电子剪切散斑干涉的技术.doc

第3章 剪切散斑干涉技术 3.1 剪切散斑干涉技术的概念 剪切散斑干涉技术（Shearography）因其快速准确的检测能力在航空航天领域得到广泛认可，它与红外热成像检测技术（Thermography）一样，都是一种高效率的无接触无损检测技术，可以用于进行大面积的检测，在检测同时可以提供被测构件的完整图像的即时成像功能。与Thermography 不同的是Shearography是一种光学传感技术，它利用激光照射在构件身上产生的散斑，对构件的表面破损、变形进行全面检测，所以它也是一种散斑干涉测量技术Dennis Gabor发明的全息干涉技术（Holography），可以说Shearography属于Holography系列，是Holography的一个简化版本。 由于Holography需要在宁静、 避震的环境下才能发挥出功效，香港大学机械工程学系教授洪友仁于1980年将Holography改良，于是发明了Shearography，之后便将其应用于检测汽车轮胎上，不久洛杉矶发生飞机爆胎意外，FAA开始强制要求所有航空公司必须用Shearography检测飞机轮胎，自此之后，因轮胎问题而引起的飞机意外很少有发生。 近年来美国LTI（Laser Technology Inc.）公司开始将Shearography用于飞机无损检测。他们开发出基于Shearography的标准无损检测系统，可以用来检测部件的分层、脱胶、裂纹、空隙、冲击损伤、损坏的修补部位是激光光学全场测量技术，它们是基于激光散斑效应，这是在用激光照射粗糙表面时发生的现象物体内部的缺陷在受到外力作用时，例如抽真空（施加负压）、充气加压、加热、振动、弯曲等加载方式的作用下，与缺陷对应的物体表面将产生与周围不同的局部微小变形（位移）（它们来自同一激光源，有固定的相位关系），产生干涉条纹在区域两个波的相位相同，产生相长干涉，形成明亮条纹，当两个波的相位相反时则产生相消干涉，形成暗条纹，于是构成了明暗相间的干涉条纹图像内无缺陷，加载后试件表面的变形是连续规则的，所产生的干涉条纹形状与明暗条纹间距的变化也是连续均匀的，与试件外形轮廓的变化相协调。有缺陷，则加载后对应有内部缺陷的试件表面部位的变形比周围的变形大，出现光程差，对应有缺陷的局部区域将会出现有不连续突变的干涉条纹，亦即条纹形状与间距将发生畸变，CCD摄像机记录的加载前与加载后的散斑图斑点结构中的变化并产生相关缘纹用激光束照射物体表面由于表面粗糙度与激光波长相近，在CCD机芯片上漫反射干涉形成散斑，成像如图b所示然光成像图无散斑。 CCD摄像机记录的加载前与加载后的散斑图比较，获得如图c所示的条纹图。条纹由相同位移的点组成。对条纹图进行相移处理得到图d所示的相位图。对相位图进行展开计算，获得表面各点的位移场分布如图e由位移数据可以计算得到应变场。 图 3-2 Holography成像过程 Holography拥有很高的灵敏度，可以精确地检测出异常位移，精度可达到2nm。目前采用Holography作为主要原理的技术有电子散斑图像干涉技术ESPI（Electronic Speckle Pattern Interferometry）也称为TV全息摄影术(TV Holography)或数字全息术(Digital Holography)术利用CCD相机代替全息干作记录介质，ESPI保持了的测量精度和灵敏度，有电子技术处理数据量大、快速方便及自动分析的优点。shearography。 Shearography（图 3-3）在光学设置上有了一些改进，参考光束被取代，而光学系统中采用剪切镜片令构件表面错位为X（相距X）的两个点（图3-3中P1和P2）的反射光发生干涉叠加，可以获得一个散斑图。这时两束反射光的相位差为Φ（图 3-4 a），然后对构件进行加载，令构件的表面发生位移和变形，P1、P2 两点的反射光的相位差变为Φ+Δ(图 3-4 b)，可以得到另一个散斑图。 用CCD摄像机记录加载前和加载后的两个散斑图并对其进行比较，与Holography一样，可以得到相应的条纹图，计算机对相位图进行展开计算，获得表面各点的位移场分布 图 3-3 Shearography的原理 a b 图 3-4 P1和P2光源相互干涉 和Holography不同的是计算机会对位移场进行光强计算表面各点离面位移一阶如果物体内部有缺陷，则缺陷部位表面典型的干涉图像成蝴蝶形斑纹a b c d 图 3-5 Shear