電子剪切散斑干涉技術(shù)

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1、第3章剪切散斑干涉技術(shù)3.1剪切散斑干涉技術(shù)的概念剪切散斑干涉技術(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）一樣，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)。Shearography源自1971年諾貝爾物理學(xué)獎得主DennisGabor發(fā)明的全息干

2、涉技術(shù)（Holography），可以說Shearography屬于Holography系列，是Holography的一個簡化版本。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。近年來美國LTI（LaserTechnologyInc.）公司開始將Shearography用于飛機(jī)無損

3、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(bǔ)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。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NASA正使用它為航天飛機(jī)、DeltaIV以及X-33實驗機(jī)服務(wù)。3.2基本原理Holography和Shearography都是激光光學(xué)全場測量技

4、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。3.2.1Holography的工作原理物體內(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）。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)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)

5、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。圖3-1Holography的原理構(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)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

6、方顯示出斑點結(jié)構(gòu)中的變化并產(chǎn)生相關(guān)緣紋。Holography工作過程如圖3-2a、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CCD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CCD攝像機(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，由位移數(shù)據(jù)可以計算得到應(yīng)變場。圖3-2Holography成像過程Hologr

7、aphy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（ElectronicSpecklePatternInterferometry）也稱為TV全息攝影術(shù)(TVHolography)或數(shù)字全息術(shù)(DigitalHolography)，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。3.2.