复合材料的现场电子剪切散斑检测技术研究

        复合材料(如玻璃纤维复合材料、碳纤维复合材料、铝蜂窝和纸蜂窝复合材料等)具有质量轻、强度高、弹性模量大等优点,被广泛应用于航天、航空、汽车和建筑等领域。但复合材料结构件在制造和使用过程中不可避免地会出现纤维断裂、基体开裂、界面脱粘及分层等缺陷。

　　目前,复合材料的外场原位检测方法主要有超声法、敲击法、声阻法、板波法和谐振法等,但这些方法都有一些难以克服的缺陷。而电子剪切散斑干涉术(ESSPI)非常适于外场的复合材料检测[1]。

　　1　电子剪切散斑干涉技术检测原理研究

　　剪切散斑干涉是通过在摄像机前放置一剪切光学元件,使被测物体在摄像机的像平面上产生两个略有错位的像,将加载前后的两个散斑图像相减,可获得反映缺陷的条纹图案。由于是被测物的物光自行相干,剪切散斑干涉除了普通电子散斑干涉的优点之外,还有光路简单、对震动隔离要求较低的特点。由于测量的是位移导数,在自动消除刚体位移的同时,其对于缺陷受载引起的应变集中十分敏感,因此非常适用于无损检测领域。

　　图1为一种典型的激光电子剪切散斑干涉检测系统光路简图。物体加载变形前后得两幅散斑图像经视频图像探测器(如CCD)采集,然后被图像采集

　　卡数字化并输入计算机,通过两幅散斑图相减形成新的干涉条纹图。根据干涉条纹图的变化就可判断物体内部是否存在缺陷。对干涉条纹信息作进一步处理,还可得到二维和三维图像,再现被检结构件内部的缺陷。

剪切成像方式主要有渥拉斯顿棱镜法、迈克尔逊法和光楔法等。与后两种方法相比,渥拉斯顿棱镜法更实用。渥拉斯顿剪切棱镜形成剪切的原理如图2所示。它由两个直角棱镜组成,当一束光垂直入射到棱镜的前表面时,在后表面将形成两束互相分开、振动方向互相垂直的平面偏振光。当光线入射到第一块棱镜后,寻常光(O光)和非常光(E光)无折射地沿同一方向进行,但它们的速度不同。在进入第二棱镜后,由于第二棱镜的光轴垂直于第一棱镜的光轴,故第一棱镜的寻常光变为非常光,非常光变为寻常光。在两棱镜的界面上将分别以相对折射率nE/nO和nO/nE(nO和nE分别为棱镜材料的寻常光和非常光的折射率)折射,结果两束光在第二棱镜中分开,并在离开棱镜时将再次折射而形成按一定角度分开的偏振光,且振动方向互相垂直。这两束光互为参考光和物光而干涉。

　　当棱镜顶角β不大时,两折射光束差不多对称出射,其错位角α为: