《无损检测导论》
课程论文
激光散斑检测技术在航空领域的应用
一、应用背景
复合材料在航空、航天、兵器、船舶、汽车、建筑、医疗、制药、压力容器、橡胶工业等行业中占的比例越来越大，然而复合材料在生产和使用过程易产生开胶、分层、冲击损伤、渗水、蜂窝变形等缺陷，缺陷的扩展给装备带来安全隐患。目前国内复合材料的检测普遍采用落后的敲击法、超声波、声阻检测方法，这些方法普遍存在灵敏度低、对操作者要求高、缺陷难以定量和定位、检测速度慢等问题。国外普遍采用先进的激光错位散斑成像无损检测技术，不仅检测灵敏度高，缺陷可以直观数码成像，还可以精确测量缺陷的尺寸、位置，操作简捷方便、速度快，成为复合材料生产或现场无损检测专门解决方案。 成立于1977年的美国激光技术有限公司(LTI)是世界激光散斑成像无损检测技术的领导者，其激光散斑成像技术克服了其它检测手段和早期激光干涉检测技术的许多瓶颈和局限，广泛应用于飞机、火箭、卫星、导弹、舰船、飞船、装甲等生产或在役检测，在实践中证实了巨大的成本效益和超强的无损检测能力。
二、发展
激光散斑检测技术于八十年代初期开始应用于无损检测领域，纵观激光检测技术的发展历史,经历了几个发展阶段。20世纪80年代,出现了激光全息技术,虽具有灵敏度高的优点,也存在着干版化学处理繁琐、必须在隔振台和一定暗室条件下才能工作的缺点。通过CCD摄像机取代干版、隔振性能改善等一系列改进,出现了电子散斑干涉技术(ESPI),但其还不能适应现场检测的需要,目前已进入到激光错位散斑技术 (shearography)时代。
激光错位散斑干涉技术该技术具有全场性、非接触、无污染、高精度和高灵敏度、快速实时检测等优点适用于蜂窝夹层结构、橡胶轮胎、复合材料粘结质量的检测，并已在航空、航天、汽车和建筑等领域得到了广泛的应用
三、基本原理
激光错位散斑干涉也称剪切散斑，是在单光束散斑干涉的基础上，利用有一定角度的玻璃光楔使得成像平面上造成特定的错位，在照相干板得到双曝光错位散斑图，再以适当的光路布置显现出条纹进行分析
通过被检物体在加载前后的激光散斑图的叠加，从而在有缺陷部位形成干涉条纹。由于是利用物体表面反射的光通过棱镜后产生的微小剪切量形成散斑干涉图，不需要参考光路，因此外界干扰的影响小，检测时不需要防震工作台，便于在现场使用。随着激光散斑测量技术的发展，采用CCD摄像机输出干涉图像信号，省去了显影定影等繁杂的湿处理手续，大大提高了检测效率，同时可直接将输出的数字化信号与计算机连接，自动处理，并可在计算机屏幕上实时观察到干涉图形，现场应用十分方便。
散斑检测和全息检测一样，都是大范围、非接触、高精度的检测方法。目前高分辨率的激光散斑检测系统可检测出91．4cm视场范围内大小仅o．64cm的机身脱胶缺陷，用于登机检测的便携式激光散斑摄像器最轻重量仅有141．8g[3|。散斑技术在飞机机身及部件的现场检测、火箭壳体和衬套的分层缺陷检测、复合材料的检测等方面都有广泛应用。
激光散斑检测技术(Laser Shearography tes-ting)是利用激光干涉原理,测量物体表面的离面位移,通过选用适当的加载方式(加热、真空、加压振动等),使激光超声检测复杂型面零件缺陷处产生与正常部位不一样的离面位移,从而在检测图像中显示出来,其机理如图1所示。
具有非接触检测、微米级能可靠检测、变形信息二维实时显示、能检测出紧贴性脱粘缺陷、高灵敏度和高效率的优点。
四、应用
激光散斑检测技术已在航空工业中得到广泛应用,据美国LTI公司介绍,该公司的激光散斑系统在世界范围内已经安装使用了450套,主要用于复合材料结构缺陷的检测。如夹层结构的脱粘、层板结构的分层、蜂窝芯格变形、拼接裂纹、气泡、冲击或撞击损伤、渗水、腐蚀和外来物等。
激光散斑检测技术除了可以测量物体的位移（包括内位移）、应变以外，还可用于无损检测、物体表面粗糙度测量、塑形区测量、振动测量、纹间位移场测量等。
目前高分辨率的激光散斑检测系统可检测出91.4 cm视场范围内大小仅0.64 cm的机身脱胶缺陷,激光散斑检测技术应用实例如图2所示。
1、热加载多层粘接层压板的检测：
2、热加载蜂窝结构的检测：
3、压力加载复合材料缠绕高压容器的检测：
4、真空加载泡沫夹心复合材料检测：
5、钢瓶一橡胶粘接检测：
五、多种形式的激光散斑成像检测设备
l、生产型检测系统：生产型固定式激光散斑无损检测系统在航空、航天、造船、压力容器等领域得到了广泛的应用，并且可以根据具体检测需求进行定制。
2、便携式检测系统：便携式激光散斑检测系统既适合于生产或修理车间，也适合外场或现场对复合材料进行无损检测：
值得注意的是由于该技术是通过表面变形检测缺陷的,某些加载方式有时会使被测缺陷产生异常变形,因此,如有可能,应先采用材料力学性能数据预测可检测性。
六、检测工艺
以激光错位散斑干涉技术对预置脱粘缺陷的铝蜂窝结构样件进行无损检测为例说明激光散斑检测过程。 检测仪器
采用LTI-5100HD激光错位散斑检测系统对试样进行检测，该系统主要包括了CCD相机，加载装置，激光器，控制台四部分。其中CCD相机为LTI-5100HD数字激光剪切散斑相机，激光光源为He-Ne激光，波长λ=532nm，能量为150mV。装置如图2所示：
被检测对象
本实验检测对象为根据航标HB5461-1990《金属蜂窝胶接结构缺陷类型及试块》制造的蜂窝结构标样件[5]，大小为450mm×330mm，蒙皮材料为铝，蒙皮厚度为0.4mm，蜂窝芯材料为铝。对样件预置圆形人工缺陷，直径分别为10mm、15mm、20mm、30mm四种规格，预制缺陷分为四种类型的脱粘缺陷：
第一排为上贴膜伤：在蒙皮和胶膜之间加一层聚四氟乙烯膜，模拟蒙皮与胶膜之间紧贴型脱粘；
第二排为去膜下陷伤：去除蒙皮与蜂窝芯子之间的胶层，并将蜂窝下压2mm，模拟胶膜与蜂窝之间有间隙型的脱粘缺陷；
第三排为下贴膜伤：在蜂窝与胶层之间加
一层聚四氟乙烯膜，模拟胶膜与蜂窝之间
紧贴型脱粘；
第四排为下陷加膜伤：将蜂窝芯下陷2mm，
并在蒙皮与蜂窝间加两层聚四氟乙烯膜，
模拟胶膜与蜂窝之间有间隙型的脱粘缺陷。
其中聚四氟乙烯膜的厚度为0.02mm，胶
层厚度为0.15~0.02mm。四种类型、四种
直径，共计16个模拟脱粘缺陷。
检测过程
选取参数：激光错位散斑检测常用的加载方式有热加载、压力加载、真空加载、振动加载等。因为检测对象为铝蜂窝，针对其导热性和热膨胀系数较高等性能，用热加载会取得比较理想的变形效果，本试验选取热加载方式对试件进行检测，
首先在物体加载前获取一幅错位散斑干涉图，随后获取加载后的错位散斑图，两图进行组合运算得出相位图并进一步处理，得出检测结果如图3所示：
七、激光散斑无损检测优点
1实时、全场、非接触；
2无害、无需水或其它介质，对环境没有污染；
3 检测分辨率和灵敏度高，可达微米级 ；
4更高的检测效率，是超声等其他检测的2.5到120倍；
5对结构无特定要求，可检测复杂型面（平面和曲面均可）；
6检测结果直观、易读，可以精确定位缺陷大小、位置；
7检测不受外界条件的影响，可在外场或车间等工业现场
8自动化处理、可安装在监测和生产线上
9操作流程简单方便，软件自动化程度高；
八、常用复合材料检测精度
1. 通过大量实际工程检测发现，针对碳纤维层压板，LNDT-200型检测仪可检测出厚度为0-4 mm范围内的层压板内部Φ5mm的缺陷；针对碳纤维层压板粘接结构，可检测出厚度为0-8mm范围内Φ5mm的缺陷。
2. 通过大量实际工程检测发现，针对铝蒙皮铝蜂窝结构，LNDT-200型检测仪可检测出蒙皮厚度为0-2mm范围内，蜂窝芯厚度为0-60mm的产品内部Φ5mm的缺陷（蒙皮与蜂窝的粘接缺陷）；针对碳纤维蒙皮或玻璃纤维蒙皮的Nomex蜂窝层结构，可检测出蒙皮厚度0-4 mm，蜂窝芯厚度为0-50 mm的产品内部Φ5mm的缺陷（含：蒙皮内部分层缺陷和蒙皮与蜂窝的粘接缺陷）。
3. 通过大量实际工程检测发现，针对碳纤维蒙皮或玻璃纤维蒙皮泡沫夹芯材料，可检测出蒙皮厚度0-4mm，泡沫夹心厚度为0-50mm的产品内部Φ5mm的蒙皮内部分层缺陷和Φ10mm的蒙皮与泡沫粘接的缺陷。
九、发展趋势
随着技术的进步，对材料的要求越来越高，传统的材料已经不能满足使用需求，复合材料因有很好的综合性能将越来越多地运用，未来的航空器除一些重要动力结构零件外，大部分的零件将使用复合材料，所以复合材料的检测成为一个重要环节，激光散斑干涉技术非常适合复合材料的检测，由于其优越性，激光散斑干涉技术将成为复合材料的最佳检测方法。
《无损检测导论》
课程论文
激光散斑检测技术在航空领域的应用
一、应用背景
复合材料在航空、航天、兵器、船舶、汽车、建筑、医疗、制药、压力容器、橡胶工业等行业中占的比例越来越大，然而复合材料在生产和使用过程易产生开胶、分层、冲击损伤、渗水、蜂窝变形等缺陷，缺陷的扩展给装备带来安全隐患。目前国内复合材料的检测普遍采用落后的敲击法、超声波、声阻检测方法，这些方法普遍存在灵敏度低、对操作者要求高、缺陷难以定量和定位、检测速度慢等问题。国外普遍采用先进的激光错位散斑成像无损检测技术，不仅检测灵敏度高，缺陷可以直观数码成像，还可以精确测量缺陷的尺寸、位置，操作简捷方便、速度快，成为复合材料生产或现场无损检测专门解决方案。 成立于1977年的美国激光技术有限公司(LTI)是世界激光散斑成像无损检测技术的领导者，其激光散斑成像技术克服了其它检测手段和早期激光干涉检测技术的许多瓶颈和局限，广泛应用于飞机、火箭、卫星、导弹、舰船、飞船、装甲等生产或在役检测，在实践中证实了巨大的成本效益和超强的无损检测能力。
二、发展
激光散斑检测技术于八十年代初期开始应用于无损检测领域，纵观激光检测技术的发展历史,经历了几个发展阶段。20世纪80年代,出现了激光全息技术,虽具有灵敏度高的优点,也存在着干版化学处理繁琐、必须在隔振台和一定暗室条件下才能工作的缺点。通过CCD摄像机取代干版、隔振性能改善等一系列改进,出现了电子散斑干涉技术(ESPI),但其还不能适应现场检测的需要,目前已进入到激光错位散斑技术 (shearography)时代。
激光错位散斑干涉技术该技术具有全场性、非接触、无污染、高精度和高灵敏度、快速实时检测等优点适用于蜂窝夹层结构、橡胶轮胎、复合材料粘结质量的检测，并已在航空、航天、汽车和建筑等领域得到了广泛的应用
三、基本原理
激光错位散斑干涉也称剪切散斑，是在单光束散斑干涉的基础上，利用有一定角度的玻璃光楔使得成像平面上造成特定的错位，在照相干板得到双曝光错位散斑图，再以适当的光路布置显现出条纹进行分析
通过被检物体在加载前后的激光散斑图的叠加，从而在有缺陷部位形成干涉条纹。由于是利用物体表面反射的光通过棱镜后产生的微小剪切量形成散斑干涉图，不需要参考光路，因此外界干扰的影响小，检测时不需要防震工作台，便于在现场使用。随着激光散斑测量技术的发展，采用CCD摄像机输出干涉图像信号，省去了显影定影等繁杂的湿处理手续，大大提高了检测效率，同时可直接将输出的数字化信号与计算机连接，自动处理，并可在计算机屏幕上实时观察到干涉图形，现场应用十分方便。
散斑检测和全息检测一样，都是大范围、非接触、高精度的检测方法。目前高分辨率的激光散斑检测系统可检测出91．4cm视场范围内大小仅o．64cm的机身脱胶缺陷，用于登机检测的便携式激光散斑摄像器最轻重量仅有141．8g[3|。散斑技术在飞机机身及部件的现场检测、火箭壳体和衬套的分层缺陷检测、复合材料的检测等方面都有广泛应用。
激光散斑检测技术(Laser Shearography tes-ting)是利用激光干涉原理,测量物体表面的离面位移,通过选用适当的加载方式(加热、真空、加压振动等),使激光超声检测复杂型面零件缺陷处产生与正常部位不一样的离面位移,从而在检测图像中显示出来,其机理如图1所示。
具有非接触检测、微米级能可靠检测、变形信息二维实时显示、能检测出紧贴性脱粘缺陷、高灵敏度和高效率的优点。
四、应用
激光散斑检测技术已在航空工业中得到广泛应用,据美国LTI公司介绍,该公司的激光散斑系统在世界范围内已经安装使用了450套,主要用于复合材料结构缺陷的检测。如夹层结构的脱粘、层板结构的分层、蜂窝芯格变形、拼接裂纹、气泡、冲击或撞击损伤、渗水、腐蚀和外来物等。
激光散斑检测技术除了可以测量物体的位移（包括内位移）、应变以外，还可用于无损检测、物体表面粗糙度测量、塑形区测量、振动测量、纹间位移场测量等。
目前高分辨率的激光散斑检测系统可检测出91.4 cm视场范围内大小仅0.64 cm的机身脱胶缺陷,激光散斑检测技术应用实例如图2所示。
1、热加载多层粘接层压板的检测：
2、热加载蜂窝结构的检测：
3、压力加载复合材料缠绕高压容器的检测：
4、真空加载泡沫夹心复合材料检测：
5、钢瓶一橡胶粘接检测：
五、多种形式的激光散斑成像检测设备
l、生产型检测系统：生产型固定式激光散斑无损检测系统在航空、航天、造船、压力容器等领域得到了广泛的应用，并且可以根据具体检测需求进行定制。
2、便携式检测系统：便携式激光散斑检测系统既适合于生产或修理车间，也适合外场或现场对复合材料进行无损检测：
值得注意的是由于该技术是通过表面变形检测缺陷的,某些加载方式有时会使被测缺陷产生异常变形,因此,如有可能,应先采用材料力学性能数据预测可检测性。
六、检测工艺
以激光错位散斑干涉技术对预置脱粘缺陷的铝蜂窝结构样件进行无损检测为例说明激光散斑检测过程。 检测仪器
采用LTI-5100HD激光错位散斑检测系统对试样进行检测，该系统主要包括了CCD相机，加载装置，激光器，控制台四部分。其中CCD相机为LTI-5100HD数字激光剪切散斑相机，激光光源为He-Ne激光，波长λ=532nm，能量为150mV。装置如图2所示：
被检测对象
本实验检测对象为根据航标HB5461-1990《金属蜂窝胶接结构缺陷类型及试块》制造的蜂窝结构标样件[5]，大小为450mm×330mm，蒙皮材料为铝，蒙皮厚度为0.4mm，蜂窝芯材料为铝。对样件预置圆形人工缺陷，直径分别为10mm、15mm、20mm、30mm四种规格，预制缺陷分为四种类型的脱粘缺陷：
第一排为上贴膜伤：在蒙皮和胶膜之间加一层聚四氟乙烯膜，模拟蒙皮与胶膜之间紧贴型脱粘；
第二排为去膜下陷伤：去除蒙皮与蜂窝芯子之间的胶层，并将蜂窝下压2mm，模拟胶膜与蜂窝之间有间隙型的脱粘缺陷；
第三排为下贴膜伤：在蜂窝与胶层之间加
一层聚四氟乙烯膜，模拟胶膜与蜂窝之间
紧贴型脱粘；
第四排为下陷加膜伤：将蜂窝芯下陷2mm，
并在蒙皮与蜂窝间加两层聚四氟乙烯膜，
模拟胶膜与蜂窝之间有间隙型的脱粘缺陷。
其中聚四氟乙烯膜的厚度为0.02mm，胶
层厚度为0.15~0.02mm。四种类型、四种
直径，共计16个模拟脱粘缺陷。
检测过程
选取参数：激光错位散斑检测常用的加载方式有热加载、压力加载、真空加载、振动加载等。因为检测对象为铝蜂窝，针对其导热性和热膨胀系数较高等性能，用热加载会取得比较理想的变形效果，本试验选取热加载方式对试件进行检测，
首先在物体加载前获取一幅错位散斑干涉图，随后获取加载后的错位散斑图，两图进行组合运算得出相位图并进一步处理，得出检测结果如图3所示：
七、激光散斑无损检测优点
1实时、全场、非接触；
2无害、无需水或其它介质，对环境没有污染；
3 检测分辨率和灵敏度高，可达微米级 ；
4更高的检测效率，是超声等其他检测的2.5到120倍；
5对结构无特定要求，可检测复杂型面（平面和曲面均可）；
6检测结果直观、易读，可以精确定位缺陷大小、位置；
7检测不受外界条件的影响，可在外场或车间等工业现场
8自动化处理、可安装在监测和生产线上
9操作流程简单方便，软件自动化程度高；
八、常用复合材料检测精度
1. 通过大量实际工程检测发现，针对碳纤维层压板，LNDT-200型检测仪可检测出厚度为0-4 mm范围内的层压板内部Φ5mm的缺陷；针对碳纤维层压板粘接结构，可检测出厚度为0-8mm范围内Φ5mm的缺陷。
2. 通过大量实际工程检测发现，针对铝蒙皮铝蜂窝结构，LNDT-200型检测仪可检测出蒙皮厚度为0-2mm范围内，蜂窝芯厚度为0-60mm的产品内部Φ5mm的缺陷（蒙皮与蜂窝的粘接缺陷）；针对碳纤维蒙皮或玻璃纤维蒙皮的Nomex蜂窝层结构，可检测出蒙皮厚度0-4 mm，蜂窝芯厚度为0-50 mm的产品内部Φ5mm的缺陷（含：蒙皮内部分层缺陷和蒙皮与蜂窝的粘接缺陷）。
3. 通过大量实际工程检测发现，针对碳纤维蒙皮或玻璃纤维蒙皮泡沫夹芯材料，可检测出蒙皮厚度0-4mm，泡沫夹心厚度为0-50mm的产品内部Φ5mm的蒙皮内部分层缺陷和Φ10mm的蒙皮与泡沫粘接的缺陷。
九、发展趋势
随着技术的进步，对材料的要求越来越高，传统的材料已经不能满足使用需求，复合材料因有很好的综合性能将越来越多地运用，未来的航空器除一些重要动力结构零件外，大部分的零件将使用复合材料，所以复合材料的检测成为一个重要环节，激光散斑干涉技术非常适合复合材料的检测，由于其优越性，激光散斑干涉技术将成为复合材料的最佳检测方法。