激光散斑无损检测技术的研究

间，且使毛玻璃对相位物体附近的某一Ｑ平面成像。在
距毛玻璃考处用全息干板直接记录由此产生的空间散斑
位移。由于该系统类似于一纹影仪。因此该系统具有纹
影仪的特性，可以十分灵敏地测量相位物体中折射率梯
ຫໍສະໝຸດ Baidu
度的变化。
纹影透镜
图３激光纹影散斑照相记录系统 Ｆｉｇ．３ Ｌａｓｅｒ ｓｐｅｃｋｌｅ ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｙ ｔｅｓｔ ｓｙｓｔｅｍ
３ Ｌａｓｅｒ Ｓｈｅｏｇｒａｐｈｙ技术在国内、外的发展
德国是世界上研发设计和推广应用ＥＳＰＩ与Ｌａｚｅｒ Ｓｈｅｏｒｇｒａｐｈｙ技术的先驱。Ｅｔｔｅｍｅｙｅｒ对ＥＳＰＩ、Ｓｈｅａｒｏ． ｇｒａｈｐｙ技术的工程应用进行了革命性的设计与创新。其 光路设计是发展了非常精确和先进的相移技术与相移 器。在图像处理上进行了重大突破。采用了独特的ＩＳ． ＴＡＲ软件进行条纹计算。可以直接得到物体表面的应 力，应变场变形振动幅值信息与缺陷大小等测试结果。 十年的研发制造过程中积累了大量宝贵的工程应用经 验。现在为用户提供的已是第三代产品。
寸．则在同一底片上记录了两幅叠加的散斑图，形成反
映表面位移分布的散斑对分布。相当于底片布满无数双
孔对．各孔对的孔距反映该像点的位置表面位移大小，
而联线方向则反映位移矢量方向，当用激光束照射此散
斑底片时．将发生杨氏双孔干涉现象。
（２）相位物体空间散斑图的记录。图３是激光纹影
散斑记录系统。将一纹影透镜放在相位物体与毛玻璃之
【２】邓星钟．机电传动控制（第三版）【Ｍ】．四川：华中科技大学出版社，２００１． ｆ３】韩建，等．ＰＩＥ控制步进电机在自动堆焊中的应用叨．电机，２００６，３．
Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ＰＬＣ ｉｎ Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｆｏｒ Ｔ一姆ｐｅ Ｃｈａｎｎｅｌ Ｊｏｉｎｔｓ
ＦＡ Ｎ Ｗｅｎ－Ｌｉ，ＬＩ Ｆａｎ－Ｂｉｎｇ，ＣＨＥＮ Ｊｉ－Ｗｅｎ，ＬＩＵ Ｈｕｉ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｈａｎｄｏｎｇＪｉａｎｚｈｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ｊｉｎａｎ Ｓｈａｎｄｏｎｇ ２５０１０１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ＰＬＣ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｓｙｓｔｅｍ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｅｐ—ｍｏｔｏｒ ａｎｄ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｗｅｌｄｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．ａｎｄ ａｕｔｏ－
可见．在散斑图强
度为０的概率密度最毫
大。即出现暗斑的地方邑
较多。
散斑图的衬度定义
为光强度的标准偏差
仃，与平均光强度＜Ｉ＞之
分布曲线
比，即：
Ｆｉｇ．１ Ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ ｄｅｎｓｉｔｙ
怛叮ｌ／＜Ｉ＞
．．ｄｉｎｉｓｔｅｔｒⅡｉｓｉｂｕ锣ｔｉｎｉｎｇｓｃｐｅｃｕｒｖｕｅｅｏｆｉｌｌｌａｌｉｇ辞ｈｔ
因为：ｃｒｌ２＝－Ｊ Ｏ（Ｉ－＜Ｉ＞）２ｐＩ（Ｉ）ｄｌ＝＜１２＞一＜１２＞＝＜１２＞（Ｉ）ｄＩ
激光束照射，Ｌ是成像透镜，Ｈ是全息干涉板，置于像
平面上．成像
透镜Ｌ将Ｓ成
像Ｈ上．形成
散斑。因此散
斑照明是记录
空间某个剖面
的散斑。如果
图２成像散斑拍摄光路
对物体运动前
Ｆｉｇ．２ Ｓｃｒｅｅｎ ｌｉｇｈｔ ｒｏｕｔｅ ｏｆ ｉｍａｇｉｎｇ ｓｐｅｃｋｌｅ后进行二次曝
光拍摄散斑图样，并假定位移量大于散斑特征颗粒尺
ｍａｔｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ Ｔ—ｔｙｐｅ ｃｈａｎｎｅｌ Ｊｏｉｎｔｓ ｉｓ ｒｅａｌｉｚｅｄ．Ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ａｌｓｏ ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ。ｔｈｅ ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃ－
ｑｕｉｐｍｅｎｔ，ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ．Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｒｅａｌｉｓｅ ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｍｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｗｅｌｄｉｎｇ ｔｏｒｃｈ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｏｇｒｅｓｓｉｖｅ ｍｏｖｅｍｅｎｔ．ｔｈｅ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｕｓｅｄ ａ ｔｗｏ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｓｌｉｄｅ ｒｅｄｕｃｅｒ ａｎｄ ａ ｗｏｒｋ—ｐｉｅｃｅ ｓｔａｇｅ ｉｎ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ．Ｔｏ ｐｒｏｖｉｄｉｎｇ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ｓｌｉｄｃ ｒｅｄｕｃｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｗｏｒｋ—ｐｉｅｃｅ ｓｔａｇｅ．ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ＰＬＣ ｉｓ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｔｏｕｃｈｓｃｒｅｅｎ ｉｓ ｔＯ ａｄａｐｔ ｔＯ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｐｉｐｅｓ ｗｅｌｄｅｄ ｊｏｉｎｔｓ，ｔｈｒｏｕｇｈ ｉｔ ｗｏｒｋｅｒｓ ｃａｒｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｂｙ ｓｅｔｔｉｎｇ ｕｐ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｉｎｔｏ ＰＬＣ．
但两种检测技术也有明显的差别：一是全息照相必须 是有一束物体光，一束参考光；散斑则不需要，它是利用 了光学散射原理：二是在实施照相和显像的时候全息必须 与第一次照相时一样的光路布置，不能有任何偏差。
可见。散斑检测比激光全息照相最为突出的优点就 是．散斑干涉度量术降低了机械稳定性和相干性的要求。 易于调整灵敏度，以及易于测量面内位移。同时。解决 了全息照相时测运动场时的局限。所以说，就全息和散 斑检测来说。散斑比全息的性能更可靠。影响的因素更 少。在全息照相过程中用来减振的大减振平台可以省去。
第２１卷第２期 ２００８年３月
机电产品开笈与剀新
Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ＆Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ＆Ｅｌｅｃｍｃｓｌ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ
ＶＯＩ．２１．ＮＯ．２ Ｍａｒ．．２００８
激光散斑无损检测技术的研究
吴德新１，沈锡华２
（１．空军第一航空学院，河南信阳４６４０００；２．沈空航修厂。辽宁沈阳１１６１００）
形成的空间散斑干涉也是空间随机分布的．当把探测器 或眼睛置于光场中时。将观察到一种杂乱无章的干涉图 样，呈现粒状结构，即“散斑”。
散斑特点是指它的光强度、衬度和特征尺寸。根据 统计光学研究得到的结论：在照射光为偏振单色光，且 其偏振状态不因散射而改变的假设下．每一散斑元光波 的复位振幅和相位与统计无关，相位吼均匀分布在一订 和＋订之间。当独立的散射面Ｎ足够大时，在观点求得 广场ｕ（ｘ，Ｙ，ｚ）的实部和虚部是独立的，其平均值是０，都， 是无规变量的高斯分布。并且强度分布遵守负指数统计
４结束语
错位散斑与电子散斑光学测试技（下转第１２８页）
１２６
万方数据
·测试与控制·
作系统的人机界面。本系统选用ＭＴ５００系列触摸屏。
轮直到夹紧块撑紧在管道上。
３．２系统软件设计
系统上电后．手动调节按钮使焊枪左右移动以调整
根据Ｔ型管道接头焊接的特点和工艺要求。系统设
好焊接的初始位置。调整后。还要根据管道的不同管径
ＰＬＣ的主程序流程如图３所示。 ＰＬＣ的控制过程主要包括：焊接前的安装定位、焊
４结论
枪调整及参数输入、焊
本文所述的以ＰＬＣ为控制核心的Ｔ型管道接头自动
相 补焊
焊接系统。具有操作简单、维护方便、程序设计与调试 时间短等优点，并且配有触摸屏，能够随时设置、修
关因式
改、储存焊接参数（焊接电流、电弧电压、焊接速度）。
当激光（甚至白光）自物体表面漫反射，或通过透 明散射体时，在散射体附近（或表面）光场中，可以观 察到或照相记录下一种无规则分布的明暗颗粒状斑纹． 成为散斑。近年来发展起来的散斑摄影术和散斑干涉度 量术．正是利用了激光的散斑形成一种崭新的光学测量 方法。有广泛的应用前景。
１激光散斑
１．１激光散斑的特点 散斑的物理起因可定性看作是由于激光照射到物体
置了手动调整和自动焊接两种控制方式．手动调整用于
在触摸屏上把预存的焊接参数输入到ＰＬＣ中。按下焊接
焊接前焊枪的定位，自动模式用于焊接过程。此外还在 系统软件设计中设置了参数输入与显示、焊接过程监控 等功能，使系统操作更加简便；并在系统设计中设置了 急停开关、限位保护开关等。确保系统工作的安全性。
启动按钮后。焊枪就会根据ＰＬＣ程序预设的焊接轨迹进 行相贯线的焊接。为了增加焊缝的质量．可以随时在程 序中设置焊接参数．如焊接电流、焊接电压等。还可以 设置焊枪的摆动和焊接的层数以提高焊缝的质量。
的表面。物体表面上每个散斑点都可看作是一子波源。 它们都要散射光。由于激光的高度相干性，形成的点光 源在空间又相互干涉。又因为散斑的各个子波源是不规 律分布的。且振幅和相位都不同。也是无规律的，所以
收稿日期：２００７—１１－２９ 作者简介：昊德新（１９６２一），男，河南息县人，学士。讲 师。主要研究方向：无损检测技术的应用，发表论文２０余 篇：沈锡华（１９５７一），男，辽宁沈阳人，大专。主要研究 方向：无损检测技术的应用，发表论文１０余篇。
化。在这种情况下空间散斑唯一往往与固体表面的运动
状态有关．并由此引申出空间位移场及应变场的测试，
距离及速度测量。振动分析等等。产生激光散斑的第二
种方法是用一束准直的激光束照明有个透射的漫射表面
（如毛玻璃）时，由漫反射表面的透射光束在空间形成
散斑。在这种情况下，空间散斑计量技术测流体密度
场。产生激光散斑的第三种方法是机关束直接在弥散于
通过实际应用证明本系统运行稳定可靠．焊缝成型美
的程便机焊
观。焊接质量好。
运接没接安型
参考文献：
图３主程序流程图
。携座接首人接外 枪过为定对位接把块壁 。头焊的上 。 。专先为设沿接 线为设所机要固备放着 差本备以进把定的在转 ，焊行Ｔ好三管动 ，个道夹 动专有前装管然夹的紧 等机固要定道后紧内手
【Ｉｌ王俊恒，高洪明，等．ＰＬＣ及触摸屏控制系统在薄壁方管焊接中的 设计和应用【Ｊ】．电焊机，２００６，１２．
０引言
激光的发现进一步扩大了光学技术的应用范围．提 高了光学技术在国民经济中的地位。激光的引人不仅使 经典干涉技术开拓了测试范围，也提高了测量精度，而 且激光技术大大带动了全息、散斑技术在工程应用方面 的进展。传统的干涉仪只能检测透明介质的性能和检测 光学表面的缺陷。而全息、散斑干涉的功能扩展到检测 任何粗糙表面的形变、位移等力学特性。从而为无损检 测技术开辟了一条广阔的发展之路．并大大提高了检测 精度、检出率和可信度。
２激光全息照相和散斑照相的比较分析
目前，激光全息照相和激光散斑照相都是还未普遍 利用的先进检测技术．都有着很好的应用前景。经分析 发现，激光全息和激光散斑在很多地方是互补的，当然 也存在一些明显的差异。激光全息照相和散斑照相的相 同点：①都是利用了光的干涉原理。干涉计量的精度和 激光波长同数量级。因此检测灵敏度很高；②都常用两 次曝光法，即利用测量应变前后的微小位移；③都是非 接触类检测、直观感强、检测结果便于保存等；④突破 了常规检测的那种局部或拆卸零件检测方法的局限。
分布，即ｕ（ｘ，Ｙ，ｚ）的实部和虚部联合概率密度函数为：
Ｐｒ．ｉ（ｕ：Ｕｉ净丽１ ｒｅｘｐ［一％笋她
式中：扛ｌｉｍ（导）∑下１＜Ｉｕ－Ｉ ２＞
光强度的概率密度函数为：
啪。去ｅｘｐ（一素）
式中：Ｉ一探测器在观察平面上某点实测的光强度：
＜Ｉ＞一平均值（＜Ｉ＞＝２矿）。图１为散斑图中光强度的概率
密度分布曲线。
空间的粒子场．这些空间随机分布的粒子都可以看作为
子波源．它们的漫射光束在空间形成了散斑。在这种情
况下．空间散斑位移与散粒子的运动状态有关。它是激
光散斑计量测量流体速度场的基础。这里仅简单介绍。
（１）二次曝光散斑图的记录，如图２所示。利用二
次曝光法拍摄散斑图来测量物体表面的面内位移的光路
布置之一。其中Ｓ是具有粗糙表面的物体，用扩束后的
万方数据
·测试与控制·
所以：盯Ｉ－＜Ｉ＞
由上式看到。散斑图的衬度总是为１。因此，观察
散斑图时．亮暗对比是很清晰的。
１．２激光散斑照相
激光散斑的产生有三种基本方法：第一种是一束扩
散光束照明固体的漫散射表面；并由次表面发射后，在
空间形成激光散斑．如果物体表面的漫射子波源发生变
化时．那么该空间位置上相位的散斑状态也将发生变
摘要：引入了一种新的无损检测技术一激光散斑无损检测技术。文中首先阐述了激光散斑检测的原理 和主要技术参数。着重研究了激光散斑检测技术。并将散癍照相和激光全息照相进行了比较分 析。这一先进的光测技术与传统的检测方法相比有不可比拟的优越性。是一种先进和具有发展 潜力的光测技术。
关键词：激光；激光散斑；散斑照相 中图分类号：ＴＰ２３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２—６６７３（２００８）０２—１２５—０３