激光全息在無損檢測領(lǐng)域的應(yīng)用及發(fā)展

近年來，隨著激光技術(shù)的發(fā)展，全息照相在無損檢測領(lǐng)域中的應(yīng)用范圍迅速擴大，激光全息無損檢測是在全息照相技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種檢測技術(shù)，解決了許多過去其他方法難以解決的無損檢測問題。激光全息無損檢測技術(shù)激光全息無損檢測是利用激光全息干涉來檢測和計量物體表面和內(nèi)部缺陷的，這種技術(shù)的原理是在不使物體受損的條件下，向物體施加一定的載荷，物體在外界載荷作用下會產(chǎn)生變形，這種變形與物體是否含有缺陷直接相關(guān)，物體內(nèi)部的缺陷所對應(yīng)的物體表面在外力作用下產(chǎn)生了與其周圍不相同的微差位移，并且在不同的外界載荷作用下，物體表面變形的程度是不相同的。用激光全息照相的方法來觀察和比較這種變形，并記錄在不同外界載荷作用下的物體表面的變形情況，進行比較和分析，從而判斷物體內(nèi)部是否存在缺陷，達到評價被檢物體質(zhì)量的目的。具體做法是對被檢測物體加載，使其表面發(fā)生微小的位移（微差位移），物體表面的輪廓就發(fā)生變化，此時獲得的全息圖上的條紋與沒有加載時相比發(fā)生了移動。成像時除了顯示原來物體的全息像外，還產(chǎn)生較為粗大的干涉條紋，由條紋的間距可以算出物體表面的位移的大小。由于物體有一定的形狀，所以在同樣的力的作用下，物體表面各處所發(fā)生的位移并不相同，因而各處所對應(yīng)的干涉條紋的形狀和間距也不相同。當物體內(nèi)部不含有缺陷時，這種條紋的形狀和間距的變化是宏觀的、連續(xù)的、與物體外形輪廓的變化同步調(diào)的。當被檢物體內(nèi)部含有缺陷時，在物體受力的情況下，物體內(nèi)部的缺陷在外部條件（力）的作用下，就在物體表面上表現(xiàn)出異常，而與內(nèi)部缺陷相對應(yīng)的物體表面所發(fā)生的位移則與以前不相同，因而所得到的全息圖與不含缺陷的物體的不同。在激光照射下進行成像時，所看到的波紋圖樣在對應(yīng)與有缺陷的局部區(qū)域就會出現(xiàn)不連續(xù)的、突然的形狀變化和間距變化。根據(jù)這些條紋情況，可以分析判斷物體的內(nèi)部是否含有缺陷，以及缺陷的大小和位置。激光全息無損檢測的特點（1）激光全息無損檢測是一種干涉計量技術(shù)，其干涉計量的精度與激光波長同數(shù)量級，因此，其檢測靈敏度甚高，極微小的變形都能檢驗出來。（2）用激光作為光源，而激光的相干長度很大，因此可以檢驗大尺寸物體，只要激光能夠充分照射到的物體表面，都能一次檢驗完畢。（3）對被檢對象沒有特殊要求，可以對任何材料、任意粗糙的表面進行檢測。（4）可借助于干涉條紋的數(shù)量和分布狀態(tài)來確定缺陷的大小、部位和深度，便于對損傷、缺陷進行定量分析。另外，這種檢測方法還具有非接觸檢測、直觀感強、檢測結(jié)果便于保存等特點。但是，激光全息無損檢測技術(shù)也并非萬能，物體內(nèi)部缺陷的檢測靈敏度，取決于物體內(nèi)部的缺陷在外力作用下能否造成物體表面的相應(yīng)變形。如果物體內(nèi)部的缺陷過深或過于微小，那么，這種檢測方法就無能為力了。對于疊層膠接結(jié)構(gòu)來說，檢測其脫膠缺陷的靈敏度取決于脫膠面積和深度比值，在近表面的脫膠缺陷面積，即使很小也能夠檢測出來，而對于埋藏得較深的脫膠缺陷，只有在脫膠面積相當大時才能夠被檢測出來。另外，激光全息無損檢測目前多在暗室中進行，并需要采用嚴格的隔振措施，因此，不利于現(xiàn)場檢測。激光全息無損檢測的方法1

激光全息無損檢測的加載方法

用激光全息照相來檢測物體內(nèi)部缺陷的實質(zhì)是比較物體在不同受載情況下的表面光波，因此，需要對物體施加載荷，一般使物體表面產(chǎn)生0.2μm的微差位移，就可以使物體內(nèi)部位置不過深的缺陷在干涉條紋圖樣中有所表現(xiàn)。常用的加載方式有以下幾種。01聲加載聲加載是以聲頻和中等的超聲頻進行的（通常低于100kHz），加載方法是把壓電換能器粘貼在被檢工件表面上，在工件中建立起共振板模式。當需要大幅度振動的情況下，換能器可通過一個實心的指數(shù)曲線形喇叭（聲變換器）機械地耦合到一個點上，壓電換能器裝在半徑較大的一端，半徑較小的一端壓向工件。這種單點激勵法也可使整個工件建立起共振，因此，可同時檢查整個表面的物理特性和探出缺陷。02熱加載這種方法是對物體施加一個溫度適當?shù)臒崦}沖，物體因受熱而變形，內(nèi)部有缺陷時，由于傳熱較慢，該局部區(qū)域比缺陷周圍的溫度高。因此，造成該處的變形量相應(yīng)也較大，從而形成缺陷處相對于周圍的表面變形有了一個微差位移。用激光全息照相記錄時，就可在全息圖中顯示出突變的干涉條紋圖樣。03內(nèi)部充氣法對于蜂窩結(jié)構(gòu)、輪胎、壓力容器、管道等工件，可用內(nèi)部充氣法加載，有缺陷處的表面向外鼓起量會比周圍大，攝制的全息圖可捕獲這個微差位移。這個加載方法簡便，全息圖直觀，檢測效果較好。04表面真空法對于無法充氣的結(jié)構(gòu)，如不聯(lián)通的蜂窩結(jié)構(gòu)、疊層結(jié)構(gòu)、鈑金膠接結(jié)構(gòu)等，可以在外表面抽真空加載，造成缺陷處表皮的內(nèi)外壓力差，從而引起缺陷處表皮變形，在干涉條紋圖樣中會出現(xiàn)干涉條紋的突變或呈現(xiàn)出環(huán)狀圖案。2

物體表面微差位移的觀察方法

01實時法先拍攝物體在不受力時的全息圖，沖洗處理后，把全息圖精確地放回到原來拍攝的位置上，并用與拍攝全息圖時的同樣參考光照射，則全息圖就再現(xiàn)出物體三維立體像（物體的虛像），再現(xiàn)的虛像完全重合在物體上。這時對物體加載，物體的表面會產(chǎn)生變形，受載后的物體表面光波和再現(xiàn)的物體虛像之間就形成了微量的光程差。由于這兩個光波都是相干光波（來自同一個激光源），并幾乎存在于空間的同一位置，因此，這兩個光波疊加就會產(chǎn)生干涉條紋。由于物體的初始狀態(tài)（再現(xiàn)的虛像）和物體加載狀態(tài)之間的干涉度量比較是在觀察時完成的，所以稱這種方法為實時法。其優(yōu)點是只需要用一張全息圖就能觀察到各種不同加載情況下的物體表面狀態(tài)，從而判斷出物體內(nèi)部是否含有缺陷。因此，這種方法既經(jīng)濟又能迅速而確切地確定出物體所需加載量的大小。其缺點是，需要有一套附加機構(gòu)，以便使全息圖位置的移動不超過幾個光波的波長；由于全息干版在沖洗過程中乳膠層不可避免地要產(chǎn)生一些收縮，當全息圖放回原位時，雖然物體沒有變形，但仍有少量的位移干涉條紋出現(xiàn)；顯示的干涉條紋圖樣不能長久保留。02兩次曝光法這種方法是將物體在兩種不同受載情況下的物體表面光波攝制在同一張全息圖上，然后再現(xiàn)這兩個光波，其疊加時仍然能夠產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。此時，所看到的再現(xiàn)現(xiàn)象，除了顯示出原來物體的全息像外，還產(chǎn)生較為粗大的干涉條紋圖樣。這種條紋表現(xiàn)在觀察方向上的等位移線，兩條相鄰條紋之間的位移差約為再現(xiàn)光波的半個波長，若用氦-氖激光器作光源，則每條條紋代表大約0.316μm的表面位移。從這種干涉條紋的形狀和分布來判斷物體內(nèi)部是否有缺陷。兩次曝光法是在一張全息片上進行兩次曝光，記錄了物體在產(chǎn)生變形之前和之后的表面光波。這不但避免了實時法中全息圖復(fù)位的困難，而且也避免了感光乳膠層收縮不穩(wěn)定的影響，因為這時每一個全息圖所受到的影響是相同的。其主要缺點是對于每一種加載量都需要攝制一張全息圖，無法在一張全息圖上看到不同加載情況下物體表面的變形狀態(tài)，這對于確定加載參數(shù)來說是比較費事的。03時間平均法這種方法是在物體振動時攝制全息圖。在攝制時所需的曝光時間要比物體振動循環(huán)的一個周期長得多，即在整個曝光時間內(nèi)，物體要能夠進行許多個周期的振動。但由于物體是作正弦式周期性振動，因此，把大部分時間消耗在振動的兩個端點上，所以，全息圖上所記錄的狀態(tài)實際上是物體在振動的兩個端點狀態(tài)的疊加。當再現(xiàn)全息圖時，這兩個端點狀態(tài)的像就相干涉而產(chǎn)生干涉條紋，從干涉條紋的圖樣的形狀和分布來判斷物體內(nèi)部是否有缺陷。這種方法顯示的缺陷圖案比較清晰，但為了使物體產(chǎn)生振動就需要有一套激勵裝置。而且，由于物體內(nèi)部的缺陷大小和深度不一，其激勵頻率各不相同，所以要求激勵振源的頻帶要寬，頻率要連續(xù)可調(diào)，其輸出功率大小也有一定的要求。同時，還要根據(jù)不同產(chǎn)品對象選擇合適的換能器來激勵物體。激光全息無損檢測在航空維修中的應(yīng)用1

蜂窩結(jié)構(gòu)板的檢測

現(xiàn)代飛機為了減輕重量、改善性能常常采用蜂窩結(jié)構(gòu)板、疊層結(jié)構(gòu)板、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)板等。但是，這些新結(jié)構(gòu)在制造和使用過程中容易產(chǎn)生脫膠等缺陷，采用激光全息無損檢測方法檢測這些新結(jié)構(gòu)內(nèi)部的缺陷及損傷是很有效的。例如，對某型飛機的襟翼結(jié)構(gòu)實施兩次曝光法，即在同一張照相底板上，先對沒有加載的襟翼蜂窩結(jié)構(gòu)板進行曝光，然后對其進行抽真空加載，再曝一次光。將底板顯影、定影，成為一張全息圖。當全息圖再現(xiàn)時，便可看到襟翼蜂窩結(jié)構(gòu)板上的缺陷情況。對于不同蒙皮厚度的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，要顯示缺陷時，所需的加載量是不同的。2

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的檢測

檢測時，先使復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件作機械振動，然后用全息照相時間平均法攝取全息圖。由于接合松動，有缺陷部位的振動振幅，就比其他部位大，因而，在全息圖再現(xiàn)像上出現(xiàn)一組特殊的局部干涉條紋，把損傷部位的輪廓都顯示出來。3

渦輪葉片的檢測

在渦輪葉片的全息檢測中，通常用小型壓電換能器貼在葉片表面上，通過它將聲音傳入葉片來產(chǎn)生彎曲和扭轉(zhuǎn)兩種振型，用來檢測空心葉片內(nèi)部損傷非常有效。結(jié)束語