复合材料缺陷激光散斑数字成像无损检测技术

复合材料缺陷激光散斑数字成像无损检测技术

帅家盛

（北京嘉盛国安科技有限公司）

一、应用背景：

复合材料在航空、航天、兵器、船舶、汽车、建筑、医疗、制药、压力容器、橡胶工业等行业中占的比例越来越大，然而复合材料在生产和使用过程易产生开胶、分层、冲击损伤、渗水、蜂窝变形等缺陷，缺陷的扩展给装备带来安全隐患。目前国内复合材料的检测普遍采用落后的敲击法、超声波、声阻检测方法，这些方法普遍存在灵敏度低、对操作者要求高、缺陷难以定量和定位、检测速度慢等问题。国外普遍采用先进的激光错位散斑成像无损检测技术，不仅检测灵敏度高，缺陷可以直观数码成像，还可以精确测量缺陷的尺寸、位置，操作简捷方便、速度快，成为复合材料生产或现场无损检测专门解决方案。

成立于１９７７年的美国激光技术有限公司（ＬＴＩ）是世界激光散斑成像无损检测技术的领导者，其激光散斑成像技术克服了其它检测手段和早期激光干涉检测技术的许多瓶颈和局限，广泛应用于飞机、火箭、卫星、导弹、舰船、飞船、装甲等生产或在役检测，在实践中证实了巨大的成本效益和超强的无损检测能力。

二、数字激光散斑成像检测原理和特点：

１、基本检测原理：

激光错位散斑无损检测系统利用共路径干涉计对工件表面对加载变化的离面变形一次导数进行成像，原理如下图所示：

上图左为用ＬＴＩ迈克逊错位散斑成像干涉仪检测带有一个１２０ｍｍ直径平底孔平板结构试件的原理示意图，平板中部被加载后表面产生变形，被激光错位镜头和高端摄像头进行实时采集和数字相移处理，输出到计算机处理器操作系统，检测结果可以在电脑屏幕上实时成像显示，如右图所示。

图中激光错位探头通常使用经过两个重要改进的迈克逊干涉计：其一、一个镜片被精确的倾斜，从而得到了一个相对于工件第二张图像的一个剪切偏移量（或错位图像）。剪切量是一个矢量，它包括一个角度和一个位移量。剪切量决定了干涉计对表面位移导数的灵敏度。在检测视野内，剪切矢量偏置的两幅激光散斑图像的对应点在工件表面上方发生干涉。两张剪切图像的单频激光聚焦在ＣＣＤ摄像头的感光像素阵列上。剪切图像对应点发出的光发生干涉。接着，从一张存储参考图像中减去

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包含有两张剪切图像叠加矢量信息的视频帧；显示器上显示其绝对差生成的条纹图。其二、干涉计的镜片使用压电装置进行相位步进，图像组合后生成了一张相位图；系统使用一定数量的展开算法进一步处理，可以生成局部表面变形导数的展开图（黑白蝶斑图）。

与传统激光散斑检测方法比，ＬＴＩ这种技术特点有两大优势：第一，激光错位散斑系统在检测时不再受外界震动的影响。系统可以配置成便携式的，也可以与大型超声Ｃ扫系统一样做成龙门结构的，用于检测大型工件。第二，检测不再受工件整体变形或旋转的影响。在检测时，有时加载会引起工件的整体变形或者旋转。例如用激光全息法检测工件时，可以使用多种工件加载方式如热加载和真空加载，加载会产生工件整体变形。这样在观察检测图片时，缺陷的显示可能会被这些整体变形产生的条纹覆盖。而ＬＴＩ激光错位散斑技术可克服了这个缺点。它只对导数的变化敏感，只会显示工件表面或下表面缺陷导致的目标表面对应的局部变形，不受外界震动影响、避免由于工件整体变形导致漏检。

ＬＴＩ相位步进错位散斑成像系统集成了更先进的光学和计算机技术，替代了图像相减法则的设备，检测时具有超高灵敏度，并具有多种分析工具展示结构的特征。

检测图片反映出复合材料结构的质量特征：表面和表面下的不连续性：缺陷尺寸、面积、深度等定量数据；加载变化对应的材料的变形和材料特性等。

ＬＴＩ激光散斑数字成像检测技术的先进性和可靠性来源于３０年技术研发专利和丰富的实用经验。ＬＴＩ有自己的ＣＡＤ工作站进行机械、电子和软件的开发、设计和仿真，一直自行设计ＦＰＧＡ和ＰＬＤ零部件，并采用最先进的元件和部件自行设计专门的图像处理器，集成高分辨率ＣＣＤ、数字摄像机、高性能固态激光器及相位步进运算技术生产出高端的市场化检测系统，已经作为一种高速、高效益／成本比的检测方法和生产过程质量控制手段得到了工业领域广泛应用。

上图为脱粘缺陷的检测结果，可以定量测量缺陷的平面尺寸和高度或深度

２、适用范围：

这种技术适合所有类型的，包括先进复杂工艺的复合材料：金属与金属粘接、金属与非金属粘接、非金属与非金属粘接、金属或非金属与蜂窝粘接等。

该技术可以检测多种缺陷，包括面板与蜂窝之间的脱粘、面板内部分层开胶、蜂窝芯格变形、拼接裂纹、气泡、冲击或撞击损伤、渗水、腐蚀、外来物等。

３、检测特点：

１）适用广泛、加载方法多样，适合各种类型、各种结构的复合材料

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２）由于激光剪切干涉检测的分辨率与激光波长同数量级，因此检测的分辨率和灵敏度很高３）检测效率高：前期准备时间只需要几分钟，检测速度可达每小时２５到１２００平方英尺，是超声Ｃ扫的２．５到１２０倍，不需要耦合

４）对结构无特定要求：可以检测复杂型面，平面和曲面均能检测；可以检测声传导低（如面板厚、夹心、胶粘不规则等）、热传导低（局部真空或振动加载）的复合构件；可以检测

面板变厚度的复合构件

５）检测不受环境条件的影响：ＬＴＩ散斑检测系统以其独特的激光技术和成熟的检测服务经验克服了此种检测技术应用的瓶颈和局限，检测不受震动、光线、温度、湿度等外界因素的

影响，可以在外场或车间实时检测

６）检测结果直观，可以判断缺陷位置，定量测量缺陷的尺寸、可以测量缺陷之间的距离，可以对缺陷和修补进行识别

７）检测结果以图像（数码照片）的形式表示，结果直观，可以按ＪＰＧ和ＰＨＦ格式，存储在硬盘或ＣＤ光盘上

８）操作简捷、方便，对操作者没有专门技能、经验方面的要求

三、应用举例：

１、热加载多层粘接层压板的检测：

２、热加载蜂窝结构的检测：３、压力加载复合材料缠绕高压容器的检测：

双层铝或钛蜂窝粘接碳或玻璃纤维加强板

４、真空加载泡沫夹心复合材料检测：５、钢瓶一橡胶粘接检测：

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