在无损检测(NDT)领域,当我们需要捕捉材料或结构表面微乎其微的变化时,光学干涉技术便成为一种不可或缺的精密测量手段。其核心技术分支主要包括激光全息干涉法、电子散斑干涉法(ESPI)以及激光错位散斑干涉法(Shearography)。尽管在行业分类中,它们常被统称为激光检测技术——例如,美国无损检测学会(ASNT)便将全息与错位散斑(H/S)作为一个专业进行认证——但三者之间存在着清晰的演进关系与技术差异。
电子散斑干涉法在光路设计和成像原理上与传统激光全息一脉相承,可以看作是后者的电子化与数字化升级。而激光错位散斑干涉法则在光路结构和条纹图的呈现上独树一帜,展现出强大的工程应用潜力。此外,诸如云纹法、散斑图像相关分析等光学方法,在特定的形状、应力应变测量领域也扮演着重要角色。
光学干涉检测在无损检测应用中的本质,是实现对物体表面位移的精确测量。其工作逻辑可以这样理解:首先,通过一种可控的方式对被测对象施加载荷,如加热、施加微小振动或改变环境压力,迫使其产生微量变形。
当物体内部存在缺陷(如分层、脱粘、夹杂)时,该区域的力学或热学性能与周围的完好区域不同,导致其在外力作用下的变形响应也出现差异。这种差异最终体现为物体表面的局部异常位移。光学干涉系统捕捉的正是这种由缺陷引发的、加载前后表面位移所造成的光程变化,并将其转化为肉眼可见的干涉条纹图。
借助现代计算机视觉与数字信号处理技术,这些携带缺陷信息的干涉条纹图能够以伪彩色、三维云图等更直观的形式呈现,从而实现对缺陷位置、尺寸等信息的定性分析乃至定量评估。
光学干涉测量最显著的优势在于其非接触、全场的测量能力。其测量灵敏度通常处于光波长的量级。以常见的氦氖(He-Ne)激光器为例,其波长为0.6328μm。通过引入相移等先进的光学处理算法,测量灵敏度还能再提升1到2个数量级,部分商业化系统的离面位移检测灵敏度甚至宣称能达到2nm。
然而,这种纳米级的灵敏度在实际工程中是否真的万无一失?答案并非如此。检测的成败,很大程度上取决于加载方式能否在缺陷处激发出足够被系统识别的表面异常位移。换言之,高灵敏度不等于轻易检出。
加载方式的选择极具策略性。例如:
另一个关键制约因素是结构的刚度。尽管技术本身灵敏,但对于刚度极大的厚板结构,特别是当缺陷埋藏较深时,即便是有效的加载,传递到表面的变形也可能微乎其微,超出了检测极限。相反,对于刚度较小、缺陷埋深较浅的工件,光学干涉法则更具优势。
因此,在项目初期,利用材料的力学性能参数对潜在变形进行估算,对评估检测方法的可行性至关重要。同时,工程现场的环境干扰(如振动、气流)也可能降低实际的检测灵敏度。为了确保检测工艺的可靠性与准确性,制作与实际工件在材料、结构、工艺上都高度相似的人工缺陷试样,成为了方法验证、参数优化以及现场仪器校准不可或缺的环节。要获得一张信噪比高、结果可靠的图谱,对加载策略、环境控制和参数配置都有极高要求。这正是专业检测实验室的核心价值所在。
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光学干涉检测的技术发展,清晰地烙印着图像记录与处理技术的时代变迁,大致可划分为三个阶段:
第一代:照相记录(20世纪70年代) 以激光全息干涉技术为代表,在复合材料、振动模态分析、轮胎质量检测等领域崭露头角。但其应用严重受限于工作流程:整个过程需要暗室环境、精密的隔振平台,并涉及耗时的化学胶片冲洗。这种低效率和不便携性,使其难以在工业现场大规模推广。
第二代:电子成像(模拟时代) 为摆脱化学记录的束缚,研究人员开始采用工业摄像机替代全息干版,并利用模拟电子硬件实时处理信号以生成干涉条纹图。电子散斑干涉(ESPI)等技术应运而生,实现了检测结果的实时显示。然而,受限于当时的技术水平,模拟图像的信噪比很差,条纹图质量不高,因此也未能获得工业界的广泛认可。
第三代:数字图像(20世纪90年代至今) 随着电子、计算机和信号处理技术的腾飞,由“CCD摄像机+图像采集卡”(或直接采用数字CCD)和数字图像处理组成的系统,彻底取代了前两代技术。图像的分辨率和信噪比得到质的飞跃。特别是相移技术的引入,极大地优化了图像质量和检测灵敏度,成为现代光学干涉系统的核心。以数字散斑干涉(DSPI)和数字错位散斑干涉(Digital Shearography)为代表的第三代技术发展迅猛,正推动着光学干涉无损检测进入一个标准日益完善、应用愈发广泛的新时期。