电子剪切散斑干涉检测技术：原理、系统与应用

在无损检测领域，光学干涉方法因其非接触、全场、高灵敏度的特性而备受青睐。然而，传统的连续波激光全息照相技术对环境要求极为苛刻，笨重的隔振台和暗室条件极大地限制了其在生产现场的应用。在此背景下，一种更适应外场原位检测需求的技术——激光剪切散斑检测（亦称电子剪切散斑干涉检测，ESPI）应运而生并迅速发展。

该技术巧妙地绕开了传统全息术的诸多障碍，它既不需要笨重的隔振设备，也无需双脉冲全息那样的大功率激光器，却保留了光学检测的核心优势。近年来，随着小波变换等先进信号处理与抗噪算法的引入，其检测灵敏度得到了显著提升，使其从实验室研究快速步入了工业实用阶段。

核心工作原理

剪切散斑检测的精髓在于其独特的“自参考”干涉机制。其核心原理是：在CCD摄像机等图像采集设备前，放置一个特殊的剪切光学元件（如塞拉斯顿剪切镜）。当激光照射到被测工件表面时，粗糙表面会形成漫反射的散斑场。该剪切元件会将从工件表面反射的物光光波进行微小错位（剪切），使两束略有差异的图像在摄像机的像平面上叠加，形成干涉。

检测流程通常是，先记录工件在施加载荷（如热加载、力加载）前的初始散斑干涉图，然后施加载荷使其产生微小变形，再记录加载后的第二幅散斑干涉图。通过计算机对这两幅图像进行数字相减处理，即可得到一幅清晰显示干涉条纹的新图像。这些条纹直接反映了工件表面的位移梯度，也就是应变信息。

这种设计的巧妙之处在于：

1. 共光路干涉：由于是物光自身干涉，无需独立、稳定的参考光束，这使得光路系统极大简化，对环境振动的敏感度远低于传统全息干涉，为现场操作提供了可能。
2. 测量位移导数：该方法直接测量的是位移的导数（应变）。这意味着工件整体的刚体位移（如平移或倾斜）在相减过程中被自动抵消，而由内部缺陷（如脱胶、夹杂）引起的局部应力集中和异常应变则会被放大，变得异常敏感。

系统构成与检测流程

一个典型的激光电子剪切散斑干涉检测系统（如图1所示）通常由以下部分组成：激光器、扩束镜、剪切光学元件、成像镜头和CCD相机，并通过图像采集卡与计算机相连。

图1 激光电子剪切散斑干涉检测系统光路简图

采集到的干涉条纹图是缺陷存在的直接证据。通过对条纹图进行进一步的相位分析和图像处理，还可以重建出缺陷的二维或三维形貌，为缺陷的定量评估提供数据支持。获取高质量、可准确解读的干涉条纹图，对光学系统调试、加载方式选择以及后期数据处理算法均有较高要求。这正是专业检测实验室的核心价值所在。

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为了满足现场检测的便携性需求，研究人员已开发出集成化的便携式剪切散斑检测仪。例如，张坚等人研制的系统将固体激光器、光学元件和CCD等集成于仪器箱内，配合便携式计算机和三脚架，即可在车间或外场灵活部署。

应用实例：蜂窝结构胶接件缺陷检测

为了验证该技术的实际性能，研究人员进行了一项典型实验。测试对象为一块250mm × 180mm × 25mm的蜂窝结构胶接件，其蒙皮为4mm厚的玻璃钢，蜂窝芯为边长6mm的纸质正六边形结构。实验前，在内部人工预制了直径分别为Φ40mm、Φ20mm和Φ10mm的圆形脱胶缺陷。

检测时，将试件固定于仪器前约1m处，采用热风枪对其表面均匀加热30s作为加载方式，然后让其自然冷却。在冷却过程中，启动软件系统连续采集并进行图像相减。图2展示了冷却不同时间后在计算机屏幕上得到的检测结果。

图2 计算机屏幕上出现的检测结果图像（a, b为冷却20s和30s后的结果，c为冷却20s时Φ40mm脱粘缺陷的特写）

从图像中可以清晰地看到，三个不同尺寸的脱胶缺陷区域都呈现出特征性的闭合干涉条纹，表明这些区域在热应力下产生了异常形变。即使是最小的Φ10mm缺陷也能够被有效检出，虽然其条纹对比度略低于较大的缺陷，但考虑到蜂窝芯的单元尺寸（边长6mm），这一检测精度已完全满足该类构件的实用要求。

实验数据表明，使用热风加载完成一次检测的时间不超过1分钟，单次检测覆盖的面积约为100mm × 80mm。这里存在一个重要的权衡：检测灵敏度与检测覆盖面积通常成反比。因此，在实际应用中，需要根据检测目标和效率要求，在两者之间寻找最佳平衡点。

技术适用范围、优点与局限性

综合来看，电子剪切散斑干涉检测技术具有明确的优势和应用场景，但也有其固有的局限性。

表1 电子剪切散斑干涉检测的适用范围、优点与局限