基于电子散斑干涉技术的压力容器无损检测

　　在工业生产中对压力容器内部缺陷进行早期检测和诊断具有重要的应用价值。目前很多方法可用于压力容器的无损检测,如X射线、超声波和红外热成像检测等。自激光出现以来,采用光学计量方法用于结构的无损检测成为研究热点,文献[1]采用激光全息法进行了圆柱形压力容器的无损检测。然而,激光全息法进行无损检测时要求暗室和隔振环境,而且干版记录费时费力,给激光全息法在工业界的推广带来困难。

　　电子散斑干涉技术(ESPI)是双光束散斑干涉技术的发展,其原理是利用干涉散斑场的相关条纹来检测双光束波前之间的相位变化,利用摄像头和计算机系统来实现光学信息的记录和处理,并能实时显示出相关条纹和相位图。因此在变形场测量时,ESPI具有精度高、非接触和实时显示的特点,适应生产检测高精度、快速和自动化的要求[2]。

　　本文采用Q1002ESPI系统测试球形压力容器内部缺陷的位移场,进而分析其应变场,给出了快速诊断压力容器缺陷的实验方法。同时文中给出了基于板壳理论的力学分析模型,分析了内部缺陷对压力容器位移场、应变场和应力场的影响,并对实验结果的正确性予以理论分析。

　　1　ESPI测试基本原理

　　图1给出了典型ESPI实验装置,其测量的灵敏度矢量为s。首先,从激光器中产生的激光被分光镜BS分成两束,其中一束经扩束镜L1后照明物体,即为物光;另一束经扩束镜L2和分光镜BS后被CCD记录,即为参考光;物光和参考光波前干涉形成散斑,该散斑场包含了物体变形信息。CCD采集散斑场的光强分布可表示为[3,4]

　　ΨR(x,y)———参考光在CCD上的随机相位一般变形的详细信息可以由相位的绝对变化给出,相位图可通过时间相移法求出。参考式(1),一幅散斑图的光强分布可用更一般的形式表示为

　　用压电晶体相移器按照一定的时间序列实现相移,各个相移图像依次被CCD采集,若取相移角度分别为π/2,π和3π/2时采集图像,所采集的图像光强分布分别为I2(x,y),I3(x,y)和I4(x,y),则相位Ψ的大小可由下式给出

　　得到每幅散斑场的相位后,将变形前后的相位相减便可得出相位差信息ΔΨ(x,y),一般用物体变形前后两个状态的相位差来表示相位图。

　　由图1,如果物体的位移矢量为d,变形前物光和参考光的相位差为Ψ1(x,y),变形后物光和参考光的相位差为Ψ2(x,y)(Ψ1和Ψ2均可由式(3)给出),由小变形分析可知相位和位移矢量间关系为

2　实验装置

　　图2给出了含缺陷压力容器的变形测试实验装置,该装置主要由Q1002ESPI测试系统、压力容器实验件、夹具和加载设备组成。其中Q1002ESPI测试系统主要包括显示器、光电处理系统、激光器、光缆和三维微型电子散斑探头。