電子剪切散斑干涉技術(shù)

1、僅供個人參考FOme蠆第3章剪切散斑干涉技術(shù)螅3.1剪切散斑干涉技術(shù)的概念芃剪切散斑干涉技術(shù)(Shearography )因其快速準(zhǔn)確的檢測能力在航空航天 領(lǐng)域得到廣泛認(rèn)可，它與紅外熱成像檢測技術(shù)(Thermography) 樣，都是一種 高效率的無接觸無損檢測技術(shù)，可以用于進(jìn)行大面積的檢測，在檢測同時可以提 供被測構(gòu)件的完整圖像的即時成像功能。與Thermography不同的是 Shearography是一種光學(xué)傳感技術(shù)，它利用激光照射在構(gòu)件身上產(chǎn)生的散斑， 對構(gòu)件的表面破損、變形進(jìn)行全面檢測，所以它也是一種散斑干涉測量技術(shù)。莈Shearography源自1971年諾貝爾物理學(xué)獎得主 Den

2、nis Gabor發(fā)明的全息 干涉技術(shù)(Holography)，可以說 Shearography 屬于 Holography 系列，是 Holography的一個簡化版本。膈由于Holography需要在寧靜、避震的環(huán)境下才能發(fā)揮出功效，香港大學(xué)機(jī)械工程學(xué)系教授洪友仁于1980年將Holography改良，于是發(fā)明了 Shearography，之后便將其應(yīng)用于檢測汽車輪胎上，不久洛杉磯發(fā)生飛機(jī)爆胎意 外，F(xiàn)AA開始強(qiáng)制要求所有航空公司必須用Shearography檢測飛機(jī)輪胎，自此之后，因輪胎問題而引起的飛機(jī)意外很少有發(fā)生。蒅近年來美國LTI （Laser Tech no logy Inc.）

3、公司開始將 Shearography用于 飛機(jī)無損檢測。他們開發(fā)出基于 Shearography的標(biāo)準(zhǔn)無損檢測系統(tǒng)，可以用來 檢測部件的分層、脫膠、裂紋、空隙、沖擊損傷、損壞的修補部位以及任何對結(jié) 構(gòu)完整性造成影響的缺陷。它可以應(yīng)用于許多不同材料的檢測，包括碾壓材料， 復(fù)合材料，蜂窩結(jié)構(gòu)以及泡沫材料等，尤其對蜂窩結(jié)構(gòu)的檢測得心應(yīng)手。肀Shearography起初只作為一種生產(chǎn)工具應(yīng)用于 B-2隱形轟炸機(jī)計劃，經(jīng)過 幾年的評估，它的適用性和靈敏度得到證明后，航空宇航部件生產(chǎn)線便全線裝備 這套系統(tǒng)，目前NASAE使用它為航天飛機(jī)、Delta IV以及X-33實驗機(jī)服務(wù)。蝕3.2基本原理薈Holog

4、raphy和Shearography都是激光光學(xué)全場測量技術(shù)，它們都是基于 激光散斑效應(yīng)的，這是在用激光照射粗糙表面時發(fā)生的現(xiàn)象，下面我們通過借助Holography的原理來分析 Shearography的工作原理。芆3.2.1 Holography 的工作原理膂物體內(nèi)部的缺陷在受到外力作用時，例如抽真空（施加負(fù)壓） 、充氣加壓、 加熱、振動、彎曲等加載方式的作用下，與缺陷對應(yīng)的物體表面將產(chǎn)生與周圍不 同的局部微小變形（位移）。袈Holography （圖3-1 ）用激光二極管射出一束單獨的激光束，此激光束稱為參考光束，它通過一個透鏡后被擴(kuò)展，然后投射到被檢測構(gòu)件表面，反射光與 參考光束結(jié)合發(fā)

5、生干涉（它們來自同一激光源，有固定的相位關(guān)系），產(chǎn)生干涉條紋，在某些區(qū)域兩個波的相位相同，產(chǎn)生相長干涉，形成明亮條紋，當(dāng)兩個波 的相位相反時則產(chǎn)生相消干涉，形成暗條紋，于是構(gòu)成了明暗相間的干涉條紋圖 像。羇圖3-1 Holography 的原理羆構(gòu)件受加載后產(chǎn)生表面位移與變形，如果構(gòu)件內(nèi)無缺陷，加載后試件表面 的變形是連續(xù)規(guī)則的，所產(chǎn)生的干涉條紋形狀與明暗條紋間距的變化也是連續(xù)均 勻的，與試件外形輪廓的變化相協(xié)調(diào)。如果構(gòu)件內(nèi)有缺陷，則加載后對應(yīng)有內(nèi)部 缺陷的試件表面部位的變形比周圍的變形大，會出現(xiàn)光程差，對應(yīng)有缺陷的局部區(qū)域?qū)霈F(xiàn)有不連續(xù)突變的干涉條紋，亦即條紋形狀與間距將發(fā)生畸變，計算 機(jī)

6、通過對CCD攝像機(jī)記錄的加載前與加載后的散斑圖進(jìn)行對比，就可以在缺陷出現(xiàn)的地方顯示出斑點結(jié)構(gòu)中的變化并產(chǎn)生相關(guān)緣紋。膃Holography工作過程如圖3-2 a、b、c、d、e所示，用激光束照射物體表 面時，由于表面粗糙度與激光波長相近，所以在CC攝像機(jī)芯片上可以看見激光 束產(chǎn)生漫反射干涉形成散斑，成像如圖b所示，而構(gòu)件表面自然光成像如圖 a所示，無散斑。經(jīng)過干涉并對CCCg像機(jī)記錄的加載前與加載后的散斑圖進(jìn)行比較，可以獲得如圖c所示的條紋圖。條紋由發(fā)生相同位移的點組成。 對條紋圖 進(jìn)行相移處理得到圖d所示的相位圖。計算機(jī)對相位圖進(jìn)行展開計算，獲得表面 各點的位移場分布，如圖e所示的條紋圖，由

7、位移數(shù)據(jù)可以計算得到應(yīng)變場。賺圖3-2 Holography 成像過程莆Holography擁有很高的靈敏度，可以精確地檢測出異常位移，精度可達(dá)到2nm目前采用Holography作為主要原理的技術(shù)有電子散斑圖像干涉技術(shù)ESPI（Electronic Speckle Pattern Interferometry）也稱為 TV 全息攝影術(shù)（TVHolography）或數(shù)字全息術(shù)（Digital Holography），由于術(shù)利用 CCD相機(jī)代替全息干板作記錄介質(zhì)，ESPI保持了 Holography的測量精度和靈敏度，且有電子技 術(shù)處理數(shù)據(jù)量大、快速方便及自動分析的優(yōu)點。螆3.2.2 Shear

8、ography 的工作原理羈由于Holography要讓反射光束與參考光束發(fā)生干涉，而且要對構(gòu)件進(jìn)行外力 加載，整個系統(tǒng)在檢測過程中不能有任何外界干擾，尤其是振動，只要位移稍有變化就會對檢測結(jié)果造成誤差，這樣限制了Holography在實際應(yīng)用中檢測性能，于是香港人洪友仁教授將其改良，便出現(xiàn)了shearography。艿Shearography （圖3-3 ）在光學(xué)設(shè)置上有了一些改進(jìn)，參考光束被取代，而 光學(xué)系統(tǒng)中采用剪切鏡片令構(gòu)件表面錯位為X （相距X）的兩個點（圖3-3中P1和P2）的反射光發(fā)生干涉疊加，可以獲得一個散斑圖。這時兩束反射光的相位差為 （圖3-4 a），然后對構(gòu)件進(jìn)行加載，令

9、構(gòu)件的表面發(fā)生位移和變形，P1、P2兩點的反射光的相位差變?yōu)?+ （圖3-4 b），可以得到另一個散斑圖。祎用CCDg像機(jī)記錄加載前和加載后的兩個散斑圖 并對其進(jìn)行比較，與 Holography 一樣，可以得到相應(yīng)的條紋圖，計算機(jī)對相位圖進(jìn)行展開計算，獲得 表面各點的位移場分布（圖3-5 c ），這個過程基本上和Holography 樣。膃圖3-3 Shearography的原理肂ab蕆圖3-4 P1 和P2光源相互干涉芅和Holography不同的是計算機(jī)會對位移場進(jìn)行光強(qiáng)的計算，得出構(gòu)件表面各點離面位移W（構(gòu)件受加載變發(fā)生微小位移和變形后構(gòu)件表面的點離開原來表面 的距離W,然后再計算出 W

10、對的一階偏微分，也就是 W隨的變化改變的變 化率，得出一個新的位移場分布圖，如果物體內(nèi)部有缺陷，則缺陷部位表面典型 的干涉圖像成蝴蝶形斑紋（圖 3-5 ）。羃abcd肅圖3-5 Shearography成像過程螀由于Shearography的這種檢測方法得到的是唯一的變形梯度，它不受剛性物體運動的影響，解決了 Holography無法解決的避震問題，因此這種技術(shù)典型地 應(yīng)用于生產(chǎn)線或維修中的缺陷識別，產(chǎn)生的斑點圖像不僅可以看見缺陷的所在位 置，還可以顯現(xiàn)出被測試構(gòu)件表面變形的梯度，由于系統(tǒng)的高靈敏度，檢測時只需要小載荷而且是非破壞的。罿3.3相關(guān)工具蚃LTI公司已經(jīng)開發(fā)出多種用途，適合在不同場

11、合下使用的 Shearography檢 測系統(tǒng)，先后有便攜式的LTI-5200、LTI-6200 ,用于檢測中等結(jié)構(gòu)的LTI-5100、 LTI-7100以及用于檢測大型結(jié)構(gòu)的 LTI-9000等。袁以下是上述工具它們在實際應(yīng)用中的一些檢測效果圖片：袈圖3-6為LTI-5200以及其檢測得到的斑紋圖莈圖 3-6 LTI-5200蒄圖3-7、3-8為LTI-6200以及其檢測到的工具掉落擊傷的合成面板、脫膠合 成面板、蜂窩夾層、沖擊損傷。羂圖 3-7 LTI-6200芁圖 3-8 LTI-6200袇圖3-9為LTI-5100檢測雷達(dá)罩示意圖膄圖 3-9LTI-5100羃圖3-10為LTI-710

12、0檢測噴氣發(fā)動機(jī)渦輪罩示意圖荿圖 3-10 LTI-7100芇圖3-11為帶有真空室的LTI-9000 ,它可以檢測直升機(jī)螺旋槳一類的大型結(jié) 構(gòu)。羅圖 3-11 LTI-9000螁3.4應(yīng)用螁Shearography和Holography都是基于激光散斑現(xiàn)象的無損檢測技術(shù)，它們可以應(yīng)用于幾乎所有材料的實時無損檢測，而且都是高精度檢測技術(shù)，可以檢 測出尺寸微小到2nm的缺陷。結(jié)合現(xiàn)代的工程力學(xué)測試技術(shù)，這些技術(shù)將會成為 未來無損檢測的強(qiáng)大工具。目前的Shearography和Holography技術(shù)都已基本成熟，LTI公司的產(chǎn)品得到美國無損檢測學(xué)會 ASNT( American Society

13、of No ndestructive Testi ng)的和許多其他各類協(xié)會的認(rèn)可，其中Shearography更加獲得ASNTTC-1A三個等 級的證書，已經(jīng)在各種各樣的航空航天工業(yè)領(lǐng)域得到重用，包括民用航空無損檢測、飛機(jī)生產(chǎn)、NASA航天飛機(jī)計劃等。它有足夠的水平可以成為無損檢測的又 一利器。不得用于商業(yè)用途僅供個人用于學(xué)習(xí)、研究；不得用于商業(yè)用途For personal use only in study and research; not for commercial use.Nur f u r den pers?nlichen f u r Studien, Forsghuu komm

14、erziellen Zwecken verwendet werden.Pour l ' e tude et la recherche uniquementa des fins personnelles; pasa des fins commerciales.to員bko gA.nrogeHKO TOpMenob3ymoiflCH6yHeHuac egoB u HHuefigoHMucno 員 B30BaTbCEb KOMMepqeckuxqe 員 ex.以下無正文僅供個人用于學(xué)習(xí)、研究；不得用于商業(yè)用途For personal use only in study and research; not for commercial use.Nur f u r den pers?nlichen f u r Studien, Forschung, zu kommerziellen Z