CN106596556B - 一种基于剪切散斑干涉的容器内壁粘接质量无损检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于容器内壁粘接质量检测的基于成像光纤束的剪切散斑技术。该方法利用一根保偏导光光纤和一根成像光纤束以及现有的迈克尔逊干涉仪，即实现了对容器内部粘接结构的粘接质量检测，解决了传统剪切散斑技术无法对该类型结构进行检测的问题。同时该技术突破了传统迈克尔逊光路对检测面积的限制，提高了剪切散斑技术的单次有效检测面积，使该技术即使在较短的工作距离下，也可进行快速大面积无损检测。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于剪切散斑干涉的容器内壁粘接质量无损检测方法，属于光电检测领域。
背景技术
近二十年来，各种光学干涉技术，例如，散斑干涉、云纹干涉、剪切散斑干涉等技术，已成为变形场测量的重要方法。它们基于光学干涉的原理，具有很高的灵敏度，可以测量受力物体表面的位移和位移导数。由于它具有全场测量、光路简单、调节方便、对环境要求低等特点，因此被广泛用于各类精密测量中。
传统的光学干涉仪，通常以干涉条纹图的形式给出测量结果。由于受到各类噪声的影响，其信噪比很差。为了对结果进行定量分析，通常需要进行复杂的人工处理，比如确定条纹中心线、为条纹定级等。相移技术的引入，提高了干涉条纹的测量精度，实现了干涉条纹的自动化处理。该方法通过在检测过程中引入多幅已知相移量的干涉条纹，使用相移算法求解代表物面变形的位相。
剪切散斑技术已经被证实是一种针对复合材料和粘接结构非常有效的无损检测手段并被广泛应用。但是在实际工程中存在这样一大类材料，它们属于容器内壁粘接结构。该类型容器的外壳一般是比较坚硬的金属材料，其内部粘接一层较软的材料(例如橡胶)，以起到缓冲、绝热、隔振等效果。该结构由于其坚硬的外壳，无法通过剪切散斑技术从外部对其进行检测；同时其内腔尺寸往往较小，无法将剪切散斑系统置于内部进行检测，或者即使能够将散斑系统置入，也由于其较小的工作距离，导致单次检测面积很小，无法有效发挥剪切散斑技术快速大面积检测的优势。
发明内容
本发明的目的是针对现有剪切散斑技术无法对容器内壁粘接质量进行检测的不足，提供一种基于剪切散斑干涉的容器内壁粘接质量检测方法。该方法既继承了现有剪切散斑技术针对粘接结构有效的检测能力，又提高了该技术的单次测量面积，即使在较短的工作距离下也可做到大面积检测。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
基于剪切散斑干涉的容器内壁粘接质量无损检测方法，其特征在于操作步骤如下：
1)首先通过一根保偏单模导光光纤(1)，将单模激光器(3)发射出的激光传输到容器(7)内部，均匀扩束后照亮待测区域；
2)采用一根成像光纤束(2)，放入容器(7)内部，并在成像光纤束容器内部端安装成像透镜，将待测区域的散斑图像传输到容器外部的光纤束另一端；
3)采用迈克尔逊干涉光路，步骤2)中通过成像光纤束传输出来的待测区域散斑图像经过迈克尔逊光路后形成一对错位图像，它们相互干涉形成的散斑干涉图像就会成像在数字相机(6)靶面上；
4)步骤3)中的迈克尔逊干涉仪(5)包含了剪切矢量调节模块和相移模块，剪切矢量调节模块可以调整剪切量的大小和方向，相移模块配合四步相移技术可得到被测物体的相位信息，提高检测图像质量；
5)步骤3)中的数字相机(6)连接计算机(4)，利用实时相移处理软件，实时显示待测区域的位相图，通过有效的加载方式，即可通过基于成像光纤束的剪切散斑技术实现对容器内壁粘接质量的无损检测。
所述步骤1)为借助一根保偏单模导光光纤(1)，在确保激光偏振性不变的情况下，将单纵模激光束传输到容器(7)内部。该导光光纤(1)的出光口配备一个扩束器，将激光均匀扩束并照亮待测区域。
所述步骤2)为引入一根成像光纤束(2)，该光纤束的前端配备一个常规光学镜头，根据实际工程中工作距离和检测面积的需要选择合适的镜头，并将该端伸到容器(7)内部；调整镜头位置对准待测区域，同时调节镜头的焦距和光圈，此时待测区域的散斑图即可在成像光纤束的前端靶面清晰成像，然后经过成像光纤束的传输，前端靶面的图像即可传输到容器(7)外部的光纤束后端靶面上。成像光纤束靶面尺寸很小，正常不超过5mm。
所述步骤3)为使用所述步骤2)所述的成像光纤束(2)，把容器(7)内部的激光散斑图像传输到迈克尔逊干涉光路中形成干涉图像，并进行实时相移处理。
所述步骤4)是该迈克尔逊干涉仪(5)包含剪切矢量调节模块和相移模块，其中剪切矢量调节模块可以调整剪切量的大小和方向，以满足实际工程应用中各种缺陷类型和不同检测灵敏度的要求，相移模块配合四步相移技术，可得到待测物体的相位信息，提高散斑图像质量和缺陷的检测精度。
所述步骤5)是将步骤3)中的配有微距镜头的数字相机(6)和计算机(4)连接，利用自编的带有实时相移技术的剪切散斑软件系统，在计算机(4)监视器上实时显示圆筒内部待测区域的相位图，通过有效的载荷方式：热加载、负气压和激振加载，对被测物体进行加载，对比变形前后待测区域的散斑干涉图像即可得到被测物体由于变形引起的位相差图像，从而完成对薄壁圆筒内壁结构粘接质量的无损检测。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出优势和显著进步：
该剪切散斑技术利用一根保偏导光光纤和一根成像光纤束以及现有的迈克尔逊干涉仪，即实现了对容器内壁粘接质量的无损检测，解决了传统剪切散斑技术无法对该类型结构进行检测的问题。同时该技术突破了传统迈克尔逊光路对检测面积的限制，提高了剪切散斑技术的单次有效检测面积，使其即使在较短的工作距离下，也可进行快速大面积无损检测。
附图说明
图1是本发明一种基于剪切散斑干涉的容器内壁粘接质量无损检测方法的光路示意图。
图2是运用本发明一种基于剪切散斑干涉的容器内壁粘接质量无损检测方法对铝蒙皮铝蜂窝结构进行无损检测得到的相位图以及去包裹图像。
具体实施方式
本发明的优选实例结合附图详述如下：
实施例一：本基于剪切散斑干涉的容器内壁粘接质量无损检测方法，操作步骤如下：
1)首先通过一根保偏单模导光光纤(1)，将单模激光器(3)发射出的激光传输到容器(7)内部，均匀扩束后照亮待测区域；
2)采用一根成像光纤束(2)，放入容器(7)内部，并在成像光纤束容器内部端安装成像透镜，将待测区域的散斑图像传输到容器外部的光纤束另一端；
3)采用迈克尔逊干涉光路，步骤2)中通过成像光纤束传输出来的待测区域散斑图像经过迈克尔逊光路后形成一对错位图像，它们相互干涉形成的散斑干涉图像就会成像在数字相机(6)靶面上；
4)步骤3)中的迈克尔逊干涉仪(5)包含了剪切矢量调节模块和相移模块，剪切矢量调节模块可以调整剪切量的大小和方向，相移模块配合四步相移技术可得到被测物体的相位信息，提高检测图像质量；
5)步骤3)中的数字相机(6)连接计算机(4)，利用实时相移处理软件，实时显示待测区域的位相图，通过有效的加载方式，即可通过基于成像光纤束的剪切散斑技术实现对容器内壁粘接质量的无损检测。
实施例二：参照图1和图2，本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：
所述步骤1)为借助一根保偏单模导光光纤(1)，在确保激光偏振性不变的情况下，将单纵模激光束传输到容器(7)内部。该导光光纤(1)的出光口配备一个扩束器，将激光均匀扩束并照亮待测区域。
所述步骤2)为引入一根成像光纤束(2)，该光纤束的前端配备一个常规光学镜头，根据实际工程中工作距离和检测面积的需要选择合适的镜头，并将该端伸到容器(7)内部；调整镜头位置对准待测区域，同时调节镜头的焦距和光圈，此时待测区域的散斑图即可在成像光纤束的前端靶面清晰成像，然后经过成像光纤束的传输，前端靶面的图像即可传输到容器(7)外部的光纤束后端靶面上。成像光纤束靶面尺寸很小，正常不超过5mm。
所述步骤3)为使用所述步骤2)所述的成像光纤束(2)，把容器(7)内部的激光散斑图像传输到迈克尔逊干涉光路中形成干涉图像，并进行实时相移处理。
所述步骤4)是该迈克尔逊干涉仪(5)包含剪切矢量调节模块和相移模块，其中剪切矢量调节模块可以调整剪切量的大小和方向，以满足实际工程应用中各种缺陷类型和不同检测灵敏度的要求，相移模块配合四步相移技术，可得到待测物体的相位信息，提高散斑图像质量和缺陷的检测精度。
所述步骤5)是将步骤3)中的配有微距镜头的数字相机(6)和计算机(4)连接，利用自编的带有实时相移技术的剪切散斑软件系统，在计算机(4)监视器上实时显示圆筒内部待测区域的相位图，通过有效的载荷方式：热加载、负气压和激振加载，对被测物体进行加载，对比变形前后待测区域的散斑干涉图像即可得到被测物体由于变形引起的位相差图像，从而完成对薄壁圆筒内壁结构粘接质量的无损检测。
实施例三：
图1是本基于剪切散斑干涉的容器内壁粘接质量无损检测方法的光路布置示意图。根据该示意图布置基于成像光纤束的剪切散斑系统，并运用其对内置脱粘缺陷的铝蒙皮铝蜂窝板进行检测实验，检测过程为：
1)首先通过磁性表座将铝蒙皮铝蜂窝板牢牢固定在光学平台上，尽量降低外界振动对检测结果的影响；
2)引入带有保偏导光光纤(1)的单纵模激光器，激光经过导光光纤(1)传输并通过前端扩束器均匀扩束，照亮铝蒙皮铝蜂窝板；
3)在成像光纤束的前端装配了一个焦距5mm的光学镜头，并将其对准铝蒙皮铝蜂窝板，调整镜头的聚焦和光圈旋钮，使得被测物体可以在成像光纤束(2)的前端靶面清晰成像；
4)成像光纤束(2)前端靶面的图像经过光纤束等效传输到光纤束后端，将后端正对着迈克尔逊干涉仪(5)。此刻数字相机(6)即可采集到由迈克尔逊光路产生的铝蒙皮铝蜂窝板的错位图像。由于成像光纤束(2)后端靶面上的图像尺寸很小，实验中数字相机(6)配备了微距镜头(焦距75mm的光学镜头，并叠加两个5mm的接圈)来对光纤束后端靶面上的图像进行成像，使得被测物体可以尽量布满数字相机(6)的成像靶面上，如图2中的局部放大图所示；
5)迈克尔逊干涉仪(5)包含了半反半透镜、剪切矢量调节模块和相移模块，如图2局部放大图所示。其中剪切矢量调节模块可以调整剪切量的大小和方向，剪切量大小0-5度可调，剪切方向0-360度无极可调，可满足实际工程应用中各种缺陷类型和不同检测灵敏度的要求。相移模块配合四步相移技术，可以得到铝蒙皮铝蜂窝板表面的相位信息，相位图的图像质量优于传统散斑图像，因此提高了图像质量和缺陷的检测精度；
6)基于成像光纤束的剪切散斑系统布置好之后，先采集铝蒙皮铝蜂窝板变形前的相位图。然后通过两个1000w的卤素灯在距离蜂窝板1m的位置对其进行热辐射加载，加载时间为8s，加载后采集铝蒙皮铝蜂窝板变形后的相位图。通过其变形前后的相位图，即可得到被测物体由于变形引起的位相差，从而完成对被测物体的无损检测。图2给出了一种基于剪切散斑干涉的容器内壁粘接质量无损检测方法对铝蒙皮铝蜂窝板进行无损检测的测试结果，左图为原始位相图，右图为经过去包裹处理的位相图。
Claims (5)
1.一种基于剪切散斑干涉的容器内壁粘接质量无损检测方法，其特征在于操作步骤如下：
1)首先通过一根保偏单模导光光纤(1)，将单模激光器(3)发射出的激光传输到容器(7)内部，均匀扩束后照亮待测区域；
2)采用一根成像光纤束(2)，放入容器(7)内部，并在成像光纤束容器内部端安装成像透镜，将待测区域的散斑图像传输到容器外部的光纤束另一端；
3)采用迈克尔逊干涉光路，步骤2)中通过成像光纤束传输出来的待测区域散斑图像经过迈克尔逊光路后形成一对错位图像，它们相互干涉形成的散斑干涉图像就会成像在数字相机(6)靶面上；
4)步骤3)中的迈克尔逊干涉仪(5)包含了剪切矢量调节模块和相移模块，剪切矢量调节模块可以调整剪切量的大小和方向，相移模块配合四步相移技术可得到被测物体的相位信息，提高检测图像质量；
5)步骤3)中的数字相机(6)连接计算机(4)，利用实时相移处理软件，实时显示待测区域的位相图，通过有效的加载方式，即可通过基于成像光纤束的剪切散斑技术实现对容器内壁粘接质量的无损检测。
2.根据权利要求1所述的一种基于剪切散斑干涉的容器内壁粘接质量无损检测方法，其特征在于：所述步骤1)为借助一根保偏单模导光光纤(1)，在确保激光偏振性不变的情况下，将单纵模激光束传输到容器(7)内部， 该导光光纤(1)的出光口配备一个扩束器，将激光均匀扩束并照亮待测区域。
3.根据权利要求1所述的一种基于剪切散斑干涉的容器内壁粘接质量无损检测方法，其特征在于：所述步骤2)为引入一根成像光纤束(2)，该光纤束的前端配备一个常规光学镜头，根据实际工程中工作距离和检测面积的需要选择合适的镜头，并将该端伸到容器(7)内部；调整镜头位置对准待测区域，同时调节镜头的焦距和光圈，此时待测区域的散斑图即可在成像光纤束的前端靶面清晰成像，然后经过成像光纤束的传输，前端靶面的图像即可传输到容器(7)外部的光纤束后端靶面上， 成像光纤束靶面尺寸很小，正常不超过5mm。
4.根据权利要求1所述的一种基于剪切散斑干涉的容器内壁粘接质量无损检测方法，其特征在于：所述步骤3)为使用所述步骤2)所述的成像光纤束(2)，把容器(7)内部的激光散斑图像传输到迈克尔逊干涉光路中形成干涉图像，并进行实时相移处理。
5.根据权利要求1所述的一种基于剪切散斑干涉的容器内壁粘接质量无损检测方法，其特征在于：所述步骤5)是将步骤3)中的配有微距镜头的数字相机(6)和计算机(4)连接，利用自编的带有实时相移技术的剪切散斑软件系统，在计算机(4)监视器上实时显示圆筒内部待测区域的相位图，通过有效的载荷方式：热加载、负气压和激振加载，对被测物体进行加载，对比变形前后待测区域的散斑干涉图像即可得到被测物体由于变形引起的位相差图像，从而完成对薄壁圆筒内壁结构粘接质量的无损检测。
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