引入實時相移的激光散斑無損檢測新技術

劉 斌，李 凱，張東升

（1.上海市應用數學與力學研究所，上海 200444；2.上海市力學在能源工程中的應用重點實驗室，上海 200072；3.上海大學力學系，上海 200444）

復合材料在航空、航天、軍工、船舶、電子、風電等行業的應用十分廣泛，其在生產和使用過程中容易產生脫粘、分層、沖擊損傷等缺陷，而缺陷的擴展會給裝備帶來安全隱患。目前針對復合材料的檢測方法主要有敲擊法、X 射線檢測法、CT、超聲、聲阻抗法等，這些方法普遍存在靈敏度低、對操作者要求高、缺陷難以定量和定位、檢測速度慢等問題。激光剪切散斑無損檢測技術是一種全場可視化無損檢測新方法，不僅檢測靈敏度高，而且缺陷直觀形象，還可以精確測量缺陷的尺寸、位置，正逐步成為復合材料生產現場的檢測方法［1－2］。目前激光散斑技術已在波音、空客、美國航天局等機構采用。上海大學運用多種創新技術，開發了便攜式MATFOLT LNDT－200型激光散斑無損檢測系統，其各項技術指標均達到了國際先進水平。

1 激光散斑檢測技術原理及便攜式無損檢測系統

1.1 技術原理

激光散斑無損檢測技術采用了剪切電子散斑干涉原理，是一種測量物體離面位移導數的光測技術。存在內部缺陷的復合材料部件受到外載荷時，內部缺陷所在位置的表面會產生微小非均勻變形（如圖1虛線所示）。激光散斑技術將該非均勻變形以蝴蝶斑狀干涉條紋的形式顯示出來，并可精確測量缺陷大小，同時準確定位缺陷位置［1］。圖2是一個周邊固定支撐的圓盤在中心受到集中載荷后對應的干涉條紋形式。

圖1 技術原理示意

圖2 蝴蝶斑狀干涉條紋

1.2 實時相移技術

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

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

相位檢測技術不需要進行條紋中心線的提取和條紋定級，極大地提高了圖像的分辨率和缺陷檢測的靈敏度，同時也解決了條紋數太少時的高精度測量問題。相位檢測技術分為時間相移技術和空間相移技術，其中時間相移由于便于實現和圖像質量高等優點，得到了廣大研究人員和實際工程技術人員的青睞。時間相移技術是通過相移器在參考光或物光中引進已知相位，人為地改變兩相干波面的相對相位，比較干涉場中同一點在不同相移量下的光強值來求解該點相位。

以等步長四步相移為例，通過相移器，在參考光路中每次改變相等的相移量產生可控的微小位移，可以得到四幅對應的干涉條紋圖像：

求解式（2），可得（x，y）處的相位計算公式為：

根據上述原理，只要采集四幅引進了已知相位的條紋圖，就可以精確地計算出任意位置的相位值。公式（3）為反正切函數，它在其值域內呈單調遞增變化，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

引入了實時相移的激光散斑無損檢測新技術，是在時間相移的基礎上，通過單片機實時控制壓電陶瓷驅動裝置，連續可控的階梯電壓，同步采集條紋圖像，并通過公式（3）精確計算全場相位分布情況，實時顯示物體的位移變化，從而完成對被測物體的實時檢測。

1.3 便攜式檢測系統

MATFOLT LNDT－200型便攜式激光散斑無損檢測系統是由上海大學自主研發的商用化檢測設備，如圖4所示。目前該設備已獲得國家授權的專利技術近10項，具有先進的實時相移技術和圖像處理技術，各項技術指標達到國際先進水平，并逐步在國內高端復合材料產品檢測中發揮重要作用。該系統具有便攜式系統外觀，配套的加載方式為：熱輻射、負氣壓（負氣壓罩和小型負氣壓艙）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系統

2 應用案例

采用便攜式激光散班無損檢測設備對幾種國防軍工領域常用的橡膠粘接結構進行了檢測［3］。

2.1 固體火箭藥柱

圖4是航天、國防等領域常用的固體火箭藥柱的激光散斑無損檢測結果。通過負氣壓加載可檢出內部所有缺陷，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 固體火箭藥柱的負氣壓檢測結果

2.2 橡膠－金屬粘接結構

圖5給出了橡膠絕熱層與金屬粘接的樣件的檢測結果，該結構廣泛應用于固體火箭藥柱、航空發動機等具有隔熱要求的結構。橡膠厚度2 mm，鋼板厚度1.5mm。熱輻射和負氣壓加載均可檢出內部預制的所有缺陷，對比發現，負氣壓加載下的圖像質量相對較好，但熱輻射加載可以檢出粘結劑厚度不均勻的缺陷，如圖6（a）中的圓圈所示。

圖6 橡膠和金屬粘接結構的檢測

3 結論

實時相移技術能顯著地提高剪切散斑干涉的圖像質量，在激光散斑無損檢測技術中的應用大大提高了缺陷的檢測能力。能夠較好地檢測出固體火箭藥柱，橡膠－金屬粘接結構中的缺陷，且成像圖像質量較好。

［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.固體火箭發動機部件的損傷探測［J］.無損檢測，2014，36（3）：65－74.