激光全息無損檢測技術

激光全息無損檢測是利用激光全息干涉來檢測和計量物體表面和內部缺陷的，這種技術的原理是在不使物體受損的條件下，向物體施加一定的載荷，物體在外界載荷作用下會產生變形，這種變形與物體是否含有缺陷直接相關，物體內部的缺陷所對應的物體表面在外力作用下產生了與其周圍不相同的微差位移，并且在不同的外界載荷作用下，物體表面變形的程度是不相同的。用激光全息照相的方法來觀察和比較這種變形，并記錄在不同外界載荷作用下的物體表面的變形情況，進行比較和分析，從而判斷物體內部是否存在缺陷，達到評價被檢物體質量的目的。

具體做法是對被檢測物體加載，使其表面發生微小的位移（微差位移），物體表面的輪廓就發生變化，此時獲得的全息圖上的條紋與沒有加載時相比發生了移動。成像時除了顯示原來物體的全息像外，還產生較為粗大的干涉條紋，由條紋的間距可以算出物體表面的位移的大小。由于物體有一定的形狀，所以在同樣的力的作用下，物體表面各處所發生的位移并不相同，因而各處所對應的干涉條紋的形狀和間距也不相同。當物體內部不含有缺陷時，這種條紋的形狀和間距的變化是宏觀的、連續的、與物體外形輪廓的變化同步調的。當被檢物體內部含有缺陷時，在物體受力的情況下，物體內部的缺陷在外部條件（力）的作用下，就在物體表面上表現出異常，而與內部缺陷相對應的物體表面所發生的位移則與以前不相同，因而所得到的全息圖與不含缺陷的物體的不同。在激光照射下進行成像時，所看到的波紋圖樣在對應與有缺陷的局部區域就會出現不連續的、突然的形狀變化和間距變化。根據這些條紋情況，可以分析判斷物體的內部是否含有缺陷，以及缺陷的大小和位置。

激光全息無損檢測的特點

（1）激光全息無損檢測是一種干涉計量技術，其干涉計量的精度與激光波長同數量級，因此，其檢測靈敏度甚高，極微小的變形都能檢驗出來。

（2）用激光作為光源，而激光的相干長度很大，因此可以檢驗大尺寸物體，只要激光能夠充分照射到的物體表面，都能一次檢驗完畢。

（3）對被檢對象沒有特殊要求，可以對任何材料、任意粗糙的表面進行檢測。

（4）可借助于干涉條紋的數量和分布狀態來確定缺陷的大小、部位和深度，便于對損傷、缺陷進行定量分析。

另外，這種檢測方法還具有非接觸檢測、直觀感強、檢測結果便于保存等特點。但是，激光全息無損檢測技術也并非萬能，物體內部缺陷的檢測靈敏度，取決于物體內部的缺陷在外力作用下能否造成物體表面的相應變形。如果物體內部的缺陷過深或過于微小，那么，這種檢測方法就無能為力了。對于疊層膠接結構來說，檢測其脫膠缺陷的靈敏度取決于脫膠面積和深度比值，在近表面的脫膠缺陷面積，即使很小也能夠檢測出來，而對于埋藏得較深的脫膠缺陷，只有在脫膠面積相當大時才能夠被檢測出來。另外，激光全息無損檢測目前多在暗室中進行，并需要采用嚴格的隔振措施，因此，不利于現場檢測。

激光全息無損檢測的方法

1  激光全息無損檢測的加載方法 

用激光全息照相來檢測物體內部缺陷的實質是比較物體在不同受載情況下的表面光波，因此，需要對物體施加載荷，一般使物體表面產生0.2μm的微差位移，就可以使物體內部位置不過深的缺陷在干涉條紋圖樣中有所表現。常用的加載方式有以下幾種。

01 聲加載

聲加載是以聲頻和中等的超聲頻進行的（通常低于100kHz），加載方法是把壓電換能器粘貼在被檢工件表面上，在工件中建立起共振板模式。當需要大幅度振動的情況下，換能器可通過一個實心的指數曲線形喇叭（聲變換器）機械地耦合到一個點上，壓電換能器裝在半徑較大的一端，半徑較小的一端壓向工件。這種單點激勵法也可使整個工件建立起共振，因此，可同時檢查整個表面的物理特性和探出缺陷。

02熱加載

這種方法是對物體施加一個溫度適當的熱脈沖，物體因受熱而變形，內部有缺陷時，由于傳熱較慢，該局部區域比缺陷周圍的溫度高。因此，造成該處的變形量相應也較大，從而形成缺陷處相對于周圍的表面變形有了一個微差位移。用激光全息照相記錄時，就可在全息圖中顯示出突變的干涉條紋圖樣。

03內部充氣法

對于蜂窩結構、輪胎、壓力容器、管道等工件，可用內部充氣法加載，有缺陷處的表面向外鼓起量會比周圍大，攝制的全息圖可捕獲這個微差位移。這個加載方法簡便，全息圖直觀，檢測效果較好。

04表面真空法

對于無法充氣的結構，如不聯通的蜂窩結構、疊層結構、鈑金膠接結構等，可以在外表面抽真空加載，造成缺陷處表皮的內外壓力差，從而引起缺陷處表皮變形，在干涉條紋圖樣中會出現干涉條紋的突變或呈現出環狀圖案。

2  物體表面微差位移的觀察方法 

01實時法

先拍攝物體在不受力時的全息圖，沖洗處理后，把全息圖精確地放回到原來拍攝的位置上，并用與拍攝全息圖時的同樣參考光照射，則全息圖就再現出物體三維立體像（物體的虛像），再現的虛像完全重合在物體上。這時對物體加載，物體的表面會產生變形，受載后的物體表面光波和再現的物體虛像之間就形成了微量的光程差。由于這兩個光波都是相干光波（來自同一個激光源），并幾乎存在于空間的同一位置，因此，這兩個光波疊加就會產生干涉條紋。

由于物體的初始狀態（再現的虛像）和物體加載狀態之間的干涉度量比較是在觀察時完成的，所以稱這種方法為實時法。

其優點是只需要用一張全息圖就能觀察到各種不同加載情況下的物體表面狀態，從而判斷出物體內部是否含有缺陷。因此，這種方法既經濟又能迅速而確切地確定出物體所需加載量的大小。

其缺點是，需要有一套附加機構，以便使全息圖位置的移動不超過幾個光波的波長；由于全息干版在沖洗過程中乳膠層不可避免地要產生一些收縮，當全息圖放回原位時，雖然物體沒有變形，但仍有少量的位移干涉條紋出現；顯示的干涉條紋圖樣不能長久保留。

02兩次曝光法

這種方法是將物體在兩種不同受載情況下的物體表面光波攝制在同一張全息圖上，然后再現這兩個光波，其疊加時仍然能夠產生干涉現象。此時，所看到的再現現象，除了顯示出原來物體的全息像外，還產生較為粗大的干涉條紋圖樣。這種條紋表現在觀察方向上的等位移線，兩條相鄰條紋之間的位移差約為再現光波的半個波長，若用氦-氖激光器作光源，則每條條紋代表大約0.316μm的表面位移。從這種干涉條紋的形狀和分布來判斷物體內部是否有缺陷。

兩次曝光法是在一張全息片上進行兩次曝光，記錄了物體在產生變形之前和之后的表面光波。這不但避免了實時法中全息圖復位的困難，而且也避免了感光乳膠層收縮不穩定的影響，因為這時每一個全息圖所受到的影響是相同的。其主要缺點是對于每一種加載量都需要攝制一張全息圖，無法在一張全息圖上看到不同加載情況下物體表面的變形狀態，這對于確定加載參數來說是比較費事的。

03時間平均法

這種方法是在物體振動時攝制全息圖。在攝制時所需的曝光時間要比物體振動循環的一個周期長得多，即在整個曝光時間內，物體要能夠進行許多個周期的振動。但由于物體是作正弦式周期性振動，因此，把大部分時間消耗在振動的兩個端點上，所以，全息圖上所記錄的狀態實際上是物體在振動的兩個端點狀態的疊加。當再現全息圖時，這兩個端點狀態的像就相干涉而產生干涉條紋，從干涉條紋的圖樣的形狀和分布來判斷物體內部是否有缺陷。

這種方法顯示的缺陷圖案比較清晰，但為了使物體產生振動就需要有一套激勵裝置。而且，由于物體內部的缺陷大小和深度不一，其激勵頻率各不相同，所以要求激勵振源的頻帶要寬，頻率要連續可調，其輸出功率大小也有一定的要求。同時，還要根據不同產品對象選擇合適的換能器來激勵物體。

激光全息無損檢測在航空維修中的應用

1 蜂窩結構板的檢測  

現代飛機為了減輕重量、改善性能常常采用蜂窩結構板、疊層結構板、復合材料結構板等。但是，這些新結構在制造和使用過程中容易產生脫膠等缺陷，采用激光全息無損檢測方法檢測這些新結構內部的缺陷及損傷是很有效的。

例如，對某型飛機的襟翼結構實施兩次曝光法，即在同一張照相底板上，先對沒有加載的襟翼蜂窩結構板進行曝光，然后對其進行抽真空加載，再曝一次光。將底板顯影、定影，成為一張全息圖。當全息圖再現時，便可看到襟翼蜂窩結構板上的缺陷情況。

對于不同蒙皮厚度的蜂窩夾層結構，要顯示缺陷時，所需的加載量是不同的。

2 復合材料結構的檢測  

檢測時，先使復合材料結構件作機械振動，然后用全息照相時間平均法攝取全息圖。由于接合松動，有缺陷部位的振動振幅，就比其他部位大，因而，在全息圖再現像上出現一組特殊的局部干涉條紋，把損傷部位的輪廓都顯示出來。

3 渦輪葉片的檢測  

在渦輪葉片的全息檢測中，通常用小型壓電換能器貼在葉片表面上，通過它將聲音傳入葉片來產生彎曲和扭轉兩種振型，用來檢測空心葉片內部損傷非常有效。

結束語 

激光全息無損檢測技術在對復合材料、蜂窩結構、渦輪葉片等的檢測上，具有其獨到之處，解決了其它方法無法解決的問題。其應用領域涉及航空航天產品中常用的蜂窩夾層結構脫膠缺陷的檢測、復合材料層壓板分層缺陷的檢測、印制電路板內焊接頭的虛焊檢測、壓力容器焊縫的完整性檢測、火箭推進劑藥柱中的裂紋和分層、殼體和襯套間的分層缺陷檢測、飛機輪胎中的胎面脫粘檢測、反應堆核燃料元件中的分層缺陷檢測等。