1、激光数字错位散斑轮胎无损检测仪培训教材,2017年3月,激光无损检测（Laser NDT）,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
2、、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。,英国科学家丹尼斯伽柏(D
3、ennis Gabor)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。,全息,数字全息术(Digital Holo
4、graphy)也称电子散斑干涉技术(ESPI，Electronic Speckle Pattern Interferometer)或是TV全息摄影术(TV Holography)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
5、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。,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
6、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
7、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
8、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
9、率低。,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
10、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 .,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
11、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 .,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。,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
12、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：,1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
13、，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。,5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
14、”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。,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
15、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术。早期的电子散斑干涉计量技术的主要是用电视监视器直接显示实时相关条纹，其相关强度是由视频信号的相减或相加来实现。现阶段的电子散斑干涉计量技术一般采用CCD代替全息干板，并用计算机进行图像处理。这样不仅可省去底片显影、定影等复杂的湿处理过程，而且可以直接将输
16、出的信号输入计算机进行图像处理，实时观察相关条纹，故可用于工程结构的现场测试。,电子散斑干涉技术是基于散斑原理，利用轮胎变形前后空间散斑分布的变化来描述轮胎形变的。 电子散斑干涉技术对缺陷所进行的检测是基于对物体两个形变状态的比较得出的，目前较为常用的是真空加载。当轮胎周围的大气压变化时，轮胎内部的缺陷就会造成该部位的胎体表面发生异常变形。一般压力下降几千帕时，缺陷使胎体表面产生异常变形，同时使反射光波产生微米数量级的变化。如此微小的光程差通常要借助高灵敏的电子散斑干涉技术。电子散斑轮胎无损检测技术在检测中通过高分辨率的CCD摄像系统，将轮胎受力变化过程中的应变信息以相位图的形式实时记录下来，
17、再应用光电转换技术将光信号转换为数字信号，然后通过图像处理软件和图像分析软件进行计算和分析，从而得到描述轮胎形变的相位图，通过自动计算这些畸变部位的面积并实时显示，使得轮胎内部缺陷被准确地检测出来并清晰地显示在屏幕上。,电子散斑干涉轮胎无损检测系统的特点： (1)全息检测系统的图像能够直观地显示出轮胎的内部缺陷，且易于判断； (2)操作简便，无需感光材料及显影、定影， 且对环境无特殊要求； (3)直接测量的不是表面变形而是变形的一阶导数； (4)对轮胎内部的非金属杂质，如塑料、纤维等，图像显示不明显； (5)减少了人为因素的影响。,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
18、该检测技术已进入普及阶段。德国Steinbichler公司（德国施泰茵比西勒光电技术有限公司）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。该检测系统由高分辨率的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。Intact 1200型激光错位散斑轮胎无损检测仪适用于外直径小于1250mm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2mm2。,错位散斑原理.,错位散斑
19、直接测量的不是物体表面的微小变形而是微小变形的一 阶导数，其检测原理如图1 所示 。错位散斑技术非常适合于轮胎工业环境，它将轮胎在两个不同状态下的空间干涉图相比较 ，从而得到所测部位典型蝴蝶状的相位干涉差图 。如果轮胎内部有缺陷，当外部环境条件 (如压力、温度等 ) 发生变化时， 缺陷所在部位会发生与其它部位所不同的体积变化，由于橡胶本身所具有的特性，这些体积变化会引起轮胎 (内侧或外侧 ) 表面出现微小的特征形变，人们由此可以推 断所检测部位存在气泡 、脱层及肩空等内部缺陷 。,轮胎检测气泡，是通过抽真空前和抽真空后的轮胎表面变形来检测的，因此需要通过两幅全息图对比才能检测出来。 模拟生成全
20、息图时，物参光夹角越大，条纹越密集，而数字全息重现后再现像分离也越大。 再现距离变化时，再现像的大小也会随之变化，再现距离越近，再现像越大，同时再现像的分辨率也会改变。当再现距离越大时，再现像的每个像素所表示的实际尺寸越大，从而使再现像的分辨率越小；再现距离越小时，再现像的每个像素所表示的实际尺寸越小，从而使再现像的分辨率越高。但是当距离到一定值时，再现面将不能够显示整个物体的信息，因此需要选择合适的记录和再现距离。 二次曝光法将变形前后的两次曝光干涉图像记录在同一张全息图上，全息重现后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。,轮胎剪切散斑干涉相位图条纹特征
21、,首先对含有缺陷的轮胎进行真空加载，然后通过激光散斑轮胎无损检测装置获得轮胎变形前、后的散斑图，最后对轮胎变形前后散斑图进行相减处理，并经过相移算法就可得到轮胎缺陷包裹相位图。其相位条纹是离面位移在错位方向一阶导数的等直线条纹。图1为错位散斑干涉条纹示意图。图2为轮胎缺陷包裹相位图。可以看出，轮胎缺陷包裹相位图是典型“蝴蝶状”条纹图。错位方向条纹密度比其法向条纹密度要高。 条纹密度越高，条纹间距就越小，条纹梯度变化就越大，条纹空间频率也越大。由于轮胎缺陷包裹相位条纹图在错位方向的条纹密度比其法向的条纹密度要高，故在对轮胎缺陷包裹相位条纹图进行频域低通滤波时，可根据不同方向的条纹密度来设置不同的
22、截止频率，这样可以达到更好的滤波效果。,用电子散斑干涉技术检测橡胶表面形变,利用电子散斑干涉技术，进行了实际实验。首先小范围调整参考光角度，在调整前后拍摄两副轮胎表面的全息图，如图412(a)、(b)所示。将两全息图相减，得到结果如下图412(c)所示。很明显，结果出现了很明显的明暗相间的条纹。这样的条纹是由于小角度调整参考光平面镜的结果。而条纹的疏密，便是由调整幅度大小决定的。,用电子散斑干涉技术检测橡胶表面形变,图413是不同方式改变橡胶表面微形貌所检测的电子散斑干涉图。图中明暗条纹的分布，代表了橡胶表面变形前后的相位关系。图413(e)、(f)是轮胎检测中最常见的蝴蝶斑。,蝴蝶斑的形成,
23、蝴蝶斑是两个对称的干涉圆斑，中心明暗相反，成蝴蝶形状，因此称蝴蝶斑。下图414是不同形变大小下的蝴蝶斑。 当轮胎的胎体强度(规格)变化时，检测时的加载。即真空值也应随之调整。胎体强度越太，检铡时的加载(真空值)也应越大。当轮胎中存在气泡或者脱胶的时候，由于抽真空，外界气压减小，轮胎缺陷处内部压力变大，于是在常温常压下显现不出来的气泡等缺陷会由于内部压力的原因体积增大而突起，而使得缺陷近邻的部分由于表面张力有所下陷。这就是蝴蝶斑的形成。,轮胎应用示例,在真空应力（压力降较小，仅为34psi）下使用时，先进的剪切照相能反映出无论是由于轮胎结构中粘着力不足或是其内部气泡所引起的平面应力变形。 1、脱
24、层 即使是多层帘布或带束层，均可用剪切照相测定其是否脱层。这些缺陷的大小为220mm，且只需要2.2psi的压力差下用先进的剪切照相将其成像。 2、欠硫 当新轮胎的硫化温度/时间不足时，它就会出现欠硫。真空应力在轮胎成像区中对欠硫有较大的影响。在该区域中，由于胶料具有较高的柔顺性和较大的气体量致使其未能进行充分硫化。,3、胎圈部气泡 钢丝圈周围处和反包空布胎侧内部空布间的粘着不牢均能用具有真空应力的先进剪切照相法反映出来。 4、空穴（socketing）和肩空 空穴是轮胎肩部疲劳过程开始的表征。用先进的剪切照相技术能容易地将其检查并反映出来。在旧的全息照相系统中，由于其条纹样式复杂，难以检测，且需要富有经验的操作者对图像进行解释。,谢谢！,四川凯力威科技股份有限公司,中国四川简阳JianYang, SiChuan, China.,
