便携式真空加载剪切电视全息无损检测系统研究

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. [p]