激光数字错位散斑轮胎无损检测仪培训教材

激光数字错位散斑轮胎无损检测仪培训教材2017年3月凯力威科技KALEVEITECHNOLOGYWEHAVEBEENWORKINGHARDFOROURDREAMS激光无损检测（LaserNDT）由于激光具有单色性好、能量高度集中、方向性很强等特点，其在无损检测领域的应用不断扩大，并逐渐形成了激光全息、激光散斑、激光超声等无损检测新技术。激光全息是激光无损检测中应用最早、最多的一种方法。其基本原理是通过对被测物体施加外加载荷，利用有缺陷部位的形变量与其它部位不同的特点，通过加载前、后所形成的全息图像的迭加来判断材料、结构内部是否存在不连续性。作为一种干涉计量术，激光全息技术可以检测微米级的变形，灵敏度极高，具有不需接触被测物体，检测对象不受材料、尺寸限制，检测结果便于保存等优点，已应用在复合材料、印刷电路板、飞机轮胎等的缺陷检测中。激光散斑技术是利用激光照射被检物时的散射形成的自相干技术，通过被检物体在加载前后的激光散斑图的叠加，从而在有缺陷部位形成干涉条纹。激光散斑干涉检测技术始于轮胎检测，目前主要是应用于对复合材料、蜂窝夹层、火药柱包覆等的检测。可以有效检测轮胎帘布脱层、粘着力不足、胎圈部气泡与粘着力有关的其他各种缺陷。而X－射线则是一种在新轮胎制造时检查带束层位置准确与否的首选方法，但其检测轮胎粘着缺陷的能力很差。全息照相是轮胎处于真空应力下拍摄的，其照片显示出轮胎在较小的真空力作用下其变形处的剥离和粘着缺陷的干涉条纹。两者之间是一种良性互补的关系。凯力威科技KALEVEITECHNOLOGYWEHAVEBEENWORKINGHARDFOROURDREAMS英国科学家丹尼斯·伽柏(DennisGabor)在1948年提出了新的两步无透镜成像法—波前重现原理。伽柏通过实验发现，如果有一个合适的相干参考波和一个物体衍射波同时存在，此衍射波的振幅和位相的信息就能被完全记录下来。伽柏还证明了这样记录下来的全息图（hologram）通过相干光照射全息图可得到原来物体的像。由于受光源条件的限制，在激光出现以前，全息术的研究进展缓慢，在1960年激光器诞生之后，提供了理想的相干光源，全息术得到迅速发展。全息术在干涉计量、信息贮存、光学滤波等方面获得了广泛的应用，已成为一种有效的光信息贮存和显示技术。伽柏因此获得了1971年度的诺贝尔物理学奖。凯力威科技KALEVEITECHNOLOGYWEHAVEBEENWORKINGHARDFOROURDREAMS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到CCD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。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。在实际实验系统中，既要获得较高分辨率的再现像，又要考虑传递函数的频谱宽度，充分利用CCD的空间带宽，这就需要选用合适的记录距离。在不违背抽样定理的条件下，应尽量采用小距离记录。凯力威科技KALEVEITECHNOLOGYWEHAVEBEENWORKINGHARDFOROURDREAMS在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。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，条纹密表示轮胎形变大，条纹疏表示轮胎形变小。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。凯力威科技KALEVEITECHNOLOGYWEHAVEBEENWORKINGHARDFOROURDREAMS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。凯力威科技KALEVEITECHNOLOGYWEHAVEBEENWORKINGHARDFOROURDREAMS普通照相是运用透镜的成像原理，使物体在感光底片上成像，其记录的仅是物体表面发射的光或反射的光。而全息则利用干涉原理，使感光片上不仅记录光的强度，还记录了光的相对相位。所谓全息就是把物体发出或反射的光信号的全部信息，包括光的振幅和相位全部记录下来，在再现被摄物体时就能得到物体的立体像。所以全息照相实际上是一种两步成像的照相技术，第一步记录下复杂的干涉图样，得到一幅全息图，称为记录过程。第二步照明全息图，再现出原始物体光波，得到与物体不可分辨的像，称为再现过程。数字全息技术是由Goodman和Lawrence在1967年提出的，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。基本原理...凯力威科技KALEVEITECHNOLOGYWEHAVEBEENWORKINGHARDFOROURDREAMS全息照相记录示意图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。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。数字全息的基本原理...凯力威科技KALEVEITECHNOLOGYWEHAVEBEENWORKINGHARDFOROURDREAMS全息照相再现示意图光学全息和计算全息的重现过程属于光学再现过程，即将全息图用适当的光照明，其衍射光形成了与原物光波相似的光波，构成物体的再现像。对于数字全息来说，是先将CCD记录的全息图数字化，然后在计算机中重建物体的再现像。凯力威科技KALEVEITECHNOLOGYWEHAVEBEENWORKINGHARDFOROURDREAMS软件组成...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部分组成，其信号流程如下图所示：凯力威科技KALEVEITECHNOLOGYWEHAVEBEENWORKINGHARDFOROURDREAMS1．图像读入数字式CCD摄像机可直接输出数字化的图像，如SKC系列的CCD摄像机都可以以RS644格式输出数字图像。通过专用接口卡可以把数字图像直接输入到计算机中处理或保存。2．图像预处理直接获得的原始图像含有许多随机和系统噪声，因此处理前要对图像进行预处理。图像增强是图像预处理的一个重要步骤，它可以改善图像的视觉效果，并把图像处理成适于分析或控制的某种形式。图像增强内容广泛，包括去除噪声、锐化、边缘提取等。对于全息干涉图像，预处理可以降低图像噪声，提高对比度，提取图像的特征等。3．二次曝光实际操作时，通常采用真空加载使轮胎表面产生形变。加载前记录第一幅全息图，加载后记录第二幅全息图。将两幅全息图进行对比后，可以得到加载前后橡胶表面的形貌变化。异常变形的区域就是缺陷存在的区域。4．全息重现CCD记录全息图后，需要进行数字全息重现，即用软件模拟光学重现的过程。由于本课题应用于流水线检测，要求再现速度快，对图像细节损失小，因此本文选择菲涅尔衍射法进行全息重现。凯力威科技KALEVEITECHNOLOGYWEHAVEBEENWORKINGHARDFOROURDREAMS5．气泡尺寸判别由于气泡的存在，加载前后异常变形的区域一般表现为“蝴蝶斑”图案。“蝴蝶斑”图案的方位和大小反应了气泡的尺寸和方位，因此对测量结果要进行识别和判断。首先要确定是否是“蝴蝶斑’’，其次要探测“蝴蝶斑’’的具体方位，最后要计算“蝴蝶斑”的尺寸，从而判别气泡的大小。为了判断轮胎缺陷是否超过样品标准，需要对图像库的“蝴蝶斑”图像进行比较，最终进行归档和分类。6．人机交互界面检测前需要预先设定不同的系统参数，如被测轮胎外径，内径及基本型号；设置判决参数和样板库，用于对检测结果进行分级和管理；以及设置文件归档目录、数据库入口等。同时，软件还需要有中断处理功能，方便进行多种人工干预，如修改工作参数、修正判别结果、保存特殊数据等。7．资料归档根据图像处理的结果和用户设定的参数，自动将探测结果与图像库进行比对，并自动进行分类和存储，便于以后的数据库管理和查询。凯力威科技KALEVEITECHNOLOGYWEHAVEBEENWORKINGHARDFOROURDREAMS电子散斑干涉技术...散斑是在相干照明的情况下，在漫射式的反射或透射的物体表面观察到的随机分布的具有“闪烁”颗粒状外貌的微小光斑，有亮散斑和暗散斑之分。激光的高相干性使散斑现象显而易见。实际上，散斑就是来自粗糙表面不同面积元的光波之间的自身干涉现象，因而它也是粗糙表面的某些信息的携带者。借助于散斑不仅可以研究粗糙表面本身，而且还可以研究其位置及形状的变化。电子散斑干涉计量技术是用电子学和数字方法实现的散斑干涉计量技