激光全息檢測技術(shù)課件

1、激光全息檢測技術(shù)課件1 激光全息檢測技術(shù)激光全息檢測技術(shù) 機電工程學(xué)院測控系機電工程學(xué)院測控系 魏魏 莉莉 W 激光全息檢測技術(shù)課件2 1 1 激光全息檢測的原理激光全息檢測的原理 激光全息檢測是利用激光全息照相來檢測物體表面和內(nèi)部激光全息檢測是利用激光全息照相來檢測物體表面和內(nèi)部 缺陷的。因為物體在受到外界載荷作用下會產(chǎn)生變形，這種變?nèi)毕莸?。因為物體在受到外界載荷作用下會產(chǎn)生變形，這種變 形與物體是否含有缺陷直接相關(guān)。在不同的外界載荷作用下，形與物體是否含有缺陷直接相關(guān)。在不同的外界載荷作用下， 物體表面變形的程度是不相同的。激光全息照相是將物體表面物體表面變形的程度是不相同的。激光全息照相

2、是將物體表面 和內(nèi)部的缺陷通過外界加載的方法，使其在相應(yīng)的物體表面造和內(nèi)部的缺陷通過外界加載的方法，使其在相應(yīng)的物體表面造 成局部的變形，用全息照相來觀察和比較這種變形，并記錄下成局部的變形，用全息照相來觀察和比較這種變形，并記錄下 不同外界載荷作用下的物體表面的變形情況，進行觀察和分析，不同外界載荷作用下的物體表面的變形情況，進行觀察和分析， 然后判斷物體內(nèi)部是否存在缺陷。然后判斷物體內(nèi)部是否存在缺陷。 1 激光全息檢測的原理及特點 激光全息檢測技術(shù)課件3 為了了解這種檢測方法的原理，首先簡單介紹光的干涉為了了解這種檢測方法的原理，首先簡單介紹光的干涉 現(xiàn)象。根據(jù)電磁波理論，表示光波中電場的

3、波動方程為現(xiàn)象。根據(jù)電磁波理論，表示光波中電場的波動方程為 tAEcos 0 其中：其中：A0為光波的振幅；為光波的振幅；為角頻率；為角頻率；t為時間。根據(jù)波的疊加為時間。根據(jù)波的疊加 原理，假設(shè)有兩個波長相同、相位也相同的光波相疊加，疊加原理，假設(shè)有兩個波長相同、相位也相同的光波相疊加，疊加 后所合成的光波振幅將會增強，；如果兩個光波相位相反，后所合成的光波振幅將會增強，；如果兩個光波相位相反， 則則 合成的光波的振幅就會相互抵消而減弱。把光波在空間疊加而合成的光波的振幅就會相互抵消而減弱。把光波在空間疊加而 形成明暗相間的穩(wěn)定分布的現(xiàn)象叫做光的干涉。形成明暗相間的穩(wěn)定分布的現(xiàn)象叫做光的干涉

4、。 1 激光全息檢測的原理及特點 激光全息檢測技術(shù)課件4 光波的疊加 (a) 相位相同； (b) 相位相反 1 激光全息檢測的原理及特點 激光全息檢測技術(shù)課件5 能產(chǎn)生干涉的光波須滿足下列條件：能產(chǎn)生干涉的光波須滿足下列條件： （1 1） 兩束光頻率相同，兩束光頻率相同， 且有相同的振動方向和固定的且有相同的振動方向和固定的 相位差。相位差。 （2 2） 兩束光波在相遇處所產(chǎn)生的振幅差不應(yīng)太大，否則兩束光波在相遇處所產(chǎn)生的振幅差不應(yīng)太大，否則 與單一光波在該處的振幅沒有多大的差別，因此也沒有明顯的與單一光波在該處的振幅沒有多大的差別，因此也沒有明顯的 干涉現(xiàn)象。干涉現(xiàn)象。 （3） 兩束光波在相

5、遇處的光程差，兩束光波在相遇處的光程差， 即兩束光波傳播到該即兩束光波傳播到該 處的距離差值不能太大。處的距離差值不能太大。 1 激光全息檢測的原理及特點 激光全息檢測技術(shù)課件6激光全息照相檢測的光路圖 1 激光全息檢測的原理及特點 激光全息檢測技術(shù)課件7 蜂窩結(jié)構(gòu)板脫粘區(qū)的全息再現(xiàn)干涉條紋 1 激光全息檢測的原理及特點 激光全息檢測技術(shù)課件8 2 2 激光全息檢測的特點激光全息檢測的特點 （1 1） 由于激光全息檢測是一種干涉計量技術(shù)，其干涉計由于激光全息檢測是一種干涉計量技術(shù)，其干涉計 量的精度與波長同數(shù)量級，因此，極微小的變形都能檢驗出來，量的精度與波長同數(shù)量級，因此，極微小的變形都能檢

6、驗出來， 檢測的靈敏度高。檢測的靈敏度高。 （2 2） 由于激光的相干長度很大，因此，可以檢驗大尺寸由于激光的相干長度很大，因此，可以檢驗大尺寸 物體，只要是激光能夠充分照射到的物體表面，都能一次檢驗物體，只要是激光能夠充分照射到的物體表面，都能一次檢驗 完畢。完畢。 （3 3） 激光全息檢測對被檢對象沒有特殊要求，可以對任激光全息檢測對被檢對象沒有特殊要求，可以對任 何材料、任意粗糙的表面進行檢測。何材料、任意粗糙的表面進行檢測。 1 激光全息檢測的原理及特點 激光全息檢測技術(shù)課件9 （4 4） 可借助于干涉條紋的數(shù)量和分布狀態(tài)來確定缺陷可借助于干涉條紋的數(shù)量和分布狀態(tài)來確定缺陷 的大小、部

7、位和深度，便于對缺陷進行定量分析。的大小、部位和深度，便于對缺陷進行定量分析。 這種檢測方法還具有非接觸檢測、直觀、檢測結(jié)果便于這種檢測方法還具有非接觸檢測、直觀、檢測結(jié)果便于 保存等特點。但是，物體內(nèi)部缺陷的檢測靈敏度取決于物體保存等特點。但是，物體內(nèi)部缺陷的檢測靈敏度取決于物體 內(nèi)部的缺陷在外力作用下能否造成物體表面的相應(yīng)變形。內(nèi)部的缺陷在外力作用下能否造成物體表面的相應(yīng)變形。 1 激光全息檢測的原理及特點 激光全息檢測技術(shù)課件10 1 1 物體表面微差位移的觀察方法物體表面微差位移的觀察方法 1 1） 實時法實時法 先拍攝物體在不受力時的全息圖，沖洗處理后，把全息圖先拍攝物體在不受力時的

8、全息圖，沖洗處理后，把全息圖 精確地放回到原來拍攝的位置上，并用與拍攝全息圖時同樣的精確地放回到原來拍攝的位置上，并用與拍攝全息圖時同樣的 參考光照射，則全息圖就會再現(xiàn)出物體三維立體像參考光照射，則全息圖就會再現(xiàn)出物體三維立體像( (物體的虛物體的虛 像像) )， 再現(xiàn)的虛像完全重合在物體上。這時對物體加載，物體再現(xiàn)的虛像完全重合在物體上。這時對物體加載，物體 的表面會產(chǎn)生變形，受載后的物體表面光波和再現(xiàn)的物體虛像的表面會產(chǎn)生變形，受載后的物體表面光波和再現(xiàn)的物體虛像 之間就形成了微量的光程差。由于兩個光波都是相干光波之間就形成了微量的光程差。由于兩個光波都是相干光波( (來來 自同一個激光源

9、自同一個激光源) )，并幾乎存在于空間的同一位置，因此，并幾乎存在于空間的同一位置，因此， 這這 兩個光波疊加就會產(chǎn)生干涉條紋。兩個光波疊加就會產(chǎn)生干涉條紋。 2 激光全息檢測方法 激光全息檢測技術(shù)課件11 由于物體的初始狀態(tài)由于物體的初始狀態(tài)( (再現(xiàn)的虛像再現(xiàn)的虛像) )和物體加載狀態(tài)之間的和物體加載狀態(tài)之間的 干涉度量比較是在觀察時完成的，因此稱這種方法為實時法。干涉度量比較是在觀察時完成的，因此稱這種方法為實時法。 這種方法的優(yōu)點是只需要用兩張全息圖就能觀察到各種不同加這種方法的優(yōu)點是只需要用兩張全息圖就能觀察到各種不同加 載情況下的物體表面狀態(tài)，從而判斷出物體內(nèi)部是否含有缺陷。載情況

10、下的物體表面狀態(tài)，從而判斷出物體內(nèi)部是否含有缺陷。 因此，這種方法既經(jīng)濟，又能迅速而確切地確定出物體所需加因此，這種方法既經(jīng)濟，又能迅速而確切地確定出物體所需加 載量的大小。其缺點是：載量的大小。其缺點是： （1 1） 為了將全息圖精確地放回到原來的位置，就需要有為了將全息圖精確地放回到原來的位置，就需要有 一套附加機構(gòu)，以便使全息圖位置的移動不超過幾個光波的波一套附加機構(gòu)，以便使全息圖位置的移動不超過幾個光波的波 長。長。 （2 2） 由于全息干版在沖洗過程中乳膠層不可避免地要產(chǎn)由于全息干版在沖洗過程中乳膠層不可避免地要產(chǎn) 生一些收縮，當(dāng)全息圖放回原位時，雖然物體沒有變形，但仍生一些收縮，當(dāng)

11、全息圖放回原位時，雖然物體沒有變形，但仍 有少量的位移干涉條紋出現(xiàn)。有少量的位移干涉條紋出現(xiàn)。 （3） 顯示的干涉條紋圖樣不能長久保留。顯示的干涉條紋圖樣不能長久保留。 2 激光全息檢測方法 激光全息檢測技術(shù)課件12 2 2） 兩次曝光法兩次曝光法 將物體在兩種不同受載情況下物體表面光波攝制在同一張將物體在兩種不同受載情況下物體表面光波攝制在同一張 全息圖上，然后再現(xiàn)這兩個光波，而這兩個再現(xiàn)光波疊加時仍全息圖上，然后再現(xiàn)這兩個光波，而這兩個再現(xiàn)光波疊加時仍 然能夠產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。這時所看到的再現(xiàn)圖像，除了顯示出原然能夠產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。這時所看到的再現(xiàn)圖像，除了顯示出原 來物體的全息像外，還產(chǎn)生較為

12、粗大的干涉條紋圖樣。這種條來物體的全息像外，還產(chǎn)生較為粗大的干涉條紋圖樣。這種條 紋表現(xiàn)在觀察方向上的等位移線，兩條相鄰條紋之間的位移差紋表現(xiàn)在觀察方向上的等位移線，兩條相鄰條紋之間的位移差 相當(dāng)于再現(xiàn)光波的半個波長，若用氦相當(dāng)于再現(xiàn)光波的半個波長，若用氦氖激光器作光源，則每氖激光器作光源，則每 條條紋代表大約條條紋代表大約0.316 m0.316 m的表面位移?？梢詮倪@種干涉條紋的表面位移?？梢詮倪@種干涉條紋 圖樣的形狀和分布來判斷物體內(nèi)部是否有缺陷。圖樣的形狀和分布來判斷物體內(nèi)部是否有缺陷。 2 激光全息檢測方法 激光全息檢測技術(shù)課件13 3 3） 時間平均法時間平均法 時間平均法是在物體

13、振動時攝制全息圖。在攝制時所需的時間平均法是在物體振動時攝制全息圖。在攝制時所需的 曝光時間要比物體振動循環(huán)的一個周期長得多，即在整個曝光曝光時間要比物體振動循環(huán)的一個周期長得多，即在整個曝光 時間內(nèi)，物體要能夠進行多個周期的振動。但由于物體是作正時間內(nèi)，物體要能夠進行多個周期的振動。但由于物體是作正 弦式周期性振動，因此將把大部分時間消耗在振動的兩個端點弦式周期性振動，因此將把大部分時間消耗在振動的兩個端點 上。所以，全息圖上所記錄的狀態(tài)實際上是物體在振動的兩個上。所以，全息圖上所記錄的狀態(tài)實際上是物體在振動的兩個 端點狀態(tài)的疊加，當(dāng)再現(xiàn)全息圖時，這兩個端點狀態(tài)的像就相端點狀態(tài)的疊加，當(dāng)再現(xiàn)

14、全息圖時，這兩個端點狀態(tài)的像就相 干涉而產(chǎn)生干涉條紋，從干涉條紋圖樣的形狀和分布來判斷物干涉而產(chǎn)生干涉條紋，從干涉條紋圖樣的形狀和分布來判斷物 體內(nèi)部是否有缺陷。體內(nèi)部是否有缺陷。 這種方法顯示的缺陷圖案比較清晰，但為了使物體產(chǎn)生振這種方法顯示的缺陷圖案比較清晰，但為了使物體產(chǎn)生振 動就需要有一套激勵裝置。而且，由于物體內(nèi)部的缺陷大小和動就需要有一套激勵裝置。而且，由于物體內(nèi)部的缺陷大小和 深度不一，其激勵頻率應(yīng)各不相同，所以要求激勵源的頻帶要深度不一，其激勵頻率應(yīng)各不相同，所以要求激勵源的頻帶要 寬，頻率要連續(xù)可調(diào)，其輸出功率大小也有一定的要求。同時，寬，頻率要連續(xù)可調(diào)，其輸出功率大小也有一

15、定的要求。同時， 還要根據(jù)不同產(chǎn)品對象選擇合適的換能器來激勵物體。還要根據(jù)不同產(chǎn)品對象選擇合適的換能器來激勵物體。 2 激光全息檢測方法 激光全息檢測技術(shù)課件14 2. 2. 激光全息檢測的加載方法激光全息檢測的加載方法 （1 1） 內(nèi)部充氣法。對于蜂窩結(jié)構(gòu)內(nèi)部充氣法。對于蜂窩結(jié)構(gòu)( (有孔蜂窩有孔蜂窩) )、輪胎、壓、輪胎、壓 力容器、管道等產(chǎn)品，可以用內(nèi)部充氣法加載。蜂窩結(jié)構(gòu)內(nèi)部力容器、管道等產(chǎn)品，可以用內(nèi)部充氣法加載。蜂窩結(jié)構(gòu)內(nèi)部 充氣后，蒙皮在氣體的作用下向外鼓起。脫膠處的蒙皮在氣壓充氣后，蒙皮在氣體的作用下向外鼓起。脫膠處的蒙皮在氣壓 作用下向外鼓起的量比周圍大，形成脫膠處相對于周圍

16、蒙皮有作用下向外鼓起的量比周圍大，形成脫膠處相對于周圍蒙皮有 一個微小變形。一個微小變形。 2 激光全息檢測方法 激光全息檢測技術(shù)課件15 （2 2） 表面真空法。對于無法采用內(nèi)部充氣的結(jié)構(gòu)，如表面真空法。對于無法采用內(nèi)部充氣的結(jié)構(gòu)，如 不連通蜂窩、疊層結(jié)構(gòu)、鈑金膠結(jié)結(jié)構(gòu)等，可以在外表面抽不連通蜂窩、疊層結(jié)構(gòu)、鈑金膠結(jié)結(jié)構(gòu)等，可以在外表面抽 真空加載，造成缺陷處表皮的內(nèi)外壓力差，從而引起缺陷處真空加載，造成缺陷處表皮的內(nèi)外壓力差，從而引起缺陷處 表皮變形。表皮變形。 （3 3） 熱加載法。這種方法是對物體施加一個適當(dāng)溫度熱加載法。這種方法是對物體施加一個適當(dāng)溫度 的熱脈沖，物體因受熱而變形，內(nèi)

17、部有缺陷時，由于傳熱較的熱脈沖，物體因受熱而變形，內(nèi)部有缺陷時，由于傳熱較 慢，該局部區(qū)域比缺陷周圍的溫度要高。因此，造成該處的慢，該局部區(qū)域比缺陷周圍的溫度要高。因此，造成該處的 變形量相應(yīng)也較大，從而形成缺陷處相對于周圍的表面變形變形量相應(yīng)也較大，從而形成缺陷處相對于周圍的表面變形 有了一個微差位移。有了一個微差位移。 2 激光全息檢測方法 激光全息檢測技術(shù)課件16 1. 1. 蜂窩結(jié)構(gòu)檢測蜂窩結(jié)構(gòu)檢測 蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的檢測可以采用內(nèi)部充氣、加熱以及表面真蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的檢測可以采用內(nèi)部充氣、加熱以及表面真 空的加載方法。例如飛機機翼，采用兩次曝光和實時檢測方法空的加載方法。例如飛機機翼，采用

18、兩次曝光和實時檢測方法 都能檢測出脫粘、失穩(wěn)等缺陷。當(dāng)蒙皮厚度為都能檢測出脫粘、失穩(wěn)等缺陷。當(dāng)蒙皮厚度為0.3 mm0.3 mm時，可檢時，可檢 測出直徑為測出直徑為5 mm5 mm的缺陷。采用激光全息照相方法檢測蜂窩夾層的缺陷。采用激光全息照相方法檢測蜂窩夾層 結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)， 具有良好的重復(fù)性、具有良好的重復(fù)性、 再現(xiàn)性和靈敏度。再現(xiàn)性和靈敏度。 3 激光全息檢測的應(yīng)用 激光全息檢測技術(shù)課件17 2. 2. 復(fù)合材料檢測復(fù)合材料檢測 以硼或碳高強度纖維本身粘接以及粘接到其他金屬基片以硼或碳高強度纖維本身粘接以及粘接到其他金屬基片 上的復(fù)合材料，是近年來極受人們重視的一種新材料。它比上的復(fù)合材料

19、，是近年來極受人們重視的一種新材料。它比 目前采用的均一材料更具有強度高等優(yōu)點，是宇航工業(yè)中很目前采用的均一材料更具有強度高等優(yōu)點，是宇航工業(yè)中很 有應(yīng)用前途的一種結(jié)構(gòu)材料。有應(yīng)用前途的一種結(jié)構(gòu)材料。 但這種材料在制造和使用過程但這種材料在制造和使用過程 中會出現(xiàn)纖維內(nèi)部、纖維層之間以及纖維層與基片之間脫粘中會出現(xiàn)纖維內(nèi)部、纖維層之間以及纖維層與基片之間脫粘 或開裂，使得材料的剛度下降。當(dāng)脫粘或裂縫增加到一定量或開裂，使得材料的剛度下降。當(dāng)脫粘或裂縫增加到一定量 時，結(jié)構(gòu)的剛度將大大降低甚至導(dǎo)致?lián)p壞。全息照相可以檢時，結(jié)構(gòu)的剛度將大大降低甚至導(dǎo)致?lián)p壞。全息照相可以檢 測出材料的這種缺陷。測出材

20、料的這種缺陷。 3 激光全息檢測的應(yīng)用 激光全息檢測技術(shù)課件18 3. 3. 膠結(jié)結(jié)構(gòu)檢測膠結(jié)結(jié)構(gòu)檢測 在固體火箭發(fā)動機的外殼、絕熱層、包覆層及推進劑藥柱在固體火箭發(fā)動機的外殼、絕熱層、包覆層及推進劑藥柱 各界面之間要求無脫粘缺陷。目前多采用各界面之間要求無脫粘缺陷。目前多采用X X射線檢測產(chǎn)品的氣射線檢測產(chǎn)品的氣 泡、夾雜物等缺陷，而對于脫粘檢測卻難于檢查。超聲波檢測泡、夾雜物等缺陷，而對于脫粘檢測卻難于檢查。超聲波檢測 因其探頭需要采用耦合劑，而且在曲率較大的部位或棱角處無因其探頭需要采用耦合劑，而且在曲率較大的部位或棱角處無 法接觸而形成法接觸而形成“死區(qū)死區(qū)”，限制了它的應(yīng)用。利用全息

21、照相檢測，限制了它的應(yīng)用。利用全息照相檢測 能有效地克服上述兩種檢測方法的缺點。能有效地克服上述兩種檢測方法的缺點。 3 激光全息檢測的應(yīng)用 激光全息檢測技術(shù)課件19 4 4 藥柱質(zhì)量檢測藥柱質(zhì)量檢測 激光全息照相也可以用來檢測藥柱內(nèi)部的氣孔和裂紋。激光全息照相也可以用來檢測藥柱內(nèi)部的氣孔和裂紋。 通過加載使藥柱在對應(yīng)氣孔或裂紋的表面產(chǎn)生變形，當(dāng)變形通過加載使藥柱在對應(yīng)氣孔或裂紋的表面產(chǎn)生變形，當(dāng)變形 量達到激光器光波波長的量達到激光器光波波長的1/41/4時，就可使干涉條紋圖樣發(fā)生時，就可使干涉條紋圖樣發(fā)生 畸變。利用全息照相檢測藥柱不但簡便、快速、經(jīng)濟，而且畸變。利用全息照相檢測藥柱不但簡

22、便、快速、經(jīng)濟，而且 在檢測界面沒有粘接力的缺陷方面，在檢測界面沒有粘接力的缺陷方面， 有其獨特的優(yōu)越性。有其獨特的優(yōu)越性。 3 激光全息檢測的應(yīng)用 激光全息檢測技術(shù)課件20 5 5 印制電路板焊點檢測印制電路板焊點檢測 由于印制電路板焊點的特點，一般采用熱加載方法。由于印制電路板焊點的特點，一般采用熱加載方法。 有有 缺陷的焊點，其干涉條紋與正常焊點有明顯的區(qū)別。為了適缺陷的焊點，其干涉條紋與正常焊點有明顯的區(qū)別。為了適 應(yīng)快速自動檢測的要求，可采用計算機圖像處理技術(shù)對全息應(yīng)快速自動檢測的要求，可采用計算機圖像處理技術(shù)對全息 干涉圖像進行處理和識別，通過分析條紋的形成等判斷焊點干涉圖像進行處理和識別，通過分析條紋的形成等判斷焊點 的質(zhì)量，由計算機控制程序完成整個檢測過程。的質(zhì)量，由計算機控制程序完成整個檢測過程。 3 激光全息檢測的應(yīng)用 激光全息檢測技術(shù)課件21 6 6壓力容器檢測壓力容器檢測 小型壓力容器大多數(shù)采用高強度合金鋼制造