劉 斌，李 凱，張東升

（1.上海市應用數(shù)學與力學研究所，上海 200444；2.上海市力學在能源工程中的應用重點實驗室，上海 200072；3.上海大學力學系，上海 200444）

復合材料在航空、航天、軍工、船舶、電子、風電等行業(yè)的應用十分廣泛，其在生產(chǎn)和使用過程中容易產(chǎn)生脫粘、分層、沖擊損傷等缺陷，而缺陷的擴展會給裝備帶來安全隱患。目前針對復合材料的檢測方法主要有敲擊法、X 射線檢測法、CT、超聲、聲阻抗法等，這些方法普遍存在靈敏度低、對操作者要求高、缺陷難以定量和定位、檢測速度慢等問題。激光剪切散斑無損檢測技術(shù)是一種全場可視化無損檢測新方法，不僅檢測靈敏度高，而且缺陷直觀形象，還可以精確測量缺陷的尺寸、位置，正逐步成為復合材料生產(chǎn)現(xiàn)場的檢測方法［1－2］。目前激光散斑技術(shù)已在波音、空客、美國航天局等機構(gòu)采用。上海大學運用多種創(chuàng)新技術(shù)，開發(fā)了便攜式MATFOLT LNDT－200型激光散斑無損檢測系統(tǒng)，其各項技術(shù)指標均達到了國際先進水平。

1 激光散斑檢測技術(shù)原理及便攜式無損檢測系統(tǒng)

1.1 技術(shù)原理

激光散斑無損檢測技術(shù)采用了剪切電子散斑干涉原理，是一種測量物體離面位移導數(shù)的光測技術(shù)。存在內(nèi)部缺陷的復合材料部件受到外載荷時，內(nèi)部缺陷所在位置的表面會產(chǎn)生微小非均勻變形（如圖1虛線所示）。激光散斑技術(shù)將該非均勻變形以蝴蝶斑狀干涉條紋的形式顯示出來，并可精確測量缺陷大小，同時準確定位缺陷位置［1］。圖2是一個周邊固定支撐的圓盤在中心受到集中載荷后對應的干涉條紋形式。

圖1 技術(shù)原理示意

圖2 蝴蝶斑狀干涉條紋

1.2 實時相移技術(shù)

目前國內(nèi)常用的激光散斑無損檢測系統(tǒng)，圖像的顯示方式均為干涉條紋圖像，如圖2 所示。條紋圖的光強分布可以表示為公式（1）的形式，其圖像分辨率較低，檢測工作需要在暗室環(huán)境下進行，同時僅能檢測出尺寸較大的缺陷，檢測靈敏度較低。

式中：a（x，y）為圖像的背景光強；b（x，y）為條紋幅值；φ（x，y）為物體變形引起的相位變化。

相位檢測技術(shù)不需要進行條紋中心線的提取和條紋定級，極大地提高了圖像的分辨率和缺陷檢測的靈敏度，同時也解決了條紋數(shù)太少時的高精度測量問題。相位檢測技術(shù)分為時間相移技術(shù)和空間相移技術(shù)，其中時間相移由于便于實現(xiàn)和圖像質(zhì)量高等優(yōu)點，得到了廣大研究人員和實際工程技術(shù)人員的青睞。時間相移技術(shù)是通過相移器在參考光或物光中引進已知相位，人為地改變兩相干波面的相對相位，比較干涉場中同一點在不同相移量下的光強值來求解該點相位。

以等步長四步相移為例，通過相移器，在參考光路中每次改變相等的相移量產(chǎn)生可控的微小位移，可以得到四幅對應的干涉條紋圖像：

求解式（2），可得（x，y）處的相位計算公式為：

根據(jù)上述原理，只要采集四幅引進了已知相位的條紋圖，就可以精確地計算出任意位置的相位值。公式（3）為反正切函數(shù)，它在其值域內(nèi)呈單調(diào)遞增變化，如果把它換算為圖像的灰度，就可得到鋸齒狀分布的相位主值圖（圖3）；其圖像對比度好、分辨率極高，并有效地抑制了背景噪聲。

圖3 蝴蝶斑狀相位圖

引入了實時相移的激光散斑無損檢測新技術(shù)，是在時間相移的基礎(chǔ)上，通過單片機實時控制壓電陶瓷驅(qū)動裝置，連續(xù)可控的階梯電壓，同步采集條紋圖像，并通過公式（3）精確計算全場相位分布情況，實時顯示物體的位移變化，從而完成對被測物體的實時檢測。

1.3 便攜式檢測系統(tǒng)

MATFOLT LNDT－200型便攜式激光散斑無損檢測系統(tǒng)是由上海大學自主研發(fā)的商用化檢測設(shè)備，如圖4所示。目前該設(shè)備已獲得國家授權(quán)的專利技術(shù)近10項，具有先進的實時相移技術(shù)和圖像處理技術(shù)，各項技術(shù)指標達到國際先進水平，并逐步在國內(nèi)高端復合材料產(chǎn)品檢測中發(fā)揮重要作用。該系統(tǒng)具有便攜式系統(tǒng)外觀，配套的加載方式為：熱輻射、負氣壓（負氣壓罩和小型負氣壓艙）和激振加載（壓電激振和音頻激振）。

圖4 MATFOLT LNDT－200型便攜式激光散斑無損檢測系統(tǒng)

2 應用案例

采用便攜式激光散班無損檢測設(shè)備對幾種國防軍工領(lǐng)域常用的橡膠粘接結(jié)構(gòu)進行了檢測［3］。

2.1 固體火箭藥柱

圖4是航天、國防等領(lǐng)域常用的固體火箭藥柱的激光散斑無損檢測結(jié)果。通過負氣壓加載可檢出內(nèi)部所有缺陷，如圖5（a）中的圓圈所示，缺陷尺寸從左到右依次為：5，8，6mm。

圖5 固體火箭藥柱的負氣壓檢測結(jié)果

2.2 橡膠－金屬粘接結(jié)構(gòu)

圖5給出了橡膠絕熱層與金屬粘接的樣件的檢測結(jié)果，該結(jié)構(gòu)廣泛應用于固體火箭藥柱、航空發(fā)動機等具有隔熱要求的結(jié)構(gòu)。橡膠厚度2 mm，鋼板厚度1.5mm。熱輻射和負氣壓加載均可檢出內(nèi)部預制的所有缺陷，對比發(fā)現(xiàn)，負氣壓加載下的圖像質(zhì)量相對較好，但熱輻射加載可以檢出粘結(jié)劑厚度不均勻的缺陷，如圖6（a）中的圓圈所示。

圖6 橡膠和金屬粘接結(jié)構(gòu)的檢測

3 結(jié)論

實時相移技術(shù)能顯著地提高剪切散斑干涉的圖像質(zhì)量，在激光散斑無損檢測技術(shù)中的應用大大提高了缺陷的檢測能力。能夠較好地檢測出固體火箭藥柱，橡膠－金屬粘接結(jié)構(gòu)中的缺陷，且成像圖像質(zhì)量較好。

［1］HUNG Y Y，HO H P.Shearography：An optical measurement technique and applications［J］.Materials Science and Engineering，2005，49（3）：61－87.

［2］FRANCIS D.TATAM R P.GROVES R M.Shearography technology and applications：A review［J］.Measurement Science and Technology，2010，21（10）：1－29.

［3］陳怡，喻湘風.固體火箭發(fā)動機部件的損傷探測［J］.無損檢測，2014，36（3）：65－74.