利用光学特性的无损检测技术

2014-07-11 admin1 91

  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。

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