激光散斑輪胎無損檢測設(shè)備培訓(xùn)

激光數(shù)字錯位散斑輪胎無損檢測儀培訓(xùn)教材2017年3月激光無損檢測（LaserNDT）

由于激光具有單色性好、能量高度集中、方向性很強等特點，其在無損檢測領(lǐng)域的應(yīng)用不斷擴大，并逐漸形成了激光全息、激光散斑、激光超聲等無損檢測新技術(shù)。激光全息是激光無損檢測中應(yīng)用最早、最多的一種方法。其基本原理是通過對被測物體施加外加載荷，利用有缺陷部位的形變量與其它部位不同的特點，通過加載前、后所形成的全息圖像的迭加來判斷材料、結(jié)構(gòu)內(nèi)部是否存在不連續(xù)性。作為一種干涉計量術(shù)，激光全息技術(shù)可以檢測微米級的變形，靈敏度極高，具有不需接觸被測物體，檢測對象不受材料、尺寸限制，檢測結(jié)果便于保存等優(yōu)點，已應(yīng)用在復(fù)合材料、印刷電路板、飛機輪胎等的缺陷檢測中。

激光散斑技術(shù)是利用激光照射被檢物時的散射形成的自相干技術(shù)，通過被檢物體在加載前后的激光散斑圖的疊加，從而在有缺陷部位形成干涉條紋。激光散斑干涉檢測技術(shù)始于輪胎檢測，目前主要是應(yīng)用于對復(fù)合材料、蜂窩夾層、火藥柱包覆等的檢測。可以有效檢測輪胎簾布脫層、粘著力不足、胎圈部氣泡與粘著力有關(guān)的其他各種缺陷。而X－射線則是一種在新輪胎制造時檢查帶束層位置準(zhǔn)確與否的首選方法，但其檢測輪胎粘著缺陷的能力很差。全息照相是輪胎處于真空應(yīng)力下拍攝的，其照片顯示出輪胎在較小的真空力作用下其變形處的剝離和粘著缺陷的干涉條紋。兩者之間是一種良性互補的關(guān)系。

英國科學(xué)家丹尼斯·伽柏(DennisGabor)在1948年提出了新的兩步無透鏡成像法—波前重現(xiàn)原理。伽柏通過實驗發(fā)現(xiàn)，如果有一個合適的相干參考波和一個物體衍射波同時存在，此衍射波的振幅和位相的信息就能被完全記錄下來。伽柏還證明了這樣記錄下來的全息圖（hologram）通過相干光照射全息圖可得到原來物體的像。由于受光源條件的限制，在激光出現(xiàn)以前，全息術(shù)的研究進展緩慢，在1960年激光器誕生之后，提供了理想的相干光源，全息術(shù)得到迅速發(fā)展。全息術(shù)在干涉計量、信息貯存、光學(xué)濾波等方面獲得了廣泛的應(yīng)用，已成為一種有效的光信息貯存和顯示技術(shù)。伽柏因此獲得了1971年度的諾貝爾物理學(xué)獎。

全息數(shù)字全息術(shù)(DigitalHolography)也稱電子散斑干涉技術(shù)(ESPI，ElectronicSpecklePatternInterferometer)或是TV全息攝影術(shù)(TVHolography)計算機圖像處理技術(shù)、激光技術(shù)以及全息干涉技術(shù)相結(jié)合的一種新技術(shù)。一束激光經(jīng)透鏡擴束后照射到被測物表面上，其反射光與直接照射到CCD的參考光束發(fā)生干涉，就會形成一系列的散斑圖像。通過圖像比較可以顯示出散斑結(jié)構(gòu)中的變化并產(chǎn)生相關(guān)條紋，它們是由于記錄圖像之間的表面位移與變形而產(chǎn)生的，通過智能軟件可以自動分析這些條紋并計算出位移大小。先進的ESPI系統(tǒng)利用若干個激光照射，可以測量位移和變形的三維信息以及輪廓信息(3D-ESPI系統(tǒng))，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)獲得應(yīng)變、應(yīng)力、振動模式以及更多的信息。數(shù)字全息主要應(yīng)用于測量領(lǐng)域，其系統(tǒng)分辨率是非常重要的評價指標(biāo)。數(shù)字全息的橫向分辨率與傳統(tǒng)成像光學(xué)儀器的分辨本領(lǐng)具有相同的物理意義，其大小主要取決于再現(xiàn)像位置以及CCD尺寸。在實際實驗系統(tǒng)中，既要獲得較高分辨率的再現(xiàn)像，又要考慮傳遞函數(shù)的頻譜寬度，充分利用CCD的空間帶寬，這就需要選用合適的記錄距離。在不違背抽樣定理的條件下，應(yīng)盡量采用小距離記錄。在輪胎制造和檢測行業(yè)中，也同樣需要用到數(shù)字全息技術(shù)。脫層和氣泡是輪胎的內(nèi)部主要缺陷之一。在輪胎制造過程的壓延和成型等工序中，如果膠與膠、簾布與膠之間夾雜油污或污垢，或者簾布與膠之間的氣體沒有完全排出，就會導(dǎo)致輪胎內(nèi)部產(chǎn)生脫層和氣泡。新輪胎使用一段時間后，胎體內(nèi)部粘合不牢處也會在剪切應(yīng)力的作用下脫開，形成新的脫層。脫層和氣泡采用常規(guī)檢測手段很難檢測出來，通常需要采用激光全息無損檢測技術(shù)。

激光全息輪胎無損檢測技術(shù)是一種非接觸和非破壞性的檢測技術(shù)。通過真空加載使輪胎形變前后進行兩次曝光，輪胎加載前后的相位和光強記錄在全息干板上形成全息干涉圖。全息干板經(jīng)過顯影、定影、水洗、風(fēng)干后進行光學(xué)再現(xiàn)，就可觀察到輪胎形變前后的干涉條紋。缺陷的干涉條紋必然是獨立存在的，其圓形外緣與正常干涉條紋有界線，圓環(huán)中條紋的疏密程度表示形變大小，條紋密表示輪胎形變大，條紋疏表示輪胎形變小。同時，缺陷離表面的深淺程度與圓環(huán)中條紋的粗細有關(guān)，條紋粗的缺陷離表面遠，條紋細的缺陷離表面近。因此通過全息干涉圖的再現(xiàn)圖像可以很容易地判讀出輪胎內(nèi)部缺陷的位置和大小。現(xiàn)代的數(shù)字全息術(shù)采用CCD代替全息干板記錄全息圖，不僅繼承了傳統(tǒng)全息的特點，而且還具有其自身的特點。與傳統(tǒng)光學(xué)全息技術(shù)相比，數(shù)字全息技術(shù)的最大優(yōu)點是：

1)曝光時間短，能夠用來記錄運動物體的各個瞬間狀態(tài)，而且由于沒有煩瑣的化學(xué)濕處理過程，記錄和再現(xiàn)過程都比傳統(tǒng)光學(xué)全息更加方便快捷。

2)數(shù)字全息再現(xiàn)可以直接得到再現(xiàn)像的復(fù)振幅分布，而不單純是光強分布，因此被記錄物體的表面亮度和輪廓分布都可通過復(fù)振幅得到，可方便地實現(xiàn)多種定量測量。3）由于數(shù)字全息采用計算機數(shù)字記錄和再現(xiàn)，因此可以方便地對所記錄的數(shù)字全息圖進行圖像處理，減少或消除全息圖在記錄過程中的像差、噪聲、畸變及記錄過程中CCD器件非線性等因素的影響，便于對測量對象進行定量測量和分析，并可對最后檢測結(jié)果進行自動歸類和整理。但是，與傳統(tǒng)光學(xué)全息記錄材料的高分辨率性能相比，數(shù)字全息也存在不足。一方面，由于CCD光敏面尺寸小，使得數(shù)字再現(xiàn)像的分辨率低，像質(zhì)較差；另一方面，由于CCD的像素尺寸較大，使數(shù)字全息記錄的參考光和物光的夾角較小，只能記錄物體空間頻譜中的低頻部分，且再現(xiàn)像與孿生像的分離困難。因此，目前數(shù)字全息僅適應(yīng)于小物體、遠距離記錄，從而使得再現(xiàn)像面散斑尺寸大，橫向分辨率低。普通照相是運用透鏡的成像原理，使物體在感光底片上成像，其記錄的僅是物體表面發(fā)射的光或反射的光。而全息則利用干涉原理，使感光片上不僅記錄光的強度，還記錄了光的相對相位。所謂全息就是把物體發(fā)出或反射的光信號的全部信息，包括光的振幅和相位全部記錄下來，在再現(xiàn)被攝物體時就能得到物體的立體像。所以全息照相實際上是一種兩步成像的照相技術(shù)，第一步記錄下復(fù)雜的干涉圖樣，得到一幅全息圖，稱為記錄過程。第二步照明全息圖，再現(xiàn)出原始物體光波，得到與物體不可分辨的像，稱為再現(xiàn)過程。數(shù)字全息技術(shù)是由Goodman和Lawrence在1967年提出的，其基本原理是用光敏電子成像器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)全息記錄材料記錄全息圖，用計算機模擬再現(xiàn)過程取代光學(xué)衍射來實現(xiàn)波前的數(shù)字再現(xiàn)，從而實現(xiàn)了全息記錄、存儲和再現(xiàn)全過程的數(shù)字化，給全息技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用增加了新的內(nèi)容和方法?；驹?..

全息照相記錄示意圖全息記錄的過程就是用記錄介質(zhì)記錄物光和參考光的干涉圖樣，而全息重現(xiàn)是重現(xiàn)光波照射全息圈后發(fā)生衍射的結(jié)果。用激光束照射物體表面的同時，引入一束標(biāo)準(zhǔn)激光波成為參考光波與物光波進行干涉，其干涉光場的分布(包括干涉條紋的形狀、疏密及明暗分布)與兩束光波的波面特性(振幅及相位)密切相關(guān)。全息技術(shù)利用光的干涉原理，將物體反射的特定光波波前以干涉條紋的形式記錄下來，達到凍結(jié)物光波相位信息的目的。數(shù)字全息用CCD取代全息膠片記錄干涉條紋，并在計算機上進行全息的數(shù)字再現(xiàn)過程．即以數(shù)字再現(xiàn)算法模擬光學(xué)衍射的過程。數(shù)字全息的基本原理...

全息照相再現(xiàn)示意圖光學(xué)全息和計算全息的重現(xiàn)過程屬于光學(xué)再現(xiàn)過程，即將全息圖用適當(dāng)?shù)墓庹彰?，其衍射光形成了與原物光波相似的光波，構(gòu)成物體的再現(xiàn)像。對于數(shù)字全息來說，是先將CCD記錄的全息圖數(shù)字化，然后在計算機中重建物體的再現(xiàn)像。軟件組成...

在輪胎的流水線檢測上，從CCD直接采集出來的圖像并不是非常理想，需要經(jīng)過圖像處理和軟件計算后，才能得到最終結(jié)果。另外，為了實現(xiàn)流水線上實時的自動檢測，方便工人操作和處理，還需要良好的人機交互界面及自動判別、歸類、存儲檔等功能。

軟件主要由圖像讀入、圖像預(yù)處理、二次曝光、全息重現(xiàn)、判決評定、文件歸檔和人機交互幾個部分組成，其信號流程如下圖所示：1．圖像讀入

數(shù)字式CCD攝像機可直接輸出數(shù)字化的圖像，如SKC系列的CCD攝像機都可以以RS644格式輸出數(shù)字圖像。通過專用接口卡可以把數(shù)字圖像直接輸入到計算機中處理或保存。2．圖像預(yù)處理

直接獲得的原始圖像含有許多隨機和系統(tǒng)噪聲，因此處理前要對圖像進行預(yù)處理。圖像增強是圖像預(yù)處理的一個重要步驟，它可以改善圖像的視覺效果，并把圖像處理成適于分析或控制的某種形式。圖像增強內(nèi)容廣泛，包括去除噪聲、銳化、邊緣提取等。對于全息干涉圖像，預(yù)處理可以降低圖像噪聲，提高對比度，提取圖像的特征等。3．二次曝光

實際操作時，通常采用真空加載使輪胎表面產(chǎn)生形變。加載前記錄第一幅全息圖，加載后記錄第二幅全息圖。將兩幅全息圖進行對比后，可以得到加載前后橡膠表面的形貌變化。異常變形的區(qū)域就是缺陷存在的區(qū)域。4．全息重現(xiàn)CCD記錄全息圖后，需要進行數(shù)字全息重現(xiàn)，即用軟件模擬光學(xué)重現(xiàn)的過程。由于本課題應(yīng)用于流水線檢測，要求再現(xiàn)速度快，對圖像細節(jié)損失小，因此本文選擇菲涅爾衍射法進行全息重現(xiàn)。5．氣泡尺寸判別

由于氣泡的存在，加載前后異常變形的區(qū)域一般表現(xiàn)為“蝴蝶斑”圖案。“蝴蝶斑”圖案的方位和大小反應(yīng)了氣泡的尺寸和方位，因此對測量結(jié)果要進行識別和判斷。首先要確定是否是“蝴蝶斑’’，其次要探測“蝴蝶斑’’的具體方位，最后要計算“蝴蝶斑”的尺寸，從而判別氣泡的大小。為了判斷輪胎缺陷是否超過樣品標(biāo)準(zhǔn)，需要對圖像庫的“蝴蝶斑”圖像進行比較，最終進行歸檔和分類。6．人機交互界面

檢測前需要預(yù)先設(shè)定不同的系統(tǒng)參數(shù)，如被測輪胎外徑，內(nèi)徑及基本型號；設(shè)置判決參數(shù)和樣板庫，用于對檢測結(jié)果進行分級和管理；以及設(shè)置文件歸檔目錄、數(shù)據(jù)庫入口等。同時，軟件還需要有中斷處理功能，方便進行多種人工干預(yù)，如修改工作參數(shù)、修正判別結(jié)果、保存特殊數(shù)據(jù)等。7．資料歸檔

根據(jù)圖像處理的結(jié)果和用戶設(shè)定的參數(shù)，自動將探測結(jié)果與圖像庫進行比對，并自動進行分類和存儲，便于以后的數(shù)據(jù)庫管理和查詢。電子散斑干涉技術(shù)...

散斑是在相干照明的情況下，在漫射式的反射或透射的物體表面觀察到的隨機分布的具有“閃爍”顆粒狀外貌的微小光斑，有亮散斑和暗散斑之分。激光的高相干性使散斑現(xiàn)象顯而易見。實際上，散斑就是來自粗糙表面不同面積元的光波之間的自身干涉現(xiàn)象，因而它也是粗糙表面的某些信息的攜帶者。借助于散斑不僅可以研究粗糙表面本身，而且還可以研究其位置及形狀的變化。電子散斑干涉計量技術(shù)是用電子學(xué)和數(shù)字方法實現(xiàn)的散斑干涉計量技術(shù)。早期的電子散斑干涉計量技術(shù)的主要是用電視監(jiān)視器直接顯示實時相關(guān)條紋，其相關(guān)強度是由視頻信號的相減或相加來實現(xiàn)?，F(xiàn)階段的電子散斑干涉計量技術(shù)一般采用CCD代替全息干板，并用計算機進行圖像處理。這樣不僅可省去底片顯影、定影等復(fù)雜的濕處理過程，而且可以直接將輸出的信號輸入計算機進行圖像處理，實時觀察相關(guān)條紋，故可用于工程結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場測試。電子散斑干涉技術(shù)是基于散斑原理，利用輪胎變形前后空間散斑分布的變化來描述輪胎形變的。

電子散斑干涉技術(shù)對缺陷所進行的檢測是基于對物體兩個形變狀態(tài)的比較得出的，目前較為常用的是真空加載。當(dāng)輪胎周圍的大氣壓變化時，輪胎內(nèi)部的缺陷就會造成該部位的胎體表面發(fā)生異常變形。一般壓力下降幾千帕?xí)r，缺陷使胎體表面產(chǎn)生異常變形，同時使反射光波產(chǎn)生微米數(shù)量級的變化。如此微小的光程差通常要借助高靈敏的電子散斑干涉技術(shù)。電子散斑輪胎無損檢測技術(shù)在檢測中通過高分辨率的CCD攝像系統(tǒng)，將輪胎受力變化過程中的應(yīng)變信息以相位圖的形式實時記錄下來，再應(yīng)用光電轉(zhuǎn)換技術(shù)將光信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后通過圖像處理軟件和圖像分析軟件進行計算和分析，從而得到描述輪胎形變的相位圖，通過自動計算這些畸變部位的面積并實時顯示，使得輪胎內(nèi)部缺陷被準(zhǔn)確地檢測出來并清晰地顯示在屏幕上。電子散斑干涉輪胎無損檢測系統(tǒng)的特點：

(1)全息檢測系統(tǒng)的圖像能夠直觀地顯示出輪胎的內(nèi)部缺陷，且易于判斷；

(2)操作簡便，無需感光材料及顯影、定影，且對環(huán)境無特殊要求；

(3)直接測量的不是表面變形而是變形的一階導(dǎo)數(shù)；

(4)對輪胎內(nèi)部的非金屬雜質(zhì)，如塑料、纖維等，圖像顯示不明顯；

(5)減少了人為因素的影響。國外的激光數(shù)字錯位散斑輪胎無損檢測技術(shù)已非常成熟，輪胎行業(yè)應(yīng)用該檢測技術(shù)已進入普及階段。德國Steinbichler公司（德國施泰茵比西勒光電技術(shù)有限公司）專為輪胎行業(yè)設(shè)計生產(chǎn)了全場快速非接觸、非破壞實時顯示的激光數(shù)字錯位散斑輪胎無損檢測儀。該檢測系統(tǒng)由高分辨率的CCD、剪切元器件、大功率半導(dǎo)體激光器及圖像處理與分析軟件構(gòu)成。Intact1200型激光錯位散斑輪胎無損檢測儀適用于外直徑小于1250mm的輪胎檢測，由于該檢測儀采用雙檢測頭，因此可以將檢測速度提高l倍。這種新型的檢測儀檢測周期短，檢測速度可達每小時50條；檢測范圍更全面，能夠檢測輪胎肩部、胎圈、胎冠和胎側(cè)；采用激光波長為5