GB-T34886-2026《无损检测 复合材料激光错位散斑检测方法》

1无损检测复合材料激光错位散斑检测方法本文件描述了复合材料构件的激光错位散斑检测方法。本文件适用于检测复合材料层压板、蜂窝夹芯胶接、泡沫夹芯胶接、纤维缠绕压力容器、橡胶包覆层粘接产品(药柱包覆层)等复合材料构件近表面的脱粘、分层、冲击损伤等缺欠。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于GB/T7247.1激光产品的安全第1部分：设备分类和要求GB/T20737无损检测通用术语和定义3术语和定义GB/T20737界定的以及下列术语和定义适用于本文件。激光错位散斑lasershearography激光剪切散斑包含错位(剪切)干涉光路的光学检测方法。注：用相干光照射被检件表面，通过错位光路拍摄两个加载状态下表面的散斑图像进行数字运算，形成包含离面位移信息的干涉条纹图。利用条纹图像，能获得结构缺欠、材料变化等信息。错位量shearvector剪切量激光错位散斑光学系统形成的2个相同图像的错位距离和角度。注：错位量用与X轴夹角和错位距离表示。角度正值表示在Y轴正方向，见图1a),负值表示在Y轴负方向，见图1b)。2个图像之间的距离用毫米为单位表示。2a)错位量45°b)错位量-60°标引说明：1——原始图像；2——错位图像；3——错位量(45°);4——错位量(-60°);X——水平方向；Y——垂直方向。图1图像的错位量示意图离面位移out-of-planedisplacement被检件表面任意一点在2个加载状态间的位移在该点表面法线方向的分量。散斑图specklegram激光照射物体表面时由于漫反射在物体表面形成的斑点状图像。a)散斑图b)干涉条纹图c)包裹相位图d)解包裹相位图图2激光错位散斑检测的多种图像干涉条纹图fringepattern变形前后两幅散斑图数字相减得到的黑白相间的条纹状图像。3相位图phasemapshearogram通过激光错位散斑系统中的相移装置采集的多幅散斑图进行运算获得对应点光学干涉光学相位差的图像。注：相位图见图2b)。相位图分为包裹相位图和解包裹相位图。包裹相位图的相位以2π为周期变化，黑白条纹存在灰度突变，见图2c)。解包裹相位图通过相位补偿算法使相位连续变化，表现在图像上为灰度的连续变化，4.1激光错位散斑检测方法的检测原理见图3。激光器发出的光经过扩束镜扩束后沿照射方向照射被检件，其漫反射表面产生散斑场。从观察方向观察，经过成像镜、分束镜、反光镜和相移镜产生的2束光(2幅错位的图像)在电荷耦合器件或互补金属氧化物半导体(CMOS)错位散斑相机处叠加成1幅散斑图像。被检件上点P1和P2(简称“对点”),成像后叠加为点P,形成散斑图。通过施加载荷，产生中心加载变形量△,使被检件产生离面位移测量矢量。计算机图像软件通过图像采集卡采集2个载荷状态下的散斑图像进行数字相减，得到包含表面离面位移信息的干涉条纹图，呈现在计算机显示形前后具有特定相移量的多幅图像，计算后得到相位图，见图2c)。相位图的图像质量和测量灵敏度显著提高，图像的物理意义是“对点”的离面位移差。相位图进一步进行解包裹运算可得到表征离面位移1阶微分无条纹图像即解包裹图，见图2d)。如果存在缺欠则表面产生异常的离面位移，在图像对应位置处也出现异常的条纹图或相位图。通过条纹异常区的特征识别缺欠的位置和大小。4.2激光错位散斑检测系统采用了迈克尔逊干涉光路，也有采用双折射棱镜或衍射光栅等光学元件，配合偏振相机产生剪切干涉条纹的干涉光路。4.3激光错位散斑检测系统通过测量表面离面位移来判断内部的缺欠，其灵敏度随着缺欠深度的增加而逐渐降低。4.4激光错位散斑方法测量离面位移的范围理论上能达到10nm~500μm。受环境影响和不同硬件性能的影响，实际检测中离面位移的测量范围通常为0.1μm~100μm。对于复合材料结构，能检测的缺欠大小和深度与蒙皮材料/厚度、芯材材料以及加载方法等密切相关。4标引说明：1——显示屏；2——计算机图像软件；3——图像采集卡；4——错位散斑照相机；5——微调反光镜；6——分束镜；7——相移镜；8——成像镜；9——观察方向；10——中心加载变形量△;11——激光器；12——扩束镜；13——照射方向；14——测量矢量；P1——被检件上的点1;P2——被检件上的点2;P——成像面合成1个点。图3激光错位散斑检测方法原理5检测系统5.1系统组成检测系统包括激光器、错位散斑照相机、机械调节与控制装置、图像处理计算机和加载装置等。5.2激光器激光器应具有良好的相干性、均匀性和稳定性。在检测大型工件时，单次检测面积是重要参数。激光器的功率决定了单次检测面积。5.3错位散斑照相机错位散斑照相机应具备发现要求检出被检件中最小缺欠的能力。宜使用像素数不低于1024×1024、模数转换(A/D)不低于12位的CCD或CMOS相机。错位散斑照相机能调节镜头光圈的大小以获得合适的光强和散斑效果；能调整镜头焦距并对焦，获得适当大小的检测面积和清晰的散斑图像；能设定和控制错位量，产生所设定角度和距离的1对错位图像。55.4机械调节与控制装置机械调节与控制装置能实现错位散斑照相机在水平和俯仰2个方向的偏转以方便镜头对准被检测区域。激光器的机械调节与控制装置能控制激光束水平和俯仰方向的变化，使其对准被测表面，同时采用适当的滤波及扩束光学装置使被测表面获得均匀的激光照明。5.5图像处理计算机图像处理计算机用于数字图像的获取、处理和存储，通过软件的不同运算功能得到各种检测图像。软件应具有连续获取和处理图像的能力。软件宜具有图像拼接功能，能获得被检件的整体检测结果。5.6加载装置5.6.1加载装置用于对被检件进行加载，使被检件产生微小的非破坏性变形。加载装置包含多种类5.6.2真空加载装置由密封真空室、抽真空装置以及位于真空室与大气压之间的真空阀组成。真空室中的压强差变化范围宜在1kPa～14kPa之间。5.6.3热加载装置对被检件检测区域加热，使被检件表面温度升高。常用热加载装置为高功率石英5.6.4声加载装置由信号发生器、信号放大器和声学驱动3部分组成。声加载装置利用声学装置(如喇叭)使被检件产生受迫振动。5.6.5机械振动加载装置由信号发生器、功率放大器和压电陶瓷(PZT)组成。机械固定或真空吸附的PZT可作为振动加载单元。信号发生器产生正弦或其他波型，通过功率放大器驱动PZT。PZT产生所需振幅的振动，并将该振动传至被检件。5.6.6打压加载装置是在压力容器内部充入高压空气，稳定在特定大气压力或者压力容器工作气压的0.1%～1.0%,然后增加或减少空气压力到特定值或压力容器工作气压的0.5%,使压力容器产生微小的非破坏性变形。6通用要求6.1对比试块6.1.1对比试块应采用与被检件相同或相近的材料、结构和工艺，并根据验收条件所限定的缺欠类型及大小确定人工缺欠的类型和尺寸。激光错位散斑检测用复合材料对比试块制作方法见附录A。6.1.2对比试块应作编号和登记，建立管理档案，并保存图纸等资料。6.1.3对比试块使用后应妥善保管。6.1.4对比试块宜采用超声C扫描和射线检测等方法进行验证，评定预制缺欠的位置、大小及状态，识别并标识出制造过程中产生的非预制缺欠。6.2检测环境要求6.2.1环境温湿度应满足检测系统对工作温湿度的要求。6.2.2被检件表面避免被环境强光直射。露天环境下进行检测时，宜避免在恶劣天气下工作。6.2.4检测环境条件适宜性通过对对比试块的检测进行验证。66.3安全要求6.3.2使用声加载激励时，所有检测人员应戴防护耳机。6.3.3实验室门口和相关工作区域应张贴激光防护、噪声防护的警示标识。6.3.4检测人员佩戴激光护目镜等防护装备。6.4检测系统和试块核查每年应对激光错位散斑检测系统中加载装置上使用的真空表和气压表进行校准。激光光源的功率宜采用激光功率计进行核查确认。应定期对激光错位散斑检测系统进行核查以确认系统检测灵敏度基本保持一致。核查使用能产生可控微小离面位移的装置，灵敏度核查装置的设计和使用方法见附录B。对比试块应每年使用激光错位散斑检测或超声C扫描方法检测对比试块。如果检测结果显示缺欠形状和尺寸与图纸或原始检测结果比对无明显变化，则该对比试块可继续使用。检测系统首次使用、经可能影响其性能的修理后或怀疑其工作不正常时，应进行核查。7检测程序7.1选择加载方法检测时加载方法的确定取决于被检件材料对加载产生的反应。最合适的加载方法和载荷大小，主要由缺欠类型和缺欠深度决定，同时考虑材料特性及结构形式。因此在检测前应对被检件试样进行试验性测试。应在确保加载不对被检件产生损坏的情况下进行测试。不同复合材料结构的推荐加载方法见附录C。检测前应对采用不同加载方法时被检件可能产生的离面位移进行分析，估算检测灵敏度是否满足要求。真空加载下激光错位散斑方法检测能力的定量分析见附录D。理论分析可行后，应制作对比试块进行试验验证，以确定检测方法的可行性，在此基础上编制检测工艺规程。7.2被检件准备被检件放置或固定于安全、稳定的位置，错位散斑照相机应摆放在合适的位置和方向，防止被检件表面的局部环境强光反射进入照相机。检测工作距离根据检测灵敏度要求和单次检测区域大小进行调节并记录。7.3表面处理7.4检测分区检测大型工件时，应根据单次检测区域的大小做适当的检测区域划分，并对划分的区域做好标记和编号。例如在区域的4个角分别做分区标记，便于确认检测区域覆盖范围，以及对缺欠准确定位。如果采用自动分区扫描检测系统，可不做分区标记，依靠机械系统保证分区大小、位置和重叠区域。7.5调整激光器和错位散斑照相机7.5.1对准被检件，调节视场缩放功能键，使视场覆盖检测区域。77.5.3错位量宜设为假定缺欠尺寸(或允许最大缺欠尺寸)的50%～100%,通常在5mm～15mm7.5.4提高检测区域激光光强，调整照相机光圈，使成像在实时采集后接近但不达到饱和。7.5.5如被检件表面过于光滑，出现反射光进入照相机、局部图像亮度饱和等情况，可调整照相机视7.5.6检测大型工件时，单次检测分区标记应全部出现在同一检测视场中，以保证相邻被检区域之间重叠区域不小于10mm,避免漏检。采用自动分区扫描系统也应保证相邻被检区域之间重叠区域不小7.6检测系统尺寸校正在被检件视场中放置两点间距已知的标识物。可采用间隔已知、平行入射的2束激光产生的点实现自动校正；也可采用经过标定的尺子进行人工校正。通过标识物对检测的水平方向、垂直方向进行调整；并对被检件图像做尺寸校正，设定错位量的大小和方向。自动校正方式能在视野、距离等检测参数发生变化时随时校正，便于缺欠尺寸定量，有利于提高检测效率。7.7检测参数设定设定加载时间、图像采集时间(包括初始状态图像与加载后的最终图像采集时间间隔)等参数。应尺寸小、缺欠位置深时，可适当选择较长的加载时间。初始状态的图像采集时间宜选择加载后干涉图像刚进入稳定状态的时刻。7.8对比试块检测将对比试块放置在被检区域进行检测，调整仪器设置参数，确保需要检测的最小缺欠能被检出。7.9检测参数调整检测过程中，针对不同检测部位，应根据实际检测图像质量确定是否调整检测参数。参数调整后应重新检测对比试块以确认检测灵敏度满足检测要求。8检测结果评价8.1根据检测图像进行缺欠识别，宜采用人工智能图像处理技术进行辅助评价，实现图像预处理、缺欠的自动识别、定位及标识。复合材料的典型缺欠图像见附录E。注：人工智能图像处理技术是指采用深度学习、计算机视觉等人工智能技术开展图像处理的技术方法。采用人工智能图像处理技术进行辅助评价的具体流程为：建立缺欠模型，通过大量标注缺欠及正常状态的激光错位散斑检测图像开展模型训练，实现激光错位散斑图像的智能化分析处理，辅助评价软件具备自动进行缺欠检测与定位、轮廓提取显示、尺寸计算与量化等功能，且需确保超过验收标准的缺欠无漏检。8.2检测图像中出现以下情况之一，应重点关注：a)干涉条纹图局部密集，增大载荷后条纹密集加剧；b)干涉条纹图方向或趋势改变，出现异常；c)图像中或清晰的蜂窝格中出现局部变形；d)图像中出现蝶形特征条纹。8.3通过观察干涉条纹动态变化过程，判断缺欠位置。88.4结合被检件内部结构信息及其在图像显示中的连续性判断是否存在缺欠。8.5大尺寸缺欠导致的离面位移大，能覆盖附近小尺寸缺欠的检测图像。8.6检测过程持续时间越长，信号强度就越强，同时噪声也会增加。8.7在检测前应充分了解被检件的结构和材料构成。实际检测中因结构变化、材料不同、材质差异等因素的影响也出现异常的条纹走向和局部条纹的密集。8.8根据蝶形特征条纹的轮廓尺寸判断缺欠大小，并与对比试块中相同类型、尺寸相近的预制缺欠图像进行比对，修正缺欠尺寸。对于具有自动校准功能的设备，可通过视频卡尺或线轮廓法在解包裹图像上直接进行缺欠尺寸测量。9检测记录和检测报告9.1检测记录应至少包括以下内容：a)委托单位；b)本文件编号；e)对比试块；h)注明所采取的改善检测条件措施，如有遮光、屏蔽等。9.2检测报告应至少包括以下内容：a)委托单位；b)本文件编号；d)对比试块；e)检测结果。9(资料性)复合材料对比试块制作方法对比试块的材料、制造工艺和缺欠类型与实际被检件相同或相近，缺欠特征具有代表性。脱粘缺欠通常采用背面打孔、双层聚四氟乙烯薄膜封闭空气法或插片法。打孔法是将蜂窝材料、泡沫材料等内芯去除，不损伤上蒙皮，根据需要可将孔封闭，保证内部封闭一定量的空气。打孔直径需要覆盖验收标准要求并在检测灵敏度之内。双层聚四氟乙烯薄膜封闭空气法是采用双层聚四氟乙烯薄膜先封闭一定量的空气，然后在与被检件相同的制造工艺中放置于上蒙皮下进行制造。插片法是采用在薄金属片双面涂敷脱模剂，在与被检件相同的制造工艺中放置于上蒙皮下，靠近冲击伤采用验收标准的要求进行制作，然后进行验证试验。(资料性)灵敏度核查装置设计和使用B.1灵敏度核查装置采用气压加载装置(见图B.1)或千分尺加载装置(见图B.2)。B.2气压加载装置由前面板、后面板、密封圈、气管、注射器等部件组成。组装图见图B.1a),前面板图见图B.1b),后面板图见图B.1c)。前面板、后面板可使用铝材加工制作，前面板背面设有盲孔，孔径规格分别为20.0mm、25.0mm和30.0mm,盲孔顶部距前面板表面的厚度为1.0mm,面板表面进行发黑处理。行气密性检查，确保无泄漏。a)组装图单位为毫米图B.1气压加载装置按以下步骤进行气压加载装置检测系统灵敏度核查。a)系统布置及灵敏度核查装置固定。启动检测系统，调整检测距离或放缩检测视场，使灵敏度核查装置占据检测视场的面积比例不小于70%;调节系统相关参数，确保灵敏度核查装置在检测视场内成像完整、清晰，金属平板样件边缘锐利；调节错位量为5mm~10mm。b)灵敏度核查装置加载。开启激光错位散斑检测软件，观察灵敏度核查装置表面变化，以未加载时采集图像作为参考，缓慢抽取或者注入空气，对灵敏度核查装置进行真空加载或者加压加载，加载载荷应控制在适宜范围。c)检测结果。随着对灵敏度核查装置进行真空加载或者加压加载，在检测结果中测量缺欠尺寸。测量结果与模拟缺欠的内部盲孔孔径计量结果相同，说明检测系统正常。B.3千分尺加载装置由金属平板样件、支撑结构、固定底座、千分尺等部件组成，安装方式见图B.2,金属平板样件宜采用铝材制作，为圆形薄片结构，直径为100mm~250mm,厚度为3mm,表面喷涂白色。支撑结构与固定底座的尺寸与金属平板样件相匹配，宜使用弹性模量大、相对金属平板样件不易发生变形的金属材料，且厚度不小于10mm。千分尺加载装置各个部件采用可拆卸连接，金属平板样件边缘加工通孔，通过螺栓与支撑结构紧固连接；千分尺通过螺纹或其他方式稳定安装于支撑结构中心，进给分辨率不小于0.02mm;顶针宜采用平面顶针，便于对金属平板样件稳定施加载荷。单位为毫米a)侧视图b)主视图标引序号说明：1——千分尺；2——固定底座；3——平板样件(厚度为3mm);4——固定螺栓；5——支撑结构。图B.2千分尺加载装置按以下步骤进行千分尺加载装置检测系统灵敏度核查。a)系统布置及灵敏度核查装置固定。启动检测系统，调整检测距离或放缩检测视场，使灵敏度核查装置占据检测视场的面积比例不小于70%;使用螺栓或其他连接方式将灵敏度核查装置固定于检测平台；调节系统参数使灵敏度核查装置在检测视场内成像完整、清晰，金属平板样件边缘锐利；调节错位量为5mm～10mm,最大错位量不大于灵敏度核查装置直径的b)灵敏度核查装置加载。开启激光错位散斑检测软件，观察灵敏度核查装置表面变化，以未加载时采集图像作为参考，缓慢旋转千分尺旋钮对金属平板样件进行加载。加载载荷应控制在适宜范围，避免金属平板样件产生塑性形变。c)检测结果。随着千分尺逐渐加载，检测结果中出现较均匀的包裹相位条纹，包裹相位图见图B.3,说明检测系统正常。剪切量90°时包裹相位图见图B.3a),剪切量0°时包裹相位图见a)剪切量90°b)剪切量0°图B.3包裹相位图(资料性)不同复合材料结构的推荐加载方法采用激光错位散斑方法检测不同复合材料结构，采用的加载方法见表C.1,可组合应用多种加载表C.1不同复合材料结构的推荐加载方法复合材料结构不适用不适用蜂窝芯子压坏芯子压坏芯子压坏不适用金属蜂窝芯子压坏芯子压坏芯子压坏不适用不适用不适用不适用不适用不适用不适用(资料性)真空加载下检测能力的定量分析航空航天领域广泛采用的蜂窝夹层结构的蒙皮厚度一般为1mm左右。分层和脱粘缺欠分布的深度也在这一范围。而需要检测的最小缺欠直径一般为6mm~25mm。上述参数基本符合固体力学弹性薄板小挠度理论的要求。因此，在研究缺欠的变形特征时，用法向均布载荷的周边固支的圆形薄板作为缺欠的力学模型，见图D.1。周边固