焊缝缺陷的电子散斑现场检测技术研究

　　0　引言

　　无损探测(NDE)技术是现代工业技术发展中迫切需要的技术之一.这一方面是由于高速发展的工业界需要高度可靠的结构与构件,另一方面则是随着现代科学技术的飞速发展,新工艺、新材料不断出现,了解材料中缺陷的形成、存在及其演化过程,对于获得合格新材料、延长结构寿命、估计系统安全特性等将具有极其重要的意义.

　　通常对于缺陷的探测主要有声学法、射线法、电测法及光测法等1,其中光测法以其特有的不介入或少介入而得到广泛应用,尤其是60年代以来,由于激光及其检测技术的发展,全息、散斑、云纹等现代光学检测技术被广泛地应用于NDE中.多年来的研究与应用结果表明,这些光测技术对于方便地了解和观测被测对象的缺陷,简化测量过程等发挥了重要的作用.然而,如众所周知的事实,这些技术均需要照相记录、暗室操作及化学处理,这对于现场实时检测缺陷的位置、缺陷的产生与发展等显然是不利的.80年代,将计算机与数字图象技术引入现代光学计量,产生了电子散斑干涉计量技术2,这一技术的应用避免了照相记录等烦琐的处理工作,并可实现实时数字化自动计量.

　　本文通过自行研制的便携式电子散斑干涉及剪切电子散斑干涉系统,实现了压力容器焊缝的现场实时无损探测,给出了缺陷位置与影响范围;将便携式ESPI系统与旋转椭球曲面反射镜检测装置相结合,首次获得了被测容器焊缝360°全方位准确成象及ESPI全场缺陷检测条纹;最后,本文通过人工预制缺陷的ESPI、SESPI无损检测与理论计算,给出了孔洞型缺陷与裂纹型缺陷的变形与梯度分析.

　　1　基本原理及实现过程

　　1.1　电子散斑干涉的基本原理

　　电子散斑干涉技术是基于全息干涉检测技术而发展起来的一种全新的干涉检测技术,它与全息检测技术最大的不同在于用固体摄象器件CCD、计算机及数字图象处理系统代替了传统全息干涉中胶片记录、暗室及化学处理等过程,使检测在通常环境下,以数字化方式自动完成.如图1为ESPI测量光路,被测物体表面被物光Uo照射,由透镜L成象于CCD靶面I,球面参考波UR通过分束镜BS反射后同时到达I,若设变形前后物光复振幅为Uo(r)及U′o(r),参考光复振幅为UR(r),则变形前后CCD靶面光场强度分别为

　(2)

　　其中uo(r)、uR(r)、φo(r)及φR(r)分别为物光与参光的振幅与位相分布,Δφ(r)为物光场相位变化,r=(x,y).于是经ESPI系统输出后,干涉场可表述为

　 (3)

　　由上式可见,ESPI系统输出的低频条纹场 sin[Δφ(r)/2] 由一个高频载波(即散斑项)所调制.对于Δφ(r),由于测量光路不同,通常有不同的表达式.