航空制造技术
AERONAUTICAL　MANUFACTURING　TECHNOLOGY
1999年　第5期　no.5　1999




结构件电子剪切干涉测量术应用现状与前景
Л.М.洛巴诺夫 В.А.毕夫托拉克
Е.М.奥列尼克　И.В.基亚涅茨
　　［摘要］　叙述了计算机化的剪切散斑干涉测量术工作原理和光路布置，分析了这一测量方法的特点，介绍了蜂窝结构、机身蒙皮和高压瓶等结构件的检测结果。
　　关键词： 无损检测　剪切散斑干涉测量术　计算机处理
Application Status and Development Future 
of Electronic Shearing Interferometry of Structural Part
　　［ABSTRACT］　The working principle and optical circuit layout of computerized speckle_shearing interferometry is described. The characteristics of this method are analyzed. The testing results of structural parts of honeycomb structure, fuselage skin and high pressure bottle are introduced.
　　Keywords: NDT　Speckle_shearing interferometry Computer processing
　　高质量和高可靠性的现代化装备和结构是建立在所采用的新结构材料具有设计要求的物理力学性能基础上的。通常，它们都在复杂的机械作用和温度梯度条件下使用，此时，即使在结构件和焊缝缺陷区产生小的应力集中，也经常会引起破坏。
　　如何保证结构的高质量已成为最重要的技术问题之一，结构越复杂，其重要性越明显，因此，迫切需要在完善已有检测技术的基础上，寻求新的现代化、自动化装备和结构质量检测手段。
　　目前，为了准确分析材料和结构中的缺陷，有一系列的无损检测方法可供选用，其中包括射线检测、声学检测、荧光检测、涡流检测等。每一种检测方法都有各自的特点和局限性，未来的发展趋势是采用多种检测方法，相互补充。
　　在材料和结构的研究中，光学方法，尤其是光全息法有其独特的优点。多年的应用实践证明，全息干涉测量法以非接触的方式检测物体表面的静态和动态位移，是基于全息原理的最有效方法之一，成功地补充了其他检测方法之不足。
　　全息干涉测量法从20世纪60年代中期开始得到迅猛发展。采用全息干涉测量法检测结构件可以在很大程度上克服传统干涉测量法的局限，不必要求被检测物体的表面具有良好的光学平整度。干涉测量法的优点，如高灵敏度和非接触式测量以及能定量确定三个移动矢量分量等均曾在材料、机器零件和结构件的检测分析中充分发挥作用，这些研究以前是无法用光学方法进行的。在工业条件下采用这种方法的主要障碍是其对光路系统本身和检测物体的隔振及记录材料的分辨力有相当严格的要求。
　　在采用其中一种光学全息术——散斑干涉测量术［1］进行检测时，对记录材料的要求要宽松得多。这种方法的一系列品质使其在测量位移时比全息干涉测量法更具灵活性，但在定量分析中，用这种方法获得的条纹图所显现的信息却比较少。
　　从工程应用的角度看，剪切散斑干涉测量术［2］具有较好的应用前景。借助这种方法可直接获得位移导数常数，这在分析变形时尤为有效，因为这种方法排除了可导致误差的、计算位移变形量和应力所必须的数值微分过程。在J.A.Leendentz和J.N.Butters［3］及Y.Y.Hung和C.E.Taylor［4］各自独立制定的该方法中，散斑图像是同一物体表面相互剪移的两幅影像干涉形成的。可采用不同的装置实现图像剪切。Leedentz和Butters在自己的试验中采用了Майкельсон的干涉仪，Hung和Taylor［5］采用的是带有两个小光阑的透镜，在光阑前固定好玻璃板，变换玻璃板的倾斜角即可改变剪移的大小。P.Hariharan［6］在研究中采用的是由2个衍射光栅组成的剪切干涉仪。
　　剪切散斑干涉测量术亦称为剪切照相法，这种方法记录的是位移导数，它对不引起整个物体变形的位移不敏感，因而不需要任何隔振保护。
　　计算机和计算技术的迅猛发展使剪切照相法有了质的飞跃，即出现了所谓电子剪切照相法，这种方法的显著特点在于，它不用任何摄影记录就能在显示器屏幕上再现由干涉条纹组成的动态干涉图像，因而可以免去精确定位记录用照相底片的麻烦［7］，操作简单，可用以解决复杂的变形分析、质量检测等问题。
　　同一般散斑干涉测量术相比，电子剪切术在理论上没有什么差别，只是由于不对数据进行数值微分就能确定变形量，并实现了计算机化，避免了“湿法”化学或静电显影及随后的再现干涉图像等繁琐的工作，因而更加实用和有效。在所有的电子全息照相方法中，电子剪切干涉是最有发展前途的非接触测量和检测方法。此外，如前所述，在实际应用中的主要优点还在于对振动不敏感，适合在工业部门的以下场合应用：
　　. 测量和分析变形量；
　　. 任意几何形状结构的质量无损检测；
　　. 优化各种结构材料的机器零件和结构元件。
　　电子剪切干涉的要点是，用激光相干光源照射被检测物体表面，经由物体表面形成散斑结构的散射光射到剪切元件上，并在CCD摄像机影像平面上聚焦。利用楔形镜作为剪切元件，借助于该楔形镜形成一对物体横向位移影像，相互干涉，形成不规则的干涉图像，通过与计算机相连的摄像机输入到计算机中，并由计算机进行处理，形成剪切干涉图。
　　如图1所示，位于透镜前的剪切元件将孔径分成两半，从而在物体上沿着影像剪切方向获得两个位移点P1′和P1″，剪切元件的角度决定这些影像的位移大小。用激光相干光束照射P1和P2这两个物体上最邻近的点，在沿ox轴方向位移时，点P1＝P1(x,y)在影像平面上一分为二，即错位δx′的距离，因而获得点P1′=P1′(x,y)和P1″=P1″(x+δx′，y)。点P2也发生类似的错位。如果两点的坐标在物体表面相差一个剪切错位距离δx，则点P2将为P1的支点，反之亦然，即两点相互支撑。距离δx′可用如下等式描述：

式中：γ——剪切元件的楔形角；
　　　n——剪切元件的折射率；
　　　Ma——影像的比例Di/D0；
　　　Di——距影像平面的距离；
　　　D0——物体外表面与透镜之间距离。

图1　测取剪切图像的光路系统［7］
Fig.1　Optical circuit system 
for shearing image measuring
1.剪切元件；2.透镜；3.影像记录平面；
4.激光源；5.散射透镜；6.加载后的物体表面；
7.加载前的物体表面。
　　由于P1和P2两点剪切位移，两点之间的相对变形引起相对剪切相位差Δ。物体变形状态的影像叠加在原始状态的影像上。此时，区别不大的散斑条纹被用二次曝光的方法记录下来，点P1和P2上的强度之和即为总强度It。

　　借助专用滤光器，第1个cos分量可以分离出来。当相应改变相位差Δ=(2N+1)π　(此式中N=1,2,3,…,m)时，第2个cos分量等于0，此时It最小。同理，当Δ=2πN时，第2个cos分量最大，It亦达到最大。从而可获得黑白条带交替的图形——剪切图。
　　如果一个边长为dx,dy,dz的无穷小直角元件，对其作用一外力，则其任意点都会移动d的距离：
d=uex+vey+wez
式中：u,v,w——x,y,z方向的相应位移；
　　　ex,ey,ez——单位矢量。
整个元件亦同时移动，即边长亦增大或减小dx′,dy′,dz′。实践中，通常剪切位移与伸长(压缩)变形有关：



　　因为在剪切图中，物体都是以原始(未加载)状态和加载状态记录的，所以在加载之后，光束路径的长度作δL1的改变，物体外表面上的点P1就位移一个较小的距离P1=P1*(x1+u;y1+v；z1+w)，点P2也移动一个距离P2=P2*(x1+δx+u+δu；y2+v+δv；z2+w+δw)。通过P2到影像记录平面的光束路径长度与P1点的情况类似，产生δL2的光程变化。
　　相应的相位变化为：

式中：
　　　
　　　
　　　
　　　
系数C1，C2，C3，R0，Rs是常量，由光路的几何形状确定。当沿x方向(ox轴方向)移动时，Δx值为

在小移动时，偏导数由每个单独的表达式确定：

同理可得y方向的移动：

　　用上述方法和剪切干涉术可以进行各种样件和结构件的研究分析。试验用的光学系统见图2，氦氖激光器的波长λ=0.63μm。

图2　剪切散斑干涉仪光路系统
Fig.2　Optical circuit system of 
speckle_shearing interferometer
1.被检测物体；2.散射透镜；3.激光器；
4.剪切元件(光楔)；5.镜头；6.CCD摄像机；
7.计算机单元；8.物体变形状态；9.物体原始状态。
　　计算机单元由Pentium 133MHz PC机、内置的模拟/数字转换器和显示器组成，计算机与摄像机相连。被物体扩散的波峰落在大小为752×582点的摄像机矩阵上；由模拟/数字变换器将模拟信号数字化，并输出到显示器屏幕上。条纹图像以图形文件的格式记录在硬盘上，以备调用。然后，给物体加载，重新记录反射光波，通过专门的程序，对记录的图形文件进行处理，获得的影像(剪切图)亦以图形文件的格式记录下来。这种剪切图是带有黑白区域或黑白条纹的散斑图像，需要进一步处理。影像处理主要包括降低散斑噪音、提高图像反差等。
　　按上述方法进行了剪切图像采集技术和结构件质量检测试验。为改进剪切图的采集记录技术，选择了一块正方形的钢板(150mm×150mm×3mm)，沿外周边将其压紧在专用的加载装置上，如图3(a)所示，在与观察方向和照射方向相反的一面，在钢板中心部位法向加载。沿ox和oy方向法向位移导数的干涉图像记录结果如图3(b),(c)所示。

(a)钢板在加载装置上的全视图

(b)沿x轴法向位移导数的剪切图

(c)沿y轴法向位移导数的剪切图
图3　用于方法研究的样件
Fig.3　Sample used for methodology
　　为完善缺陷的检测方法，选择了一块长355mm，宽100mm，厚3mm的扁钢(30ХГСА钢)，在反面加工出长约30mm，深为厚度的30%的非贯穿切口。用吹热空气的方法向钢条加载，吹风装置位于距物体的30cm处，吹风5s，获得的剪切图见图4。从图中可以看出，在缺陷处干涉条纹弯曲并将缺陷区域环绕起来，弯曲条纹间的距离与比例放大后的缺陷大小相一致。

图4　加热带非贯穿切口扁钢时获得的剪切图
Fig.4　Shearing figure during heating 
flat steel with non_through slot
　　根据所述方法，检测了蜂窝板元件的质量。热加载和内部压力加载均发现了缺陷区域，见图5(a),(b)。当吹热空气进行热加载时(T≈40℃，壁板表面距热源30cm，吹气持续时间10s)，干涉条纹集中在蒙皮与蜂窝夹芯胶接破坏处，这些破坏处是在切下样件时形成的。在内部压力加载试验中获得的剪切图上，干涉条纹不仅再现了缺陷区域，也再现了内部蜂窝结构。缺陷区域的大小相当于几个蜂窝格子的总尺寸。

(a)热加载

(b)内部压力加载
图5　蜂窝板试件剪切图
Fig.5　Shearing figure of honeycomb
panel specimen
　　还对一系列薄壁结构(机身蒙皮样件、高压瓶样件)进行了检则，检测时物体是自由放置的，未加固定。机身样件是带有铆接加强筋的厚度约1.5mm的铝板，热加载条件下获得的剪切图见图6。

(a)无缺陷区

(b)腐蚀区
图6　机身蒙皮试件剪切图
Fig.6　Shearing figure of fuselage skin specimen
　　目前，用于汽车运输的高压瓶的质量检测是一个重要问题，传统的检测方法无法发现薄壁瓶内的缺陷。高压瓶的结构由一个直缝圆筒、两个半球形的底盖组成，在其中的一个上焊了一个环形的套管，壁和两底的厚度均为3.5mm，瓶身各部分均由屈服极限大于1000MPa的高强钢制造，用混合惰性气体保护钨极并加活化剂焊接的方法对焊而成。压力瓶的压力约为60MPa，在试验过程中，为保证获得干涉图像所必须的小压差(小于0.1MPa)，瓶中的压力是逐渐降低的。
　　高压瓶纵焊缝和两条环形焊缝区域的检测剪切图见图7(焊缝用虚线表示)。图7(a)为无缺陷焊缝；图7(b)试件的纵焊缝有约40mm的裂纹；图7(c)试件干涉图像中的缺陷用剪头指示，纵焊缝有咬边，纵缝与环缝的连接处有夹渣。

(a)无缺陷焊缝

(b)纵焊缝缺陷

(c)纵焊缝及纵焊缝与环缝连接处缺陷
图7　高压瓶试件各区段的剪切图
Fig.7　Shearing figure of several sections 
of high pressure bottle specimen
　　试验结果证明，电子剪切干涉术可以成功地用于检测用各种结构材料制成的结构件和焊接产品的质量。这种方法的主要优点是：能实现非接触检测，灵敏度高，无需防振和对表面进行预先特殊准备，快速，无破坏性等。目前，电子剪切干涉测量术已成为一种在生产条件下推荐采用的无损检测方法。
作者简介：Л.М.洛巴诺夫 В.А.毕夫托拉克　乌克兰国家科学院　院　士　
　　　　　Е.М.奥列尼克　И.В.基亚涅茨　乌克兰国家科学院　副博士　
参考文献
　1　Клименко　И　С.　Голография　сфокусированных　 изображений　 и　 спекл-интерферометрия. Наука. 1985. 218
　2　Becm Ч.　Голографическая　интерферометрия. Hayka.1982.504
　3　Leendentz J A, Butters J N. An image_shearing speckle -pattern interferometer for measuring bending moments. J. Phys. E.. Sci. Instrum., 1973,6:1107
　4　Hung Y Y, Taylor C E. A speckle_shearing interferometer: a tool for measuring derivatives of surface displacement. Exp. Mech.. 1974,4:169
　5　Hung Y Y, Taylor C E. Image_shearing camera for direct measurement of surface strain. Proc. SPIE.. 1973,41:169
　6　Hariharan P. Optical method for measuring contour slopes of an objects. Appl. Opt.. 1975,4:2563
　7　Schuth M. Aufbau und anwendung der shearografie als praxisgerechtes, optisches pruef_und meβverfahren zur dehnungsanalyse, qualitaetssicherung und bauteiloptimierung. Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktor_Ingenieurs. Kassel, 1995.176
(李香波译　朱英发校)
(责编　文　洵)
