基于一维离面电子散斑干涉仪对复合材料的无损检测

李 飞，张鲁殷，胡晓君，李 鹰，曹 爽，石洪峰

(山东科技大学，山东青岛 266590)

无损检测技术(NDT，Nondestructive Testing)是新兴的综合性实用技术，它是在不破坏或不损坏被检测对象的前提下，利用材料内部结构异常或缺陷存在所引起的对热、声、光、电、磁等反应的变化，来探测各种工程材料，零部件，结构件等内部和表面缺陷，并对缺陷的类型、性质、数量、形状、位置、尺寸、分布及变化作出判断和评价［1］。无损检测检测行业的重要分支，是工业发展中占有重要地位的有效工具，可以在一定程度反应某个国家的工业发展水平，现已成为工业生产线中不可缺少的一部分。

电子散斑干涉技术(Electronic Speckle Pattern Interferometry，ESPI)，是利用激光技术、视频技术、全息干涉技术、计算机图象处理技术和散斑干涉技术等多种现代科学技术手段相结合的一种高精度光学测量技术，它是一种全场性、非接触性，高灵敏性和高精度性的光学测量方法，现已广泛应用于航空航天和精密机械制造等领域的无损检测(NDT)，光学粗糙表面的位移或变形测量，振动情况分析等方面。无损检测技术包含了基于各种技术的多种检测方法。尤其是对复合材料的无损检测，已经成为研究的热点，缺陷或损伤对复合结构件的影响包括很多方面，其中对复合材料结构静强度疲劳性能和稳定性影响的研究，已成为复合材料研究领域的热点之一［2］。文章介绍了一种基于一维离面电子电子散斑干涉仪的对于复合材料在温度的影响下的结构性的检测方法［3］。

1 仪器简介

电子散斑干涉技术是继全息干涉技术之后发展起来的一种物理实验新方法。它舍弃了传统的拍摄冲印照片复杂的湿处理过程，而直接依靠光学成像系统和计算机图像采集处理系统获得干涉条纹。这种方法在工程上已得到了较广泛的运用。离面电子散斑干涉仪能实时观察代表离面位移的干涉条纹，也可通过相移技术获得被测表面的全场位移分布，可满足实验室科研和教学的要求。我们采用了卓力特光学仪器(苏州)有限公司生产的离面电子散斑干涉仪，如图1所示，用于测量物体离面位移。

图1 离面电子散斑干涉仪

一维离面电子散斑干涉仪是基于Michelson干涉仪的原理开发完成的，其光路设计，如图2所示。当物体发生离面位移时，物光和参考光之间光程差发生变化，从而使散斑干涉强度随之产生变化，此时记录下变形前后散斑干涉图样，经过相减处理就可以得到反应位移变化的条纹，

图2 离面电子散斑干涉仪光路图

在图2中，激光经过扩束镜、准直镜之后成为平行光，入射到半反半透的分光棱镜上被分为两束光Uo和Ur。这两束光分别照射具有漫反射特性的被测物表面D和参考面D’，反射后的两束光再次通过分光棱镜，同时入射到CCD相机的成像靶面上，并发生干涉产生散斑图案。相机将在靶面干涉形成的散斑图案转变为视频信号并经过数字图像采集系统转换为数字图像显示在计算机屏幕上，或被储存在计算机的硬盘中。经过进一步计算就能得出被测物体的变形及缺陷信息。

2 实验材料

实验材料:实验的材料是来自中国科学院西安光学精密机械研究所的直径为180毫米的碳纤维凹形圆板，如3图所示。

图3 180毫米的碳纤维凹形圆板

3 实验步骤及结果

实验准备:首先将测试试件表面喷上哑光白漆并晾干，将测试试件以及一维离面位移相移电子散斑干涉仪固定在防震平台上且保证试件与仪器之间的距离为680毫米(试件与固定装置之间垫了层纸以减少热损失)，如图1所示，并将图1中圆盘试件换为要测的实验材料。

利用空调对实验室进行加热，以实现对实验材料的间接温和加热，把空调温度调到30℃并且把风速调到最小，减小对空间的空气扰动。

当时室温为20℃，利用软件采集四幅图像作为初始数据，然后开始加热，加热开始时间为12:00，空调加热2小时后整个实验室室温明显上升，用测温仪测得圆板表面的上下左右温度依次为24 ℃、23.9 ℃、24 ℃、23.7 ℃，采下后四幅图像后得出变形条纹图，如图4所示条纹比较光滑。

图4 升温后条形图

关闭空调使得环境温度下降，圆板的温度也逐渐下降，当圆板的温度降至室温时出现以下条纹图，如图5所示条纹几乎成横直线。

图5 降温后条形图

综合以上两幅图，我们可以得知当圆板的表面各部分温度等值升高或降低时，圆板的变形大小也是相同的。因而这块材料的热膨胀性是比较好的。满足中国科学院西安光学精密机械研究所对材料检测的要求。

4 结 论

伴随着微电子技术、计算机技术和无损检测有关的学科的发展，无损检测技术以前所未有的速度飞速发展。从每一种无损检测新技术的产生、发展到应用不难看出，工业需求和新材料新工艺的研究是无损检测技术创新的第一源泉，技术自身发展和完善是无损检测技术创新的动力，推广应用是无损检测新技术追求的最终目标。由于我国航空事业的快速发展，航空产品的检测方面也存在着很大的需求。而飞机典型复合材料结构损伤的检测在飞机的制造中需求越来越大，其内部的缺陷和缺陷的大小对材料性能有着很大的影响，如何快速、准确地对其进行无损检测，有着重要的实用价值。本文介绍的基于电子散斑干涉技术的一维离面电子散斑干涉仪在复合材料无损检测中有着重要的应用。

［1］王自明.无损检测综合知识［M］.北京:机械工业出版社，2005.

［2］唐义号.飞机典型复合材料结构损伤力学性能研究［D］.哈尔滨:哈尔滨工程大学，2005.

［2］邢磊.钢铁磁导率无损检测综述［J］.大学物理实验，2013(6):31-35.