第五章光学全息无损检测ppt课件.ppt

第五章 光学全息无损检测,一 全息照相的概念,二 全息照相基本原理,三 激光全息检测基本原理,四 激光全息检测方法,五 激光全息检测的应用,一 全息照相的概念,全息照相术是一种新型的照相技术，其成像过程是： 利用光的干涉和衍射现象，在照相干板或胶片上以干涉条纹的形式把图像记录下来，然后用光照射这种干板（称作全息干板），就能以立体形式再现出原来的物体像。,全息照相有一些突出的特点：比如它的像有三维立体性、其干板具有可分割性、可多次记录性等等。普通照相在胶片上记录的仅是物光的振幅信息（即光强分布），而全息照相记录了物光的振幅及相位信息，“全息”也因此而得名。,全息照相术的起源,全息术最初是由英国科学家丹尼斯伽柏（Dennis Gabor）于1948年提出来的，伽柏并因此在1971年获得了诺贝尔物理学奖。当初的目的是想利用全息术提高电子显微镜的分辨率，伽柏当初使用汞灯作为光源，但是汞灯作为光源还不是很理想，这种技术由于要求高度相干性及高强度的光源而一度发展缓慢,1960年，梅曼（Maiman） 研制成功了红宝石激光器。1961年，贾范（Javan）等制成了氦氖激光器 一种前所未有的优质相干光源诞生了。1962年，美国科学家E.N.利思和J.乌帕特尼克斯用激光器对伽柏的技术做了划时代的改进，全息术的研究从此获得了突飞猛进的发展。近40年来，全息技术的研究日趋广泛深入，逐渐开辟了全息应用的新领域，成为近代光学的一个重用分支。,全息照相术的发展,如图1，使从点光源（可以认为是从物体上的一点反射出来的光，也可考虑为有一个针孔）发出的相干激光束A与另一方向射来的激光束B在照相干板上叠加而产生干涉。形成如图2所示的那样的干涉条纹。如果将这种干板冲洗后则可变成一种衍射光栅如图3 ，即全息照片（或全息图） .,图1,图2,图2,图2,图3,二 全息照相基本原理,如果将全息照片置于原来的位置，并在与记录干涉条纹的参考光照射的方向相同的方向上用相干光照射，则此照射光在冲洗后的干板（衍射光栅）上被衍射。由图4可知，在衍射光栅的栅格间距小的地方，光的衍射角大；在衍射光栅的栅格间距大的地方，光的衍射角小。结果，整个衍射光就好像从原来点光源所在位置传播过来的方向上被衍射。,图4,二 全息照相基本原理,同样，如果放置两个点光源，通过与另外的相干光形成干涉条纹，并记录在干板上，则自然会有两种不同的干涉条纹相重叠地被记录下来。 并且，每种干涉条纹都具有与各自的点光源的光强相应的反差，从而起衍射光栅的作用，使得衍射光象是从原来两个点光源所在位置传播过来似的被衍射。在类似的点光源极多的情况下，也可按这种方式处理。,二 全息照相基本原理,被光照射的物体可以看作是无数点光源的集合体。在这种情况下，非常复杂的干涉条纹被记录下来，当用相干光照射干板时，光在与原物体存在时相同的方向上被衍射。,换言之，在物体原来所在的位置上将再现它的像，这就是全息照相的原理。,干涉条纹间距：如图5，用分束镜将一束相干光分为两束，它们再以某一角度在干板上叠加，则会形成大致一样的干涉条纹。这些干涉条纹的间距为 x的大小由波长和两束光的夹角决定,图5,二 全息照相基本原理,空间频率或空间载波：这样产生的干涉条纹如图6所示，是黑白相间周期性重复的排列。每一毫米内存在的干涉条纹数称作空间频率或空间载波，这样产生的空间载波未受任何调制。,图6,如图7所示，如果在一个方向上的光束中途放置一块幻灯片之类的透射体，利用从透射体透射出来的光，或者是利用照射物体时产生的反射光，与另一方向上的相干光（即参考光）叠加而形成干涉条纹，则这样形成的干涉条纹不再是规则排列的清晰条纹，而是变成了复杂的干涉条纹。这种情况，可以认为是空间载波被物体所调制。,图7,二 全息照相基本原理,这样记录下来的受到物体光波调制了的干涉条纹，就是全息图。图8是全息图实际记录过程的图解，,如果要由全息图再现原物的形状和位置，则如图9那样，用同一波长的相干光照射全息图，被调制的空间频率就像一种衍射光栅一样把光波衍射。由于被衍射的光是沿着与透过物体的光或被物体反射的光相同的方向行进，所以再现的像在空间也有景深，从而可观测到三维的立体象。,相对而言，一般照相技术仅仅是个记录过程，而全息照相术具有记录和再现过程两个阶段，再现出来的像恰是来自物体的光的波面本身,二 全息照相基本原理,三 激光全息检测基本原理,1 激光全息检测的原理（1） 激光全息检测的原理 激光全息检测：是利用激光全息照相来检测物体表面和内部缺陷的。 因为物体在受到外界载荷作用下会变形，这种变形与物体是否含有缺陷直接相关。 在不同的外界载荷作用下， 物体表面变形的程度是不相同的。 激光全息照相是将物体表面和内部的缺陷通过外界加载的方法，使其在相应的物体表面造成局部的变形，用全息照相来观察和比较这种变形，并记录下不同外界载荷作用下的物体表面的变形情况，进行观察分析， 然后判断物体内部是否存在缺陷。,P,1） 两束光频率相同， 且有相同的振动方向和固定的相位差 2） 两束光波在相遇处所产生的振幅差不应太大，否则与单一光波在该处的振幅没有多大的差别，因此也没有明显的干涉现象3） 两束光波在相遇处的光程差不能太大， 即两束光波传播到该处的距离差值不能太大,（1） 激光全息检测的原理,相干振动合成,（1） 激光全息检测的原理,（1） 激光全息检测的原理,全息照相的拍摄原理,拍摄全息照片的基本光路大致如图一激光光源（波长为 ）的光分成两部分：直接照射到底片上的叫参考光；另一部分经物体表面散射的光也照射到照相底片，称为物光。参考光和物光在底片上各处相遇时将发生干涉，底片记录的即是各干涉条纹叠加后的图像。,关于强度：显然参考光各处的强度是一样的，但由于物体表面的反射率不同，所以物光的强度各处不同。因此，参考光和物光叠加干涉时形成的干涉条纹各处浓淡也就不同。,全息照相的拍摄原理,关于相位:如图,设O为物体上某一发光点设参考光在a处的波动方程为:,全息照相的拍摄原理,设a、b为相邻的两暗纹,由干涉知：a 、b两处的物光与参考光必须都反相.因为a b两处的参考光相同,所以其物光的波程差为.由几何关系知:,由此可知: 当不同时-物光与参考光形成的干涉条纹的间距也不 同-而的大小-反映出物光光波的相位. 再根据条纹的方向-可确定出物体的前后,上下,左右的位置.,全息照相的观察原理,观察全息照片的光路图如下：全息照片不同于普通照片,其底片不显示物体的形象,而是干涉条纹叠加后的图像。冲洗时只是改变了不同部分的透光性，观察时,需利用与拍照时同频率的光的衍射原理。,仍考虑相邻的两条纹a和b,此时二者为两透光缝。由惠更斯-菲涅耳原理知:处于同一波阵面上的a、 b可以当成子波波源,其强度皆为激光光源的强度。沿原来从物体上O点发来的物光的方向的两束衍射光,由几何知识知其光程差恰为。由发光点O在底片上各处造成的透光缝透过的光形成的衍射条纹会使人眼感到原来的O点处有一发光点O。所有发光点的对应的衍射条纹会使人眼看到一个处于原来位置的完整的立体虚像。,全息照相的特点,1.全息照片衍射形成的立体虚像是一个真正立体的,当人眼换一个位置时,便可以看到物体的侧面像,即物体上原来被挡住的部分也可以看到。 2.即使是全息照片的一块残片,也可以看到整个物体的立体象.因为拍摄照片时,物体上的点发出的物光在整个底片上处处与参考光发生干涉,也就是说,在底片上处处都有某一点的记录。 3.在用光照射底片时,在与原来物光对称方向的两束光,其光程差也为,光线汇聚将会在 O”处形成一实像。,2 激光全息检测的特点（1） 由于激光全息检测是一种干涉计量技术，其干涉计量的精度与波长同数量级，因此，极微小的变形都能检验出来， 检测的灵敏度高。 （2） 由于激光的相干长度很大，因此，可检验大尺寸物体，只要激光能够充分照射到的物体表面，都能一次检验完毕 （3） 激光全息检测对被检对象没有特殊要求，可以对任何材料、任意粗糙的表面进行检测。 （4） 可借助于干涉条纹的数量和分布状态来确定缺陷的大小、部位和深度，便于对缺陷进行定量分析。 ,该检测方法：还具有非接触、直观、检测结果便于保存等特点。但是，物体内部缺陷的检测灵敏度取决于物体内部缺陷在外力作用下能否造成物体表面相应变形。,四 激光全息检测方法1 物体表面微差位移的观察方法 （1） 实时法 先拍摄物体在不受力时的全息图，冲洗处理后，把全息图精确地放回到原来拍摄的位置上，并用与拍摄全息图时同样的参考光照射，则全息图就会再现出物体三维立体像(物体的虚像)， 再现的虚像完全重合在物体上。 这时对物体加载，物体的表面会产生变形，受载后的物体表面光波和再现的物体虚像之间就形成了微量的光程差。 由于两个光波都是相干光波(来自同一个激光源)，并几乎存在于空间的同一位置，因此， 这两个光波叠加就会产生干涉条纹。 由于物体的初始状态(再现的虚像)和物体加载状态之间的干涉度量比较是在观察时完成的，因此称这种方法为实时法。,实时法的优点是： 只需要用两张全息图就能观察到各种不同加载情况下的物体表面状态，从而判断出物体内部是否含有缺陷。 因此，这种方法既经济，又能迅速而确切地确定出物体所需加载量的大小。 其缺点是： 1） 为将全息图精确地放回到原来的位置，就需要有一套附加机构，以便使全息图位置的移动不超过几个光波的波长。 2） 由于全息干版在冲洗过程中乳胶层不可避免地要产生一些收缩，当全息图放回原位时，虽然物体没有变形，但仍有少量的位移干涉条纹出现。 3） 显示的干涉条纹图样不能长久保留。,（2） 两次曝光法 将物体在两种不同受载情况下物体表面光波摄制在同一张全息图上，然后再现这两个光波，而这两个再现光波叠加时仍然能够产生干涉现象。 这时所看到的再现图像，除了显示出原来物体的全息像外，还产生较为粗大的干涉条纹图样。 这种条纹表现在观察方向上的等位移线，两条相邻条纹之间的位移差相当于再现光波的半个波长，若用氦氖激光器作光源，则每条条纹代表大约0.316 m的表面位移。 可以从这种干涉条纹图样的形状和分布来判断物体内部是否有缺陷。 ,两次曝光法干涉原理：,设被摄物光波为：,变形后的物光波为：,参考光波为：,设两次曝光时间分别为：,在线性记录条件下全息图的振幅透过率与曝光量成正比：,如果用参考光再现，则再现光场为：,式中1、4项为直射项；2、5项为原始像项，对应物体的两种状态；3、6项为共轭项。我们观察的是原始像项，其复振幅为：,两束光干涉时，振幅相等，则条纹反衬度最好，故记录时应使：,在满足上式时，略去不重要常数项，可得有用干涉光场强度,2. 激光全息检测的加载方法 （1） 内部充气法：对于蜂窝结构(有孔蜂窝)、轮胎、压力容器、管道等产品，可以用内部充气法加载。蜂窝结构内部充气后，蒙皮在气体的作用下向外鼓起。脱胶处的蒙皮在气压作用下向外鼓起的量比周围大，形成脱胶处相对于周围蒙皮有一个微小变形。,（2） 表面真空法：对于无法采用内部充气的结构，如不连通蜂窝、叠层结构、钣金胶结结构等，可以在外表面抽真空加载，造成缺陷处表皮的内外压力差，从而引起缺陷处表皮变形。 （3） 热加载法：这种方法是对物体施加一个适当温度的热脉冲，物体因受热而变形，内部有缺陷时，由于传热较慢，该局部区域比缺陷周围的温度要高。因此，造成该处的变形量相应也较大，从而形成缺陷处相对于周围的表面变形有了一个微差位移。,3 全息检测实例,（1）反射式全息：是利用后照相乳胶的布拉格衍射效应来实现的，如图10所示。激光细光束经扩束镜L扩束后照射在全息干板H上作为参考光，透过H的光照明物体，经物体漫反射的光成为物光，干板的乳胶面向着物体，由于乳胶感光材料的透过率为30%50%，若物体的反射率较高，则光束比能满足全息图的记录条件。,图10,在这种记录中，物光和参考光之间的夹角接近180，因而在记录介质中能建立起驻波。所形成的干涉条纹基本上平行于记录介质表面，条纹实际上是层状的，其间距约为介质中光波长的一半。对光的衍射作用与三维光栅衍射一样。,布拉格条件：,在再现过程中，根据布拉格衍射原理，再现光在这种三维干涉面上的衍射极大值必须满足下列条件：光从衍射面上反射时，反射角等于入射角；相邻两干涉层的反射光之间的光程差必须是。这就是布拉格条件。,反射式全息图的角度选择性和波长选择性：当照明干板的光束为单色光时，只有在某些特定的角度下才能观察到再现像；当不同波长的混合光（例如白光）以一确定的入射角照明干板时，只有某些特定的波长满足布拉格条件而产生再现像，其中只有一种波长的衍射效率为最高。,（2）两次曝光法测定金属板的杨氏模量,全息干涉计量：是全息术应用的一个重要方面。全息干涉与普通干涉十分相似，其干涉理论和测量精度基本相同，只是获得相干光的方法不同。全息干涉的相干光是采用时间分割法而获得的，也就是将同一束光在不同的时刻记录在同一张全息干板上，然后使这些波前同时再现并产生干涉。时间分割法的特点是：相干光束由同一光学系统产生，因而可消除系统误差，从而可降低对光学系统中各光学元件的精度要求，这也是全息干涉计量的一个很重要的特点,普通干涉：只能测量表面经过抛光的透明物体或反射面全息干涉：不仅可以测量透明物体，也可以测量不透明物体，并且表面可以是散射体。全息干涉还可通过表面的变化来检测物体内部的缺陷，这就是全息无损检测。学习二次曝光法测定金属板的杨氏模量：有助于加深对全息干涉计量基本原理的理解，以及了解全息干涉法的基本技术及其应用。,两次曝光法测定金属板的杨氏模量光路如图：激光束经扩束镜照射在干板上为参考光，透过干板后的光束经铝板反射后照射在干板上即为物光。首先在铝板自由端未受力时作第一次曝光，干板上记录了铝板处于原始状态时的全息图；然后通过加力装置对铝板的自由端加力后作第二次曝光，干板上又记录了铝板受力变形后的全息图。再现时同时复现铝板两个状态下的物光波前，这两个波前产生干涉，形成一簇等光程差的干涉条纹。如能测出某级亮纹或暗纹所在处沿铝板纵轴方向的位置，即可算出其杨氏模量,（3）透射式全息照相,透射式全息的光路如图:由激光器输出的细激光束经M反射后被分束镜分成两束.反射的一束经3再次反射并经2扩束后，照在全息干板上作为参考光束；透射的一束由2反射折转，再经过L扩束后照明物体，经物体漫反射形成的物光也到达全息干板上。物光与参考光在全息干板上发生干涉将形成复杂的干涉图样，干板经冲洗吹干后即可得到一张透射式全息图,将制得的全息图放回原位，遮住物光并取走物体，用原参光照明，则透过全息图可看到原来放物体处有物体的虚像，犹如物体没取走一样，物体的虚像具有明显的视差效应，人眼通过全息图观察物体的虚像，就像通过一个“窗口”观察真实物体一样，具有强烈的三维真实感，当人眼在全息图后左右移动时，可看到物体的不同部位,五 激光全息检测的应用1. 蜂窝结构检测 蜂窝夹层结构的检测可以采用内部充气、加热以及表面真空的加载方法。例如飞机机翼，采用两次曝光和实时检测方法都能检测出脱粘、失稳等缺陷。当蒙皮厚度为0.3 mm时，可检测出直径为5 mm的缺陷。采用激光全息照相方法检测蜂窝夹层结构， 具有良好的重复性、 再现性和灵敏度。,蜂窝结构板脱粘区的全息再现干涉条纹,2. 复合材料检测以硼或碳高强度纤维本身粘接以及粘接到其他金属基片上的复合材料，是近年来极受人们重视的一种新材料。它比目前采用的均一材料更具有强度高等优点，是宇航工业中很有应用前途的一种结构材料。 但这种材料在制造和使用过程中会出现纤维内部、纤维层之间以及纤维层与基片之间脱粘或开裂，使得材料的刚度下降。当脱粘或裂缝增加到一定量时，结构的刚度将大大降低甚至导致损坏。全息照相可以检测出材料的这种缺陷。,3. 胶结结构检测在固体火箭发动机的外壳、绝热层、包覆层及推进剂药柱各界面之间要求无脱粘缺陷。目前多采用X射线检测产品的气泡、夹杂物等缺陷，而对于脱粘检测却难于检查。超声波检测因其探头需要采用耦合剂，而且在曲率较大的部位或棱角处无法接触而形成“死区”，限制了它的应用。利用全息照相检测能有效地克服上述两种检测方法的缺点。,4 药柱质量检测激光全息照相也可以用来检测药柱内部的气孔和裂纹。 通过加载使药柱在对应气孔或裂纹的表面产生变形，当变形量达到激光器光波波长的1/4时，就可使干涉条纹图样发生畸变。利用全息照相检测药柱不但简便、快速、经济，而且在检测界面没有粘接力的缺陷方面， 有其独特的优越性。,5 印制电路板焊点检测 由于印制电路板焊点的特点，一般采用热加载方法。 有缺陷的焊点，其干涉条纹与正常焊点有明显的区别。为了适应快速自动检测的要求，可采用计算机图像处理技术对全息干涉图像进行处理和识别，通过分析条纹的形成等判断焊点的质量，由计算机控制程序完成整个检测过程。,6压力容器检测 小型压力容器大多数采用高强度合金钢制造。由于高强度钢材的焊接工艺难于掌握，焊缝和母材往往容易形成裂纹， 加之容器本身大都需要开孔接管和支撑，存在着应力集中的部位，工作条件又较苛刻，如高温高压、低温高压、介质腐蚀等都促使容器易于产生疲劳裂纹。疲劳裂纹在交变载荷作用下不断扩展，最终会使容器泄漏或破损。 传统的检验方法是采用磁粉检验、射线检验和超声波检验， 或采用高压破损检验，但检测速度较慢，难于取得圆满效果。 采用激光全息照相打水压加载法，能够检测出3 mm厚的不锈钢容器的环状裂纹，裂纹的宽度为5 mm、深度为1.5 mm左右。后图为一压力容器的激光全息检测的照片。用激光全息方法还可以评价焊接结构中的缺陷和结构设计中的不合理现象等。,压力容器激光全息检测照片 (a) 合格产品； (b) 不合格产品,激光全息无损检测发展趋势,局限：激光全息无损测试技术经历了40多年的发展，真正应用到生产实际的项目并不多，而且仅局限在航空航天工业部门，造成这种局面的原因是多方面的。首先是激光全息无损测试技术本身的局限性。到目前为止，这项技术仍然依赖隔振平台、银盐干版记录、暗室条件下工作。而且检测系统复杂，投资大，操作技术要求熟练，因而很难推广应用到生产实际中去。而只能用于军工部门，去解决一些用常规检测方法无法解决而又必须进行无损测试的零部件。,其次是投入不够，由于这项技术本身的局限性，因而不能引起企业家的兴趣和政府的关心，长期以来在资金投入方面很少，全靠科技工作者自发地进行研究，由此而导致了设备陈旧。第三是与相关学科交叉结合不紧。例如银盐记录介质在实时全息干涉记录中无法记录瞬态连续变形的问题亟待解决。第四是CCD应用、计算机数字图像处理等新技术发展速度非常快，相应要求激光全息无损测试设备快速更新。,激光全息无损检测发展趋势,激光全息无损检测发展趋势,前景：激光全息无损测试技术有其自身的独特优点，能解决一些常规检测方法或难以解决问题。例如对复合材料、蜂窝夹层结构、叠层结构、飞机轮胎的检测就具有明显的优点，是射线、超声、磁粉、涡流、渗透等常规方法难以比拟的。因此，激光全息无损测试技术经过不断的发展和完善，将会起到重要作用。,