引入實(shí)時(shí)相移的激光散斑無損檢測(cè)新技術(shù)

劉 斌，李 凱，張東升

（1.上海市應(yīng)用數(shù)學(xué)與力學(xué)研究所，上海 200444；2.上海市力學(xué)在能源工程中的應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200072；3.上海大學(xué)力學(xué)系，上海 200444）

復(fù)合材料在航空、航天、軍工、船舶、電子、風(fēng)電等行業(yè)的應(yīng)用十分廣泛，其在生產(chǎn)和使用過程中容易產(chǎn)生脫粘、分層、沖擊損傷等缺陷，而缺陷的擴(kuò)展會(huì)給裝備帶來安全隱患。目前針對(duì)復(fù)合材料的檢測(cè)方法主要有敲擊法、X 射線檢測(cè)法、CT、超聲、聲阻抗法等，這些方法普遍存在靈敏度低、對(duì)操作者要求高、缺陷難以定量和定位、檢測(cè)速度慢等問題。激光剪切散斑無損檢測(cè)技術(shù)是一種全場(chǎng)可視化無損檢測(cè)新方法，不僅檢測(cè)靈敏度高，而且缺陷直觀形象，還可以精確測(cè)量缺陷的尺寸、位置，正逐步成為復(fù)合材料生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)方法［1－2］。目前激光散斑技術(shù)已在波音、空客、美國航天局等機(jī)構(gòu)采用。上海大學(xué)運(yùn)用多種創(chuàng)新技術(shù)，開發(fā)了便攜式MATFOLT LNDT－200型激光散斑無損檢測(cè)系統(tǒng)，其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到了國際先進(jìn)水平。

1 激光散斑檢測(cè)技術(shù)原理及便攜式無損檢測(cè)系統(tǒng)

1.1 技術(shù)原理

激光散斑無損檢測(cè)技術(shù)采用了剪切電子散斑干涉原理，是一種測(cè)量物體離面位移導(dǎo)數(shù)的光測(cè)技術(shù)。存在內(nèi)部缺陷的復(fù)合材料部件受到外載荷時(shí)，內(nèi)部缺陷所在位置的表面會(huì)產(chǎn)生微小非均勻變形（如圖1虛線所示）。激光散斑技術(shù)將該非均勻變形以蝴蝶斑狀干涉條紋的形式顯示出來，并可精確測(cè)量缺陷大小，同時(shí)準(zhǔn)確定位缺陷位置［1］。圖2是一個(gè)周邊固定支撐的圓盤在中心受到集中載荷后對(duì)應(yīng)的干涉條紋形式。

圖1 技術(shù)原理示意

圖2 蝴蝶斑狀干涉條紋

1.2 實(shí)時(shí)相移技術(shù)

目前國內(nèi)常用的激光散斑無損檢測(cè)系統(tǒng)，圖像的顯示方式均為干涉條紋圖像，如圖2 所示。條紋圖的光強(qiáng)分布可以表示為公式（1）的形式，其圖像分辨率較低，檢測(cè)工作需要在暗室環(huán)境下進(jìn)行，同時(shí)僅能檢測(cè)出尺寸較大的缺陷，檢測(cè)靈敏度較低。

式中：a（x，y）為圖像的背景光強(qiáng)；b（x，y）為條紋幅值；φ（x，y）為物體變形引起的相位變化。

相位檢測(cè)技術(shù)不需要進(jìn)行條紋中心線的提取和條紋定級(jí)，極大地提高了圖像的分辨率和缺陷檢測(cè)的靈敏度，同時(shí)也解決了條紋數(shù)太少時(shí)的高精度測(cè)量問題。相位檢測(cè)技術(shù)分為時(shí)間相移技術(shù)和空間相移技術(shù)，其中時(shí)間相移由于便于實(shí)現(xiàn)和圖像質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣大研究人員和實(shí)際工程技術(shù)人員的青睞。時(shí)間相移技術(shù)是通過相移器在參考光或物光中引進(jìn)已知相位，人為地改變兩相干波面的相對(duì)相位，比較干涉場(chǎng)中同一點(diǎn)在不同相移量下的光強(qiáng)值來求解該點(diǎn)相位。

以等步長(zhǎng)四步相移為例，通過相移器，在參考光路中每次改變相等的相移量產(chǎn)生可控的微小位移，可以得到四幅對(duì)應(yīng)的干涉條紋圖像：

求解式（2），可得（x，y）處的相位計(jì)算公式為：

根據(jù)上述原理，只要采集四幅引進(jìn)了已知相位的條紋圖，就可以精確地計(jì)算出任意位置的相位值。公式（3）為反正切函數(shù)，它在其值域內(nèi)呈單調(diào)遞增變化，如果把它換算為圖像的灰度，就可得到鋸齒狀分布的相位主值圖（圖3）；其圖像對(duì)比度好、分辨率極高，并有效地抑制了背景噪聲。

圖3 蝴蝶斑狀相位圖

引入了實(shí)時(shí)相移的激光散斑無損檢測(cè)新技術(shù)，是在時(shí)間相移的基礎(chǔ)上，通過單片機(jī)實(shí)時(shí)控制壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)裝置，連續(xù)可控的階梯電壓，同步采集條紋圖像，并通過公式（3）精確計(jì)算全場(chǎng)相位分布情況，實(shí)時(shí)顯示物體的位移變化，從而完成對(duì)被測(cè)物體的實(shí)時(shí)檢測(cè)。

1.3 便攜式檢測(cè)系統(tǒng)

MATFOLT LNDT－200型便攜式激光散斑無損檢測(cè)系統(tǒng)是由上海大學(xué)自主研發(fā)的商用化檢測(cè)設(shè)備，如圖4所示。目前該設(shè)備已獲得國家授權(quán)的專利技術(shù)近10項(xiàng)，具有先進(jìn)的實(shí)時(shí)相移技術(shù)和圖像處理技術(shù)，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國際先進(jìn)水平，并逐步在國內(nèi)高端復(fù)合材料產(chǎn)品檢測(cè)中發(fā)揮重要作用。該系統(tǒng)具有便攜式系統(tǒng)外觀，配套的加載方式為：熱輻射、負(fù)氣壓（負(fù)氣壓罩和小型負(fù)氣壓艙）和激振加載（壓電激振和音頻激振）。

圖4 MATFOLT LNDT－200型便攜式激光散斑無損檢測(cè)系統(tǒng)

2 應(yīng)用案例

采用便攜式激光散班無損檢測(cè)設(shè)備對(duì)幾種國防軍工領(lǐng)域常用的橡膠粘接結(jié)構(gòu)進(jìn)行了檢測(cè)［3］。

2.1 固體火箭藥柱

圖4是航天、國防等領(lǐng)域常用的固體火箭藥柱的激光散斑無損檢測(cè)結(jié)果。通過負(fù)氣壓加載可檢出內(nèi)部所有缺陷，如圖5（a）中的圓圈所示，缺陷尺寸從左到右依次為：5，8，6mm。

圖5 固體火箭藥柱的負(fù)氣壓檢測(cè)結(jié)果

2.2 橡膠－金屬粘接結(jié)構(gòu)

圖5給出了橡膠絕熱層與金屬粘接的樣件的檢測(cè)結(jié)果，該結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于固體火箭藥柱、航空發(fā)動(dòng)機(jī)等具有隔熱要求的結(jié)構(gòu)。橡膠厚度2 mm，鋼板厚度1.5mm。熱輻射和負(fù)氣壓加載均可檢出內(nèi)部預(yù)制的所有缺陷，對(duì)比發(fā)現(xiàn)，負(fù)氣壓加載下的圖像質(zhì)量相對(duì)較好，但熱輻射加載可以檢出粘結(jié)劑厚度不均勻的缺陷，如圖6（a）中的圓圈所示。

圖6 橡膠和金屬粘接結(jié)構(gòu)的檢測(cè)

3 結(jié)論

實(shí)時(shí)相移技術(shù)能顯著地提高剪切散斑干涉的圖像質(zhì)量，在激光散斑無損檢測(cè)技術(shù)中的應(yīng)用大大提高了缺陷的檢測(cè)能力。能夠較好地檢測(cè)出固體火箭藥柱，橡膠－金屬粘接結(jié)構(gòu)中的缺陷，且成像圖像質(zhì)量較好。

［1］HUNG Y Y，HO H P.Shearography：An optical measurement technique and applications［J］.Materials Science and Engineering，2005，49（3）：61－87.

［2］FRANCIS D.TATAM R P.GROVES R M.Shearography technology and applications：A review［J］.Measurement Science and Technology，2010，21（10）：1－29.

［3］陳怡，喻湘風(fēng).固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)部件的損傷探測(cè)［J］.無損檢測(cè)，2014，36（3）：65－74.