利用光學(xué)特性的無損檢測技術(shù)

1 激光全息照相檢測

激光全息照相檢測是一種全息干涉計量法。

物體內(nèi)部的缺陷在受到外力作用時，例如抽真空（施加負(fù)壓）、充氣加壓、加熱、振動、彎曲等加載方式的作用下，與缺陷對應(yīng)的物體表面將產(chǎn)生與周圍不同的局部微小變形（位移），采用激光全息照相的方法，將發(fā)生變形前后兩個光波的波陣面記錄下來進(jìn)行對比觀察，從而可以判斷并檢出物體的內(nèi)部缺陷。

激光全息照相是利用光的干涉現(xiàn)象，右圖為激光全息照相光路系統(tǒng)示意圖，由圖中所示可見，激光發(fā)生器1（如氦-氖激光器、紅寶石激光器、氬離子激光器等）發(fā)出的激光束一部分經(jīng)棱鏡2反射到反射鏡4再經(jīng)透鏡5擴(kuò)束投射到試件6的表面（加載），試件表面反射的光波投射到照相干板7上（物波），另一部分激光束通過棱鏡2再經(jīng)透鏡3擴(kuò)束投射到反射鏡8，然后再反射投射到照相干板7上（參考波），這兩束光波將會發(fā)生干涉（它們來自同一激光源，有固定的相位關(guān)系），干涉的結(jié)果是產(chǎn)生干涉條紋：在有的區(qū)域兩個波的相位相同時，產(chǎn)生相長干涉，形成干涉條紋圖像中的明亮條紋，當(dāng)兩個波的相位相反時則產(chǎn)生相消干涉，形成暗條紋，于是構(gòu)成了明暗相間的干涉條紋圖像。當(dāng)試件內(nèi)無缺陷時，加載后試件表面的變形是連續(xù)規(guī)則的，所產(chǎn)生的干涉條紋形狀與明暗條紋間距的變化也是連續(xù)均勻的，與試件外形輪廓的變化相協(xié)調(diào)。如果試件內(nèi)存在有缺陷，則加載后對應(yīng)有內(nèi)部缺陷的試件表面部位的變形比周圍的變形大，則光程出現(xiàn)差異，對應(yīng)有缺陷的局部區(qū)域?qū)霈F(xiàn)有不連續(xù)突變的干涉條紋，亦即條紋形狀與間距將發(fā)生畸變，從而可以根據(jù)干涉條紋圖形判別試件內(nèi)部的缺陷。

攜帶有試件表面微小變形（位移）信息的物波與參考波相干涉形成以干涉條紋的反差、形狀和間距變化形式記錄試件全部信息的圖形，就是全息圖。

前面提及的激光-超聲全息照相檢測就是以超聲波為物波，激光束為參考波形成的一種全息圖。

激光全息照相檢測可用于檢測蜂窩結(jié)構(gòu)、疊層膠接結(jié)構(gòu)、復(fù)合材料以及薄壁構(gòu)件的裂紋、脫粘、未粘合等缺陷，其優(yōu)點(diǎn)是對試件的加工精度要求不高，安裝調(diào)試方便，能得到物體的三維圖像，缺點(diǎn)是對不透光物體沒有穿透能力，一般只能用于厚度小的薄材料，設(shè)備較昂貴，并且在檢測時受機(jī)械振動、聲振動（如環(huán)境噪聲）以及環(huán)境光等的干擾大等等，因此需要在安靜、清潔的暗室中進(jìn)行檢測。

2 激光電子散斑剪切技術(shù)

ESPI (Electronic Speckle Pattern Interferometry)也稱為TV全息攝影術(shù)(TV Holography)或數(shù)字全息術(shù)(Digital Holography)。一束激光被透鏡擴(kuò)展并投射到被測量表面上，反射光與從激光器直接投射到攝像機(jī)的稱為參考光束的結(jié)合，發(fā)生干涉，攝像機(jī)會記錄一系列的斑點(diǎn)圖像。通過圖像比較可以顯示出斑點(diǎn)結(jié)構(gòu)中的變化并產(chǎn)生相關(guān)緣紋，它們起因于記錄圖像之間的表面位移與變形，智能軟件自動分析這些緣紋并計算處定量的位移值。先進(jìn)的ESPI系統(tǒng)利用若干個激光照射方向或攝像機(jī)，產(chǎn)生位移和變形的三維信息以及輪廓信息(3D-ESPI系統(tǒng))。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，可以獲得應(yīng)變、應(yīng)力、振動模式以及更多的數(shù)值。

ESPI系統(tǒng)提供了變形、位移、應(yīng)變和應(yīng)力方面的信息，材料工業(yè)利用這種技術(shù)可以測量楊氏彈性模量、泊松比、裂紋生長、真實(shí)應(yīng)變/真實(shí)應(yīng)力作用，以及許多其他描述新材料所需要的材料參數(shù)。高速的測量系統(tǒng)還可以提交動態(tài)的材料數(shù)值，可用于碰撞試驗(yàn)與碰撞模擬。

汽車工業(yè)在許多方面采用ESPI：分析底盤的疲勞行為，傳動系、發(fā)動機(jī)、齒輪箱、車輪以及許多其他部件，這對于汽車安全都是高應(yīng)力和關(guān)鍵的部件。此外,噪聲振動（NVH-Noise Vibration Harshness）問題也可以采用脈沖ESPI技術(shù)解決。一個脈沖激光器以可變的時間延遲發(fā)出兩個激光脈沖，由1-3個高速ESPI攝像機(jī)記錄圖像，測量的結(jié)果顯示運(yùn)作的偏差，這是用于消除聲源，使阻尼系統(tǒng)最優(yōu)化，消除剎車時發(fā)出的尖銳噪音或者消除其顫動等。NVH的典型應(yīng)用是減小噪音，ESPI也可以用于優(yōu)化音質(zhì)，例如關(guān)車門的碰撞試驗(yàn)。脈沖ESPI技術(shù)的其他優(yōu)點(diǎn)還有可以分析沖擊事件，例如顯示瑞利波(Raleigh waves)在金屬或地下的傳播與反射。

除了汽車工業(yè)以外，所有的運(yùn)輸工業(yè)，例如鐵路、海運(yùn)、航空等等都可以利用這種具有全視場、三維、非接觸測量能力的ESPI。

激光剪切測量技術(shù)（Laser shearography）也是一種散斑干涉測量技術(shù)，這是廣泛應(yīng)用于無損檢測或無損檢驗(yàn)的，但是其光學(xué)設(shè)置有了一些改進(jìn)，參考波束被取代，物體圖像是雙重的，在攝像機(jī)中是側(cè)向剪切與有層理的。產(chǎn)生的斑點(diǎn)圖像顯現(xiàn)出被測試或分析表面變形的梯度，可以通過現(xiàn)代的相位移技術(shù)與緣紋打開技術(shù)對這種信息進(jìn)行自動分析。

由于激光剪切測量得到的是唯一的變形梯度，它不受剛性物體運(yùn)動的影響，因此，這種技術(shù)典型地應(yīng)用于生產(chǎn)線或維修中的缺陷識別。

EPSI和剪切（Shearography）技術(shù)是激光光學(xué)全場測量技術(shù)，它們是基于激光散斑效應(yīng)，這是在用激光照射粗糙表面時發(fā)生的現(xiàn)象。

無損檢測與無損檢驗(yàn)都是剪切測量技術(shù)最廣泛應(yīng)用的領(lǐng)域。現(xiàn)代復(fù)合材料的生產(chǎn)過程中，許多不同的構(gòu)件要粘接在一起，這些零件裝配的過程往往需要手工操作，因此在生產(chǎn)線上一定階段中實(shí)施無損檢測對于產(chǎn)品的可靠性與質(zhì)量控制是非常重要的，剪切測量技術(shù)為所有的無損檢測應(yīng)用提供了一個非常有用的工具。

航空工業(yè)利用剪切測量技術(shù)試驗(yàn)玻璃纖維增強(qiáng)塑料、碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）的復(fù)合材料、光潔層面、泡沫塑料以及鋁復(fù)合材料等。全自動檢驗(yàn)系統(tǒng)已經(jīng)安裝用于ARIANE 5的檢驗(yàn)，以及直升機(jī)旋轉(zhuǎn)槳葉檢驗(yàn)。對于維修檢驗(yàn)，便攜式的剪切測量檢驗(yàn)系統(tǒng)已經(jīng)利用真空加載或熱加載用于探查缺陷。最近，剪切測量技術(shù)還被證實(shí)可用于協(xié)和式飛機(jī)零件的維修檢驗(yàn)。Pratt Whitney的噴氣發(fā)動機(jī)耐磨密封也已經(jīng)采用激光剪切測量系統(tǒng)利用振動激勵進(jìn)行檢驗(yàn)。在汽車工業(yè)中的輪胎試驗(yàn)和表板檢驗(yàn)也已是眾所周知的應(yīng)用了。 (end)