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0431-81702023
光學工程
利用光學特性的無損檢測技術

1.激光全息照相檢測
      激光全息照相檢測是一種全息干涉計量法。
      物體內部的缺陷在受到外力作用時,例如抽真空(施加負壓)、充氣加壓、加熱、振動、彎曲等加載方式的作用下,與缺陷對應的物體表面將產生與周圍不同的局部微小變形(位移),采用激光全息照相的方法,將發生變形前后兩個光波的波陣面記錄下來進行對比觀察,從而可以判斷并檢出物體的內部缺陷。
      激光全息照相是利用光的干涉現象,右圖為激光全息照相光路系統示意圖,由圖中所示可見,激光發生器1(如氦-氖激光器、紅寶石激光器、氬離子激光器等)發出的激光束一部分經棱鏡2反射到反射鏡4再經透鏡5擴束投射到試件6的表面(加載),試件表面反射的光波投射到照相干板7上(物波),另一部分激光束通過棱鏡2再經透鏡3擴束投射到反射鏡8,然后再反射投射到照相干板7上(參考波),這兩束光波將會發生干涉(它們來自同一激光源,有固定的相位關系),干涉的結果是產生干涉條紋:在有的區域兩個波的相位相同時,產生相長干涉,形成干涉條紋圖像中的明亮條紋,當兩個波的相位相反時則產生相消干涉,形成暗條紋,于是構成了明暗相間的干涉條紋圖像。當試件內無缺陷時,加載后試件表面的變形是連續規則的,所產生的干涉條紋形狀與明暗條紋間距的變化也是連續均勻的,與試件外形輪廓的變化相協調。如果試件內存在有缺陷,則加載后對應有內部缺陷的試件表面部位的變形比周圍的變形大,則光程出現差異,對應有缺陷的局部區域將會出現有不連續突變的干涉條紋,亦即條紋形狀與間距將發生畸變,從而可以根據干涉條紋圖形判別試件內部的缺陷。  

      攜帶有試件表面微小變形(位移)信息的物波與參考波相干涉形成以干涉條紋的反差、形狀和間距變化形式記錄試件全部信息的圖形,就是全息圖。
      前面提及的激光-超聲全息照相檢測就是以超聲波為物波,激光束為參考波形成的一種全息圖。
激光全息照相檢測可用于檢測蜂窩結構、疊層膠接結構、復合材料以及薄壁構件的裂紋、脫粘、未粘合等缺陷,其優點是對試件的加工精度要求不高,安裝調試方便,能得到物體的三維圖像,缺點是對不透光物體沒有穿透能力,一般只能用于厚度小的薄材料,設備較昂貴,并且在檢測時受機械振動、聲振動(如環境噪聲)以及環境光等的干擾大等等,因此需要在安靜、清潔的暗室中進行檢測。
2.激光電子散斑剪切技術
      ESPI (Electronic Speckle Pattern Interferometry)也稱為TV全息攝影術(TV Holography)或數字全息術(Digital Holography)。一束激光被透鏡擴展并投射到被測量表面上,反射光與從激光器直接投射到攝像機的稱為參考光束的結合,發生干涉,攝像機會記錄一系列的斑點圖像。通過圖像比較可以顯示出斑點結構中的變化并產生相關緣紋,它們起因于記錄圖像之間的表面位移與變形,智能軟件自動分析這些緣紋并計算處定量的位移值。先進的ESPI系統利用若干個激光照射方向或攝像機,產生位移和變形的三維信息以及輪廓信息(3D-ESPI系統)。根據這些數據,可以獲得應變、應力、振動模式以及更多的數值。
      ESPI系統提供了變形、位移、應變和應力方面的信息,材料工業利用這種技術可以測量楊氏彈性模量、泊松比、裂紋生長、真實應變/真實應力作用,以及許多其他描述新材料所需要的材料參數。高速的測量系統還可以提交動態的材料數值,可用于碰撞試驗與碰撞模擬。
汽車工業在許多方面采用ESPI:分析底盤的疲勞行為,傳動系、發動機、齒輪箱、車輪以及許多其他部件,這對于汽車安全都是高應力和關鍵的部件。此外,噪聲振動(NVH-Noise Vibration Harshness)問題也可以采用脈沖ESPI技術解決。一個脈沖激光器以可變的時間延遲發出兩個激光脈沖,由1-3個高速ESPI攝像機記錄圖像,測量的結果顯示運作的偏差,這是用于消除聲源,使阻尼系統最優化,消除剎車時發出的尖銳噪音或者消除其顫動等。NVH的典型應用是減小噪音,ESPI也可以用于優化音質,例如關車門的碰撞試驗。脈沖ESPI技術的其他優點還有可以分析沖擊事件,例如顯示瑞利波(Raleigh waves)在金屬或地下的傳播與反射。

      除了汽車工業以外,所有的運輸工業,例如鐵路、海運、航空等等都可以利用這種具有全視場、三維、非接觸測量能力的ESPI。
激光剪切測量技術(Laser shearography)也是一種散斑干涉測量技術,這是廣泛應用于無損檢測或無損檢驗的,但是其光學設置有了一些改進,參考波束被取代,物體圖像是雙重的,在攝像機中是側向剪切與有層理的。產生的斑點圖像顯現出被測試或分析表面變形的梯度,可以通過現代的相位移技術與緣紋打開技術對這種信息進行自動分析。
      由于激光剪切測量得到的是唯一的變形梯度,它不受剛性物體運動的影響,因此,這種技術典型地應用于生產線或維修中的缺陷識別。
      EPSI和剪切(Shearography)技術是激光光學全場測量技術,它們是基于激光散斑效應,這是在用激光照射粗糙表面時發生的現象。
      無損檢測與無損檢驗都是剪切測量技術最廣泛應用的領域。現代復合材料的生產過程中,許多不同的構件要粘接在一起,這些零件裝配的過程往往需要手工操作,因此在生產線上一定階段中實施無損檢測對于產品的可靠性與質量控制是非常重要的,剪切測量技術為所有的無損檢測應用提供了一個非常有用的工具。
      航空工業利用剪切測量技術試驗玻璃纖維增強塑料、碳纖維增強塑料(CFRP)的復合材料、光潔層面、泡沫塑料以及鋁復合材料等。全自動檢驗系統已經安裝用于ARIANE 5的檢驗,以及直升機旋轉槳葉檢驗。對于維修檢驗,便攜式的剪切測量檢驗系統已經利用真空加載或熱加載用于探查缺陷。最近,剪切測量技術還被證實可用于協和式飛機零件的維修檢驗。Pratt & Whitney的噴氣發動機耐磨密封也已經采用激光剪切測量系統利用振動激勵進行檢驗。在汽車工業中的輪胎試驗和表板檢驗也已是眾所周知的應用了。

 


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