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(shí)可以提供被測構(gòu)件的完整圖像的即時(shí)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(duì)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(jiǎng)得主Dennis Gabor發(fā)明的全息干涉技術(shù)

2、（Holography），可以說Shearography屬于Holography系列，是Holography的一個(gè)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（Laser Technology Inc.）公司開始將Shearography用于飛機(jī)無損檢測。他們開發(fā)

3、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(duì)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(duì)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(jì)劃，經(jīng)過幾年的評(píng)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)、Delta IV以及X-33實(shí)驗(yàn)機(jī)服務(wù)。3.2 基本原理Holography和Shearography都是激光光學(xué)全場測量技術(shù)，它們都是基于激光散

4、斑效應(yīng)的，這是在用激光照射粗糙表面時(shí)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。3.2.1 Holography的工作原理物體內(nèi)部的缺陷在受到外力作用時(shí)，例如抽真空（施加負(fù)壓）、充氣加壓、加熱、振動(dòng)、彎曲等加載方式的作用下，與缺陷對(duì)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(dú)的激光束，此激光束稱為參考光束，它通過一個(gè)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)域兩個(gè)波的相位相同，產(chǎn)生相長干涉

5、，形成明亮條紋，當(dāng)兩個(gè)波的相位相反時(shí)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 3-1 Holography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(duì)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(huì)出現(xiàn)光程差，對(duì)應(yīng)有缺陷的局部區(qū)域?qū)?huì)出現(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(jì)算機(jī)通過對(duì)CCD攝像機(jī)記錄的加載前與加載后的散斑圖進(jìn)行對(duì)比，就可以在缺陷出現(xiàn)的地方顯示出斑點(diǎn)結(jié)構(gòu)中的變化并產(chǎn)生相關(guān)緣紋。H

6、olography工作過程如圖3-2 a、b、c、d、e所示，用激光束照射物體表面時(shí)，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(duì)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(diǎn)組成。對(duì)條紋圖進(jìn)行相移處理得到圖d所示的相位圖。計(jì)算機(jī)對(duì)相位圖進(jìn)行展開計(jì)算，獲得表面各點(diǎn)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(jì)算得到應(yīng)變場。圖 3-2 Holography成像過程Holography擁有很高的靈敏度，可以精確地檢測出異常位

7、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（Electronic Speckle Pattern Interferometry）也稱為TV全息攝影術(shù)(TV Holography)或數(shù)字全息術(shù)(Digital Holography)，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(dòng)分析的優(yōu)點(diǎn)。3.2.2 Shearography的工作原理由于Holography要讓反射光束與參考光束發(fā)生干涉，而且要對(duì)構(gòu)件進(jìn)行外力加載，整個(gè)系統(tǒng)在檢測過程中不能有任何外界

8、干擾，尤其是振動(dòng)，只要位移稍有變化就會(huì)對(duì)檢測結(jié)果造成誤差，這樣限制了Holography在實(shí)際應(yīng)用中檢測性能，于是香港人洪友仁教授將其改良，便出現(xiàn)了shearography。Shearography（圖 3-3）在光學(xué)設(shè)置上有了一些改進(jìn)，參考光束被取代，而光學(xué)系統(tǒng)中采用剪切鏡片令構(gòu)件表面錯(cuò)位為X（相距X）的兩個(gè)點(diǎn)（圖3-3中P1和P2）的反射光發(fā)生干涉疊加，可以獲得一個(gè)散斑圖。這時(shí)兩束反射光的相位差為（圖 3-4 a），然后對(duì)構(gòu)件進(jìn)行加載，令構(gòu)件的表面發(fā)生位移和變形，P1、P2 兩點(diǎn)的反射光的相位差變?yōu)?(圖 3-4 b)，可以得到另一個(gè)散斑圖。用CCD攝像機(jī)記錄加載前和加載后的兩個(gè)散斑圖并對(duì)

9、其進(jìn)行比較，與Holography一樣，可以得到相應(yīng)的條紋圖，計(jì)算機(jī)對(duì)相位圖進(jìn)行展開計(jì)算，獲得表面各點(diǎn)的位移場分布（圖 3-5 c），這個(gè)過程基本上和Holography一樣。圖 3-3 Shearography的原理a b圖 3-4 P1和P2光源相互干涉和Holography不同的是計(jì)算機(jī)會(huì)對(duì)位移場進(jìn)行光強(qiáng)的計(jì)算，得出構(gòu)件表面各點(diǎn)離面位移W（構(gòu)件受加載變發(fā)生微小位移和變形后構(gòu)件表面的點(diǎn)離開原來表面的距離W），然后再計(jì)算出W對(duì)的一階偏微分，也就是W隨的變化改變的變化率，得出一個(gè)新的位移場分布圖，如果物體內(nèi)部有缺陷，則缺陷部位表面典型的干涉圖像成蝴蝶形斑紋（圖 3-5）。a b c d圖 3-

10、5 Shearography成像過程由于Shearography的這種檢測方法得到的是唯一的變形梯度，它不受剛性物體運(yùn)動(dòng)的影響，解決了Holography無法解決的避震問題，因此這種技術(shù)典型地應(yīng)用于生產(chǎn)線或維修中的缺陷識(shí)別，產(chǎn)生的斑點(diǎn)圖像不僅可以看見缺陷的所在位置，還可以顯現(xiàn)出被測試構(gòu)件表面變形的梯度，由于系統(tǒng)的高靈敏度，檢測時(shí)只需要小載荷而且是非破壞的。3.3 相關(guān)工具LTI公司已經(jīng)開發(fā)出多種用途，適合在不同場合下使用的Shearography檢測系統(tǒng)，先后有便攜式的LTI-5200、LTI-6200，用于檢測中等結(jié)構(gòu)的LTI-5100、LTI-7100以及用于檢測大型結(jié)構(gòu)的LTI-9000

11、等。以下是上述工具它們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中的一些檢測效果圖片：圖3-6為LTI-5200以及其檢測得到的斑紋圖圖 3-6 LTI-5200圖3-7、3-8為LTI-6200以及其檢測到的工具掉落擊傷的合成面板、脫膠合成面板、蜂窩夾層、沖擊損傷。圖3-7 LTI-6200圖 3-8 LTI-6200圖3-9為LTI-5100檢測雷達(dá)罩示意圖圖 3-9 LTI-5100圖3-10為LTI-7100檢測噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪罩示意圖圖 3-10 LTI-7100圖3-11為帶有真空室的LTI-9000，它可以檢測直升機(jī)螺旋槳一類的大型結(jié)構(gòu)。圖 3-11 LTI-90003.4 應(yīng)用Shearography和Holography都是基于激光散斑現(xiàn)象的無損檢測技術(shù)，它們可以應(yīng)用于幾乎所有材料的實(shí)時(shí)無損檢測，而且都是高精度檢測技術(shù)，可以檢測出尺寸微小到2nm的缺陷。結(jié)合現(xiàn)代的工程力學(xué)測試技術(shù)，這些技術(shù)將會(huì)成為未來無損檢測的強(qiáng)大工具。目前的Shearography和Holography技術(shù)都已基本成熟，LTI公司