全息无损检测

前言
全 息 无 损 检 测
2000年5月 电子科技大学应用物理系 5
全息照相的理论是英籍匈牙利物理学家D.盖伯 教授于1948年首先创建的。23年后，由于这一发明 及全息照相方法的发展，Danis Gabor荣获了诺贝尔 物理学奖金。但是，全息照相理论创建之后经过了 漫长的发展过程，其主要原因之一是缺少适用的具 有足够相干性和高度单色性的照明光源。1960年激 光器的问世才克服了这个障碍。更为重要的是激光 器的迅速实用化以及E.Leith发展了离轴全息照相术， 消除了在观察同轴全息图再现像时，因虚像和实像 相互干扰而降低像质的影响，也使拍摄反射物体的 全息像成为可能，从而能实现对漫反射物体的全息 干涉计量。
2000年5月 电子科技大学应用物理系 2
前言
全 息 无 损 检 测
无损检测采用了多种技术。随着现代物理学、材料科学、微 电子学和计算机 科学的发展，无损检测技术 也获得了 迅速的发 展。各种无损检测方法的基本 原 理 几乎涉及到现代物理学的各 个分支 。有人按照 不同 的检测 原 理和 信息处 理方 式 ， 详细地统 计 了已经应用和正 在研究 的各种无损检测方法，共达 70 余 种。 主要包括： 1)射线检测――X射线、γ射线、中子射线、质子和电子射线等; 2)声和超声检测――声共振、声撞击、超声脉冲反射、超声透射 、超声成像、超声频谱、声发射和电磁超声等； 3)电学和电磁检测――电阻法、电位法、涡流法、微波法、磁粉 法、核磁共振和外激电子发射等； 4)光学检测――萤光法、着色法、激光全息检测法、散斑计量术 、云纹法和云纹干涉法、光弹性复膜法等； 5)热力学方法――热电势法、液晶法、红外线热图等； 6)化学分析方法――电解检测法、离子散射等。
2000年5月 电子科技大学应用物理系 9
工程问题的无损检测
工程问题的无损检测
全 息 无 损 检 测
采用全息干涉法也可检测出汽车和飞机轮胎中常发生的 剥落、断裂带、脱胶及间隙等缺陷，在两次曝光之间或者在 采用实时干涉法观察时，稍稍改变轮胎压力就可以用全息干 涉法对轮胎的内外表面进行检测。办法是把轮胎放入真空室 中，在两次曝光之间适当改变真空度，即可使整个轮胎形态 发生轻微变形，并使渗入气体的脱胶部位凸起，这是检测轮 胎质量的最令人满意的方法，也是全息无损检测最重要的一 个应用事例。美、欧和我国科技工作者都已先后研制成了全 息轮胎质量检测仪，并用于生产检测系统中。 图1 是轮胎全息无损检测仪的外型照片，图2 是这个检测 仪中所用的全息照相光路，全部光路被布置在轮胎所圈的范 围内，每拍摄一张二次曝光全息图只能检查一段轮胎的质量， 因此在拍摄一个方位后，要让轮胎转到另一个方位，对于整 个轮胎的检测，大约需要拍摄六张全息图。自然，全息底片 的换片都是自动完成的。
全 息
§
全息无损检测----定性处理
无损检测（Nondestructive testing）是指在材料和产品 缺陷的检测过程中，不需要破坏或明显改变被测元件的一 类检测技术。通常这类检测的目的是要确定裂缝、空隙、 脱胶、脱层、残余应力、配合不良或尺寸不准以及材料的 非均匀性等缺陷的位置和尺寸。全息无损检测技术的显著 特点是简单、直观显示，并具有全场信息，适合于检查形 状相当复杂的零件和对被检测的物体不作特殊要求的场和。 因此，全息无损检测一直是全息照相最具有商业潜力的领 域之一。
全息无损检测
王仕璠
电子科技大学应用物理系
1
全 息 无 损 检 测
前
言
§ 随着现代工业和科学技术的发展，无损检测技术的重要性 越来越受到世界各国的重视。当前，无损检测技术已经形 成了一门新兴的独立的综合性应用技术科学。 § 无损检测是在不损害或基本不损害材料或构件的情况下采 用物理、化学等方法和手段，探测被检对象表面或内部的 各种缺陷及某些物理性能。现代无损检测与评价 技术不但 要探测缺陷的有 无，而且 要 给出材质 的 定量评 价 ， 其中包 括 对缺陷的定量 测 定， 以 及对有缺陷的材料和产品 的 质量 评 价 ， 还包括测量 材料或产品 的某些物理、力 学性能，如 内部的 残余应力 、 组织结构、 涂层厚度等。无损检测与评 价 技术对 于控制和改进产品质量， 保证 材料、零 件和产品 的 可靠 性，保证设备的安全运行以及 提高生产效率、 降低 成本等方面都起 着重要的作 用，是发展现代工业和科学技 术必不可少的重要措施之一。
无 损 检 测
2000年5月
电子科技大学应用物理系
6
定性处理
全 息 无 损 检 测
当用全息照相及其干涉度量术来进行无损检测时， 一般是在被检测的元件上轻微加力（激励），并在加力 前后记录二次曝光全息图（或时间平均全息图等），如 果元件存在缺陷，就会使其表面产生不规则的形变，从 而使在该处的干涉条纹图样也发生不规则的变形。元件 缺陷的变形即使发生在0.1µm量级范围内，在干涉图样上 也能清楚地显示出来。于是，通过有缺陷和无缺陷元件 在同样受力条件下所形成的干涉图样的相对变化，就能 指明这种不规则形变。 对于大多数应用来说，只需定性地解释干涉条纹。 一般说来，干涉条纹出现局部变密或出现条纹曲率不连 续性的区城，标志着缺陷（或裂缝等）的存在。缺陷的 大小与条纹变密区域的大小相对应，而干涉条纹密度则 与缺陷的深度有关。
2000年5月 电子科技大学应用物理系 14
源自文库
工程问题的无损检测
全 息 无
图4 两翼对称穹窿状褶曲 图5 非对称型高陡构造
损 检 测
图6 箱状构造肩部发育断层
2000年5月 电子科技大学应用物理系
图7 复式褶皱模式
15
工程问题的无损检测
全 息 无 损 检 测
全息 干 涉计量 术也可 用于观察在物体表面温 度 变化时 所发 生的机 械 变 形，被检测物 体可以 用热空 气喷枪或热 辐射 源 来加热 ，也可以把 一种 易挥 发的物 质 ，如酒精，喷洒在被测物 体表面，酒精蒸发 使物体 冷却 。在采用 实时干涉度量术时 ，这 种技术 通常 是 令人满意的，从而 能 够观察 到 动 态 变 化的条 纹图样 。当 温度梯 度引 起 弯曲应 力时 ，蜂窝 状 或 叠 层结 构的 脱胶处将 产生大 范围 的变形，即 脱胶形成的空 气隙所 传 导 的 热 比 粘 结 牢 固的地 方所传 导的 热要少 。这 样 温度场 本身 会发生 畸 变 。 类 似 的 热 变 形能够由破损的蜂窝状芯 、空隙 、裂层 或其 他复合 材料中的不均匀性所引起。 全息 无损检测的另一 类不寻 常的应用是检查 古 代文物的质量和性 能， 第 一 个 例 子，是采用 二次曝 光全息干涉 法检 查 意大利 古油 画的脱 层 ，在 两次 曝 光 之 间用适 度暖空 气气 流加热 油画 表面，由 干涉 条纹的 局 部 变 密区 域 可 发现油画 层状结 构内部分离 的部 位 。这种 层状 结构内 部分离的早期觉察对于艺术品的保护是很有价值的。图8是表现15世纪 意 大 利 壁板 画 分层 的全息 干涉图 。这 张壁画画在用 石膏和 骨胶 打底的 白杨木 壁板 上 ， 分 离的部 位在这 张干 涉图上 是很 明显的。国外 学者还 进一步利用全息干涉术确定了贮存壁画材料的最佳相对湿度。
2000年5月 电子科技大学应用物理系 16
工程问题的无损检测
全 息 无 损 检 测
2000年5月 电子科技大学应用物理系 17
干图 涉８ 图表 现 十 五 世 纪 壁 板 油 画 分 层 的 全 息
工程问题的无损检测
全 息 无 损 检 测
第二个例子，可以举出上海博物馆利用时间平均全息 术解开“游鱼喷水洗”之谜。，“游鱼喷水洗”（简称“鱼洗”） 是上海博物馆收藏的明代（公元1368～1644年）文物珍品， 它是一只青铜盆，直径36cm，高9cm，底径22cm，边宽 4cm，底面上铸有凸起的四尾鲤鱼图案，头尾互相衔接排 列成环状；每尾鱼口向上作喷水状，盆边有对称耳环一双， 当用两手掌心往复摩擦两侧耳环达到一定程度时，在盆底 每尾鱼口处上方会产生无数水珠，向上喷溅，高有一尺多， 蔚为奇观。上述观象自古以来，一直引起人们的好奇和极 大兴趣，上海博物馆采用时间平均干涉法直接拍摄了“游 鱼喷水洗”在受外力摩擦时出现的状态图，解开了它喷溅 水珠之谜。原来，在用力摩擦它的耳环时，相当于对它施 加了频率约为2000Hz的激励，从而在盆内形成驻波，而 鱼口又正好是在驻波的波腹位置上。
2000年5月 电子科技大学应用物理系 7
定性处理
全 息 无 损 检 测
全息无损检测技术世界性的推动是1970年从大众汽 车公司开始的。他们通过大量的工作证实，这种新技术 在汽车工业中很有应用价值，许多过去要花费大量资金 和时间才能解决的问题，应用全息无损检测技术后能在 较短的时间里进行处理。在这期间，全息无损检测在许 多不同的领域也获得了广泛的应用。为此，全息照相理 论的发明人D.盖伯于1971年获得诺贝尔物理学奖金。本 章将详细介绍全息无损检测（定性处理）在各领域的许 多应用实例。 在进行全息无损检测时，通常采用下列四种加力或 激励形式： 1)直接机械加力；2)加压或抽真空； 3)加热或冷却； 4)振动激励。
全 息 无 损 检 测
油气在地下的储集空间是孔隙和裂缝。对于大多数油气田， 可供勘探的高孔隙度油气层段是有限的，油气勘探的目的层主 要是裂缝性的，故裂缝研究特别重要。储层的裂缝研究以往较 多地是通过计算岩石受力变形后构造曲率值的大小来预测裂缝 发育带；而岩石的破裂是受到超过岩石抗张、抗压和抗剪强度 作用的结果。因此，研究的关键就是恢复构造〔断裂、褶皱〕 形成时的应变或应力分布。这可用数学手段（如有限元法）进 行计算，其理论推导尽管是严密的，但因计算对象只能是单一 的理想化模型（如弹性体、粘性体），有较多的与客观地质构 造不相吻合的假设条件。地质力学的模拟实验方法可通过对野 外断层、褶皱构造的模拟，采用含一定水份的油基粘土材料， 建立相似的构造模型，并再现构造的生成发展过程，依据相似 理论，进而可研究构造裂缝的分布规律。激光全息无损检测技 术为无接触地分析上述相似构造模型的形变特征提供了一类有 效的方法。
2000年5月 电子科技大学应用物理系 13
工程问题的无损检测
全 息 无 损 检 测
在使用这种技术时，一般是通过光弹仪对被测模型由上下 左右侧面轻微加压，拍摄其二次曝光全息干涉图样；干涉条纹 的法线方向代表模型上质点位移方向。在干涉条纹出现局部变 密或条纹出现曲率不连续性的区域，就标志着构造的裂缝存在。 裂缝的大小与条纹 变密区域的大小对 应，而干涉条纹密 度则反映裂缝深度 或质点位移大小， 最终预测地质构造 的裂缝发育部位， 从而为含油气构造 的评价、井位选择 提供实验依据。实 图３ 实验装置 验装置如图3所示。
2000年5月 电子科技大学应用物理系 10
工程问题的无损检测
全 息 无 损 检 测
2000年5月
图１
轮胎检测仪
11
电子科技大学应用物理系
工程问题的无损检测
全 息 无 损 检 测
2000年5月 电子科技大学应用物理系 12
M2 M1 BS
L1 L2
M3
轮胎
H 激光束
图２ 轮胎检测仪中的全息光路
工程问题的无损检测
2000年5月 电子科技大学应用物理系 3
前言
全 息 无 损 检 测
2000年5月 电子科技大学应用物理系 4
激光全息照相无损检测是在全息照相技术发展 的基础上，逐步走向实用阶段的。1970年美国应用 光学杂志《Applied Optics》将“无损检测”( Nondestructive testing )一词首次列入年度索引，它包括 三个题录项目，其中两个包含有全息照相。大约在 同时，美国无损检测协会承认了这门高速发展的学 科对无损检测的推动作用，并组织了一个全息照相 委员会作为无损检测协会中的一个分支。随着激光 技术的发展，全息照相在无损检测领域中的应用范 围近年来迅速扩大，过去许多采用其他无损检测方 法难以解决的问题得到了解决。
2000年5月
电子科技大学应用物理系
8
全 § 随着航空与航天技术的发展，对纤维强化塑料的需要与日增
加。例如现代直升飞机上的高负荷螺旋桨已采用纤维强化塑 料作成，螺旋桨的前面粘有防腐蚀用的钛板，要求粘结绝对 息 无缺陷。过去这种检验是用超声技术一个点一个点地完成的。 采用加压或真空受力方式拍摄二次曝光全息干涉图，却能把 无 整个粘结表面一次检验，更加迅速和可靠。 § 火箭上天的能源是固体燃料推进剂，这种推进剂是一个中 空的象像胶一样致密的圆柱型燃料捧，内壁有一个薄的聚合 损 物衬里，外面是一个玻璃纤维外壳，它在浇注后随时都有可 能因固化残余应力而产生脱胶或裂纹。因此，检测推进剂壁 上的缺陷及燃料与衬里之间的脱胶是很重要的。火箭在点火 检 之前如果没有探测到这些缺陷，点火后将使燃烧不均匀，从 而造成弹道不准确，导致飞行失败。全息干涉术能辨认固体 燃料柱与其衬里之间的脱胶，办法是在二次曝光之间通过加 测 压使其变形，拍摄干涉条纹图样。