电子剪切散斑干涉技术

第3章剪切散斑干涉技术

3.1 剪切散斑干涉技术的概念

剪切散斑干涉技术（Shearography）因其快速准确的检测能力在航空航天领域得到广泛认可，它与红外热成像检测技术（Thermography）一样，都是一种高效率的无接触无损检测技术，可以用于进行大面积的检测，在检测同时可以提供被测构件的完整图像的即时成像功能。与Thermography 不同的是Shearography 是一种光学传感技术，它利用激光照射在构件身上产生的散斑，对构件的表面破损、变形进行全面检测，所以它也是一种散斑干涉测量技术。

Shearography源自1971年诺贝尔物理学奖得主Dennis Gabor发明的全息干涉技术（Holography），可以说Shearography属于Holography系列，是Holography的一个简化版本。

由于Holography需要在宁静、避震的环境下才能发挥出功效，香港大学机械工程学系教授洪友仁于1980年将Holography改良，于是发明了Shearography，之后便将其应用于检测汽车轮胎上，不久洛杉矶发生飞机爆胎意外，FAA开始强制要求所有航空公司必须用Shearography检测飞机轮胎，自此之后，因轮胎问题而引起的飞机意外很少有发生。

近年来美国LTI（Laser Technology Inc.）公司开始将Shearography用于飞机无损检测。他们开发出基于Shearography的标准无损检测系统，可以用来检测部件的分层、脱胶、裂纹、空隙、冲击损伤、损坏的修补部位以及任何对结构完整性造成影响的缺陷。它可以应用于许多不同材料的检测，包括碾压材料，复合材料，蜂窝结构以及泡沫材料等，尤其对蜂窝结构的检测得心应手。

Shearography起初只作为一种生产工具应用于B-2隐形轰炸机计划，经过几年的评估，它的适用性和灵敏度得到证明后，航空宇航部件生产线便全线装备这套系统，目前NASA正使用它为航天飞机、Delta IV以及X-33实验机服务。

3.2 基本原理

Holography和Shearography都是激光光学全场测量技术，它们都是基于激光散斑效应的，这是在用激光照射粗糙表面时发生的现象，下面我们通过借助Holography的原理来分析Shearography的工作原理。

3.2.1 Holography的工作原理

物体内部的缺陷在受到外力作用时，例如抽真空（施加负压）、充气加压、加热、振动、弯曲等加载方式的作用下，与缺陷对应的物体表面将产生与周围不同的局部微小变形（位移）。

Holography（图 3-1）用激光二极管射出一束单独的激光束，此激光束称为参考光束，它通过一个透镜后被扩展，然后投射到被检测构件表面，反射光与参考光束结合发生干涉（它们来自同一激光源，有固定的相位关系），产生干涉条纹，在某些区域两个波的相位相同，产生相长干涉，形成明亮条纹，当两个波的相位相反时则产生相消干涉，形成暗条纹，于是构成了明暗相间的干涉条纹图像。

图 3-1 Holography的原理

构件受加载后产生表面位移与变形，如果构件内无缺陷，加载后试件表面的变形是连续规则的，所产生的干涉条纹形状与明暗条纹间距的变化也是连续均匀的，与试件外形轮廓的变化相协调。如果构件内有缺陷，则加载后对应有内部缺陷的试件表面部位的变形比周围的变形大，会出现光程差，对应有缺陷的局部区

域将会出现有不连续突变的干涉条纹，亦即条纹形状与间距将发生畸变，计算机通过对CCD摄像机记录的加载前与加载后的散斑图进行对比，就可以在缺陷出现的地方显示出斑点结构中的变化并产生相关缘纹。

Holography工作过程如图3-2 a、b、c、d、e所示，用激光束照射物体表面时，由于表面粗糙度与激光波长相近，所以在CCD摄像机芯片上可以看见激光束产生漫反射干涉形成散斑，成像如图b所示，而构件表面自然光成像如图a所示，无散斑。经过干涉并对CCD摄像机记录的加载前与加载后的散斑图进行比较，可以获得如图c所示的条纹图。条纹由发生相同位移的点组成。对条纹图进行相移处理得到图d所示的相位图。计算机对相位图进行展开计算，获得表面各点的位移场分布，如图e所示的条纹图，由位移数据可以计算得到应变场。

图 3-2 Holography成像过程

Holography拥有很高的灵敏度，可以精确地检测出异常位移，精度可达到2nm。目前采用Holography作为主要原理的技术有电子散斑图像干涉技术ESPI （Electronic Speckle Pattern Interferometry）也称为TV全息摄影术(TV Holography)或数字全息术(Digital Holography)，由于术利用CCD相机代替全息干板作记录介质，ESPI保持了Holography的测量精度和灵敏度，且有电子技术处理数据量大、快速方便及自动分析的优点。

3.2.2 Shearography的工作原理

由于Holography要让反射光束与参考光束发生干涉，而且要对构件进行外力加载，整个系统在检测过程中不能有任何外界干扰，尤其是振动，只要位移稍有

变化就会对检测结果造成误差，这样限制了Holography在实际应用中检测性能，于是香港人洪友仁教授将其改良，便出现了shearography。

Shearography（图 3-3）在光学设置上有了一些改进，参考光束被取代，而光学系统中采用剪切镜片令构件表面错位为X（相距X）的两个点（图3-3中P1和P2）的反射光发生干涉叠加，可以获得一个散斑图。这时两束反射光的相位差为Φ（图 3-4 a），然后对构件进行加载，令构件的表面发生位移和变形，P1、P2 两点的反射光的相位差变为Φ+Δ(图 3-4 b)，可以得到另一个散斑图。

用CCD摄像机记录加载前和加载后的两个散斑图并对其进行比较，与Holography一样，可以得到相应的条纹图，计算机对相位图进行展开计算，获得表面各点的位移场分布（图 3-5 c），这个过程基本上和Holography一样。

图 3-3 Shearography的原理

a b

图 3-4 P1和P2光源相互干涉