飞机复合材料散斑干涉检测技术的发展与展望

air机器 · 发表于 2007-2-1 19:17:13

　 ◎崔永忠/清华大学
　　张坚/中国科学技术大学
　　翟庆刚虞建飞/空军航空装备研究所

　　介绍了散斑干涉检测技术的原理，分析了散斑干涉检测技术的发展和关键技术，提出了一些适合飞机复合材料原位散斑干涉检测方法，并进行了详细探讨。

　　目前，现代飞机结构件大量使用了先进的复合材料，但在使用过程中，存在着由复合材料老化、失效和粘结强度下降而引起的纤维断裂、基体开裂、界面脱粘及分层等缺陷，给飞机的飞行安全带来很大隐患。因此，在外场对飞机复合材料结构件进行检测，做出安全状态评估，成为航空维修领域中的重要一环。散斑干涉检测法，是目前最有效的飞机复合材料的检测手段之一。

　　检测技术原理
　　
　　飞机复合材料的散斑干涉检测技术主要是指测量材料表面离面位移的数字错位散斑干涉术（DSSPI），因此，本文所提到的散斑干涉是指数字错位散斑干涉。DSSPI检测技术综合了三大技术：激光技术、视频技术和计算机图像处理技术，同时还应用了诸如微电子技术、精密仪器制造及控制技术等。该检测原理是对被测物体加载，利用激光扩束后照明物体，经错位镜形成被摄物体相互错位的散斑图，经CCD和图像采集卡输入到计算机图像系统中，再对变形前后的两个散斑场作相减模式处理，在监视器上得到表示物体位移导数的干涉条纹。该干涉条纹中包含了物体缺陷处形变与正常地方不一样的信息，如果被测物有内部损伤，表现为牛眼状的条纹图案。其基本原理装置如图1所示。

　　 DSSPI检测技术的发展
　　
　　激光剪切散斑干涉技术自20世纪70年代发明以来，从测试理论、实验技术和应用范围等方面都得到了很大的发展。基于干涉原理的激光数字错位散斑干涉成像检测技术（DSSPI）是20世纪80年代兴起的用于表面变形测量的新型光学检测技术，它突破了原有光测技术的局限性，将测试过程图像和后处理全部集成在一套完整系统之内。DSSPI检测技术目前主要检测复合材料结构、蜂窝夹层结构等。其主要优点是：具有非接触、无污染，检测不受工件材料几何外形和尺寸限制；全场检测，视频显示；检测速率很高，一次检测面积达1m2且检测灵敏度高；缺陷尺寸可测量；不用避光，不需专门隔振，快速实时，可用于工件现场检测，检测结果实现了计算机实时图像记录。因此，DSSPI检测技术正广泛地应用于内场和外场的快速无损检测。

　　由于激光剪切散斑干涉法的干涉条纹图有散斑噪声的干扰，条纹清晰度和反差远不及全息图像。目前针对提高图像质量开展了很多研究工作。多种空间滤波技术和数字图像滤波技术用于削弱散斑噪声，如空间滤波器、傅里叶变换、卷积变换、递归滤波、区域密度滤波等；采用相移技术提高检测灵敏度和图像质量；数字图像处理如实时图像增强技术等。另外，二维剪切干涉技术、剪切干涉中的载波技术以及序列图像处理技术等方面也已取得明显进展。
　　
美国空军1988年正式将DSSPI 作为B-2飞机蒙皮与芯子粘接层整体检测的主要检测手段。肯尼迪航天中心使用美国激光技术公司的产品检测航天飞机外部燃料箱热保护涂层和固体火箭推进器的热保护层，取得了理想的效果。德国也应用该技术分别进行全场三维、非接触式的应力/应变测量、变形测量、振动测量、材料缺陷检测等。在公开报导的文献中，激光电子错位散斑干涉成像法已经在检测涡轮发动机的复合材料风扇箱、汽车复合材料面板、轮胎、桥梁、直升机旋翼、混凝土残余应力等很多场合有成功的应用。

　　在我国，许多学者也对该技术进行了深入的研究。目前，研制生产了相应的激光剪切散斑干涉成像系统，并成功地应用于复合材料的无损检测。但对于飞机复合材料外场原位检测的DSSPI检测仪相对研究进展缓慢。现在，飞机复合材料外场原位检测方法主要有超声法、敲击法、声阻法、板波法和谐振法等。而复合材料对声波的衰减很大，这些方法只能检测薄型的复合材料表面、近表面缺陷，一次检测的区域非常小，大多需要耦合剂，检测速度非常慢。
　　
DSSPI检测的关键技术

　　DSSPI检测技术目前主要停留在实验室阶段，要真正走向实用化、仪器化阶段，还需进一步研究，以下对一些具体的关键技术加以探讨。

1.加载方式

　　利用DSSPI技术进行无损检测，需要对被测物体进行加载，针对不同的缺陷，采用适当的加载方式对检测至关重要。传统的加载方式一般有真空加载、热加载、电磁激振加载等。其中真空加载是散斑干涉无损检测中常用的加载方式，力载荷可由均匀负压即真空加载来实现。此种加载方式，技术条件较为成熟，容易定量，对弹性模量较低的材料（如有机玻璃、塑料、橡胶）的缺陷检测是十分适用的。但只限于小型件的检测，不能达到在线快速检测的要求；热加载方式设备简单，载荷变化范围可自行调节，可以进行飞机外场原位检测加载，但受到缺陷深度的影响，对温度不敏感的某些材料检测效果并不理想；电磁激振加载一般是将作为激振器的压电陶瓷粘贴在被检测物体上，由于激振器与被检测物体直接接触，为接触性加载，直接影响测试效果。
　　　　
　　传统加载方式受到场地环境、被检测对象实体尺寸、构件拆解限制等条件的制约，其应用受到限制。为了适应飞机外场原位检测的要求，可以对被测物进行声波激振加载。调节谐波频率与物体缺陷固有频率相同或接近时而产生谐振，谐振时的振幅被散斑所记录，这样通过计算机图像系统进行不同振幅散斑场相减，从而得到散斑条纹图。该加载系统由主振器、功率放大器、频率计、扬声器和电源等组成，称之为音频扫描激振加载系统。主振器具有连续扫频输出功能，扫频信号经功率放大后，由扬声器发出频带较宽的激振声波，作用于材料表面，对材料缺陷处进行激振。实验表明，该加载方式激振效果明显，检测到的散斑条纹较为清晰，具有快速、连续、全场扫描的特点。但还需在外场加以验证。
　　　　
2.仪器小型化
　　
　　在工程应用中，DSSPI检测系统包括激光错位干涉系统、CCD摄像系统、图像卡采集系统、计算机图像处理系统和加载系统等。随着激光技术、视频技术、计算机图像处理技术、光纤技术以及微机电的发展，要实现DSSPI检测仪器小型化已成为可能。首先随着激光技术的发展，体积小，大功率激光器已研制出来，如输出能量高，小而坚固的单纵模固体激光器；其次是体积小、高性能、高分辩率CCD摄像系统的研制，计算机图像处理软件的开发以及光纤相移技术的发展，为仪器的小型化奠定了基础。3.剪切技术

　　DSSPI激光剪切成像的一个关键技术是利用空间相移技术代替过去传统的时间相移技术，使信号处理大为简单（一次成像过程仅需要两幅视频图像，如果用时域相移，一幅图像需要6幅视频图像）。剪切成像方式可以分为两大类。一类为振幅分割剪切干涉法，其最典型的方式是迈克尔逊（Michelson）干涉法。其剪切成像示意图如图2所示。采用迈克乐逊散斑光学头，压电陶瓷（PZT）反射镜可移动，以实现光波的相移，旋转反射镜2还可调节剪切量的大小。迈克尔逊法的光强比接近于1，且在全场内分布均匀，由于不需要光阑重构，孔径较大，光能利用率高。
　　　　
　　第二大类是波前分割剪切干涉法，该法有多种结构。以光楔法最为简单、实用。另外还有渥拉斯顿棱镜，由两个直角棱镜组成，如图3所示。其特点是光路简单，可实现大错位剪切，不需要引出参考光；另一方面使用渥拉斯顿棱镜得到两束正交偏振光容易引入偏振相移技术，从而可得到条纹的相位值且使测量精度大大提高。一般，电子错位散斑位移导数测量的灵敏度为第条纹，从式中可知，通过改变错位量 *9啄x可以改变位移导数测量的灵敏度。如采用双镜头成像装置，这样可以在错位镜两头加入透镜，并可移动错位镜与物体的距离来达到改变*9啄x的目的，同时又不使成像受到影响，但其具体光学参数标准还需在实验中进一步验证。如图4所示
　　　　
4.数字图像处理技术
　　　　
　　随着计算机技术和电子技术的飞速发展，广泛地采用数字式的图像处理方法。数字图像处理方法可以减小DSSPI检测系统对图像处理的硬件要求，以减小仪器的体积。数字图像处理主要包括：点运算、几何运算、代数运算等，以改变图像的直方图分布、灰度值，提高图像的分辨率和消除随机噪声的影响。数字图像是一种离散的图像，因此，可以用统计学的理论加以分析和描述。散斑条纹处理可用数字式图像处理来完成，其通用的图像处理方法有图像的几何变换、灰度调整、数字滤波、平滑去噪、边缘检测、快速傅里叶变换、离散余弦变换、相位去包裹、数字相关等。随着图像处理技术的发展，DSSPI检测技术必然会得到广泛的应用。
　　　　
5.相移技术
　　　　
　　相移干涉利用相位变化求解位移和位移导数，从而得到全场的相位分布，缺陷识别更进一步。具有识别精度高、测量速度快、应用范围广的优点，得到了广泛应用，是热点研究领域。外差干涉技术是一种以改变光调制频率和用电子相位计来求出干涉条纹光波相位的方法，它可精确到千分之一波长，实现高精度测量。但这种方法由于光路装置复杂，又是逐点测量，所以很少应用。光载波技术就是把非单调的条纹相位分布加上一个有足够斜率的线性载波条纹相位分布，使调制后的相位变得单调化，根据调制后的载波条纹偏离载波的程度或使用载波解调技术求得全场的相位分布。在20世纪80年代初，有人首先提出了相移电子散斑干涉术，通过计算不同相移量下的二次相关条纹来求解相位。相位相减法，即先求解变形前后散斑干涉场的相位，再通过相位相减来获得变形引起的相位变化。在相位算法上，有单步相移法。在实现相移方面，也先后有偏振相移、扭曲液晶相移等方法的提出。
　　
展望
　　　　
　　21世纪，随着DSSPI检测关键技术的长足进展，DSSPI原位检测技术也有所突破。如DSSPI检测技术音频扫描激振加载方式、可调实时时间差和代表离面位移的导数（峰值）叠加概念的提出，特别是用峰值叠加法记录缺陷的散斑图，大大提高了检测的快速性、缺陷的直观性。该技术采用物体变形前t0 的剪切散斑场和任意时间tn （n=1，2，3…N）时的散斑场叠加，可迅速获得物体缺陷大小、形状和位置的导数峰值条纹图（白色区域表示缺陷）。还有音频扫描激振加载方式的提出，为DSSPI检测技术提供了崭新的外场原位加载方式，具有很大的现实意义。同时伴随着可视化图像处理软件技术、模糊神经网络技术、数据库技术、仿真技术、专家系统和分形理论等研究领域地进展，DSSPI检测技术将向智能化、自动化方向发展，为飞机复合材料外场原位检测提供更好的检测手段。

陕西机务人 · 发表于 2007-3-9 21:27:19

zhichi

wangsy · 发表于 2008-2-29 21:15:16

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