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1、激光全息检测技术,1 激光全息检测的原理 激光全息检测是利用激光全息照相来检测物体表面和内部缺陷的。因为物体在受到外界载荷作用下会产生变形，这种变形与物体是否含有缺陷直接相关。在不同的外界载荷作用下，物体表面变形的程度是不相同的。激光全息照相是将物体表面和内部的缺陷通过外界加载的方法，使其在相应的物体表面造成局部的变形，用全息照相来观察和比较这种变形，并记录下不同外界载荷作用下的物体表面的变形情况，进行观察和分析，然后判断物体内部是否存在缺陷。,1 激光全息检测的原理及特点,为了了解这种检测方法的原理，首先简单介绍光的干涉现象。根据电磁波理论，表示光波中电场的波动方程为,其中：A0为光波的振幅
2、；为角频率；t为时间。根据波的叠加原理，假设有两个波长相同、相位也相同的光波相叠加，叠加后所合成的光波振幅将会增强，；如果两个光波相位相反，则合成的光波的振幅就会相互抵消而减弱。把光波在空间叠加而形成明暗相间的稳定分布的现象叫做光的干涉。,1 激光全息检测的原理及特点,光波的叠加(a)相位相同；(b)相位相反,1 激光全息检测的原理及特点,能产生干涉的光波须满足下列条件：（1）两束光频率相同，且有相同的振动方向和固定的相位差。（2）两束光波在相遇处所产生的振幅差不应太大，否则与单一光波在该处的振幅没有多大的差别，因此也没有明显的干涉现象。（3）两束光波在相遇处的光程差，即两束光波传播到该处的距
3、离差值不能太大。,1 激光全息检测的原理及特点,激光全息照相检测的光路图,1 激光全息检测的原理及特点,蜂窝结构板脱粘区的全息再现干涉条纹,1 激光全息检测的原理及特点,2 激光全息检测的特点（1）由于激光全息检测是一种干涉计量技术，其干涉计量的精度与波长同数量级，因此，极微小的变形都能检验出来，检测的灵敏度高。（2）由于激光的相干长度很大，因此，可以检验大尺寸物体，只要是激光能够充分照射到的物体表面，都能一次检验完毕。（3）激光全息检测对被检对象没有特殊要求，可以对任何材料、任意粗糙的表面进行检测。,1 激光全息检测的原理及特点,（4）可借助于干涉条纹的数量和分布状态来确定缺陷的大小、部位和
4、深度，便于对缺陷进行定量分析。这种检测方法还具有非接触检测、直观、检测结果便于保存等特点。但是，物体内部缺陷的检测灵敏度取决于物体内部的缺陷在外力作用下能否造成物体表面的相应变形。,1 激光全息检测的原理及特点,1 物体表面微差位移的观察方法 1）实时法 先拍摄物体在不受力时的全息图，冲洗处理后，把全息图精确地放回到原来拍摄的位置上，并用与拍摄全息图时同样的参考光照射，则全息图就会再现出物体三维立体像(物体的虚像)，再现的虚像完全重合在物体上。这时对物体加载，物体的表面会产生变形，受载后的物体表面光波和再现的物体虚像之间就形成了微量的光程差。由于两个光波都是相干光波(来自同一个激光源)，并几乎
5、存在于空间的同一位置，因此，这两个光波叠加就会产生干涉条纹。,2 激光全息检测方法,由于物体的初始状态(再现的虚像)和物体加载状态之间的干涉度量比较是在观察时完成的，因此称这种方法为实时法。这种方法的优点是只需要用两张全息图就能观察到各种不同加载情况下的物体表面状态，从而判断出物体内部是否含有缺陷。因此，这种方法既经济，又能迅速而确切地确定出物体所需加载量的大小。其缺点是：（1）为了将全息图精确地放回到原来的位置，就需要有一套附加机构，以便使全息图位置的移动不超过几个光波的波长。（2）由于全息干版在冲洗过程中乳胶层不可避免地要产生一些收缩，当全息图放回原位时，虽然物体没有变形，但仍有少量的位移
6、干涉条纹出现。（3）显示的干涉条纹图样不能长久保留。,2 激光全息检测方法,2）两次曝光法 将物体在两种不同受载情况下物体表面光波摄制在同一张全息图上，然后再现这两个光波，而这两个再现光波叠加时仍然能够产生干涉现象。这时所看到的再现图像，除了显示出原来物体的全息像外，还产生较为粗大的干涉条纹图样。这种条纹表现在观察方向上的等位移线，两条相邻条纹之间的位移差相当于再现光波的半个波长，若用氦氖激光器作光源，则每条条纹代表大约0.316 m的表面位移。可以从这种干涉条纹图样的形状和分布来判断物体内部是否有缺陷。,2 激光全息检测方法,3）时间平均法 时间平均法是在物体振动时摄制全息图。在摄制时所需的
7、曝光时间要比物体振动循环的一个周期长得多，即在整个曝光时间内，物体要能够进行多个周期的振动。但由于物体是作正弦式周期性振动，因此将把大部分时间消耗在振动的两个端点上。所以，全息图上所记录的状态实际上是物体在振动的两个端点状态的叠加，当再现全息图时，这两个端点状态的像就相干涉而产生干涉条纹，从干涉条纹图样的形状和分布来判断物体内部是否有缺陷。这种方法显示的缺陷图案比较清晰，但为了使物体产生振动就需要有一套激励装置。而且，由于物体内部的缺陷大小和深度不一，其激励频率应各不相同，所以要求激励源的频带要宽，频率要连续可调，其输出功率大小也有一定的要求。同时，还要根据不同产品对象选择合适的换能器来激励物
8、体。,2 激光全息检测方法,2.激光全息检测的加载方法（1）内部充气法。对于蜂窝结构(有孔蜂窝)、轮胎、压力容器、管道等产品，可以用内部充气法加载。蜂窝结构内部充气后，蒙皮在气体的作用下向外鼓起。脱胶处的蒙皮在气压作用下向外鼓起的量比周围大，形成脱胶处相对于周围蒙皮有一个微小变形。,2 激光全息检测方法,（2）表面真空法。对于无法采用内部充气的结构，如不连通蜂窝、叠层结构、钣金胶结结构等，可以在外表面抽真空加载，造成缺陷处表皮的内外压力差，从而引起缺陷处表皮变形。（3）热加载法。这种方法是对物体施加一个适当温度的热脉冲，物体因受热而变形，内部有缺陷时，由于传热较慢，该局部区域比缺陷周围的温度要
9、高。因此，造成该处的变形量相应也较大，从而形成缺陷处相对于周围的表面变形有了一个微差位移。,2 激光全息检测方法,1.蜂窝结构检测 蜂窝夹层结构的检测可以采用内部充气、加热以及表面真空的加载方法。例如飞机机翼，采用两次曝光和实时检测方法都能检测出脱粘、失稳等缺陷。当蒙皮厚度为0.3 mm时，可检测出直径为5 mm的缺陷。采用激光全息照相方法检测蜂窝夹层结构，具有良好的重复性、再现性和灵敏度。,3 激光全息检测的应用,2.复合材料检测以硼或碳高强度纤维本身粘接以及粘接到其他金属基片上的复合材料，是近年来极受人们重视的一种新材料。它比目前采用的均一材料更具有强度高等优点，是宇航工业中很有应用前途的
10、一种结构材料。但这种材料在制造和使用过程中会出现纤维内部、纤维层之间以及纤维层与基片之间脱粘或开裂，使得材料的刚度下降。当脱粘或裂缝增加到一定量时，结构的刚度将大大降低甚至导致损坏。全息照相可以检测出材料的这种缺陷。,3 激光全息检测的应用,3.胶结结构检测在固体火箭发动机的外壳、绝热层、包覆层及推进剂药柱各界面之间要求无脱粘缺陷。目前多采用X射线检测产品的气泡、夹杂物等缺陷，而对于脱粘检测却难于检查。超声波检测因其探头需要采用耦合剂，而且在曲率较大的部位或棱角处无法接触而形成“死区”，限制了它的应用。利用全息照相检测能有效地克服上述两种检测方法的缺点。,3 激光全息检测的应用,4 药柱质量检
11、测激光全息照相也可以用来检测药柱内部的气孔和裂纹。通过加载使药柱在对应气孔或裂纹的表面产生变形，当变形量达到激光器光波波长的1/4时，就可使干涉条纹图样发生畸变。利用全息照相检测药柱不但简便、快速、经济，而且在检测界面没有粘接力的缺陷方面，有其独特的优越性。,3 激光全息检测的应用,5 印制电路板焊点检测 由于印制电路板焊点的特点，一般采用热加载方法。有缺陷的焊点，其干涉条纹与正常焊点有明显的区别。为了适应快速自动检测的要求，可采用计算机图像处理技术对全息干涉图像进行处理和识别，通过分析条纹的形成等判断焊点的质量，由计算机控制程序完成整个检测过程。,3 激光全息检测的应用,6压力容器检测 小型
12、压力容器大多数采用高强度合金钢制造。由于高强度钢材的焊接工艺难于掌握，焊缝和母材往往容易形成裂纹缺陷，加之容器本身大都需要开孔接管和支撑，存在着应力集中的部位，工作条件又较苛刻，如高温高压、低温高压、介质腐蚀等都促使容器易于产生疲劳裂纹。疲劳裂纹在交变载荷的作用下不断扩展，最终会使容器泄漏或破损，给安全生产带来威胁。传统的检验方法是采用磁粉检验、射线检验和超声波检验，或者采用高压破损检验，但检测速度较慢，难于取得圆满的效果。,3 激光全息检测的应用,采用激光全息照相打水压加载法，能够检测出3 mm厚的不锈钢容器的环状裂纹，裂纹的宽度为5 mm、深度为1.5 mm左右。下图为一压力容器的激光全息检测的照片。用激光全息方法还可以评价焊接结构中的缺陷和结构设计中的不合理现象等。,3 激光全息检测的应用,压力容器激光全息检测照片(a)合格产品；(b)不合格产品,3 激光全息检测的应用,
