1、光學(xué)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)及其應(yīng)用,2011.12.16,目錄,一、無(wú)損檢測(cè)技術(shù)概述 二、光學(xué)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)、原理及方法 三、基于光學(xué)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用 四、總結(jié)及展望,一、無(wú)損檢測(cè)技術(shù)概述,無(wú)損檢測(cè)NDT （Non-destructive testing） 利用聲、光、磁和電等特性，在不損害或不影響被檢對(duì)象使用性能的前提下，檢測(cè)被檢對(duì)象中是否存在缺陷或結(jié)構(gòu)異常，最終了解和評(píng)價(jià)被檢測(cè)對(duì)象的性質(zhì)、狀態(tài)、質(zhì)量或內(nèi)部結(jié)構(gòu)的技術(shù)。,無(wú)損檢測(cè)方法分類,檢測(cè)原理,無(wú) 損 檢 測(cè),聲學(xué)方法檢測(cè) 電學(xué)方法檢測(cè) 射線檢測(cè) 磁學(xué)方法檢測(cè) 微波和介電方法檢測(cè) 光學(xué)方法檢測(cè) 熱學(xué)方法檢測(cè) 滲透檢測(cè),一、無(wú)損檢測(cè)技術(shù)概述,工程應(yīng)用

2、中，五大常規(guī)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)：,渦流檢測(cè)（Eddy current Testing ，ET） 磁粉檢測(cè)（Magnetic particle Testing，MT） 滲透檢驗(yàn)（Penetrate Testing ，PT） 超聲檢測(cè)（ Ultrasonic Testing，UT） 射線檢測(cè)（ Radiographic Testing，RT）,內(nèi)部缺陷檢測(cè),表面開(kāi)口缺陷檢測(cè),表面缺陷檢檢測(cè) 近表面缺陷檢測(cè),已獲工程應(yīng)用的其他無(wú)損檢測(cè)方法主要有： 聲發(fā)射檢測(cè)、計(jì)算機(jī)層析成像檢測(cè)、全息干涉/散斑干涉檢測(cè)、泄漏檢測(cè)、目視檢測(cè)和紅外檢測(cè)等。,一、無(wú)損檢測(cè)技術(shù)概述,無(wú)損檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展,21世紀(jì)以來(lái)，伴隨著科學(xué)

3、技術(shù)特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字化與圖像識(shí)別技術(shù)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和機(jī)電一體化技術(shù)的大發(fā)展，無(wú)損檢測(cè)技術(shù)獲得了迅速發(fā)展。在航空航天、核技術(shù)、武器系統(tǒng)、電站設(shè)備、鐵道與造船、石油與化工、建筑、冶金、機(jī)械制造等領(lǐng)域中都有廣泛應(yīng)用。 目前，我國(guó)擁有17萬(wàn)無(wú)損檢測(cè)人員和2000多家無(wú)損檢測(cè)機(jī)構(gòu)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)與設(shè)備安全監(jiān)測(cè)中發(fā)揮著重要作用。,一、無(wú)損檢測(cè)技術(shù)概述,自動(dòng)無(wú)損檢測(cè)和定量無(wú)損檢測(cè),微觀缺陷檢測(cè)、在線檢測(cè)、在役檢測(cè),新原理、新方法、新技術(shù)的探索研究,無(wú)損檢測(cè) 技術(shù)發(fā)展方向,一、無(wú)損檢測(cè)技術(shù)概述,光學(xué)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)概述,早期，與超聲、射線、磁學(xué)等檢測(cè)方法相比,利用光學(xué)特性進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)的應(yīng)用并不廣泛。然而

4、，伴隨著計(jì)算機(jī)、圖像處理和纖維光學(xué)等新技術(shù)的發(fā)展, 光學(xué)無(wú)損檢測(cè)方法的實(shí)用性獲得了一定的發(fā)展。 激光技術(shù)的發(fā)展進(jìn)一步推動(dòng)了光學(xué)無(wú)損檢測(cè)方法的發(fā)展，并在無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域中取得了較大的成果。目前基于光學(xué)特性的無(wú)損檢測(cè)方法主要有全息干涉法、散斑干涉法等。,二、光學(xué)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)、原理及方法,二、光學(xué)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)、原理及方法,激光 激光是采用人工方法產(chǎn)生的一種特殊的光。由于激光的突出特點(diǎn)而成為全息和散斑檢測(cè)設(shè)備的光源。He-Ne激光器具方向性好（1mrad以下）、單色性好（線寬小于20Hz）、頻率穩(wěn)定性好（最高頻率穩(wěn)定度510-15 ，重復(fù)性310-14）、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、壽命長(zhǎng)、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，是目前使用最為廣

5、泛的一種氣體激光器。,光的干涉： 頻率相同、振動(dòng)方向相同和位相差恒定的相干光的直接疊加。在相干光相遇的地方，它們相交區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)振動(dòng)為每列波單獨(dú)在該點(diǎn)振動(dòng)的合成，因此光強(qiáng)有加強(qiáng)和減弱的情況。,光的衍射： 光束通過(guò)小孔、狹縫或物體的細(xì)微結(jié)構(gòu)時(shí)，光繞過(guò)障礙物偏離直線傳播路徑而進(jìn)入陰影區(qū)里的現(xiàn)象。,二、光學(xué)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)、原理及方法,全息干涉法（Holographic Interferometry ）,利用全息干涉法進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)是在全息照相技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種干涉計(jì)量技術(shù)，即把被檢測(cè)物體在兩種不同狀態(tài)下所顯示的全息圖進(jìn)行比較，從而檢測(cè)和計(jì)量物體表面和內(nèi)部的缺陷。,二、光學(xué)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)、原理及方法,

6、散斑干涉法（Speckle Interferometry ）,散斑干涉法是指通過(guò)對(duì)比變形前后的散斑圖的變化，從而高度精確地檢測(cè)出物體表面各點(diǎn)的位移。,散斑：具有漫反射性質(zhì)的物體在激光照射下反射的光在空間相干疊加，形成隨即分布的、或明或暗的斑點(diǎn)。散斑隨物體的變形或運(yùn)動(dòng)而變化。,全息照相,全息照相是一種記錄被照攝物體反射波全部信息(振幅和位相等)的新型攝影技術(shù)。 全息照相原理于1948年首先由諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者Gabor博士創(chuàng)立。全息照相主要應(yīng)用于工業(yè)無(wú)損探傷、全息顯微鏡、全息攝影存儲(chǔ)器、全息電影和電視等許多方面。,利用全息照相技術(shù)拍攝的照片,二、光學(xué)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)、原理及方法,光學(xué)全息原理,全息

7、記錄：采用照相的方法將物光與參考光相干涉得到的干涉條紋記錄下來(lái)，即全息圖。 全息再現(xiàn)：全息圖具有光柵狀結(jié)構(gòu)，當(dāng)用原參考光照射全息圖時(shí)，全息圖以光柵的形式產(chǎn)生衍射，其衍射光波與物體光波相似由此構(gòu)成物體的再現(xiàn)像。,物光,參考光,光源,干涉圖 （全息圖）,二、光學(xué)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)、原理及方法,激光全息無(wú)損檢測(cè)原理,將不同受載情況下的物體表面狀態(tài)用激光全息照相方法記錄下來(lái)，進(jìn)行比較和分析，從而評(píng)價(jià)被檢物體的質(zhì)量。,二、光學(xué)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)、原理及方法,激光全息無(wú)損檢測(cè)方法,1、激光全息檢測(cè)的加載方法 用激光全息照相來(lái)檢測(cè)物體內(nèi)部缺陷的實(shí)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(duì)物體施加載荷，一般使物體

8、表面產(chǎn)生0.2m的微差位移。常用的加載方式有以下幾種,聲加載法 熱加載法 內(nèi)部充氣法 表面真空法,二、光學(xué)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)、原理及方法,激光全息無(wú)損檢測(cè)方法,2、物體表面微差位移的觀察方法 物體在外載荷作用下，內(nèi)部缺陷所對(duì)應(yīng)的物體表間產(chǎn)生與其周圍不相同的微差位移。利用激光全息照相的方法進(jìn)行比較，從而檢測(cè)物體內(nèi)部的缺陷。,實(shí)時(shí)法 二次曝光法 時(shí)間平均法,二、光學(xué)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)、原理及方法,激光全息無(wú)損檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用,蜂窩結(jié)構(gòu)檢測(cè) 復(fù)合材料檢測(cè) 膠接結(jié)構(gòu)檢測(cè) 藥柱質(zhì)量檢測(cè) 充氣輪胎檢測(cè) 壓力容器檢測(cè) 印制電路板焊點(diǎn)檢測(cè),激光全息輪胎無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng),二、光學(xué)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)、原理及方法,、研究背景,為應(yīng)對(duì)全球氣候

9、變暖、生態(tài)破壞等現(xiàn)象，國(guó)際上制定了一系列加速推動(dòng)溫室氣體減排、減緩全球變暖趨勢(shì)、保護(hù)臭氧層政策和法規(guī)，我國(guó)也堅(jiān)定的走綠色環(huán)?？沙掷m(xù)發(fā)展道路。因此，化工制冷行業(yè)迫切需要找到新的環(huán)保制冷劑代替氫氯氟烴(HCFCS ) 等。 氣液、液液等之間傳質(zhì)在化工過(guò)程中普遍存在。液相分子擴(kuò)散系數(shù)是描述質(zhì)量傳遞的最重要的物性參數(shù), 是化工上替代制冷劑研究急需的主要參數(shù)之一。,三、基于光學(xué)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用,傳質(zhì)： 體系中由于物質(zhì)濃度不均勻而發(fā)生的質(zhì)量轉(zhuǎn)移過(guò)程。在化學(xué)工業(yè)中，一般應(yīng)用的是氣-液系統(tǒng)；液-液系統(tǒng)和固-液系統(tǒng)之間的傳質(zhì)過(guò)程。,本文綜合運(yùn)用數(shù)字圖像處理技術(shù)與光干涉法，提出了一種基于圖像處理技術(shù)的測(cè)量液相質(zhì)

10、擴(kuò)散系數(shù)方法。 在液相質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)測(cè)量原理基礎(chǔ)上,用CCD傳感器取代雙曝光全息干涉法和實(shí)時(shí)全息干涉法中的感光干板,并記錄干涉條紋圖。由于折射率和溶液濃度存在著一一對(duì)應(yīng)關(guān)系,可以通過(guò)分析不同時(shí)刻的干涉條紋圖獲得溶液濃度的變化,通過(guò)換算進(jìn)而得到質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)。,圖 數(shù)字全息干涉圖像處理流程圖,三、基于光學(xué)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用,、液相質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)定,1、液相質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)量原理,Fick第二定律是質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)實(shí)驗(yàn)測(cè)量和理論推算的理論基礎(chǔ)，依據(jù)該定律可得擴(kuò)散系數(shù)D:,式中： Zm 溶液濃度變化極值點(diǎn)間的距離； t0、t1 分別為前后兩張全息圖的曝光時(shí)間；,物光相位差的變化和溶液濃度c2變化的關(guān)系:,式中：k

11、濃度變化和折射率變化之間的比例系數(shù)； 物光波長(zhǎng)； l 擴(kuò)散槽厚度；,三、基于光學(xué)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用,質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)D,液相質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)量原理框圖,物光相位差變化,濃度變化的極值點(diǎn)Zm,曝光時(shí)間t0和t1 由計(jì)算機(jī)硬件時(shí)鐘獲得,三、基于光學(xué)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用,2、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建,圖 數(shù)字激光全息干涉法質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)測(cè)量光路圖 1He-Ne 激光器；2、5、8平面鏡；3空域?yàn)V波器；4、7分光棱鏡；6擴(kuò)散槽；9CCD 傳感器；10帶有圖像采集卡的計(jì)算機(jī),數(shù)字激光全息干涉法質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)測(cè)量原理,三、基于光學(xué)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用,數(shù)字圖像自動(dòng)采集系統(tǒng),圖 數(shù)字圖像自動(dòng)采集系統(tǒng),數(shù)字圖像自動(dòng)采集系統(tǒng)由CCD 傳感器,

12、 帶有圖像采集卡、存儲(chǔ)軟件和圖像處理軟件的計(jì)算機(jī)組成。 全息干涉圖像信息使用CCD傳感器接收, 由圖像采集卡采集后送至計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理和分析，采集后獲得分辨率為2 0481536的全息干涉圖像。,三、基于光學(xué)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用,在數(shù)字全息干涉圖像處理過(guò)程中，本文采用了全息干涉圖的預(yù)處理、全息干涉圖的頻域?yàn)V波、數(shù)字全息干涉條紋再現(xiàn)、全息干涉圖相位展開(kāi)、全息干涉圖的后處理等關(guān)鍵技術(shù)。本文利用MATLAB 軟件對(duì)數(shù)字圖像采集系統(tǒng)記錄的全息圖進(jìn)行分析和處理, 清晰地再現(xiàn)了干涉條紋圖。,3、數(shù)字全息干涉圖像處理,圖 數(shù)字全息干涉圖像的處理過(guò)程,三、基于光學(xué)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用,全息干涉圖的預(yù)處理,全息干涉圖

13、的預(yù)處理須采取圖像增強(qiáng)技術(shù),主要有空域法和頻域法。其目的是為了改善圖像的視覺(jué)效果, 提高圖像的清晰度和工藝的適應(yīng)性, 同時(shí)便于人和計(jì)算機(jī)的分析與處理, 滿足圖像的復(fù)制或再現(xiàn)要求。,圖 全息干涉原始圖像及其直方圖,圖 均值化后全息干涉圖像及其直方圖,均值化修改后,直方圖的灰度間隔被拉大了,更有利于圖像的分析與識(shí)別。,三、基于光學(xué)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用,全息干涉圖的預(yù)處理,中值濾波是一種典型的低通濾波器, 主要目的是保護(hù)圖像邊緣, 同時(shí)可去除噪聲。中值濾波后的全息干涉圖像,經(jīng)過(guò)圖像增強(qiáng)、濾波等預(yù)處理后，全息圖條紋更加平滑, 對(duì)比度明顯增強(qiáng), 有利于進(jìn)一步的數(shù)字處理。,圖 全息干涉原始圖像,圖 中值濾波

14、后的全息干涉圖像,中值濾波,三、基于光學(xué)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用,全息干涉圖的頻域?yàn)V波,對(duì)全息干涉圖進(jìn)行傅立葉變換,可得到全息干涉圖的傅立葉頻譜信息，反映物光的真實(shí)相位。,圖 全息干涉圖傅里葉變換頻譜信息,圖 濾波后的全息干涉圖頻譜信息,C1代表參考光的直透部分；C2代表物體各點(diǎn)的自相干以及物體各點(diǎn)之間的互相干項(xiàng), 經(jīng)過(guò)移頻后它們出現(xiàn)在圖像的中心位置(頻譜中心),C3是原始物光波前的準(zhǔn)確再現(xiàn)。,三、基于光學(xué)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用,數(shù)字全息干涉條紋再現(xiàn),對(duì)在兩個(gè)不同時(shí)刻得到全息圖的頻譜信息進(jìn)行反傅立葉變換, 可以得到原始物光波的真實(shí)相位。,圖數(shù)字全息干涉條紋再現(xiàn),三、基于光學(xué)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用,數(shù)字全息干

15、涉條紋再現(xiàn),對(duì)在兩個(gè)不同時(shí)刻得到全息圖的頻譜信息進(jìn)行反傅立葉變換, 可以得到原始物光波的真實(shí)相位。,圖 相位展開(kāi)前的物光相位差信息,圖 相位展開(kāi)后的物光相位差信息,三、基于光學(xué)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用,全息干涉圖的后處理,本文中，全息干涉圖的后處理包括物光相位分布的展開(kāi)和獲取物光真實(shí)的相位差。 通過(guò)測(cè)量相位展開(kāi)后的物光相位差極值點(diǎn)間的距離，從而得到在擴(kuò)散方向上濃度變化極值點(diǎn)間的距離Zm, 拍攝全息圖的時(shí)間t0、t1可通過(guò)圖像自動(dòng)存儲(chǔ)軟件獲得,由計(jì)算公式可得到質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)。,三、基于光學(xué)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用,、實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果,激光全息干涉裝置的可靠性驗(yàn)證 溶液：濃度為0.33mol/l的KCl水溶液 溫度：

16、298.15K溫度,表1 KCL水溶液在298.15 K下質(zhì)擴(kuò)散系數(shù),總相對(duì)誤差： 激光全息干涉裝置是精確的和可靠的,三、基于光學(xué)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用,、結(jié)論,本文利用He-Ne激光器、CCD和圖像采集系統(tǒng)等設(shè)備組成了基于數(shù)字激光全息干涉法測(cè)量液相質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)； 本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，采用了預(yù)處理、頻域?yàn)V波、干涉條紋再現(xiàn)、相位展開(kāi)、后處理等關(guān)鍵技術(shù)對(duì)全息干涉圖進(jìn)行了處理, 獲得了相位展開(kāi)后的物光相位差, 從而為獲得質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)奠定了基礎(chǔ)； 本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中, 選取濃度為0.33mol/l的KCl水溶液在298.15K溫度條件下進(jìn)行質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)實(shí)驗(yàn)。將實(shí)驗(yàn)值與文獻(xiàn)值相比，驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的精確性和可靠性, 為化工工程上研究替代制冷劑急需的質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)測(cè)量提供了一個(gè)有效的方法。,三、基于光學(xué)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用,以光學(xué)為基礎(chǔ)的NDT方法仍在不斷發(fā)展和探索中。利用光學(xué)特性對(duì)物體進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)具有以下特點(diǎn)：,可實(shí)現(xiàn)快速大面積檢測(cè) 可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離無(wú)接觸式探測(cè) 物體缺陷容易判斷 檢測(cè)直觀、安全無(wú)毒、無(wú)射線危害 可實(shí)時(shí)或瞬時(shí)觀察缺陷變化情況 精度高、靈敏度高,四、總結(jié)及展望,實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，光學(xué)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)也存在一定得局限:,一般需應(yīng)力干擾, 某些技術(shù)還只限于在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行, 有一定的防震避光要