电子剪切散斑干涉技术.doc

第3章 剪切散斑干涉技术3.1 剪切散斑干涉技术的概念剪切散斑干涉技术（Shearography）因其快速准确的检测能力在航空航天领域得到广泛认可，它与红外热成像检测技术（Thermography）一样，都是一种高效率的无接触无损检测技术，可以用于进行大面积的检测，在检测同时可以提供被测构件的完整图像的即时成像功能。与Thermography 不同的是Shearography是一种光学传感技术，它利用激光照射在构件身上产生的散斑，对构件的表面破损、变形进行全面检测，所以它也是一种散斑干涉测量技术。Shearography源自1971年诺贝尔物理学奖得主Dennis Gabor发明的全息干涉技术（Holography），可以说Shearography属于Holography系列，是Holography的一个简化版本。由于Holography需要在宁静、 避震的环境下才能发挥出功效，香港大学机械工程学系教授洪友仁于1980年将Holography改良，于是发明了Shearography，之后便将其应用于检测汽车轮胎上，不久洛杉矶发生飞机爆胎意外，FAA开始强制要求所有航空公司必须用Shearography检测飞机轮胎，自此之后，因轮胎问题而引起的飞机意外很少有发生。近年来美国LTI（Laser Technology Inc.）公司开始将Shearography用于飞机无损检测。他们开发出基于Shearography的标准无损检测系统，可以用来检测部件的分层、脱胶、裂纹、空隙、冲击损伤、损坏的修补部位以及任何对结构完整性造成影响的缺陷。它可以应用于许多不同材料的检测，包括碾压材料，复合材料，蜂窝结构以及泡沫材料等，尤其对蜂窝结构的检测得心应手。Shearography起初只作为一种生产工具应用于B-2隐形轰炸机计划，经过几年的评估，它的适用性和灵敏度得到证明后，航空宇航部件生产线便全线装备这套系统，目前NASA正使用它为航天飞机、Delta IV以及X-33实验机服务。3.2 基本原理Holography和Shearography都是激光光学全场测量技术，它们都是基于激光散斑效应的，这是在用激光照射粗糙表面时发生的现象，下面我们通过借助Holography的原理来分析Shearography的工作原理。3.2.1 Holography的工作原理物体内部的缺陷在受到外力作用时，例如抽真空（施加负压）、充气加压、加热、振动、弯曲等加载方式的作用下，与缺陷对应的物体表面将产生与周围不同的局部微小变形（位移）。Holography（图 3-1）用激光二极管射出一束单独的激光束，此激光束称为参考光束，它通过一个透镜后被扩展，然后投射到被检测构件表面，反射光与参考光束结合发生干涉（它们来自同一激光源，有固定的相位关系），产生干涉条纹，在某些区域两个波的相位相同，产生相长干涉，形成明亮条纹，当两个波的相位相反时则产生相消干涉，形成暗条纹，于是构成了明暗相间的干涉条纹图像。图 3-1 Holography的原理构件受加载后产生表面位移与变形，如果构件内无缺陷，加载后试件表面的变形是连续规则的，所产生的干涉条纹形状与明暗条纹间距的变化也是连续均匀的，与试件外形轮廓的变化相协调。如果构件内有缺陷，则加载后对应有内部缺陷的试件表面部位的变形比周围的变形大，会出现光程差，对应有缺陷的局部区域将会出现有不连续突变的干涉条纹，亦即条纹形状与间距将发生畸变，计算机通过对CCD摄像机记录的加载前与加载后的散斑图进行对比，就可以在缺陷出现的地方显示出斑点结构中的变化并产生相关缘纹。Holography工作过程如图3-2 a、b、c、d、e所示，用激光束照射物体表面时，由于表面粗糙度与激光波长相近，所以在CCD摄像机芯片上可以看见激光束产生漫反射干涉形成散斑，成像如图b所示，而构件表面自然光成像如图a所示，无散斑。 经过干涉并对CCD摄像机记录的加载前与加载后的散斑图进行比较，可以获得如图c所示的条纹图。条纹由发生相同位移的点组成。对条纹图进行相移处理得到图d所示的相位图。计算机对相位图进行展开计算，获得表面各点的位移场分布，如图e所示的条纹图，由位移数据可以计算得到应变场。 图 3-2 Holography成像过程Holography拥有很高的灵敏度，可以精确地检测出异常位移，精度可达到2nm。目前采用Holography作为主要原理的技术有电子散斑图像干涉技术ESPI（Electronic Speckle Pattern Interferometry）也称为TV全息摄影术(TV Holography)或数字全息术(Digital Holography)，由于术利用CCD相机代替全息干板作记录介质，ESPI保持了Holography的测量精度和灵敏度，且有电子技术处理数据量大、快速方便及自动分析的优点。3.2.2 Shearography的工作原理由于Holography要让反射光束与参考光束发生干涉，而且要对构件进行外力加载，整个系统在检测过程中不能有任何外界干扰，尤其是振动，只要位移稍有变化就会对检测结果造成误差，这样限制了Holography在实际应用中检测性能，于是香港人洪友仁教授将其改良，便出现了shearography。Shearography（图 3-3）在光学设置上有了一些改进，参考光束被取代，而光学系统中采用剪切镜片令构件表面错位为X（相距X）的两个点（图3-3中P1和P2）的反射光发生干涉叠加，可以获得一个散斑图。这时两束反射光的相位差为（图 3-4 a），然后对构件进行加载，令构件的表面发生位移和变形，P1、P2 两点的反射光的相位差变为+(图 3-4 b)，可以得到另一个散斑图。用CCD摄像机记录加载前和加载后的两个散斑图并对其进行比较，与Holography一样，可以得到相应的条纹图，计算机对相位图进行展开计算，获得表面各点的位移场分布（图 3-5 c），这个过程基本上和Holography一样。图 3-3 Shearography的原理 a b图 3-4 P1和P2光源相互干涉和Holography不同的是计算机会对位移场进行光强的计算，得出构件表面各点离面位移W（构件受加载变发生微小位移和变形后构件表面的点离开原来表面的距离W），然后再计算出W对的一阶偏微分，也就是W随的变化改变的变化率，得出一个新的位移场分布图，如果物体内部有缺陷，则缺陷部位表面典型的干涉图像成蝴蝶形斑纹（图 3-5）。 a b c d图 3-5 Shearography成像过程由于Shearography的这种检测方法得到的是唯一的变形梯度，它不受刚性物体运动的影响，解决了Holography无法解决的避震问题，因此这种技术典型地应用于生产线或维修中的缺陷识别，产生的斑点图像不仅可以看见缺陷的所在位置，还可以显现出被测试构件表面变形的梯度，由于系统的高灵敏度，检测时只需要小载荷而且是非破坏的。3.3 相关工具LTI公司已经开发出多种用途，适合在不同场合下使用的Shearography检测系统，先后有便携式的LTI-5200、LTI-6200，用于检测中等结构的LTI-5100、LTI-7100以及用于检测大型结构的LTI-9000等。以下是上述工具它们在实际应用中的一些检测效果图片：图3-6为LTI-5200以及其检测得到的斑纹图 图 3-6 LTI-5200图3-7、3-8为LTI-6200以及其检测到的工具掉落击伤的合成面板、脱胶合成面板、蜂窝夹层、冲击损伤。图 3-7 LTI-6200 图 3-8 LTI-6200图3-9为LTI-5100检测雷达罩示意图 图 3-9 LTI-5100图3-10为LTI-7100检测喷气发动机涡轮罩示意图 图 3-10 LTI-7100图3-11为带有真空室的LTI-9000，它可以检测直升机螺旋桨一类的大型结构。 图 3-11 LTI-90003.4 应用Shearography和Holography都是基于激光散斑现象的无损检测技术，它们可以应用于几乎所有材料的实时无损检测，而且都是高精度检测技术，可以检测出尺寸微小到2nm的缺陷。结合现代的工程力学测试技术，这些技术将会成为未来无损检测的强大工具。目前的Shearography和Holography技术都已基本成熟，LTI公司