電子散斑干涉

電子散斑干涉( ESPI)技術是一種非接觸式全場實時測量技術 ,因其通用性強、 測量精度高、 頻率範圍寬及測量簡便等優點 ,近年來獲得了快速發展。電子散斑干涉無損檢測技術可以完成位移、 應變、 表面缺陷和裂紋等多種測試。

電子散斑干涉技術是以激光散斑作為被測物場變化信息的載體,利用被測物體在受激光照射後產生干涉散斑場的相關條紋來檢測雙光束波前後之間的相位變化。一束激光被透鏡擴展並投射到被檢測物體的表面上,反射光與從激光器直接投射到攝像機的參考光光束髮生干涉,在被照射的表面產生散斑場及一系列散斑圖像。當物體運動時,這些散斑會隨之發生變化,這些變化表徵出被測物體表面的位移場變化或形變信息。使用CCD(電荷耦合器件)攝像機得到視頻信號,由計算機軟件處理分析後在監視器上顯示出表徵物場變化的散斑干涉條紋圖,通過數值計算將這些條紋解析為人們所熟知的物理量。電子散斑干涉技術將全息干涉條紋圖像轉化為數字圖像存儲在計算機中進行運算和處理,處理過程實現了數字化、自動測量和對結果的直觀解釋。

電子散斑干涉無損檢測技術是基於物體結構損傷處的外表面在靜載荷或動載荷的作用下會產生非均勻的表面位移或變形,在有規則的干涉條紋中會出現明顯的異狀,如不連續、突變的形狀變化和間距變化等;通過測算這些微小的變化,便可查明物體內部缺陷及其位置。與常規無損檢測手段如射線、超聲波、電磁、滲透和磁粉檢測技術等相比,電子散斑干涉技術主要有以下優點：

①測量信息豐富,可實現實時處理,測量精度高,能達到激光的波長級別。

②能進行全場檢驗,使用方便,檢測效率高,適用於形狀比較複雜的物體。

③檢測結果易於保存,電子散斑條紋圖可以數字形式保存在存儲介質中,便於後續處理分析。

④採用相減模式處理干涉散斑條紋,消除了一般雜散光的影響;測試儀器可在較強的光照條件下工作,即使在太陽光下也可測量高温物體的損傷。

光的散斑現象早在1877年就有報道，在1914年，有關散斑的照片就已發表，但一直未予重視。直到1960年世界上第一台激光器的誕生，人們利用全息干涉術的發現才有所重視，當時由於散斑的存在而影響了全息圖的質量，人們開始將散斑作為一種噪聲進行系統的研究，大量的工作是為了消除散斑效應。1968年，Archbold等人首次提出將散斑干涉技術應用在測量中，然而該技術需要用銀豁幹版作記錄介質，不僅費時，而且操作過程複雜，加之處理千涉條紋圖的耗時、費力，給散斑干涉技術的推廣帶來了困難。1970年Leendertz首先建立了散斑干涉技術的基本原理，並聲稱具有近於全息干涉的靈敏度。另一些學者也對這一技術的早期發展做出了重大貢獻。在這一方法中，物體由兩束相干光照明，將物體變形前後拍攝的兩幅散斑圖照片加以對比，即可得到表面位移的信息。1971年英國Butters等人和美國的Macovski又以光電子器件(攝象機)代替了全息幹版記錄散斑場的光強信息，並存儲在磁帶上，然後通過電子硬件處理的方法將變形後的散斑圖與記錄在磁帶上的變形前的散斑圖進行處理，從而在圖象監視器上能觀察到散斑干涉條紋，從而首次實現了電子散斑干涉。受當時技術條件的限制，條紋的“顆粒性”強，使得條紋質量差，條紋的對比度不高。為了克服上述缺點，1974年，Peterson等人把硅靶攝像管作為光電探測頭應用在電子散斑干涉法中，從而提高了該系統對光的敏感度。1976年，Lokberg等人把全息於涉術中的參考光位相調製技術引入電子散斑，使之能測量振動的位相分。1977年，Wykes討論了電子散斑千涉法中的消相關效應，並提出了相應的改進措施。1978年，Jones等人採用雙波長電子散斑干涉測量了物體的輪廓。1981年，Jones又系統地對電子散斑千涉中各種參數的選取和優化作了詳細的報道。這樣，電子散斑干涉法的基本原理和於涉系統已基本建立。

進入八十年代以後，計算機技術出現了迅猛地發展，用數字化圖象板可以將模擬信號的視頻圖像經過A/D轉換以數字化的形式存入計算機內。隨着這種技術的發展與不斷完善，開始逐步替代原來電子散斑干涉中需要由電子硬件處理的工作，即由數字量的軟件計算代替模擬量的硬件計算，這種散斑干涉技術稱為數字散斑干涉術(DSPI)。所謂數字散斑干涉技術，就是把集成化的電子存儲模塊技術應用於電子散斑干涉技術中，將圖像以點陣的形式量化為數字量存儲在幀存體中，並可以讀寫。數字散斑干涉技術通過把物體變形前後的散斑圖量化為數字圖像，由計算機用數字的方法對它們進行運算，從而在監視器上再現干涉條紋。數字散斑減少了電子散斑的噪聲，大大提高了干涉條紋的清晰度。1980年，Nakadate首先實現並得到512x512陣列的數字散斑干涉條紋，從而開始了採用數字處理方法的數字散斑干涉技術(DSPI)的發展。但直到1984年，才由Creath正式提出並作為一種新技術加以推廣，數字圖像陣列也進一步發展到今天的512x512和1024x1024，灰度等級擴展到256，而且以微機和圖像採集卡引入圖像處理系統，取代了原始的大型數字圖象處理系統，從而為以後的廣泛應用奠定了基礎。隨後在1990年Gulker把ESPI技術用於建築物現場監測。由於相移技術的引進使ESPI的測試靈敏度提高了兩個數量級，從而促進了該技術的迅猛發展。1993年Paoletti等把ESPI技術用於複合材料的無損檢測，之後用該技術檢測焊縫質量和對粗糙表面進行詳細的測試研究也見報道。近二十幾年來，人們不斷地發展和完善ESPI技術並把它應用到各種工程測試中，取得了豐碩的成果。當前該技術己經取代了採用電子處理方法的電子散斑干涉技術，但是出於習慣，人們通常把電子散斑干涉技術(ESPI)和數字散斑干涉技術(DSPI)並稱為電子散斑干涉技術(ESPI)。

為了進一步提高ESPI的抗振性能以及減少物體變形測量時對物體位移進行數值微分所帶來的較大誤差，Hung於1973年提出了錯位散斑照相術(ElectronicShearography，簡稱ES)，用來測量位移導數。之後又於1985年提出了將錯位技術引入電子散斑的設想，提出電子錯位術的概念，即在錯位散斑照相機鏡頭前放置一個小角度的玻璃楔塊，光線通過此玻璃楔塊將產生偏折，在焦平面上產生與楔塊的楔角相同方向的兩個錯位像，這兩個像是激光形成的，他們將在焦平面上互相干涉而形成散斑干涉圖像。當兩個變形前後的散斑十涉圖同時記錄在同一塊幹版上，且經過處理後，將幹版放在高通傅立葉濾波光路中，將出現一個表示物體位移偏導數的條紋圖。但由於固定錯位角的楔鏡引起視場雙向光強的不等，影響了干涉效果。八十年代末，天津大學秦玉文教授次提出使用A爾德稜鏡作錯位鏡，解決了雙像光強不等的問題，之後又把視頻技術、計算機技術引入錯位散斑干涉術，從而形成了數字錯位散斑干涉術。這種技術是把用激光擴束後照明的物體，經錯位鏡形成的被攝物體相互錯位的散斑圖，經CCD輸入到計算機圖象系統中，再對變形前後的兩個散斑場作相減模式處理，便會在監視器上得到表示物體位移導數的干涉條紋。由於記錄時間的縮短，該技術弱化了剛體位移、機械振動、空氣的擾動等環境不穩定因素對條紋的影響。1989年，秦玉文教授又首次提出了實時時間差技術，解決了大變形物體的測量問題，同年，天津大學在國內首次成功的研製了電子錯位散斑干涉系統(ESSPI)，使光學計量方法真正地走出實驗室，滿足了工程測試的實際需要。近幾年來一些科研上作者致力於該技術的應用和研究，使得該技術的應用領域不斷擴大，適用範圍更加寬廣。1991年，秦玉文教授利用電子錯位散斑干涉技術對高壓輪胎進行了檢測。1992年，金觀昌教授用電子錯位散斑干涉技術實現了對蜂窩板的測試。此後，天津大學的戴嘉彬提出了可調實時時間差技術。西安科技大學將半導體激光器成功的應用與電子散斑干涉，並由雙頻光柵實現了錯位。西安交通大學成功研製了光纖電子散斑干涉系統。目前該技術可進行變形、振型、形狀、温度分佈和無損檢測等方面的測量，建築物現場監測、複合材料的無損檢測、焊縫質量檢測、表面粗糙度檢測等方面的研究都有過詳細的報道。總之，該技術在航空航天、輪機工程、土木電子及生物醫學等領域的測試中有非常重要的地位。

一 位移測定 ^[1] 

二 飛行器部件、 複合材料分離部位、 蜂窩結構和火箭推進劑藥柱中的裂紋、 分層、 開裂和氣孔等缺陷檢測。 ^[2]