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1、光学无损检测技术及其应用,2011.12.16,目录,一、无损检测技术概述 二、光学无损检测技术、原理及方法 三、基于光学无损检测技术的应用 四、总结及展望,一、无损检测技术概述,无损检测NDT （Non-destructive testing） 利用声、光、磁和电等特性，在不损害或不影响被检对象使用性能的前提下，检测被检对象中是否存在缺陷或结构异常，最终了解和评价被检测对象的性质、状态、质量或内部结构的技术。,无损检测方法分类,检测原理,无 损 检 测,声学方法检测 电学方法检测 射线检测 磁学方法检测 微波和介电方法检测 光学方法检测 热学方法检测 渗透检测,一、无损检测技术概述,工程应用
2、中，五大常规无损检测技术：,涡流检测（Eddy current Testing ，ET） 磁粉检测（Magnetic particle Testing，MT） 渗透检验（Penetrate Testing ，PT） 超声检测（ Ultrasonic Testing，UT） 射线检测（ Radiographic Testing，RT）,内部缺陷检测,表面开口缺陷检测,表面缺陷检检测 近表面缺陷检测,已获工程应用的其他无损检测方法主要有： 声发射检测、计算机层析成像检测、全息干涉/散斑干涉检测、泄漏检测、目视检测和红外检测等。,一、无损检测技术概述,无损检测技术现状及发展,21世纪以来，伴随着科学
3、技术特别是计算机技术、数字化与图像识别技术、人工神经网络技术和机电一体化技术的大发展，无损检测技术获得了迅速发展。在航空航天、核技术、武器系统、电站设备、铁道与造船、石油与化工、建筑、冶金、机械制造等领域中都有广泛应用。 目前，我国拥有17万无损检测人员和2000多家无损检测机构，在国民经济建设与设备安全监测中发挥着重要作用。,一、无损检测技术概述,自动无损检测和定量无损检测,微观缺陷检测、在线检测、在役检测,新原理、新方法、新技术的探索研究,无损检测 技术发展方向,一、无损检测技术概述,光学无损检测技术概述,早期，与超声、射线、磁学等检测方法相比,利用光学特性进行无损检测的应用并不广泛。然而
4、，伴随着计算机、图像处理和纤维光学等新技术的发展, 光学无损检测方法的实用性获得了一定的发展。 激光技术的发展进一步推动了光学无损检测方法的发展，并在无损检测领域中取得了较大的成果。目前基于光学特性的无损检测方法主要有全息干涉法、散斑干涉法等。,二、光学无损检测技术、原理及方法,二、光学无损检测技术、原理及方法,激光 激光是采用人工方法产生的一种特殊的光。由于激光的突出特点而成为全息和散斑检测设备的光源。He-Ne激光器具方向性好（1mrad以下）、单色性好（线宽小于20Hz）、频率稳定性好（最高频率稳定度510-15 ，重复性310-14）、结构简单、寿命长、价格低廉等优点，是目前使用最为广
5、泛的一种气体激光器。,光的干涉： 频率相同、振动方向相同和位相差恒定的相干光的直接叠加。在相干光相遇的地方，它们相交区域内各点振动为每列波单独在该点振动的合成，因此光强有加强和减弱的情况。,光的衍射： 光束通过小孔、狭缝或物体的细微结构时，光绕过障碍物偏离直线传播路径而进入阴影区里的现象。,二、光学无损检测技术、原理及方法,全息干涉法（Holographic Interferometry ）,利用全息干涉法进行无损检测是在全息照相技术的基础上发展起来的一种干涉计量技术，即把被检测物体在两种不同状态下所显示的全息图进行比较，从而检测和计量物体表面和内部的缺陷。,二、光学无损检测技术、原理及方法,
6、散斑干涉法（Speckle Interferometry ）,散斑干涉法是指通过对比变形前后的散斑图的变化，从而高度精确地检测出物体表面各点的位移。,散斑：具有漫反射性质的物体在激光照射下反射的光在空间相干叠加，形成随即分布的、或明或暗的斑点。散斑随物体的变形或运动而变化。,全息照相,全息照相是一种记录被照摄物体反射波全部信息(振幅和位相等)的新型摄影技术。 全息照相原理于1948年首先由诺贝尔物理学奖获得者Gabor博士创立。全息照相主要应用于工业无损探伤、全息显微镜、全息摄影存储器、全息电影和电视等许多方面。,利用全息照相技术拍摄的照片,二、光学无损检测技术、原理及方法,光学全息原理,全息
7、记录：采用照相的方法将物光与参考光相干涉得到的干涉条纹记录下来，即全息图。 全息再现：全息图具有光栅状结构，当用原参考光照射全息图时，全息图以光栅的形式产生衍射，其衍射光波与物体光波相似由此构成物体的再现像。,物光,参考光,光源,干涉图 （全息图）,二、光学无损检测技术、原理及方法,激光全息无损检测原理,将不同受载情况下的物体表面状态用激光全息照相方法记录下来，进行比较和分析，从而评价被检物体的质量。,二、光学无损检测技术、原理及方法,激光全息无损检测方法,1、激光全息检测的加载方法 用激光全息照相来检测物体内部缺陷的实质是比较物体在不同受载情况下的表面光波。因此需要对物体施加载荷，一般使物体
8、表面产生0.2m的微差位移。常用的加载方式有以下几种,声加载法 热加载法 内部充气法 表面真空法,二、光学无损检测技术、原理及方法,激光全息无损检测方法,2、物体表面微差位移的观察方法 物体在外载荷作用下，内部缺陷所对应的物体表间产生与其周围不相同的微差位移。利用激光全息照相的方法进行比较，从而检测物体内部的缺陷。,实时法 二次曝光法 时间平均法,二、光学无损检测技术、原理及方法,激光全息无损检测技术应用,蜂窝结构检测 复合材料检测 胶接结构检测 药柱质量检测 充气轮胎检测 压力容器检测 印制电路板焊点检测,激光全息轮胎无损检测系统,二、光学无损检测技术、原理及方法,、研究背景,为应对全球气候
9、变暖、生态破坏等现象，国际上制定了一系列加速推动温室气体减排、减缓全球变暖趋势、保护臭氧层政策和法规，我国也坚定的走绿色环保可持续发展道路。因此，化工制冷行业迫切需要找到新的环保制冷剂代替氢氯氟烃(HCFCS ) 等。 气液、液液等之间传质在化工过程中普遍存在。液相分子扩散系数是描述质量传递的最重要的物性参数, 是化工上替代制冷剂研究急需的主要参数之一。,三、基于光学无损检测技术的应用,传质： 体系中由于物质浓度不均匀而发生的质量转移过程。在化学工业中，一般应用的是气-液系统；液-液系统和固-液系统之间的传质过程。,本文综合运用数字图像处理技术与光干涉法，提出了一种基于图像处理技术的测量液相质
10、扩散系数方法。 在液相质扩散系数测量原理基础上,用CCD传感器取代双曝光全息干涉法和实时全息干涉法中的感光干板,并记录干涉条纹图。由于折射率和溶液浓度存在着一一对应关系,可以通过分析不同时刻的干涉条纹图获得溶液浓度的变化,通过换算进而得到质扩散系数。,图 数字全息干涉图像处理流程图,三、基于光学无损检测技术的应用,、液相质扩散系数的测定,1、液相质扩散系数的测量原理,Fick第二定律是质扩散系数实验测量和理论推算的理论基础，依据该定律可得扩散系数D:,式中： Zm 溶液浓度变化极值点间的距离； t0、t1 分别为前后两张全息图的曝光时间；,物光相位差的变化和溶液浓度c2变化的关系:,式中：k
11、浓度变化和折射率变化之间的比例系数； 物光波长； l 扩散槽厚度；,三、基于光学无损检测技术的应用,质扩散系数D,液相质扩散系数的测量原理框图,物光相位差变化,浓度变化的极值点Zm,曝光时间t0和t1 由计算机硬件时钟获得,三、基于光学无损检测技术的应用,2、实验平台构建,图 数字激光全息干涉法质扩散系数测量光路图 1He-Ne 激光器；2、5、8平面镜；3空域滤波器；4、7分光棱镜；6扩散槽；9CCD 传感器；10带有图像采集卡的计算机,数字激光全息干涉法质扩散系数测量原理,三、基于光学无损检测技术的应用,数字图像自动采集系统,图 数字图像自动采集系统,数字图像自动采集系统由CCD 传感器,
12、 带有图像采集卡、存储软件和图像处理软件的计算机组成。 全息干涉图像信息使用CCD传感器接收, 由图像采集卡采集后送至计算机进行处理和分析，采集后获得分辨率为2 0481536的全息干涉图像。,三、基于光学无损检测技术的应用,在数字全息干涉图像处理过程中，本文采用了全息干涉图的预处理、全息干涉图的频域滤波、数字全息干涉条纹再现、全息干涉图相位展开、全息干涉图的后处理等关键技术。本文利用MATLAB 软件对数字图像采集系统记录的全息图进行分析和处理, 清晰地再现了干涉条纹图。,3、数字全息干涉图像处理,图 数字全息干涉图像的处理过程,三、基于光学无损检测技术的应用,全息干涉图的预处理,全息干涉图
13、的预处理须采取图像增强技术,主要有空域法和频域法。其目的是为了改善图像的视觉效果, 提高图像的清晰度和工艺的适应性, 同时便于人和计算机的分析与处理, 满足图像的复制或再现要求。,图 全息干涉原始图像及其直方图,图 均值化后全息干涉图像及其直方图,均值化修改后,直方图的灰度间隔被拉大了,更有利于图像的分析与识别。,三、基于光学无损检测技术的应用,全息干涉图的预处理,中值滤波是一种典型的低通滤波器, 主要目的是保护图像边缘, 同时可去除噪声。中值滤波后的全息干涉图像,经过图像增强、滤波等预处理后，全息图条纹更加平滑, 对比度明显增强, 有利于进一步的数字处理。,图 全息干涉原始图像,图 中值滤波
14、后的全息干涉图像,中值滤波,三、基于光学无损检测技术的应用,全息干涉图的频域滤波,对全息干涉图进行傅立叶变换,可得到全息干涉图的傅立叶频谱信息，反映物光的真实相位。,图 全息干涉图傅里叶变换频谱信息,图 滤波后的全息干涉图频谱信息,C1代表参考光的直透部分；C2代表物体各点的自相干以及物体各点之间的互相干项, 经过移频后它们出现在图像的中心位置(频谱中心),C3是原始物光波前的准确再现。,三、基于光学无损检测技术的应用,数字全息干涉条纹再现,对在两个不同时刻得到全息图的频谱信息进行反傅立叶变换, 可以得到原始物光波的真实相位。,图数字全息干涉条纹再现,三、基于光学无损检测技术的应用,数字全息干
15、涉条纹再现,对在两个不同时刻得到全息图的频谱信息进行反傅立叶变换, 可以得到原始物光波的真实相位。,图 相位展开前的物光相位差信息,图 相位展开后的物光相位差信息,三、基于光学无损检测技术的应用,全息干涉图的后处理,本文中，全息干涉图的后处理包括物光相位分布的展开和获取物光真实的相位差。 通过测量相位展开后的物光相位差极值点间的距离，从而得到在扩散方向上浓度变化极值点间的距离Zm, 拍摄全息图的时间t0、t1可通过图像自动存储软件获得,由计算公式可得到质扩散系数。,三、基于光学无损检测技术的应用,、实验测试结果,激光全息干涉装置的可靠性验证 溶液：浓度为0.33mol/l的KCl水溶液 温度：
16、298.15K温度,表1 KCL水溶液在298.15 K下质扩散系数,总相对误差： 激光全息干涉装置是精确的和可靠的,三、基于光学无损检测技术的应用,、结论,本文利用He-Ne激光器、CCD和图像采集系统等设备组成了基于数字激光全息干涉法测量液相质扩散系数的实验系统； 本实验系统中，采用了预处理、频域滤波、干涉条纹再现、相位展开、后处理等关键技术对全息干涉图进行了处理, 获得了相位展开后的物光相位差, 从而为获得质扩散系数奠定了基础； 本实验系统中, 选取浓度为0.33mol/l的KCl水溶液在298.15K温度条件下进行质扩散系数实验。将实验值与文献值相比，验证了实验系统的精确性和可靠性,
17、为化工工程上研究替代制冷剂急需的质扩散系数测量提供了一个有效的方法。,三、基于光学无损检测技术的应用,以光学为基础的NDT方法仍在不断发展和探索中。利用光学特性对物体进行无损检测具有以下特点：,可实现快速大面积检测 可实现远距离无接触式探测 物体缺陷容易判断 检测直观、安全无毒、无射线危害 可实时或瞬时观察缺陷变化情况 精度高、灵敏度高,四、总结及展望,实际应用过程中，光学无损检测技术也存在一定得局限:,一般需应力干扰, 某些技术还只限于在实验室中进行, 有一定的防震避光要求 对物体表面有一定的要求 对物体深层缺陷不敏感 条纹图信息的提取和解释, 需要一定的专业知识,四、总结及展望,无损检测与评价方法中, 每一种方法的检测原理各异，都有其独特的优点, 同时也存在着不足。在实际应用过程中应该根据实际选择最适宜的无损检测方法，应用正确的检测技术，在最适当的时机进行检测，正确评价检测获得的信息，才能充分发挥其功效。 伴随着光学技术的不断发展, 同时光机电技术和计算机图像处理技术的不断完善, 必将使光学无损检测技术获得进一步的应用和发展, 涉及到更多领域。,四、总结及展望,Thank You !,