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1、激光全息检测技术激光全息检测技术11 1 激光全息检测的原理激光全息检测的原理 激激光光全全息息检检测测是是利利用用激激光光全全息息照照相相来来检检测测物物体体表表面面和和内内部部缺缺陷陷的的。因因为为物物体体在在受受到到外外界界载载荷荷作作用用下下会会产产生生变变形形，这这种种变变形形与与物物体体是是否否含含有有缺缺陷陷直直接接相相关关。在在不不同同的的外外界界载载荷荷作作用用下下， 物物体体表表面面变变形形的的程程度度是是不不相相同同的的。激激光光全全息息照照相相是是将将物物体体表表面面和和内内部部的的缺缺陷陷通通过过外外界界加加载载的的方方法法，使使其其在在相相应应的的物物体体表表面面造
2、造成成局局部部的的变变形形，用用全全息息照照相相来来观观察察和和比比较较这这种种变变形形，并并记记录录下下不不同同外外界界载载荷荷作作用用下下的的物物体体表表面面的的变变形形情情况况，进进行行观观察察和和分分析析， 然后判断物体内部是否存在缺陷。然后判断物体内部是否存在缺陷。 1 激光全息检测的原理及特点2为为了了了了解解这这种种检检测测方方法法的的原原理理，首首先先简简单单介介绍绍光光的的干干涉涉现象。根据电磁波理论，表示光波中电场的波动方程为现象。根据电磁波理论，表示光波中电场的波动方程为 其其中中：A0为为光光波波的的振振幅幅；为为角角频频率率；t为为时时间间。根根据据波波的的叠叠加加原
3、原理理，假假设设有有两两个个波波长长相相同同、相相位位也也相相同同的的光光波波相相叠叠加加，叠叠加加后后所所合合成成的的光光波波振振幅幅将将会会增增强强，；如如果果两两个个光光波波相相位位相相反反， 则则合合成成的的光光波波的的振振幅幅就就会会相相互互抵抵消消而而减减弱弱。把把光光波波在在空空间间叠叠加加而而形成明暗相间的稳定分布的现象叫做光的干涉。形成明暗相间的稳定分布的现象叫做光的干涉。 1 激光全息检测的原理及特点3光波的叠加(a) 相位相同； (b) 相位相反 1 激光全息检测的原理及特点4能产生干涉的光波须满足下列条件：能产生干涉的光波须满足下列条件： （1 1） 两两束束光光频频率
4、率相相同同， 且且有有相相同同的的振振动动方方向向和和固固定定的的相位差。相位差。 （2 2） 两两束束光光波波在在相相遇遇处处所所产产生生的的振振幅幅差差不不应应太太大大，否否则则与与单单一一光光波波在在该该处处的的振振幅幅没没有有多多大大的的差差别别，因因此此也也没没有有明明显显的的干涉现象。干涉现象。 （3） 两束光波在相遇处的光程差，两束光波在相遇处的光程差， 即两束光波传播到该即两束光波传播到该处的距离差值不能太大。处的距离差值不能太大。 1 激光全息检测的原理及特点5激光全息照相检测的光路图 1 激光全息检测的原理及特点6蜂窝结构板脱粘区的全息再现干涉条纹 1 激光全息检测的原理及
5、特点72 2 激光全息检测的特点激光全息检测的特点（1 1） 由由于于激激光光全全息息检检测测是是一一种种干干涉涉计计量量技技术术，其其干干涉涉计计量量的的精精度度与与波波长长同同数数量量级级，因因此此，极极微微小小的的变变形形都都能能检检验验出出来来， 检测的灵敏度高。检测的灵敏度高。 （2 2） 由由于于激激光光的的相相干干长长度度很很大大，因因此此，可可以以检检验验大大尺尺寸寸物物体体，只只要要是是激激光光能能够够充充分分照照射射到到的的物物体体表表面面，都都能能一一次次检检验验完毕。完毕。 （3 3） 激激光光全全息息检检测测对对被被检检对对象象没没有有特特殊殊要要求求，可可以以对对任
6、任何材料、任意粗糙的表面进行检测。何材料、任意粗糙的表面进行检测。 1 激光全息检测的原理及特点8（4 4） 可可借借助助于于干干涉涉条条纹纹的的数数量量和和分分布布状状态态来来确确定定缺缺陷陷的大小、部位和深度，便于对缺陷进行定量分析。的大小、部位和深度，便于对缺陷进行定量分析。 这这种种检检测测方方法法还还具具有有非非接接触触检检测测、直直观观、检检测测结结果果便便于于保保存存等等特特点点。但但是是，物物体体内内部部缺缺陷陷的的检检测测灵灵敏敏度度取取决决于于物物体体内部的缺陷在外力作用下能否造成物体表面的相应变形。内部的缺陷在外力作用下能否造成物体表面的相应变形。 1 激光全息检测的原理
7、及特点91 1 物体表面微差位移的观察方法物体表面微差位移的观察方法 1 1） 实时法实时法 先先拍拍摄摄物物体体在在不不受受力力时时的的全全息息图图，冲冲洗洗处处理理后后，把把全全息息图图精精确确地地放放回回到到原原来来拍拍摄摄的的位位置置上上，并并用用与与拍拍摄摄全全息息图图时时同同样样的的参参考考光光照照射射，则则全全息息图图就就会会再再现现出出物物体体三三维维立立体体像像( (物物体体的的虚虚像像) )， 再再现现的的虚虚像像完完全全重重合合在在物物体体上上。这这时时对对物物体体加加载载，物物体体的的表表面面会会产产生生变变形形，受受载载后后的的物物体体表表面面光光波波和和再再现现的的
8、物物体体虚虚像像之之间间就就形形成成了了微微量量的的光光程程差差。由由于于两两个个光光波波都都是是相相干干光光波波( (来来自自同同一一个个激激光光源源) )，并并几几乎乎存存在在于于空空间间的的同同一一位位置置，因因此此， 这这两个光波叠加就会产生干涉条纹。两个光波叠加就会产生干涉条纹。 2 激光全息检测方法10由由于于物物体体的的初初始始状状态态( (再再现现的的虚虚像像) )和和物物体体加加载载状状态态之之间间的的干干涉涉度度量量比比较较是是在在观观察察时时完完成成的的，因因此此称称这这种种方方法法为为实实时时法法。这这种种方方法法的的优优点点是是只只需需要要用用两两张张全全息息图图就就
9、能能观观察察到到各各种种不不同同加加载载情情况况下下的的物物体体表表面面状状态态，从从而而判判断断出出物物体体内内部部是是否否含含有有缺缺陷陷。 因因此此，这这种种方方法法既既经经济济，又又能能迅迅速速而而确确切切地地确确定定出出物物体体所所需需加加载量的大小。其缺点是：载量的大小。其缺点是： （1 1） 为为了了将将全全息息图图精精确确地地放放回回到到原原来来的的位位置置，就就需需要要有有一一套套附附加加机机构构，以以便便使使全全息息图图位位置置的的移移动动不不超超过过几几个个光光波波的的波波长。长。 （2 2） 由由于于全全息息干干版版在在冲冲洗洗过过程程中中乳乳胶胶层层不不可可避避免免地
10、地要要产产生生一一些些收收缩缩，当当全全息息图图放放回回原原位位时时，虽虽然然物物体体没没有有变变形形，但但仍仍有少量的位移干涉条纹出现。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。显示的干涉条纹图样不能长久保留。 2 激光全息检测方法112 2） 两次曝光法两次曝光法 将将物物体体在在两两种种不不同同受受载载情情况况下下物物体体表表面面光光波波摄摄制制在在同同一一张张全全息息图图上上，然然后后再再现现这这两两个个光光波波，而而这这两两个个再再现现光光波波叠叠加加时时仍仍然然能能够够产产生生干干涉涉现现象象。这这时时所所看看到到的的再再现现图图像像，除除了了显显示示出出
11、原原来来物物体体的的全全息息像像外外，还还产产生生较较为为粗粗大大的的干干涉涉条条纹纹图图样样。这这种种条条纹纹表表现现在在观观察察方方向向上上的的等等位位移移线线，两两条条相相邻邻条条纹纹之之间间的的位位移移差差相相当当于于再再现现光光波波的的半半个个波波长长，若若用用氦氦氖氖激激光光器器作作光光源源，则则每每条条条条纹纹代代表表大大约约0.316 0.316 mm的的表表面面位位移移。可可以以从从这这种种干干涉涉条条纹纹图样的形状和分布来判断物体内部是否有缺陷。图样的形状和分布来判断物体内部是否有缺陷。 2 激光全息检测方法12 3 3） 时间平均法时间平均法 时时间间平平均均法法是是在在
12、物物体体振振动动时时摄摄制制全全息息图图。在在摄摄制制时时所所需需的的曝曝光光时时间间要要比比物物体体振振动动循循环环的的一一个个周周期期长长得得多多，即即在在整整个个曝曝光光时时间间内内，物物体体要要能能够够进进行行多多个个周周期期的的振振动动。但但由由于于物物体体是是作作正正弦弦式式周周期期性性振振动动，因因此此将将把把大大部部分分时时间间消消耗耗在在振振动动的的两两个个端端点点上上。所所以以，全全息息图图上上所所记记录录的的状状态态实实际际上上是是物物体体在在振振动动的的两两个个端端点点状状态态的的叠叠加加，当当再再现现全全息息图图时时，这这两两个个端端点点状状态态的的像像就就相相干干涉
13、涉而而产产生生干干涉涉条条纹纹，从从干干涉涉条条纹纹图图样样的的形形状状和和分分布布来来判判断断物物体内部是否有缺陷。体内部是否有缺陷。 这这种种方方法法显显示示的的缺缺陷陷图图案案比比较较清清晰晰，但但为为了了使使物物体体产产生生振振动动就就需需要要有有一一套套激激励励装装置置。而而且且，由由于于物物体体内内部部的的缺缺陷陷大大小小和和深深度度不不一一，其其激激励励频频率率应应各各不不相相同同，所所以以要要求求激激励励源源的的频频带带要要宽宽，频频率率要要连连续续可可调调，其其输输出出功功率率大大小小也也有有一一定定的的要要求求。同同时时，还要根据不同产品对象选择合适的换能器来激励物体。还要
14、根据不同产品对象选择合适的换能器来激励物体。 2 激光全息检测方法13 2. 2. 激光全息检测的加载方法激光全息检测的加载方法 （1 1） 内内部部充充气气法法。对对于于蜂蜂窝窝结结构构( (有有孔孔蜂蜂窝窝) )、轮轮胎胎、压压力力容容器器、管管道道等等产产品品，可可以以用用内内部部充充气气法法加加载载。蜂蜂窝窝结结构构内内部部充充气气后后，蒙蒙皮皮在在气气体体的的作作用用下下向向外外鼓鼓起起。脱脱胶胶处处的的蒙蒙皮皮在在气气压压作作用用下下向向外外鼓鼓起起的的量量比比周周围围大大，形形成成脱脱胶胶处处相相对对于于周周围围蒙蒙皮皮有有一个微小变形。一个微小变形。 2 激光全息检测方法14（
15、2 2） 表表面面真真空空法法。对对于于无无法法采采用用内内部部充充气气的的结结构构，如如不不连连通通蜂蜂窝窝、叠叠层层结结构构、钣钣金金胶胶结结结结构构等等，可可以以在在外外表表面面抽抽真真空空加加载载，造造成成缺缺陷陷处处表表皮皮的的内内外外压压力力差差，从从而而引引起起缺缺陷陷处处表皮变形。表皮变形。 （3 3） 热热加加载载法法。这这种种方方法法是是对对物物体体施施加加一一个个适适当当温温度度的的热热脉脉冲冲，物物体体因因受受热热而而变变形形，内内部部有有缺缺陷陷时时，由由于于传传热热较较慢慢，该该局局部部区区域域比比缺缺陷陷周周围围的的温温度度要要高高。因因此此，造造成成该该处处的的
16、变变形形量量相相应应也也较较大大，从从而而形形成成缺缺陷陷处处相相对对于于周周围围的的表表面面变变形形有了一个微差位移。有了一个微差位移。 2 激光全息检测方法151. 1. 蜂窝结构检测蜂窝结构检测 蜂蜂窝窝夹夹层层结结构构的的检检测测可可以以采采用用内内部部充充气气、加加热热以以及及表表面面真真空空的的加加载载方方法法。例例如如飞飞机机机机翼翼，采采用用两两次次曝曝光光和和实实时时检检测测方方法法都都能能检检测测出出脱脱粘粘、失失稳稳等等缺缺陷陷。当当蒙蒙皮皮厚厚度度为为0.3 0.3 mmmm时时，可可检检测测出出直直径径为为5 5 mmmm的的缺缺陷陷。采采用用激激光光全全息息照照相相
17、方方法法检检测测蜂蜂窝窝夹夹层层结构，结构， 具有良好的重复性、具有良好的重复性、 再现性和灵敏度。再现性和灵敏度。 3 激光全息检测的应用162. 2. 复合材料检测复合材料检测以以硼硼或或碳碳高高强强度度纤纤维维本本身身粘粘接接以以及及粘粘接接到到其其他他金金属属基基片片上上的的复复合合材材料料，是是近近年年来来极极受受人人们们重重视视的的一一种种新新材材料料。它它比比目目前前采采用用的的均均一一材材料料更更具具有有强强度度高高等等优优点点，是是宇宇航航工工业业中中很很有有应应用用前前途途的的一一种种结结构构材材料料。 但但这这种种材材料料在在制制造造和和使使用用过过程程中中会会出出现现纤
18、纤维维内内部部、纤纤维维层层之之间间以以及及纤纤维维层层与与基基片片之之间间脱脱粘粘或或开开裂裂，使使得得材材料料的的刚刚度度下下降降。当当脱脱粘粘或或裂裂缝缝增增加加到到一一定定量量时时，结结构构的的刚刚度度将将大大大大降降低低甚甚至至导导致致损损坏坏。全全息息照照相相可可以以检检测出材料的这种缺陷。测出材料的这种缺陷。 3 激光全息检测的应用173. 3. 胶结结构检测胶结结构检测在在固固体体火火箭箭发发动动机机的的外外壳壳、绝绝热热层层、包包覆覆层层及及推推进进剂剂药药柱柱各各界界面面之之间间要要求求无无脱脱粘粘缺缺陷陷。目目前前多多采采用用X X射射线线检检测测产产品品的的气气泡泡、夹
19、夹杂杂物物等等缺缺陷陷，而而对对于于脱脱粘粘检检测测却却难难于于检检查查。超超声声波波检检测测因因其其探探头头需需要要采采用用耦耦合合剂剂，而而且且在在曲曲率率较较大大的的部部位位或或棱棱角角处处无无法法接接触触而而形形成成“死死区区”，限限制制了了它它的的应应用用。利利用用全全息息照照相相检检测测能有效地克服上述两种检测方法的缺点。能有效地克服上述两种检测方法的缺点。 3 激光全息检测的应用184 4 药柱质量检测药柱质量检测激激光光全全息息照照相相也也可可以以用用来来检检测测药药柱柱内内部部的的气气孔孔和和裂裂纹纹。 通通过过加加载载使使药药柱柱在在对对应应气气孔孔或或裂裂纹纹的的表表面面
20、产产生生变变形形，当当变变形形量量达达到到激激光光器器光光波波波波长长的的1/41/4时时，就就可可使使干干涉涉条条纹纹图图样样发发生生畸畸变变。利利用用全全息息照照相相检检测测药药柱柱不不但但简简便便、快快速速、经经济济，而而且且在检测界面没有粘接力的缺陷方面，在检测界面没有粘接力的缺陷方面， 有其独特的优越性。有其独特的优越性。 3 激光全息检测的应用195 5 印制电路板焊点检测印制电路板焊点检测 由由于于印印制制电电路路板板焊焊点点的的特特点点，一一般般采采用用热热加加载载方方法法。 有有缺缺陷陷的的焊焊点点，其其干干涉涉条条纹纹与与正正常常焊焊点点有有明明显显的的区区别别。为为了了适
21、适应应快快速速自自动动检检测测的的要要求求，可可采采用用计计算算机机图图像像处处理理技技术术对对全全息息干干涉涉图图像像进进行行处处理理和和识识别别，通通过过分分析析条条纹纹的的形形成成等等判判断断焊焊点点的质量，由计算机控制程序完成整个检测过程。的质量，由计算机控制程序完成整个检测过程。 3 激光全息检测的应用206 6压力容器检测压力容器检测 小小型型压压力力容容器器大大多多数数采采用用高高强强度度合合金金钢钢制制造造。由由于于高高强强度度钢钢材材的的焊焊接接工工艺艺难难于于掌掌握握，焊焊缝缝和和母母材材往往往往容容易易形形成成裂裂纹纹缺缺陷陷， 加加之之容容器器本本身身大大都都需需要要开
22、开孔孔接接管管和和支支撑撑，存存在在着着应应力力集集中中的的部部位位，工工作作条条件件又又较较苛苛刻刻，如如高高温温高高压压、低低温温高高压压、介介质质腐腐蚀蚀等等都都促促使使容容器器易易于于产产生生疲疲劳劳裂裂纹纹。疲疲劳劳裂裂纹纹在在交交变变载载荷荷的的作作用用下下不不断断扩扩展展，最最终终会会使使容容器器泄泄漏漏或或破破损损，给给安安全全生生产产带带来来威威胁胁。 传传统统的的检检验验方方法法是是采采用用磁磁粉粉检检验验、射射线线检检验验和和超超声声波波检检验验， 或或者者采采用用高高压压破破损损检检验验，但但检检测测速速度度较较慢慢，难难于于取取得得圆圆满满的的效效果。果。 3 激光全息检测的应用21 采采用用激激光光全全息息照照相相打打水水压压加加载载法法，能能够够检检测测出出3 3 mmmm厚厚的的不不锈锈钢钢容容器器的的环环状状裂裂纹纹，裂裂纹纹的的宽宽度度为为5 5 mmmm、深深度度为为1.5 1.5 mmmm左左右右。下下图图为为一一压压力力容容器器的的激激光光全全息息检检测测的的照照片片。用用激激光光全全息息方方法法还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。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。3 激光全息检测的应用22压力容器激光全息检测照片 (a) 合格产品； (b) 不合格产品 3 激光全息检测的应用23
