光學無損檢測技術及其應用.ppt

光學無損檢測技術及其應用 2011 12 16 目錄 一 無損檢測技術概述二 光學無損檢測技術 原理及方法三 基于光學無損檢測技術的應用四 總結(jié)及展望 一 無損檢測技術概述 無損檢測NDT Non destructivetesting 利用聲 光 磁和電等特性 在不損害或不影響被檢對象使用性能的前提下 檢測被檢對象中是否存在缺陷或結(jié)構(gòu)異常 最終了解和評價被檢測對象的性質(zhì) 狀態(tài) 質(zhì)量或內(nèi)部結(jié)構(gòu)的技術 無損檢測方法分類 檢測原理 無損檢測 聲學方法檢測電學方法檢測射線檢測磁學方法檢測微波和介電方法檢測光學方法檢測熱學方法檢測滲透檢測 一 無損檢測技術概述 工程應用中 五大常規(guī)無損檢測技術 渦流檢測 EddycurrentTesting ET 磁粉檢測 MagneticparticleTesting MT 滲透檢驗 PenetrateTesting PT 超聲檢測 UltrasonicTesting UT 射線檢測 RadiographicTesting RT 內(nèi)部缺陷檢測 表面開口缺陷檢測 表面缺陷檢檢測近表面缺陷檢測 已獲工程應用的其他無損檢測方法主要有 聲發(fā)射檢測 計算機層析成像檢測 全息干涉 散斑干涉檢測 泄漏檢測 目視檢測和紅外檢測等 一 無損檢測技術概述 無損檢測技術現(xiàn)狀及發(fā)展 21世紀以來 伴隨著科學技術特別是計算機技術 數(shù)字化與圖像識別技術 人工神經(jīng)網(wǎng)絡技術和機電一體化技術的大發(fā)展 無損檢測技術獲得了迅速發(fā)展 在航空航天 核技術 武器系統(tǒng) 電站設備 鐵道與造船 石油與化工 建筑 冶金 機械制造等領域中都有廣泛應用 目前 我國擁有17萬無損檢測人員和2000多家無損檢測機構(gòu) 在國民經(jīng)濟建設與設備安全監(jiān)測中發(fā)揮著重要作用 一 無損檢測技術概述 自動無損檢測和定量無損檢測 微觀缺陷檢測 在線檢測 在役檢測 新原理 新方法 新技術的探索研究 無損檢測技術發(fā)展方向 一 無損檢測技術概述 光學無損檢測技術概述 早期 與超聲 射線 磁學等檢測方法相比 利用光學特性進行無損檢測的應用并不廣泛 然而 伴隨著計算機 圖像處理和纖維光學等新技術的發(fā)展 光學無損檢測方法的實用性獲得了一定的發(fā)展 激光技術的發(fā)展進一步推動了光學無損檢測方法的發(fā)展 并在無損檢測領域中取得了較大的成果 目前基于光學特性的無損檢測方法主要有全息干涉法 散斑干涉法等 二 光學無損檢測技術 原理及方法 二 光學無損檢測技術 原理及方法 激光激光是采用人工方法產(chǎn)生的一種特殊的光 由于激光的突出特點而成為全息和散斑檢測設備的光源 He Ne激光器具方向性好 1mrad以下 單色性好 線寬小于20Hz 頻率穩(wěn)定性好 最高頻率穩(wěn)定度5 10 15 重復性3 10 14 結(jié)構(gòu)簡單 壽命長 價格低廉等優(yōu)點 是目前使用最為廣泛的一種氣體激光器 光的干涉 頻率相同 振動方向相同和位相差恒定的相干光的直接疊加 在相干光相遇的地方 它們相交區(qū)域內(nèi)各點振動為每列波單獨在該點振動的合成 因此光強有加強和減弱的情況 光的衍射 光束通過小孔 狹縫或物體的細微結(jié)構(gòu)時 光繞過障礙物偏離直線傳播路徑而進入陰影區(qū)里的現(xiàn)象 二 光學無損檢測技術 原理及方法 全息干涉法 HolographicInterferometry 利用全息干涉法進行無損檢測是在全息照相技術的基礎上發(fā)展起來的一種干涉計量技術 即把被檢測物體在兩種不同狀態(tài)下所顯示的全息圖進行比較 從而檢測和計量物體表面和內(nèi)部的缺陷 二 光學無損檢測技術 原理及方法 散斑干涉法 SpeckleInterferometry 散斑干涉法是指通過對比變形前后的散斑圖的變化 從而高度精確地檢測出物體表面各點的位移 散斑 具有漫反射性質(zhì)的物體在激光照射下反射的光在空間相干疊加 形成隨即分布的 或明或暗的斑點 散斑隨物體的變形或運動而變化 全息照相 全息照相是一種記錄被照攝物體反射波全部信息 振幅和位相等 的新型攝影技術 全息照相原理于1948年首先由諾貝爾物理學獎獲得者Gabor博士創(chuàng)立 全息照相主要應用于工業(yè)無損探傷 全息顯微鏡 全息攝影存儲器 全息電影和電視等許多方面 利用全息照相技術拍攝的照片 二 光學無損檢測技術 原理及方法 光學全息原理 全息記錄 采用照相的方法將物光與參考光相干涉得到的干涉條紋記錄下來 即全息圖 全息再現(xiàn) 全息圖具有光柵狀結(jié)構(gòu) 當用原參考光照射全息圖時 全息圖以光柵的形式產(chǎn)生衍射 其衍射光波與物體光波相似由此構(gòu)成物體的再現(xiàn)像 物光 參考光 光源 干涉圖 全息圖 二 光學無損檢測技術 原理及方法 激光全息無損檢測原理 將不同受載情況下的物體表面狀態(tài)用激光全息照相方法記錄下來 進行比較和分析 從而評價被檢物體的質(zhì)量 二 光學無損檢測技術 原理及方法 激光全息無損檢測方法 1 激光全息檢測的加載方法用激光全息照相來檢測物體內(nèi)部缺陷的實質(zhì)是比較物體在不同受載情況下的表面光波 因此需要對物體施加載荷 一般使物體表面產(chǎn)生0 2 m的微差位移 常用的加載方式有以下幾種 聲加載法熱加載法內(nèi)部充氣法表面真空法 二 光學無損檢測技術 原理及方法 激光全息無損檢測方法 2 物體表面微差位移的觀察方法物體在外載荷作用下 內(nèi)部缺陷所對應的物體表間產(chǎn)生與其周圍不相同的微差位移 利用激光全息照相的方法進行比較 從而檢測物體內(nèi)部的缺陷 實時法二次曝光法時間平均法 二 光學無損檢測技術 原理及方法 激光全息無損檢測技術應用 蜂窩結(jié)構(gòu)檢測復合材料檢測膠接結(jié)構(gòu)檢測藥柱質(zhì)量檢測充氣輪胎檢測壓力容器檢測印制電路板焊點檢測 激光全息輪胎無損檢測系統(tǒng) 二 光學無損檢測技術 原理及方法 研究背景 為應對全球氣候變暖 生態(tài)破壞等現(xiàn)象 國際上制定了一系列加速推動溫室氣體減排 減緩全球變暖趨勢 保護臭氧層政策和法規(guī) 我國也堅定的走綠色環(huán)?？沙掷m(xù)發(fā)展道路 因此 化工制冷行業(yè)迫切需要找到新的環(huán)保制冷劑代替氫氯氟烴 HCFCS 等 氣 液 液 液等之間傳質(zhì)在化工過程中普遍存在 液相分子擴散系數(shù)是描述質(zhì)量傳遞的最重要的物性參數(shù) 是化工上替代制冷劑研究急需的主要參數(shù)之一 三 基于光學無損檢測技術的應用 傳質(zhì) 體系中由于物質(zhì)濃度不均勻而發(fā)生的質(zhì)量轉(zhuǎn)移過程 在化學工業(yè)中 一般應用的是氣 液系統(tǒng) 液 液系統(tǒng)和固 液系統(tǒng)之間的傳質(zhì)過程 本文綜合運用數(shù)字圖像處理技術與光干涉法 提出了一種基于圖像處理技術的測量液相質(zhì)擴散系數(shù)方法 在液相質(zhì)擴散系數(shù)測量原理基礎上 用CCD傳感器取代雙曝光全息干涉法和實時全息干涉法中的感光干板 并記錄干涉條紋圖 由于折射率和溶液濃度存在著一一對應關系 可以通過分析不同時刻的干涉條紋圖獲得溶液濃度的變化 通過換算進而得到質(zhì)擴散系數(shù) 圖數(shù)字全息干涉圖像處理流程圖 三 基于光學無損檢測技術的應用 液相質(zhì)擴散系數(shù)的測定 1 液相質(zhì)擴散系數(shù)的測量原理 Fick第二定律是質(zhì)擴散系數(shù)實驗測量和理論推算的理論基礎 依據(jù)該定律可得擴散系數(shù)D 式中 Zm 溶液濃度變化極值點間的距離 t0 t1 分別為前后兩張全息圖的曝光時間 物光相位差 的變化和溶液濃度 c2變化的關系 式中 k 濃度變化和折射率變化之間的比例系數(shù) 物光波長 l 擴散槽厚度 三 基于光學無損檢測技術的應用 質(zhì)擴散系數(shù)D 液相質(zhì)擴散系數(shù)的測量原理框圖 物光相位差變化 濃度變化的極值點 Zm 曝光時間t0和t1由計算機硬件時鐘獲得 三 基于光學無損檢測技術的應用 2 實驗平臺構(gòu)建 圖數(shù)字激光全息干涉法質(zhì)擴散系數(shù)測量光路圖1 He Ne激光器 2 5 8 平面鏡 3 空域濾波器 4 7 分光棱鏡 6 擴散槽 9 CCD傳感器 10 帶有圖像采集卡的計算機 數(shù)字激光全息干涉法質(zhì)擴散系數(shù)測量原理 三 基于光學無損檢測技術的應用 數(shù)字圖像自動采集系統(tǒng) 圖數(shù)字圖像自動采集系統(tǒng) 數(shù)字圖像自動采集系統(tǒng)由CCD傳感器 帶有圖像采集卡 存儲軟件和圖像處理軟件的計算機組成 全息干涉圖像信息使用CCD傳感器接收 由圖像采集卡采集后送至計算機進行處理和分析 采集后獲得分辨率為2048 1536的全息干涉圖像 三 基于光學無損檢測技術的應用 在數(shù)字全息干涉圖像處理過程中 本文采用了全息干涉圖的預處理 全息干涉圖的頻域濾波 數(shù)字全息干涉條紋再現(xiàn) 全息干涉圖相位展開 全息干涉圖的后處理等關鍵技術 本文利用MATLAB軟件對數(shù)字圖像采集系統(tǒng)記錄的全息圖進行分析和處理 清晰地再現(xiàn)了干涉條紋圖 3 數(shù)字全息干涉圖像處理 圖數(shù)字全息干涉圖像的處理過程 三 基于光學無損檢測技術的應用 全息干涉圖的預處理 全息干涉圖的預處理須采取圖像增強技術 主要有空域法和頻域法 其目的是為了改善圖像的視覺效果 提高圖像的清晰度和工藝的適應性 同時便于人和計算機的分析與處理 滿足圖像的復制或再現(xiàn)要求 圖全息干涉原始圖像及其直方圖 圖均值化后全息干涉圖像及其直方圖 均值化修改后 直方圖的灰度間隔被拉大了 更有利于圖像的分析與識別 三 基于光學無損檢測技術的應用 全息干涉圖的預處理 中值濾波是一種典型的低通濾波器 主要目的是保護圖像邊緣 同時可去除噪聲 中值濾波后的全息干涉圖像 經(jīng)過圖像增強 濾波等預處理后 全息圖條紋更加平滑 對比度明顯增強 有利于進一步的數(shù)字處理 圖全息干涉原始圖像 圖中值濾波后的全息干涉圖像 中值濾波 三 基于光學無損檢測技術的應用 全息干涉圖的頻域濾波 對全息干涉圖進行傅立葉變換 可得到全息干涉圖的傅立葉頻譜信息 反映物光的真實相位 圖全息干涉圖傅里葉變換頻譜信息 圖濾波后的全息干涉圖頻譜信息 C1代表參考光的直透部分 C2代表物體各點的自相干以及物體各點之間的互相干項 經(jīng)過移頻后它們出現(xiàn)在圖像的中心位置 頻譜中心 C3是原始物光波前的準確再現(xiàn) 三 基于光學無損檢測技術的應用 數(shù)字全息干涉條紋再現(xiàn) 對在兩個不同時刻得到全息圖的頻譜信息進行反傅立葉變換 可以得到原始物光波的真實相位 圖 數(shù)字全息干涉條紋再現(xiàn) 三 基于光學無損檢測技術的應用 數(shù)字全息干涉條紋再現(xiàn) 對在兩個不同時刻得到全息圖的頻譜信息進行反傅立葉變換 可以得到原始物光波的真實相位 圖相位展開前的物光相位差信息 圖相位展開后的物光相位差信息 三 基于光學無損檢測技術的應用 全息干涉圖的后處理 本文中 全息干涉圖的后處理包括物光相位分布的展開和獲取物光真實的相位差 通過測量相位展開后的物光相位差極值點間的距離 從而得到在擴散方向上濃度變化極值點間的距離 Zm 拍攝全息圖的時間t0 t1可通過圖像自動存儲軟件獲得 由計算公式可得到質(zhì)擴散系數(shù) 三 基于光學無損檢測技術的應用 實驗測試結(jié)果 激光全息干涉裝置的可靠性驗證溶液 濃度為0 33mol l的KCl水溶液溫度 298 15K溫度 表1KCL水溶液在298 15K下質(zhì)擴散系數(shù) 總相對誤差 激光全息干涉裝置是精確的和可靠的 三 基于光學無損檢測技術的應用 結(jié)論 本文利用He Ne激光器 CCD和圖像采集系統(tǒng)等設備組成了基于數(shù)字激光全息干涉法測量液相質(zhì)擴散系數(shù)的實驗系統(tǒng) 本實驗系統(tǒng)中 采用了預處理 頻域濾波 干涉條紋再現(xiàn) 相位展開 后處理等關鍵技術對全息干涉圖進行了處理 獲得了相位展開后的物光相位差 從而為獲得質(zhì)擴散系數(shù)奠定了基礎 本實驗系統(tǒng)中 選取濃度為0 33mol l的KCl水溶液在298 15K溫度條件下進行質(zhì)擴散系數(shù)實驗 將實驗值與文獻值相比 驗證了實驗系統(tǒng)的精確性和可靠性 為化工工程上研究替代制冷劑急需的質(zhì)擴散系數(shù)測量提供了一個有效的方法 三 基于光學無損檢測技術的應用 以光學為基礎的NDT方法仍在不斷發(fā)展和探索中 利用光學特性對物體進行無損檢測具有以下特點 可實現(xiàn)快速大面積檢測可實現(xiàn)遠距離無接觸式探測物體缺陷容易判斷檢測直觀 安全無毒 無射線危害可實時或瞬時觀察缺陷變化情況精度高 靈敏度高 四 總結(jié)及展望 實際應用過程中 光學無損檢測技術也存在一定得局限 一般需應力干擾 某些技術還只限于在實驗室中進行 有一