数字剪切散斑干涉玻璃幕墙缺陷无损检测

王单单， 高 岩， 李伟仙， 苏 展， 吴思进

(1. 北京信息科技大学仪器科学与光电工程学院，北京 100192; 2. 河南省自动化工程技术研究中心，河南 郑州 450008)

0 引 言

我国现在已经成为钢化玻璃成产和应用最多的国家，其中一半玻璃应用于玻璃幕墙上，但是钢化玻璃自爆引起的安全事故时有发生，给国民生命安全和财产安全带来了巨大隐患，因此对玻璃幕墙进行缺陷检测具有重要意义。

近年来不断有学者对玻璃幕墙缺陷的检测进行研究，如吴永昌[1]提出了一种基于面扫描的方式进行玻璃的缺陷检测，采用无人机拍摄幕墙图片，但是此方法只能检测一些肉眼显见的缺陷。袁永明[2]采用了超声波的方法对玻璃幕墙的缺陷进行了研究，此方法根据材料和缺陷的声学性能差异性，对玻璃幕墙缺陷进行检测，但是此方法需要用耦合剂与玻璃进行接触。王文欢[3]根据玻璃幕墙缺陷处应力集中的原理，利用光弹法来检测玻璃内部缺陷处的应力集中光斑从而获得光斑处的玻璃缺陷信息，但由于光弹效应取决于材料的双折射性质，所以此方法并不适用于所有的玻璃种类。

数 字 剪 切 散 斑 干 涉 (digital shearing speckle pattern interferometry, DSSPI)作为一种光学无损检测技术，以其实时、全场、非接触、高精度、高灵敏度、不需要特殊防震的优点而被广泛应用到无损检测中。例如，利用剪切散斑干涉无损检测技术对航空航天领域复合材料[4-7]进行缺陷检测；对橡胶工业中轮胎[8-10]的无损检测。数字剪切散斑干涉技术通过提取加载前后材料缺陷处形变空间梯度引起的相位变化信息，来进一步测量缺陷处的形变信息。剪切散斑干涉对离面位移导数敏感，通过测量缺陷形变的位移导数信息，可以进一步得到材料的缺陷信息。

玻璃自爆的根本原因是缺陷导致应力集中，而玻璃没有屈服强度，其应力应变曲线呈线性关系，材料应力集中的位置其形变也急剧增加，出现变化的形变空间梯度。本文提出了一种数字剪切散斑干涉的玻璃缺陷无损检测方法，基于缺陷与正常材料在加载过程中产生的形变差异的原理，通过玻璃热加载下分析加载前后的玻璃相位差图计算空间位移导数信息，最后获取缺陷位置。实验结果表明，利用数字剪切散斑干涉技术，可以清晰地检测到玻璃缺陷的蝴蝶斑状剪切散斑干涉条纹，及其缺陷处形变的空间位移梯度及其缺陷位置。

1 数字剪切散斑缺陷测量原理

在数字剪切散斑干涉技术中，利用相干光照射在粗糙的物体表面，在空间所形成散斑，通过一定的加载方式对被测物进行加载，如真空加载，热加载，震动加载等，加载以后，被测物缺陷处会产生微小形变，微小形变会引起加载后被测物表面光场的相位发生相应变化，通过分析加载前后被测物散斑的相位图，可以得到被测物离面位移的一阶导数信息，在包裹相位图上显示为蝴蝶斑状剪切散斑干涉条纹，如图1所示。所以，通过分析剪切散斑干涉包裹相位图的蝴蝶斑状条纹，可以获得被测物是否存在缺陷，以及缺陷的位置。

图1 缺陷检测原理

图2是典型的迈克尔逊数字剪切散斑干涉系统。激光器发出相干光，经过扩束器以后打在表面粗糙的被测物体表面，发生漫反射，此时会在空间形成散斑现象，而散斑携带了物体表面的相位信息。相干光在被测物表面反射经过迈克尔逊剪切装置，最后在CCD感光面发生剪切干涉。迈克尔逊剪切装置主要由分光棱镜、背面固定有压电陶瓷传感器（piezoelectric transducer, PZT）的平面镜 2和倾斜的平面镜1组成。被测物表面反射回来的光进入分光棱镜，分光棱镜将入射光分为两束，一束打在平面镜2上，另一束打在平面镜1上。平面镜1倾斜，使反射的光偏离一定的角度，从而使在CCD感光面上的两个像相互错开。其中PZT可以用来控制平面镜2的微小位移，调节平面镜1可以调节剪切方向和剪切量。剪切量和剪切方向决定了两幅图像的重叠区域的大小和形状，而重叠区域是两束光发生干涉的部分。这两束光同时被CCD记录，其光强表达式如下式所示：

图2 传统数字剪切散斑干涉原理

式中：I0——背景光强；

γ——对比度；

φ——干涉光相位。

通常将I称为参考图像。

对被测物进行加载以后，被测物缺陷处产生微小形变，使得散斑场相位会发生一定的变化，其光强表达式如下式所示：

其中Δ为由于物体形变产生的相位差，通常将I′称为测量图像。

当剪切方向为x方向时，相位差与离面位移导数的关系如下式所示：

式中：λ——波长；

δx——x方向的剪切量；

∂w/∂x——x方向的离面位移空间梯度；

α——相机与激光器之间的夹角。

由式(3)可知，波长一定，剪切量已知时，只需要获得相位差Δ就可以得到离面位移分量w的空间梯度∂w/∂x。

四步相移法是从测量图像和参考图像中提取相位差Δ最常见的方法[11-13]。它通过压电陶瓷驱动器驱动PZT，使得平面镜2依次按步产生位移，且每步平面镜的位移使得两路光的光程差为1/4波长，也就是引入了π/2的相位差。加载前和加载后各进行四步相移，即相机在加载前和加载后各采集了四幅剪切散斑干涉参考图像和测量图像，其中加载前采集的四幅散斑干涉图光强为：

将被测物变形前后的相位分布进行相减，即可得到变形量对应的相位差Δ：

因此，利用式(3)和(7)就可以获取整个视场范围内的空间位移梯度。

2 实验与分析

2.1 实验系统

整个实验系统在光学平台上搭建，如图3所示，主要由激光器，剪切散斑测量头，压电陶瓷驱动器，激光器电源，剪切散斑干涉处理软件和试样玻璃幕墙组成。由于玻璃透光的性质，在玻璃表面事先喷涂一层哑光白漆，形成漫反射表面。在本实验中，激光器发射激光照射到玻璃幕墙上，通过热加载使玻璃温度升高，玻璃温度从20 ℃左右升高到至40 ℃左右时停止加载，剪切散斑干涉处理软件采集相应的图像并进行处理计算，完成玻璃缺陷的检测。

图3 数字剪切散斑干涉幕墙玻璃无损检测实验系统

2.2 缺陷检测实验

如图4所示，(a)～(d)为热加载前采集的四幅四步相移散斑图；(e)为计算得到的热加载前相位图；(f)～(i)为热加载后采集的四幅四步相移散斑图；(j) 为计算得到的热加载后相位图。按照式（4）先采集如图4(a)～(d)所示的四幅加载前四步相移散斑图，再根据公式（5）计算得到加载前的相位图，见图4(e)。然后对玻璃进行热加载，同理采集如图(f)～(i)所示的四幅加载后四步相移散斑图，根据公式（6）计算得到加载后的相位图，见图4(j)。加载前后相位图4(e)和图4(j)相减，得到加载前后的包裹相位差图，再对该相位差图进行正余弦滤波，得到滤波以后的包裹相位差图，见图5。

图4 热加载前后相位图的获取

图5 正余弦滤波以后的包裹相位图

通常参考图像在热加载之前采集，测量图像在热加载之后采集。然而当玻璃温度从20 ℃左右加热到升高30 ℃左右的时候就开始产生整体变形，温度越高，产生的整体变形越大，CCD采集到的剪切散斑干涉条纹也就越密，如图5所示。此时体现缺陷处形变空间梯度的蝴蝶条纹被裹挟于体现玻璃整体形变空间梯度的剪切散斑干涉条纹中，前者变得不易被发现，如图5 两处缺陷的蝴蝶斑状条纹由于整体变形使得蝴蝶斑状条纹显得不明显。为了使缺陷处的蝴蝶斑状条纹更清晰可见，需要减少来自整体变形剪切散斑干涉条纹的干扰。所以本文避开玻璃热加载温度上升段，选择在玻璃热加载之后的玻璃冷却温度下降段进行缺陷检测，即参考图像不在热加载之前采集，而是在温度下降阶段测量图像之前采集。在玻璃冷却较短时间内玻璃由于冷却产生的整体变形小，整体变形较小所以背景干涉条纹会较少甚至没有，这样就可以减少整体变形的干涉条纹对缺陷变形干涉条纹的影响。图6所示是图5的同一样品在热加载之后，于温降阶段的前后分别根据四步相移方法采集与计算相位图，然后相减并经正余弦滤波之后的包裹相位差图。与图5相比，两者计算原理一致，仅参考图的采集时刻不同，但图6避免了背景整体变形的干扰，可以检测到较为明显的缺陷处蝴蝶斑状条纹。

图6 温降阶段的包裹相位差图

利用基于相位导数方差的解包裹方法对图6进行解包裹，得到解包裹的相位差图，如图7所示。整个实验系统以x方向为剪切方向，x方向剪切量δx为5.26 mm，相机与激光器之间的夹角α为8.75°，故可以由式（3）求得形变空间位移梯度，如图8所示，其中的缺陷1和缺陷2的形变空间位移梯度峰峰值分别是 0.000191和 0.000843。

图7 对图6进行解包裹后的解包裹相位差图

图8 图6中缺陷的空间位移梯度

基于上述结论，对玻璃试样加热并在冷却过程中对多个区域进行剪切散斑干涉缺陷检测。图9显示了玻璃幕墙试样3处区域的剪切散斑干涉检测结果，区域(a)、(b)分别检测到了缺陷3～6，区域(c)未检测到明显缺陷。通过对缺陷1～6手动绘制目标框，目标框的中心像素被认定为缺陷中心像素位置，如表1所示。

表1 图6和图9中缺陷的位置信息

图9 3处玻璃区域剪切散斑干涉包裹相位图

3 结束语

本文提出了一种数字剪切散斑干涉玻璃幕墙的无损检测方法，通过对幕墙玻璃试样进行热加载，并在温降阶段采集参考图像和测量图像，并进行滤波和解包裹等计算，最后得到缺陷位置形变空间位移梯度。实验结果表明，使用剪切散斑干涉的测量方法可以清晰地看到代表缺陷的剪切散斑蝴蝶斑状干涉条纹，从而确定缺陷存在的位置。因此，使用数字剪切散斑干涉技术对玻璃幕墙进行无损检测是一种有效的方法，对幕墙玻璃的安全隐患评估具有重要的意义。