激光全息无损检测技术

摘要脱层和气泡是轮胎主要的内部缺陷之一，采用常规检测手段很难检测出来，所以一般采用激光全息无损检测技术。早期的全息无损检测一般采用全息干板来记录全息图，检测周期长，检测效率低，不能适应现代工业流水线上的检测。数字全息技术用CCD代替传统全息记录材料记录全息图，用计算机模拟光学衍射过程来实现数字再现，实现了全息记录、存储和再现全过程的数字化，给全息技术的发展和应用增加了新的内容和方法。本文从理论和实验两方面探讨了数字全息术的原理及其在轮胎内部缺陷无损检测方面的应用，并取得了较为满意的结果。所作的主要工作如下：1．模拟实现了全息记录和重现的全过程，包括：模拟生成理想全息图；采用傅立叶变换法进行数字全息重现；提取相位，进行物体表面三维形貌恢复等。2．深入分析和研究了二次曝光和消除零级衍射斑的理论，同时进行模拟仿真和实验测试，得到了较好的结果，且实验结果与模拟的结果吻合。3．搭建数字全息系统测量橡胶表面形变，获得了满意的形变测量结果，并进行了光路计算和实验中各参数的分析和讨论。4．针对现场检测要求，提出新的光路，实现了更大视场的检测。实验证明，本系统的检测范围己达到138．Ira×112．4mm，处理一幅1300x1024的图像只需62ms，已经达到实际工业流水线检测上的要求，可应用于现场检测。关键词：数字全息全息重现电子散斑轮胎检测无损检测激光全息无损检测技术的发展数字全息技术是由Goodman和Lawrence在1967年提出的n1，其基本原理是用光敏电子成像器件代替传统全息记录材料记录全息图，用计算机模拟再现过程取代光学衍射来实现波前的数字再现，从而实现了全息记录、存储和再现全过程的数字化，给全息技术的发展和应用增加了新的内容和方法。90年代中期以来数字全息技术已成功应用于显微成像、干涉计量，粒子场的测试、信息存储、学信息加密、活体生物成像和三维形貌成像等领域瞳。轮胎制造和检测行业中，也同样需要用到数字全息技术。脱层和气泡是轮胎的内部主要缺陷之一。在轮胎制造过程的压延和成型等工序中，如果胶与胶、帘布与胶之间夹杂油污或污垢，或者帘布与胶之间的气体没有完全排出，就会导致轮胎内部产生脱层和气泡。新轮胎使用一段时间后，胎体内部粘合不牢处也会在剪切应力的作用下脱开，形成新的脱层。脱层和气泡采用常规检测手段很难检测出来，通常需要采用激光全息无损检测技术n。激光全息轮胎无损检测技术是一种非接触和非破坏性的检测技术。通过真空加载使轮胎形变前后进行两次曝光，轮胎加载前后的相位和光强记录在全息干板上形成全息干涉图。全息干板经过显影、定影、水洗、风干后进行光学再现，就可观察到轮胎形变前后的干涉条纹。缺陷的干涉条纹必然是独立存在的，其圆形外缘与正常干涉条纹有界线，圆环中条纹的疏密程度表示形变大小口副，条纹密表示轮胎形变大，条纹疏表示轮胎形变小n引。同时，缺陷离表面的深浅程度与圆环中条纹的粗细有关，条纹粗的缺陷离表面远，条纹细的缺陷离表面近。因此通过全息干涉图的再现图像可以很容易地判读出轮胎内部缺陷的位置和大小。现代的数字全息术采用CCD代替全息干板记录全息图，不仅继承了传统全息的特点，而且还具有其自身的特点。与传统光学全息技术相比，数字全息技术的最大优点是：1)曝光时间短，能够用来记录运动物体的各个瞬间状态，而且由于没有烦琐的化学湿处理过程，记录和再现过程都比传统光学全息更加方便快捷。2)数字全息再现可以直接得到再现像的复振幅分布，而不单纯是光强分布，因此被记录物体的表面亮度和轮廓分布都可通过复振幅得到，可方便地实现多种定量测量。3)由于数字全息采用计算机数字记录和再现，因此可以方便地对所记录的数字全息图进行图像处理，减少或消除全息图在记录过程中的像差、噪声、畸变及记录过程中CCD器件非线性等因素的影响，便于对测量对象进行定量测量和分析，并可对最后检测结果进行自动归类和整理。但是，与传统光学全息记录材料的高分辨率性能相比，数字全息也存在不足。一方面，由于CCD光敏面尺寸小，使得数字再现像的分辨率低，像质较差；另一方面，由于CCD的像素尺寸较大，使数字全息记录的参考光和物光的夹角较小，只能记录物体空间频谱中的低频部分，且再现像与孪生像的分离困难。因此，目前数字全息仅适应于小物体、远距离记录，从而使得再现像面散斑尺寸大，横向分辨率低。因此，在目前CCD等光敏电子成像器件性能限制的情况下，提高数字全息术的分辨率和再现像的清晰度、实现再现像与其它成分的良好分离、获得较大视场的全息记录是目前数字全息技术发展和应用中首先需要解决的三个关键问题。2轮胎无损检测的国内外发展动态近年来，国内的上海光学精密机械研究所、天津大学、山东师范大学、西安光学精密机械研究所和西北工业大学等一些单位都在这一领域积极开始研究工作，并取得一些初步成果降矧。我国自行研制生产的首台激光全息轮胎无损检测仪出自曙光橡胶工业研究设计院口引。它主要用于检测航空轮胎内部的气泡和脱层陷，也可以用于检测各种汽车轮胎。S2JOL21500型激光全息轮胎无损检测仪采用息干板记录条纹，适用于外直径小于1500m、内直径大于300mm的轮胎，可检测轮胎上胎肩到下胎肩的部分，灵敏度为elm，检测速度可达每小时10条。国外的激光数字错位散斑轮胎无损检测技术已非常成熟，轮胎行业应用该检测技术已进入普及阶段。德国Steinbichler公司专为轮胎行业设计生产了全场快速非接触、非破坏实时显示的激光数字错位散斑轮胎无损检测仪啪1。该检测系统由高分率的CCD、剪切元器件、大功率半导体激光器及图像处理与分析软件构成。Intact1200型激光错位散斑轮胎无损检测仪适用于外直径小于1250m的轮胎检测，由于该检测仪采用双检测头，因此可以将检测速度提高l倍。这种新型的检测仪检测周期短，检测速度可达每小时50条；检测范围更全面，能够检测轮胎肩部、胎圈、胎冠和胎侧；采用激光波长为532nm，目前检测出的最小缺陷为2咖2。比较后可以看出，国内利用全息干板进行检测，检测速度慢，但是检测精度较高，而国外利用CCD采集全息图像，检测速度快，但是检测精度较使用全息干板检测时低。国外轮胎生产厂家已普遍将激光无损检测仪用于新轮胎和翻新轮胎的检测。米其林和固特异等大型轮胎企业是应用该种检测仪的大户。一般国外轮胎翻新企业均配备两台激光无损检测仪，一台用于翻新前检测，淘汰内部缺陷较严重的轮胎，另一台用于翻新后检测，保证到达客户手中的轮胎是合格品。在国内，银川橡胶厂(现银川佳通轮胎有限公司)1992年率先引进美国生产的激光全息轮胎无损检测仪。至1J2004年，已有沈阳三橡轮胎有限公司、上海轮胎橡胶(集团)股份有限公司和曙光橡胶工业研究设计院分别引进了德国生产的激光错位散斑轮胎无损检测仪。数字全息的基本原理全息记录和再现的基本原理1全息基本原理全息记录的过程就是用记录介质记录物光和参考光的干涉图样，而全息重现是重现光波照射全息圈后发生衍射的结果。用激光束照射物体表面的同时，引入一束标准激光波成为参考光波与物光波进行干涉，其干涉光场的分布(包括干涉条纹的形状、疏密及明暗分布)与两束光波的波面特性(振幅及相位)密切相关。全息技术利用光的干涉原理，将物体反射的特定光波波前以干涉条纹的形式记录下来，达到冻结物光波相位信息的目的。涉条纹与物体表面的高低信息的关系非常复杂，因此直接观察干涉条纹全息圈是无法知道物体表面的高低信息的。在传统全息图中，干涉条纹是记录在感光胶片上的。如果用与参考光波相同的再现光波去照射全息圈，可以完全再现原来的三维物光波，如图2—2所示。数字全息用CCD取代全息胶片记录干涉条纹，并在计算机上进行全息的数字再现过程．即以数字再现算法模拟光学衍射的过程。．1数字全息中的取样与离散化数字全息图用CCD记录下干涉图样。由于CCD是由单元像素排列成的点阵，所以它记录的全息图也是对连续全息面的一个取样。当CCD由MXN个像素组成，则CCD对全息面的取样可以通过下式来描述：其中分别表示CCD像素横向和纵向的尺寸；表示CCD靶面的尺寸，rect表示矩形函数，comb表示梳状函数。若全息图的曝光强度为，则用CCD记录的全息图q(x，Y)则可以用下式表示：如果设息图经过取样和量化后用q(m，n)来表示。CCD记录的正是这样一系列的点阵数据，这些数据是对空间物光波与参考光干涉场光强的一个取样，用灰度值的大小来表示光强的强度。全息面用CCD记录后由点阵数据所组成，所以在进行数字再现时计算公式都需要进行量化，使其保持一致性.2数字全息的分辨率与记录距离的关系数字全息主要应用于测量领域，．其系统分辨率是非常重要的评价指标。数字全息的横向分辨率与传统成像光学仪器的分辨本领具有相同的物理意义，其大小主要取决于再现像位置以及CCD尺寸。根据菲涅耳全息理论，数字全息再现像分辨率可定义为:式中为再现光波波长，Z，为再现像平面与CCD记录面之间的距离，Lxccd为CCD光敏面的尺寸。为了避免再现畸变，一般情况下使等于记录波长，并让再现距离与记录距离相等即Z0=Z1一般来说，CCD的光敏面尺寸是固定不变的，也是定值，那么再现像的分辨率就只与记录距离Z0有关，当Z0越小，数字再现像的分辨率就越高。数字全息术·数字全息术(DigitalHolography)也称电子散斑干涉技术(ESPI，’ElectronicSpecklePatternInterferometer)或是TV全息摄影术(TVHolography)计算机图像处理技术、激光技术以及全息干涉技术相结合的一种新技术。一束激光经透镜扩束后照射到被测物表面上，其反射光与直接照射至UCCD的参考光束发生干涉，就会形成一系列的散斑图像。通过图像比较可以显示出散斑结构中的变化并产生相关条纹，它们是由于记录图像之间的表面位移与变形而产生的，通过智能软件可以自动分析这些条纹并计算出位移大小。先进的ESPI系统利用若干个激光照射，可以测量位移和变形的三维信息以及轮廓信息(3D-ESPI系统)，并根据这些数据获得应变、应力、振动模式以及更多的信息。1二次曝光的原理所有干涉仪的工作原理都是比较两个或多个波面的形状。二次曝光法是将初始物光波面与变形以后的物光波面相比较∞1。在记录过程中对一张全息干板作二次曝光，一次是记录初始物光波(标准波面)的全息图：一次是记录变化以后的物光波(变形波面)的全息图。这两张全息图记录在同一张干板上，当用照明光波再现时，可再现出两个物光波面，这两个波面是相干的，因而观察到的是它们之间的干涉条纹。通过干涉条纹的分布情况，可以了解波面的变化。二次曝光法记录光路如图3-13(a)所示，在底片平面上，参考光波为初始物光波为变形后的物光波为假定两次曝光时间相同，则总的曝光光强为在线性记录条件下，全息图的复振幅透过率正比于曝光光强。零级衍射斑的消除原理设传播至UCCD上的物光波波前为O(x，Y)，参考光波波前为R(x，Y)，则通过CCD记录的物光和参考光波的干涉图像，其光强分布为：其中R(x，y)R*(x，y）为参考光强度，O(x，y)O*(x，y)为物光强度，O(x，y)R*(x，Y)和O(x，y)R*(x，y)为物光和参考光的干涉项。当采用再现光波和参考光波完全相同时，全息图的重建波前复振幅可表示为3-13式中，第1项为零级像，是物体的自相关像，OR+R对应着物光的准确再现，为+l级衍射像，而腼协e＆，∥对应着共轭像，为一1级衍射像。利用图像相减以消除零级衍射斑主要分以下两个步骤。首先用CCD记录干涉条纹的强度分布，并把离散化的数据输入计算机存储。然后保持实际光路不变，分别挡住参考光和物波，用同一个CCD摄像机记录下它们各自的强度分布I，，Iz，分别把它们输入计算机存储。软件设计3．1．1软件组成结构在轮胎的流水线检测上，从CCD直接采集出来的图像并不是非常理想，需要经过图像处理和软件计算后，才能得到最终结果。另外，为了实现流水线上实时的自动检测，方便工人操作和处理，还需要良好的人机交互界面及自动判别、归类、存储档等功能。软件主要由图像读入、图像预处理、二次曝光、全息重现、判决评定、文件归档和人机交互几个