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0431-81702023
光学工程
利用光学特性的无损检测技术

1.激光全息照相检测
      激光全息照相检测是一种全息干涉计量法。
      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),采用激光全息照相的方法,将发生变形前后两个光波的波阵面记录下来进行对比观察,从而可以判断并检出物体的内部缺陷。
      激光全息照相是利用光的干涉现象,右图为激光全息照相光路系统示意图,由图中所示可见,激光发生器1(如氦-氖激光器、红宝石激光器、氩离子激光器等)发出的激光束一部分经棱镜2反射到反射镜4再经透镜5扩束投射到试件6的表面(加载),试件表面反射的光波投射到照相干板7上(物波),另一部分激光束通过棱镜2再经透镜3扩束投射到反射镜8,然后再反射投射到照相干板7上(参考波),这两束光波将会发生干涉(它们来自同一激光源,有固定的相位关系),干涉的结果是产生干涉条纹:在有的区域两个波的相位相同时,产生相长干涉,形成干涉条纹图像中的明亮条纹,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。当试件内无缺陷时,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。如果试件内存在有缺陷,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,则光程出现差异,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,从而可以根据干涉条纹图形判别试件内部的缺陷。  

      携带有试件表面微小变形(位移)信息的物波与参考波相干涉形成以干涉条纹的反差、形状和间距变化形式记录试件全部信息的图形,就是全息图。
      前面提及的激光-超声全息照相检测就是以超声波为物波,激光束为参考波形成的一种全息图。
激光全息照相检测可用于检测蜂窝结构、叠层胶接结构、复合材料以及薄壁构件的裂纹、脱粘、未粘合等缺陷,其优点是对试件的加工精度要求不高,安装调试方便,能得到物体的三维图像,缺点是对不透光物体没有穿透能力,一般只能用于厚度小的薄材料,设备较昂贵,并且在检测时受机械振动、声振动(如环境噪声)以及环境光等的干扰大等等,因此需要在安静、清洁的暗室中进行检测。
2.激光电子散斑剪切技术
      ESPI (Electronic Speckle Pattern Interferometry)也称为TV全息摄影术(TV Holography)或数字全息术(Digital Holography)。一束激光被透镜扩展并投射到被测量表面上,反射光与从激光器直接投射到摄像机的称为参考光束的结合,发生干涉,摄像机会记录一系列的斑点图像。通过图像比较可以显示出斑点结构中的变化并产生相关缘纹,它们起因于记录图像之间的表面位移与变形,智能软件自动分析这些缘纹并计算处定量的位移值。先进的ESPI系统利用若干个激光照射方向或摄像机,产生位移和变形的三维信息以及轮廓信息(3D-ESPI系统)。根据这些数据,可以获得应变、应力、振动模式以及更多的数值。
      ESPI系统提供了变形、位移、应变和应力方面的信息,材料工业利用这种技术可以测量杨氏弹性模量、泊松比、裂纹生长、真实应变/真实应力作用,以及许多其他描述新材料所需要的材料参数。高速的测量系统还可以提交动态的材料数值,可用于碰撞试验与碰撞模拟。
汽车工业在许多方面采用ESPI:分析底盘的疲劳行为,传动系、发动机、齿轮箱、车轮以及许多其他部件,这对于汽车安全都是高应力和关键的部件。此外,噪声振动(NVH-Noise Vibration Harshness)问题也可以采用脉冲ESPI技术解决。一个脉冲激光器以可变的时间延迟发出两个激光脉冲,由1-3个高速ESPI摄像机记录图像,测量的结果显示运作的偏差,这是用于消除声源,使阻尼系统最优化,消除刹车时发出的尖锐噪音或者消除其颤动等。NVH的典型应用是减小噪音,ESPI也可以用于优化音质,例如关车门的碰撞试验。脉冲ESPI技术的其他优点还有可以分析冲击事件,例如显示瑞利波(Raleigh waves)在金属或地下的传播与反射。

      除了汽车工业以外,所有的运输工业,例如铁路、海运、航空等等都可以利用这种具有全视场、三维、非接触测量能力的ESPI。
激光剪切测量技术(Laser shearography)也是一种散斑干涉测量技术,这是广泛应用于无损检测或无损检验的,但是其光学设置有了一些改进,参考波束被取代,物体图像是双重的,在摄像机中是侧向剪切与有层理的。产生的斑点图像显现出被测试或分析表面变形的梯度,可以通过现代的相位移技术与缘纹打开技术对这种信息进行自动分析。
      由于激光剪切测量得到的是唯一的变形梯度,它不受刚性物体运动的影响,因此,这种技术典型地应用于生产线或维修中的缺陷识别。
      EPSI和剪切(Shearography)技术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。
      无损检测与无损检验都是剪切测量技术最广泛应用的领域。现代复合材料的生产过程中,许多不同的构件要粘接在一起,这些零件装配的过程往往需要手工操作,因此在生产线上一定阶段中实施无损检测对于产品的可靠性与质量控制是非常重要的,剪切测量技术为所有的无损检测应用提供了一个非常有用的工具。
      航空工业利用剪切测量技术试验玻璃纤维增强塑料、碳纤维增强塑料(CFRP)的复合材料、光洁层面、泡沫塑料以及铝复合材料等。全自动检验系统已经安装用于ARIANE 5的检验,以及直升机旋转桨叶检验。对于维修检验,便携式的剪切测量检验系统已经利用真空加载或热加载用于探查缺陷。最近,剪切测量技术还被证实可用于协和式飞机零件的维修检验。Pratt & Whitney的喷气发动机耐磨密封也已经采用激光剪切测量系统利用振动激励进行检验。在汽车工业中的轮胎试验和表板检验也已是众所周知的应用了。

 


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