剪切电视全息测量技术是一种先进的测量技术,可用于微变形测量[1]、无损检测[2,3]、应力应变分析[4]等领域,具有全场、非接触、精度高等优点, 在科研、工业生产、国防建设等方面具有广泛的应用前景.剪切电视全息干涉术具有参物光共光路及自身作参考场的特点,因此结构简单,对光源的相干性要求低,抗干扰能力强,不需采取特别的隔振措施, 非常适用于现场测量.剪切电视全息的一个广泛的应用领域是工业无损检测,如轮胎、容器、蜂窝粘接结构航空复合材料等.由于受器件的限制(如激光器功率、摄像机及图像板的分辨率等),剪切电视全息技术的一次测量范围比较小,而在实际用中,测量对象面积一般都比较大,因此无法将被测物体一次测量完成;另外,由于剪切激光电视全息技术对被测物体表面位移梯度敏感,因此必须采用适当的加载方式使被测物体的内部缺陷表现出来.通常采用真空加载方式.如前所述,在实际应用中,测量对象面积都比较大,需要制造大的真空室,对于蜂窝粘接结构航空复合材料,面积通常在几m2到数十m2,制造这么大的真空室无论从资金、技术还是实用性上都是不现实的.针对这一问题,本文介绍一种便携式真空加载剪切电视全息无损检测系统,可由人拿着对大面积蜂窝结构航空复合材料分块抽真空加载和检测,从而有效地克服了上述困难.
1 剪切电视全息原理
Michelson型剪切电视全息干涉测量系统如图1所示,2个平面反射镜M1、M2被放置成互成90°±δ角,被测物体经半透半反棱镜成2个像到2个
平面全反射镜M1、M2上,因此2个平面反射镜在CCD摄像机靶面上将形成2个互相错位的像,物体上任一点A(x, y)与点B(x+δx, y)成像到CCD靶面上的同一点,在靶面上光强可以表示为
式中:Ψ=θ(x+δx, y)-θ(x, y),表示A、B两点在x方向剪切的相位差.当物体变形后,A与B都发生位移,引起剪切波前相位差变化,变化量用Δ表示,这时光强为
变形前的图像存在图像板中,与变形后的图像相减并取绝对值,这时图像光强为
实际情况是Δ变化比Ψ变化慢得多,由(3)式可看到它有2个互相调制的函数项,第1项频率高,表示散斑,第2项变化频率低,表示散斑条纹.
时,将出现亮条纹,并且该亮条纹带有散斑点.
由文献[4]可知,若照明光接近垂直入射,则x方向剪切时 w/ x≈(kλ/2δx)
式中 δx为x方向的剪切量.
y方向剪切时 w/ y≈(kλ/2δy)
式中 δy为y方向的剪切量.
2 剪切电视全息测量系统介绍
剪切电视测量系统原理结构示意图如图2所示,半导体泵浦的YAG倍频激光器发出功率为60mW、波长为532 nm的激光,经扩束镜扩束照明被测物体,被测物体经半透半反棱镜成2个像到2个平面全反射镜M1、M2上,被M1、M2反射后经半透半反棱镜到达CCD摄像机靶面.2个平面反射镜M1、M2安装成互成90°±δ角,因此2个平面反射镜反射的2个像在CCD靶面上将形成2个互相错位的像,并形成干涉散斑场.该干涉散斑场由CCD摄像机转换为视频图像信号,视频信号由图像板数字量化并由计算机进行处理,得到物体变形位移梯度的信息.在本系统中用CCD摄像机代替全息干板,省去了冲洗干板的麻烦,使测量实现了自动化.但摄像机分辨率比全息干板低,因此要根据测量要求选择适当分辨率的摄像机.通常采用512×512×8 bits的图像板,摄像机的分辨率应大于512线;在高测量要求的场合可选用1 024×1 024×8 bits的图像板,摄像机也应选择大于1 024线的高分辨率摄像机,这时系统成本也将增加.
半导体泵浦的YAG倍频激光器体积非常小,为25 mm×30 mm,CCD摄像机与方棱镜等构成的剪切光学头部分体积为200 mm×80 mm×80mm,安装在350 mm×500 mm的圆桶形真空室中(如图2虚线框所示),手持部分总重量小于8 kg,便于携带.真空室与真空泵相联,由计算机控制真空加载.由于真空室直径为350 mm,因此每次抽真空加载所检测的区域也就是直径350 mm的面积.对于大的检测面积,可采用多次分块检测的办法完成,即检测完一处后,移动到下一处检测,直至全部检测完毕.
若要得到定量数据,需采用相移技术.我们使用相移器实现相移.压电陶瓷晶体一端固定,自由端粘贴一球面反射镜,在压电陶瓷晶体两极加直流电压V.由于PZT具有电致伸缩效应,改变加在压电陶瓷晶体上的电压可以引起压电陶瓷晶体的收缩与膨胀,带动反射镜移动,使参考光波相位发生变化.伸缩量S与电压V的关系为
式中:E为加在PZT上的电场强度; d33为加压方向的压电系数; M3为电致伸缩系数; t为两电极间的距离.d33和M3是与PZT材料有关的参数,对某一选定的PZT晶体,其纵向尺寸t一定.可以通过改变加在PZT上的电压V来改变PZT晶体的伸缩量,达到人为相移的目的.相移器由计算机通过D/A自动控制.
系统软件是Windows环境下的应用程序,在Pentium100微机上工作时,每幅图的检测时间少于1 s.
3 真空加载方式下的无损检测机理
由于剪切激光电视全息技术对被测物体表面位移梯度敏感,因此,必须采用适当的加载方式使被测物体内部缺陷表现出来,我们采用真空加载方式.图3为带有脱粘缺陷的胶接结构示意图.当改变真空室内的压力时,被测试件内封闭缺陷部位的内外表面将产生压力差;另一方面,由于脱粘缺陷区是无约束的,因此该区域将产生一定程度的变形,发生离面位移,与它对应的表面变形量与周围相比有一个位移梯度,在散斑图上将出现特征条纹.剪切全息正是通过测量这个位移梯度来判断缺陷的存在位置及大小的.
4 实验结果
铝蒙皮蜂窝结构航空复合材料是航空工业的一种重要材料.如果铝蒙皮与蜂窝之间有脱粘情况发生,将使铝蒙皮蜂窝结构复合材料的强度大大降低,严重影响航空飞行器的安全,因此必须对其进行严格的无损检查.我们用此测量系统对铝蒙皮蜂窝结构复合材料脱粘缺陷进行了无损检测,图4为检测结果,由图中可清楚直观地看到缺陷的位置和大小.由于刚体位移不产生应变,因此真空加载剪切电视全息无损检测系统对刚体运动不敏感,能更加清楚地观察缺陷,这是剪切电视全息无损检测系统与激光全息检测和普通电视全息检测方法相比突出的优点之一.
5 结 论
本文介绍的便携式真空加载剪切电视全息无损检测系统,对大件铝蒙皮蜂窝结构航空复合材料进行分块抽真空加载和检测,取得了满意的效果,解决了实际工程中大构件铝蒙皮蜂窝结构航空复合材料的无损检测问题,使散斑干涉计量技术走向实用化大大前进了一步.
