新型光束勻化激光紅外熱成像檢測系統(tǒng)及應(yīng)用

裴翠祥,陳振偉,王 志,王榮邦,吳 堅(jiān),王 強(qiáng),夏瑞聰

(1.西安交通大學(xué)航天航空學(xué)院 機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與振動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710049;2.西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院 電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710049;3.空軍工程大學(xué)裝備管理與無人機(jī)工程學(xué)院,陜西 西安 710051)

1 引 言

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(fiber reinforced polymer,FRP)是20世紀(jì)60年代中期問世的一種新型結(jié)構(gòu)材料,與傳統(tǒng)材料相比具有低密度、高比強(qiáng)度、高比模量、耐腐蝕、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)和易于整體成型等優(yōu)點(diǎn),被廣泛的應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域[1]。在服役周期內(nèi),復(fù)合材料結(jié)構(gòu)長時(shí)間工作在高應(yīng)力、大載荷的環(huán)境下,這極易導(dǎo)致其內(nèi)部產(chǎn)生分層、脫粘、浸水及沖擊損傷等缺陷,這些缺陷將會(huì)降低結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,甚至造成重大的安全事故。加強(qiáng)服役使用階段復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷的無損檢測與評估,是航空結(jié)構(gòu)安全的重要保障[2-3]。傳統(tǒng)的檢測方法,如超聲檢測和渦流檢測等,存在檢測效率低、檢測結(jié)果不夠直觀等缺點(diǎn),已經(jīng)無法滿足人們對纖維增強(qiáng)復(fù)合材料缺陷檢測的高要求[4-7]。

主動(dòng)式紅外熱成像檢測方法具有非接觸、檢測速度快、檢測結(jié)果直觀可視化等優(yōu)點(diǎn),在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料缺陷檢測領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。主動(dòng)紅外無損檢測技術(shù)常見的熱激勵(lì)源有激光、閃光燈、超聲、渦流等。如李玉杰等[8]將鹵素?zé)艏訜峒t外成像檢測技術(shù)應(yīng)用到復(fù)合材料檢測,缺陷位置誤差小于 0.3℃;馮輔周[9]等通過超聲紅外熱成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)缺陷的自動(dòng)識(shí)別。相比于其他熱源,激光具有作用距離遠(yuǎn)、加熱功率密度大、指向性和可達(dá)性好等優(yōu)點(diǎn)。但目前大功率激光器產(chǎn)生的激光均存在光束能量分布不均的問題,導(dǎo)致待檢試件表面受熱不均勻,由此產(chǎn)生的強(qiáng)背景噪聲,嚴(yán)重影響了激光紅外熱成像檢測方法的缺陷檢測能力[10-13]。為解決上述問題,本文開發(fā)了基于衍射分束原理的激光光束整形和勻化方法,相對于傳統(tǒng)基于微透鏡陣列的激光勻化方法,其具有光束勻化效果好、產(chǎn)生的勻化光斑面積大、形狀規(guī)則、作用距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)[14]。在此基礎(chǔ)上開發(fā)了便攜式光纖耦合光束勻化激光紅外熱成像檢測系統(tǒng),并將其應(yīng)用于航空碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)快速檢測上的應(yīng)用研究,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法及系統(tǒng)大幅提升了激光光束的均勻度,有效消除了由于加熱不均造成的背景噪聲,提高了缺陷的檢出率,可以實(shí)現(xiàn)航空碳纖維層壓板和蜂窩夾芯板結(jié)構(gòu)內(nèi)部脫粘缺陷和沖擊損傷等的有效檢測。最后,與現(xiàn)有商用紅外熱成像檢測系統(tǒng)進(jìn)行了對比檢測實(shí)驗(yàn),進(jìn)一步驗(yàn)證該檢測方法和系統(tǒng)具有優(yōu)異的檢測性能。

2 新型光纖耦合光束勻化激光紅外熱成像檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)及開發(fā)

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

新型便攜式光纖耦合光束激光紅外熱成像檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)圖如圖1(a)所示,系統(tǒng)由大功率光纖耦合激光器、激光整形鏡頭、紅外熱像儀、同步觸發(fā)電路模塊、控制與圖像處理軟件構(gòu)成。系統(tǒng)工作時(shí),首先由軟件控制同步觸發(fā)電路使激光器發(fā)射一定脈沖時(shí)長的大功率激光束,激光束通過光纖進(jìn)入光束整形鏡頭相連,并經(jīng)光束整形鏡頭整形與勻化后照射到被測結(jié)構(gòu)上,對其進(jìn)行均勻加熱,紅外熱像儀同步對被測結(jié)構(gòu)表面溫度進(jìn)行探測,并采集溫度圖像數(shù)據(jù),最后由圖像處理軟件對溫度圖像序列數(shù)據(jù)進(jìn)行處理實(shí)現(xiàn)被測區(qū)域的成像檢測。如圖1(b)所示,激光整形鏡頭內(nèi)部包含準(zhǔn)直凸透鏡、平凹透鏡、衍射分束鏡,其工作原理為,大功率激光器發(fā)出的能量分布非均勻圓形激光束經(jīng)光纖進(jìn)入整形鏡頭后,首先由準(zhǔn)直凸透鏡進(jìn)行準(zhǔn)直,再經(jīng)平凹透鏡形成小發(fā)散角度非均勻激光束,該激光束通過衍射分束鏡后被分成n×n個(gè)具有相同分離角度(相鄰子光束所成夾角的度數(shù))和能量分布形式的子光束,這些子光束照射在待檢試件表面,形成等間距和等大小的陣列子光斑,陣列子光斑錯(cuò)位疊加,最終形成形狀規(guī)則、能量分布均勻的大面積矩形平頂光斑。用勻化光斑加熱待檢試件,試件表面受熱區(qū)域內(nèi)部沒有明顯的溫度梯度,熱流能夠更多的向試件內(nèi)部擴(kuò)散,從而提高了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對試件內(nèi)部缺陷的檢測能力。此外,均勻光斑四周有一個(gè)尖銳的過渡區(qū),在受熱區(qū)間與未受熱區(qū)間形成了一個(gè)輪廓清晰的邊界,該區(qū)域可以用做參考,確定缺陷的尺寸。

圖1 新型便攜式光纖耦合光束勻化激光紅外熱

2.2 激光光束勻化計(jì)算及參數(shù)優(yōu)化

大功率激光器發(fā)出的激光通常為高斯或者準(zhǔn)高斯分布激光束,可以用二維高斯函數(shù)模擬光束在截平面上的光強(qiáng)分布形式,可以表示為:

(1)

式中,I(x,y)為截平面內(nèi)各點(diǎn)的激光強(qiáng)度相對值;x,y為坐標(biāo)值;σ為常數(shù)。

根據(jù)激光整形鏡頭工作原理,激光束通過該鏡頭后產(chǎn)生出射光束由的n×n個(gè)具有相同分離角度和能量分布形式的子光束疊加而成,其截平面上的光強(qiáng)分布形式表示為:

(2)

式中,n為x,y兩個(gè)方向上子光束的個(gè)數(shù);xi,yj為子光束的中心坐標(biāo),xi和yj可以表示為:

(3)

式中,x0和y0代表各子光束的中心坐標(biāo);n代表某一方向上子光束的總數(shù);i和j是子光束在兩方向上的序數(shù);d代表了相鄰子光束的間隔距離。

為驗(yàn)證該方法的有效性,假設(shè)輸入激光束能量分布如圖2(a)所示,其經(jīng)過光束整形鏡頭后生產(chǎn)的輸出激光由9×9個(gè)子光束錯(cuò)位疊加產(chǎn)生,當(dāng)相鄰子光束的間距(d)與各子光束的直徑之比(D)等于1/5時(shí),照射到到試件表面的光強(qiáng)分布如圖2(b)所示?？梢钥闯?所設(shè)計(jì)的光束整形鏡頭可將激光器發(fā)出的小直徑高斯非均勻分布激光束擴(kuò)束整形成光強(qiáng)均勻分布的矩形激光光斑。

圖2 原始輸入及輸出激光光斑光強(qiáng)分布計(jì)算結(jié)果

通過光束整形鏡頭工作原理可知,可通過改變平凹透鏡的焦距和衍射分束鏡的分離角度,從而改變子光束的間距d和直徑大小D,獲得不同分布的整形勻化光斑。為進(jìn)一步分析和優(yōu)化激光整形鏡頭的整形勻化效果,圖3給出d/D的值從1/10增加到1/4時(shí),通過輸出光斑中心直線上的光強(qiáng)分布結(jié)果,可以看出,當(dāng)d/D的值逐漸增大時(shí),輸出光斑的光強(qiáng)分布形式逐漸由高斯分布轉(zhuǎn)向均勻的平頂分布,但當(dāng)d/D≥1/3時(shí),輸出光束的能量分布形式變得不再均勻,影響光斑的均勻度。最后可得當(dāng)d/D的值介于1/5至1/4時(shí)勻化效果最佳。

圖3 相鄰子光束的間距與子光束直徑的比值對光束勻化效果的影響

2.3 新型便攜式光纖耦合光束勻化激光紅外熱成像檢測系統(tǒng)

圖4(a)所示為本文開發(fā)的新型便攜式光纖耦合光束勻化激光紅外熱成像檢測系統(tǒng)實(shí)物圖,系統(tǒng)采用新式光纖耦合連續(xù)風(fēng)冷激光器作為激光源,其最高輸出功率為200 W,該激光器不需要搭配笨重的水冷機(jī)箱,大大減輕了檢測系統(tǒng)的體積和重量。激光器通過長3 m的光纖與光束整形鏡頭相連接,該鏡頭在0.8～3 m的工作距離內(nèi)均有較好的光束整形和勻化效果。紅外熱像儀分辨率為640×480、熱靈敏度<50 mk。系統(tǒng)的控制及圖像處理軟件基于LabVIEW環(huán)境開發(fā),軟件的前面板如圖4(b)所示,主要由儀器控制模塊、圖像采集與顯示模塊,和圖像處理三大模塊構(gòu)成。

圖4 新型便攜式光纖耦合光束勻化激光紅外熱成像檢測系統(tǒng)實(shí)物圖及控制軟件操作界面

3 航空復(fù)合材料檢測應(yīng)用及對比驗(yàn)證

3.1 航空碳纖維復(fù)合材料內(nèi)部分層脫粘缺陷檢測應(yīng)用及對比驗(yàn)證

為考察所開發(fā)光纖耦合光束激光紅外熱成像檢測方法及系統(tǒng)對航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)不同缺陷的檢測能力,首先選用圖5所示的預(yù)埋人工脫粘缺陷的航空碳纖維層壓板樣件進(jìn)行檢測實(shí)驗(yàn)。試件為180 mm×180 mm×3 mm的雙層層合板,內(nèi)埋有導(dǎo)熱率較低的聚乙烯薄膜來模擬脫粘分層缺陷,缺陷大小和分布如圖5(b)所示,脫粘缺陷直徑分別為3 mm、4 mm、5 mm、6 mm和9 mm,缺陷深度分別為0.2 mm、0.4 mm、0.9 mm和1.4 mm。

圖5 預(yù)埋人工分層脫粘缺陷的航空碳纖維層壓板樣件

分別采用未勻化激光和勻化激光對該樣件進(jìn)行激光紅外熱成像檢測實(shí)驗(yàn),檢測過程中激光脈沖長度為3 s、激光功率約150 W。圖6預(yù)埋人工脫粘缺陷CFRP樣件光束未勻化和勻化后激光紅外熱成像結(jié)果。如圖6(a)可以看出當(dāng)激光未整形勻化時(shí),由于激光加熱不均勻,導(dǎo)致樣件表面溫度分布全被背景噪聲干擾,看不到內(nèi)部缺陷的存在,且由于光束不均造成的局部高溫區(qū)域容易被誤判為缺陷。而與之相比,如圖6(b)所示,采用光束整形勻化后,激光加熱非常均勻,紅外熱成像圖像質(zhì)量高,除了深度為0.2 mm的一排缺陷外,能夠清晰的看到大部分的缺陷的存在。至于最接近表面的缺陷未被檢測到的原因,可能是由于接近表面的聚乙烯薄膜在層壓板高溫高壓加工過程中發(fā)生融化,影響預(yù)埋人工缺陷的制作質(zhì)量。為進(jìn)一步提高對缺陷的識(shí)別能力,采用主成分分析圖像處理方法,對兩種激光加熱獲得紅外圖像序列進(jìn)行處理,得到圖6(c)和(d)圖像處理后的激光紅外熱成像圖像,可以看出,當(dāng)激光未勻化時(shí),由于強(qiáng)背景噪聲的干擾,圖像處理后的紅外圖像仍包含大量的背景噪聲,無法有效識(shí)別大部分缺陷,而激光勻化后,由于沒有背景噪聲的干擾,圖像處理后的紅外圖像對比度和信噪比進(jìn)一步提升,缺陷圖像更加清晰。

圖6 預(yù)埋人工脫粘缺陷碳纖維層壓板樣件光束未勻化和勻化后激光紅外熱成像檢測結(jié)果

為進(jìn)一步驗(yàn)證所開發(fā)新型光纖耦合光束勻化激光紅外熱成像檢測系統(tǒng)的檢測性能,選用現(xiàn)有市場主流商用主動(dòng)式紅外熱成像檢測系統(tǒng)進(jìn)行對比檢測實(shí)驗(yàn)。如圖7(a)所示,該系統(tǒng)由試件加熱箱、紅外熱像儀和圖像采集處理軟件構(gòu)成。檢測時(shí)將圖5對應(yīng)的碳纖維層壓板樣機(jī)置于加熱箱中,通過紅外熱像儀獲取試件紅外溫度圖像,其紅外檢測成像結(jié)果如圖7(b)所示,可以看出該系統(tǒng)也能夠檢測出試件中的大部分分層脫粘缺陷,但與圖6(d)所示的檢測結(jié)果進(jìn)行比較可發(fā)現(xiàn),本研究所開發(fā)的激光紅外熱成像檢測系統(tǒng)在缺陷成像清晰度和信噪比上均明顯占優(yōu)。同時(shí),現(xiàn)有商用主動(dòng)式紅外檢測系統(tǒng)由于采用閃光燈加熱的方式,其檢測距離通常在0.5 m以內(nèi),而本研究所開發(fā)的激光紅外檢測系統(tǒng),由于采用激光遠(yuǎn)距離加熱,其工作距離更遠(yuǎn),目前為0.5～3 m,將來還有進(jìn)一步大幅提升的空間。

圖7 現(xiàn)有商用主動(dòng)式紅外熱成像檢測系統(tǒng)碳纖維層壓板樣件檢測成像結(jié)果對比

3.2 航空碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)沖擊損傷檢測應(yīng)用

航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)除了會(huì)產(chǎn)生分層脫粘缺陷外,還會(huì)由于外來異物撞擊產(chǎn)生沖擊損傷。為驗(yàn)證所開發(fā)新型光纖耦合光束勻化激光紅外熱成像檢測方法和系統(tǒng)對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)沖擊損傷的檢測能力,如圖8(a)所示,首先采用沖擊加載裝置對兩碳纖維層壓板(尺寸為150 mm×100 mm×3 mm)分別進(jìn)行5 J和10 J能量的沖擊,如圖所示,沖擊完成后在沖擊區(qū)域難以用肉眼觀察到?jīng)_擊損傷的存在。圖8(b)為激光紅外熱成像檢測結(jié)果,從檢測圖像中可以清楚的看到?jīng)_擊損傷缺陷的存在,還可以看出當(dāng)沖擊能量增大時(shí),沖擊損傷面積增大。

圖8 碳纖維層壓板沖擊損傷樣件激光紅外檢測成像結(jié)果

除了層壓板外,還選取航空碳纖維蜂窩夾芯板復(fù)合材料樣件進(jìn)行了沖擊損傷檢測實(shí)驗(yàn)。試件整體尺寸為155 mm×104 mm×17 mm,其中上下復(fù)合材料蓋板的厚的均為3 mm,蜂窩夾芯的厚度為9 mm。同樣采用沖擊加載裝置對該試件表面中心進(jìn)行10 J能量的沖擊,其后進(jìn)行激光紅外檢測實(shí)驗(yàn)。如圖9(a)所示,沖擊后試件表面用肉眼幾乎觀察不到損傷,而與之相比,從圖9(b)激光紅外熱成像檢測成像結(jié)果中可以明顯看到損傷的存在。

圖9 碳纖維蜂窩夾芯板沖擊損傷樣件激光紅外熱成像檢測結(jié)果

4 結(jié) 論

為克服現(xiàn)有激光紅外熱成像檢測方法由于激光加熱不均造成的檢測性能低等問題,本文提出和研究了一種基于衍射光學(xué)原件的激光光束整形和勻化方法,通過計(jì)算初步驗(yàn)證了該方法的有效性,并進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化。在此基礎(chǔ)上開發(fā)了新型便攜式光纖耦合光束勻化激光紅外熱成像檢測系統(tǒng),該系統(tǒng)具有檢測速度快、工作距離遠(yuǎn)、體積小巧等優(yōu)點(diǎn),能夠在外場環(huán)境下對在役復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行原位快速無損檢測。最后將所開發(fā)系統(tǒng)用于航空碳纖維復(fù)合材料檢測上的應(yīng)用研究,通過檢測實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,該系統(tǒng)大幅提升了激光光束的均勻度,消除了由于加熱不均產(chǎn)生的背景噪聲,增強(qiáng)了對缺陷的檢出性能,可以實(shí)現(xiàn)航空碳纖維層壓板和蜂窩夾芯板結(jié)構(gòu)內(nèi)部脫粘缺陷和沖擊損傷等的有效檢測。通過與現(xiàn)有商用紅外熱成像檢測系統(tǒng)進(jìn)行了對比檢測實(shí)驗(yàn),進(jìn)一步驗(yàn)證該檢測方法和系統(tǒng)具有優(yōu)異的檢測性能。