成部分實(shí)時(shí)檢測(cè)的能力[28-30];為了提高對(duì)鐵磁性材料的探傷能力并減少時(shí)間和成本,可以建立仿真模型,尋找最佳磁激勵(lì)方式、提離度等參數(shù),為調(diào)整磁光成像中勵(lì)磁參數(shù)提供了較為可行的參考方法[31-32]。

無(wú)損檢測(cè)在保障航空航天安全方面有著舉足輕重的作用,磁光成像檢測(cè)技術(shù)以其輕便、檢測(cè)范圍廣等優(yōu)點(diǎn),能夠勝任飛機(jī)中不同缺陷的檢測(cè)任務(wù)。

3.2 焊接缺陷檢測(cè)

焊接工藝在制造業(yè)中有著舉足輕重的地位,實(shí)現(xiàn)對(duì)常見焊接缺陷精準(zhǔn)、快速檢測(cè)是關(guān)鍵。

焊接缺陷磁光圖像分類流程如圖6所示。

圖6 焊接缺陷磁光圖像分類流程

在非恒定勵(lì)磁情況下,每個(gè)焊件會(huì)采取3張不同場(chǎng)強(qiáng)勵(lì)磁下的磁光圖像,首先對(duì)3張磁光圖像進(jìn)行圖像融合技術(shù),融合后的圖像像素大小為400×400 pixel,通過(guò)圖像降維提取有用信息,轉(zhuǎn)化為80×80 pixel的圖像,然后使用PCA技術(shù)提取特征參數(shù),作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層,最后通過(guò)反饋網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練獲得焊接缺陷結(jié)果[33]。

目前,大部分磁光圖像傳感檢測(cè)技術(shù)都是在二維平面進(jìn)行分析檢測(cè),然而工件缺陷是一個(gè)三維的特征實(shí)體,利用磁光圖像對(duì)缺陷進(jìn)行三維重構(gòu),能夠更加清楚地了解缺陷特征。這一技術(shù)問(wèn)題可以從磁光圖像以外的維度去考慮研究,比如利用缺陷處場(chǎng)能堆積效應(yīng)以及磁光圖像功率譜、能量譜等,尋找更多與缺陷特征有關(guān)的信息進(jìn)行定性分析。

4 結(jié)束語(yǔ)

磁光成像傳感無(wú)損檢測(cè)技術(shù)可以總結(jié)為:利用漏磁場(chǎng)理論及法拉第效應(yīng),通過(guò)改變勵(lì)磁方式可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同類型缺陷進(jìn)行檢測(cè),磁光傳感器獲取包含工件缺陷信息的磁光圖像,然后對(duì)磁光圖像進(jìn)行不同算法的處理,最后獲得被測(cè)工件的缺陷信息。

磁光成像檢測(cè)法的技術(shù)難點(diǎn)以及未來(lái)發(fā)展方向如下:針對(duì)不同缺陷尋找最佳勵(lì)磁方式是首要解決的問(wèn)題;在二維的磁光圖像上構(gòu)建工件缺陷的三維信息是研究重點(diǎn)和難點(diǎn);磁光成像傳感無(wú)損檢測(cè)技術(shù)與人工智能相結(jié)合,使得檢測(cè)系統(tǒng)可以智能地完成識(shí)別、定位、輪廓重構(gòu)等操作,逐步實(shí)現(xiàn)機(jī)器代替人的目標(biāo)。