9 激光无损检测

第九讲无损检测新技术,对应教材内容：6.1激光全息无损检测,激光全息检测实际上就是将不同受载情况下的物体表面状态用激光全息照相的方法记录下来，进行比较和分析从而评价被检物体的质量。,激光全息检测的原理,激光全息检测是利用激光全息照相来检测物体表面和内部缺陷的。物体在受到外界载荷作用下会产生变形，这种变形与物体是否含有缺陷直接相关。在不同的外界载荷作用下，物体表面变形的程度是不相同的。,激光全息照相，是将物体表面和内部的缺陷，通过外界加载的方法，使其在相应的物体表面造成局部的变形，用全息照相来观察和比较这种变形，并记录在不同外界载荷作用下的物体表面的变形情况，进行观察和分析，然后判断物体内部是否存在缺陷。,北京瀛源联合科技有限公司,激光全息检测的特点与原理,(1)由于激光全息检测是一种干涉计量技术，其干涉计量的精度与波长同数量级。因此，极微小的变形都能检验出来，检测的灵敏度高。(2)由于激光的相干长度很大，因此，可以检验大尺寸物体，只要激光能够充分照射到的物体表面，都能一次检验完毕。(3)激光全息检测对被检对象没有特殊要求，可以对任何材料、任意粗糙的表面进行检测。(4)可借助于干涉条纹的数量和分布状态来确定缺陷的大小、部位和深度，便于对缺陷进行定量分析。,激光全息检测具有非接触性、直观、结果便于保存等特点。但是，物体内部检测灵敏度，取决于物体内部的缺陷在外力作用下能否造成物体表面的相应变形。如果物体内部的缺陷过深或过于微小，那么，激光全息照相这种检测方法就无能为力了。对于叠层胶接结构来说，检测其脱粘缺陷的灵敏度取决于脱粘面积和深度比值。在近表面的脱粘缺陷面积，即使很小，也能够检测出来。而对于埋藏得较深的脱粘缺陷，只有在脱粘面积相当大时才能够被检测出来。激光全息检测目前多在暗室中进行，并需要采用严格的隔振措施，因此不利于现场检测。,激光全息检测的特点,了解这种检测方法的原埋:根据电磁波理论，表示光波中电场E的波动方程为其中A0是光波的振幅，t表示相位。假设有两个波长相同的光波相叠加，当它们的相位相同时，叠加后所合成的光波振幅增强；如果两个光波,激光全息检测的原理,相位相反，则合成的光波的振幅就相互抵消而减弱。把光波在空间叠加而形成明暗相间的稳定分布的现象叫做光的干涉。,干涉光波需满足条件,（1）两束光的频率相同；（2）两束光的振动方向相同；（3）叠加两束光的振动有恒定的位相差。,获得相干光的基本原理和方法基本原理：把一个光源的一点发出的光束设法分为两束，然后再使它们相遇。两种基本方法分波阵面法（如杨氏双缝干涉、洛埃镜、菲涅尔双面镜以及菲涅尔双棱镜）和分振幅法（如薄膜干涉、劈尖干涉、牛顿环和迈克尔逊干涉仪）,进行激光全息检测时，对被检测物体加载，使其表面发生微小的位移(微差位移)。物体表面的轮廓就发生变化，此时获得的全息图上的条纹与没有加载时相比发生了移动。建像时除了显示原来物体的全息像外，还产生较为粗大的干涉条纹，由条纹的间距可以算出物体表面的位移的大小。由于物体有一定的形状，所以在同样的力的作用下，物体表面各处所发生的位移并不相同，因而各处所对应的干涉条纹的形状和间距也不相向。当物体内部不含有缺陷时，这种条纹的形状和间距的变化是宏观的、连续的、与物体外形轮廓的变化同步调的。,激光全息时缺陷的显示,物体内部的缺陷在力作用下，就在物体表面上表现出异常情况，而与内部缺陷相对应的物体表面所发生的位移则与以前不相同，因而所得到的全息图与不含缺陷的物体的不同。在激光照射下进行建像时，所看到的波纹图样在对应与有缺陷的局部区域就会出现不连续的、突然的形状变化和间距变化。,被检测物体内部含有缺陷时,激光全息检测方法,（一）物体表面微差位移的观察方法,依据是物体内部的缺陷在外力作用下，使它所对应的物体表面产生与其周围不相同的微差位移。然后,用激光全息照相的方法进行比较，从而检测物体内部的缺陷。,对于不透明的物体，光波只能在它的表面上反射。因此,只能反映物体表面上的现象。然而，物体的表面与物体的内部是相互联系的，在不使物体受损的条件下，给物体一定的载荷，如能表现为表面的异常，则可实现无损检测。,实时法,先拍摄物体在不受力时的全息图，冲洗处理后，把全息图精确地放回到原来拍摄的位置上，并用与拍摄全息图时的同样参考光照射，则全息图就再现出物体三维立体像(物体的虚像)，再现的虚像完全重合在物体上。这时对物体加载，物体的表面会产生变形，受载后的物体表面光波和再现的物体虚像之间就形成了微量的光程差。由于这两个光波都是相干光波(来自同一个激光源)、并几乎存在于空间的同一位置，因此，这两个光波迭加就会产生干涉条纹。,由于物体的初始状态(再现的虚像)和物体加载状态之间的干涉度量比较是在观察时完成的，所以，称这种方法为实时法。,优点：只需要用一张全息图就能观察到各种不同加载情况下的物体表面状态，从而判断出物体内部是否含有缺陷。因此，这种方法既经济又能迅速而确切地确定出物体所需加载量的大小。缺点是：,(1)为了将全息图精确地放回到原来的位置，就需要有一套附加机构，使全息图位置的移动不超过几个光波的波长。(2)由于全息干版在冲洗过程中乳胶层不可避免地要产生一些收缩，当全息图放回原位时，虽然物体没有变形，但仍有少量的位移干涉条纹出现。(3)显示的干涉条纹图样不能长久保留。,实时法优缺点,两次曝光法,两种不同受载情况下，将物体表面光波摄制在同一张全息图上，然后再现这两个光波，而这两个再现光波迭加时仍然能够产生干涉现象。这时，所看到的再现现象，除了显示出原来物体的全息像外。还产生较为粗大的干涉条纹图样。这种条纹表现在观察方向上的等位移线、两条相邻条纹之间的位移差约为再现光波的半个波长。若用氦氖激光器作光源，则每条条纹代表大约0.316m的表面位移。从这种干涉条纹的形状和分布来判断物体内部是否有缺陷。,时间平均法,在物体振动时摄制全息图。在摄制时所需的曝光时间要比物体振动循环的一个周期长得多，即在整个曝光时间内，物体要能够进行许多个周期的振动。但由于物体是作正弦式周期性振动，因此，把大部分时间消耗在振动的两个端点上，所以，全息图上所记录的状态实际上是物体在振动的两个端点状态的迭加。当再现全息图时，这两个端点状态的像就相干涉而产生干涉条纹，从干涉条纹的图样的形状和分布来判断物体内部是否含有缺陷。,激光全息检测的加载方法,一般使物体表面产生0.2m的微差位移，就可以使物体内部的缺陷在干涉条纹图样中有所表现。缺陷位置过深，加载时，缺陷反映不到物体表面或反映非常微小时，则无法采用激光全息检测。,内部充气法,对于蜂窝结构(有孔蜂窝)、轮胎、压力容器、管道等产品，可以用内部充气法加载。结构内部充气后，蒙皮在气体的作用下向外鼓起。脱胶处的蒙皮在气压作用下向外鼓起的量比周围大，形成脱胶处相对于周围蒙皮有一个微小变形，根据这个微差位移，就可以用激光全息方法来摄制全息图。,表面真空法,对于无法采用内部充气的结构，如不联通蜂窝、叠层结构、钣金胶接结构等，可以在外表面抽真空加载，造成缺陷处表皮的内外压力差，从而引起缺陷处表皮变形，在干涉条纹图样中会出现干涉条纹的突变或呈现出环状图案。,热加载法,这种方法是对物体施加一个温度适当的热脉冲，物体因受热而变形，内部有缺陷时，由于传热较慢，该局部区域比缺陷周围的温度要高。因此，造成该处的变形量相应也较大，从而形成缺陷处相对于周围的表面变形有了一个微差位移。用激光金息照相记录时，就要在全息图中显示出突变的干涉条纹图样。,激光全息检测的应用,蜂窝结构检测：蜂窝夹层结构的检测可以采用内部充气、加热以及表面真空等加载方法。例如飞机机翼，采用两次曝光和实时检测方法都能检测出脱粘、失稳等缺陷。采用该方法检测蜂窝夹层结构，具有良好的重复性、再现性和灵敏度。,印制电路板焊点检测：由于印制电路板焊点的特点，一般采用热加载方法。有缺陷的焊点，其干涉条纹与正常焊点有明显的区别。为了适应快速自动检测的要求可采用计算机图像处理技术对全息干涉图像进行处理和识别，通过分析条纹的形成等判断焊点的质量，由计算机控制程序完成整个检测过程。,复合材料检测：以硼或碳高强度纤维本身粘接以及粘接到其它金属基体上的复合材料是近年来被人们极为重视的一种新材料。它比目前采用的均一材料更具有比强度高等优点。但这种材料在制造和使用过程中会出现纤维、纤维层之间以及与基片之间脱粘或开裂，使得材料的刚度下降，当脱粘成裂缝增加到一定量时，结构的刚度将大大降低甚至导致损坏。全息照相可以检测出材料的这种缺陷。,药柱质量检测：激光全息照相也可以用来检测药柱内部气孔和裂纹。通过加载使药柱在对应气孔或裂纹的表面产生变形，当变形量达到激光器光波波长的14时，就可使干涉条纹图样发生畸变。利用全息照相检测药柱简便、快速、经济，而且在检测界面没有粘接力的缺陷方面，有其独特的优越性。,胶接结构检测：在固体火箭发动机的外壳、绝热层、包覆层及推进剂药柱各界面之间要求无脱粘缺陷。目前多采用X射线检测产品的气泡、夹杂物等缺陷，而对于脱粘探伤却难于检查。超声检测因其探头需要采用耦合剂，而且在曲率较大的部位或棱角处无法接触而形成“死区”，限制了它的应用。采用全息照相检测能有效地克服上述两种检测方法的缺点。采用抽真空加载方法，当加载量为98.258KPa时，可清楚地观察到2mmx2mm人工缺陷的环形干涉条纹。,压力容器检测：小型压力容器大多数采