材料微觀裂紋的光學(xué)低相干檢測(cè)技術(shù)

(南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院， 南京 210016)

航空航天領(lǐng)域的機(jī)械結(jié)構(gòu)在服役期間，不可避免地會(huì)承受高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速等極端條件，外界不斷變化的溫濕度、長(zhǎng)期的疲勞載荷、拉壓與沖擊等，都極有可能在零部件的材料表面或內(nèi)部產(chǎn)生極微小的微觀裂紋，其尺寸可達(dá)到微米量級(jí)[1]。這時(shí)，若不及時(shí)對(duì)這些初期的微觀裂紋進(jìn)行適當(dāng)處理，其將會(huì)繼續(xù)發(fā)展為局部區(qū)域的開(kāi)裂，并逐漸擴(kuò)大到相鄰區(qū)域，直至整個(gè)結(jié)構(gòu)發(fā)生脆性折斷或疲勞斷裂[2]。

材料疲勞裂紋的分布情況復(fù)雜，形成周期長(zhǎng)，通常情況下難以被發(fā)現(xiàn)，構(gòu)成的潛在危害較大，材料或零部件的疲勞壽命可以分為疲勞裂紋的萌生與疲勞裂紋的擴(kuò)展兩個(gè)時(shí)期[3]。大量試驗(yàn)結(jié)果證明，材料疲勞壽命的大部分時(shí)間都消耗于微觀裂紋，即小裂紋階段，小裂紋往往尺寸微小且位置隱蔽，會(huì)對(duì)機(jī)械部件造成較大的安全隱患。

傳統(tǒng)材料的裂紋檢測(cè)方法有渦流檢測(cè)法、激光散斑法及超聲波法等。其中，渦流檢測(cè)法具有無(wú)需耦合劑、檢測(cè)靈敏度高、檢測(cè)速度快和非接觸等優(yōu)點(diǎn)，但其在檢測(cè)過(guò)程中易受外界干擾，且被測(cè)工件必須是金屬[4]；激光散斑法能有效地判斷出瑕疵和裂痕，并能迅速得到缺陷的具體位置，精度能達(dá)到亞微米級(jí)，但散斑法是通過(guò)計(jì)算統(tǒng)計(jì)信息來(lái)得到表面特征的，無(wú)法還原出實(shí)際材料的圖像，不利于直觀觀察；超聲波法能容易地測(cè)出缺陷的深度信息，能對(duì)體積型和面積型缺陷進(jìn)行有效測(cè)量，但測(cè)量過(guò)程中需要耦合劑，易受外部的干擾且會(huì)對(duì)材料產(chǎn)生影響，常規(guī)超聲波方法受人為因素的影響，檢測(cè)結(jié)果具有主觀性，此外，該方法具有一定的近場(chǎng)盲區(qū)，對(duì)近表面缺陷易造成漏檢，且不適合對(duì)薄壁工件進(jìn)行檢測(cè)[5]。

基于上述原因，提出了一種采用掃頻光學(xué)低相干技術(shù)對(duì)材料進(jìn)行裂紋檢測(cè)的方法，設(shè)計(jì)構(gòu)建了馬赫-澤德干涉結(jié)構(gòu)的低相干系統(tǒng)，并通過(guò)LabVIEW平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與處理，得到材料微觀裂紋(小裂紋)的二維信息，并重構(gòu)出裂紋的二維成像圖，該方法可克服上述傳統(tǒng)方法的部分缺點(diǎn)，且具有檢測(cè)分辨率高的優(yōu)點(diǎn)，可對(duì)小裂紋進(jìn)行高精度的成像檢測(cè)，達(dá)到材料微觀裂紋檢測(cè)的目的，為材料裂紋擴(kuò)展特性的進(jìn)一步研究工作奠定了基礎(chǔ)。

1 基于掃頻光學(xué)低相干的裂紋檢測(cè)原理

掃頻光學(xué)低相干裂紋檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，掃頻光學(xué)低相干系統(tǒng)是基于快速掃頻激光光源和單點(diǎn)探測(cè)器的干涉成像系統(tǒng)，其成像速度、信噪比及靈敏度方面的性能全面超越時(shí)域光學(xué)低相干技術(shù)的。在大多數(shù)使用單點(diǎn)探測(cè)器的掃頻光學(xué)低相干系統(tǒng)中，干涉光譜的強(qiáng)度如式(1)所示。

(1)

式中：Pr為從參考臂返回到探測(cè)器的光功率；Po為照射到裂紋樣品上的光功率;r(z)和φ(z)分別為裂紋樣品深度方向上反射系數(shù)的幅度和相位；Γ(z)為光源相干函數(shù)；k(t)為隨時(shí)間變化的波數(shù)；z為樣品深度坐標(biāo)。

圖1 掃頻光學(xué)低相干裂紋檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

在式(1)等號(hào)的右側(cè)，第三項(xiàng)為參考臂與裂紋樣品各層之間的干涉光強(qiáng)，即掃頻光學(xué)相干層析系統(tǒng)探測(cè)到的有效干涉光譜信號(hào)，對(duì)此干涉光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)，即可實(shí)現(xiàn)從波數(shù)空間到深度空間的轉(zhuǎn)換，恢復(fù)裂紋樣品各層信號(hào)和平面鏡信號(hào)的自相關(guān)信號(hào)，獲得深度分辨的裂紋樣品散射強(qiáng)度信息，以及反映裂紋樣品的表面形貌信息[6]。

掃頻光學(xué)低相干裂紋檢測(cè)系統(tǒng)中，掃頻光源發(fā)出的光經(jīng)光纖耦合器分為兩束，一束進(jìn)入?yún)⒖急郏ㄟ^(guò)準(zhǔn)直器準(zhǔn)直后入射到平面鏡發(fā)生反射，另一束進(jìn)入樣品臂，通過(guò)準(zhǔn)直器準(zhǔn)直后入射到掃描振鏡，并經(jīng)掃描振鏡偏轉(zhuǎn)后通過(guò)場(chǎng)鏡聚焦到裂紋樣品表面，而后由裂紋樣品表面的后向散射光返回到光纖耦合器，在其中與參考臂的返回光發(fā)生低相干干涉現(xiàn)象。

2 基于掃頻光學(xué)低相干的裂紋檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)干涉模塊的設(shè)計(jì)

掃頻光學(xué)低相干裂紋檢測(cè)系統(tǒng)的硬件干涉儀部分采用標(biāo)準(zhǔn)的馬赫-澤德(Mach-Zehnder)干涉儀，其結(jié)構(gòu)示意如圖2所示(圖中BS1,BS2為分束器；M1,M2為平面鏡；PD1,PD2為光電探測(cè)器)。相比于光學(xué)低相干系統(tǒng)常用的邁克爾遜干涉儀，該系統(tǒng)采用馬赫-澤德干涉儀結(jié)構(gòu)的顯著優(yōu)勢(shì)在于其可以避免干涉光路中的光再反射回光源，因此對(duì)光源的影響很小，有利于降低光源的不穩(wěn)定噪聲。此外，其能夠獲得雙路互補(bǔ)干涉輸出，便于后續(xù)信號(hào)的接收和處理。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)馬赫-澤德干涉儀結(jié)構(gòu)示意

2.2 系統(tǒng)探測(cè)部分設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的探測(cè)部分使用平衡探測(cè)器接收信號(hào)，參考臂和樣品臂的返回光在干涉模塊中產(chǎn)生低相干現(xiàn)象，干涉信號(hào)分為兩路進(jìn)入到平衡探測(cè)器中。平衡探測(cè)器的結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。

圖3 平衡探測(cè)器結(jié)構(gòu)示意

平衡探測(cè)器兩個(gè)接口接收到的光電流信號(hào)分別為

(2)

(3)

式中：I+為探測(cè)器接收到的光電流正信號(hào)；I-為探測(cè)器接收到的光電流負(fù)信號(hào)；Es為樣品臂的電場(chǎng)強(qiáng)度；Er為參考臂的電場(chǎng)強(qiáng)度；E+為探測(cè)器正輸入端的電場(chǎng)強(qiáng)度；E-為探測(cè)器負(fù)輸入端的電場(chǎng)強(qiáng)度；其中，帶*的向量均為原向量的共軛向量。

兩路信號(hào)在平衡探測(cè)器中進(jìn)行差分運(yùn)算后輸出為

(4)

與掃頻低相干系統(tǒng)傳統(tǒng)的單點(diǎn)探測(cè)器相比，平衡探測(cè)器能有效地抑制信號(hào)中的直流共模成分，降低器件內(nèi)部的自相關(guān)干擾，同時(shí)將有效的干涉信號(hào)放大為原來(lái)的兩倍。經(jīng)平衡探測(cè)器放大后的干涉信號(hào)通過(guò)高速數(shù)據(jù)采集卡的A/D(模擬/數(shù)字)轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信號(hào)存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)中，隨后再利用軟件平臺(tái)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)處理，即可獲得最終的圖像。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

由于掃頻光學(xué)低相干系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集卡、掃描振鏡與圖像采集卡的協(xié)同工作下才能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與存儲(chǔ)操作，所以需要合理地控制軟件系統(tǒng)的時(shí)序。系統(tǒng)的時(shí)序控制程序編寫(xiě)在LabVIEW平臺(tái)上完成，通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡輸出波形控制掃描振鏡的振動(dòng)與圖像采集卡的采集，采用三角波控制掃描振鏡的振動(dòng)掃描，采用方波觸發(fā)圖像采集卡采集圖像。為了保證振鏡從開(kāi)始振動(dòng)直至掃描到另一端的過(guò)程中，圖像采集卡正好完整地采集一次圖像，方波的上升沿必須與三角波的波谷點(diǎn)同步。系統(tǒng)的時(shí)序控制信號(hào)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)時(shí)序控制信號(hào)

干涉光譜信號(hào)經(jīng)過(guò)預(yù)處理之后，再通過(guò)傅里葉變換轉(zhuǎn)換為空間強(qiáng)度信號(hào)。系統(tǒng)對(duì)干涉信號(hào)加漢明窗以抑制干涉光譜經(jīng)傅里葉變換后引入的旁瓣的影響[7]。為了便于顯示，光學(xué)低相干圖像信號(hào)光強(qiáng)通常以dB為單位。光學(xué)低相干技術(shù)無(wú)法直接測(cè)量樣品的尺寸，因此光學(xué)低相干圖像的尺寸一般通過(guò)計(jì)算得到。其中，橫向尺寸是利用掃描振鏡的偏轉(zhuǎn)角度等參數(shù)經(jīng)幾何計(jì)算獲得，軸向尺寸則是由光學(xué)低相干系統(tǒng)的探測(cè)深度決定的。

2.4 系統(tǒng)分辨率標(biāo)定

檢測(cè)系統(tǒng)采用1951USAF標(biāo)準(zhǔn)分辨率板對(duì)上述材料的二維表面掃描成像進(jìn)行了橫向分辨率測(cè)定，以分辨率板上成像系統(tǒng)無(wú)法分辨的最大短線為表面分辨極限。1951USAF分辨率板上每種尺寸的短線為3條平行短線，其實(shí)物如圖5所示。1951USAF標(biāo)準(zhǔn)分辨率板平行短線的寬度有標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)格，表格中的頻率表示在1 mm寬度內(nèi)黑白刻線的對(duì)數(shù)，計(jì)算所得的黑白刻線對(duì)寬度的一半即為當(dāng)前系統(tǒng)分辨率下的線寬。

圖5 1951USAF分辨率板實(shí)物

將標(biāo)準(zhǔn)分辨率板中的某一組別、某一列元素的3條刻線置于掃頻低相干系統(tǒng)下進(jìn)行掃描，即可對(duì)分辨率板的刻線進(jìn)行成像。1951USAF標(biāo)準(zhǔn)分辨率板系統(tǒng)標(biāo)定成像圖如圖6所示。

圖6 1951USAF標(biāo)準(zhǔn)分辨率板系統(tǒng)標(biāo)定成像圖

由圖6可知，系統(tǒng)在對(duì)第5組第1元素進(jìn)行成像時(shí)，幾乎已達(dá)到測(cè)量極限，無(wú)法再分辨下一元素(即第5組第2元素)，因此系統(tǒng)的橫向分辨率標(biāo)定為15.6 μm。

掃頻光學(xué)低相干裂紋檢測(cè)系統(tǒng)的軸向分辨率與系統(tǒng)所使用的掃頻激光光源的光譜半高全寬(Full Width of Half Maximum，F(xiàn)WHM)有直接關(guān)系。由于激光具有高斯型功率譜，故使用掃頻激光光源的掃頻低相干裂紋檢測(cè)系統(tǒng)的軸向分辨率可表示為

(5)

式中:λ0為系統(tǒng)光源的中心波長(zhǎng);ns為裂紋樣品介質(zhì)的折射率;Δλ為系統(tǒng)光源光譜帶寬的FWHM。

由式(5)計(jì)算得到的掃頻低相干系統(tǒng)在真空中的軸向分辨率的理論值為13.4 μm，而根據(jù)裂紋成像試驗(yàn)標(biāo)定所得的系統(tǒng)軸向分辨率的實(shí)際值為20 μm。經(jīng)分析可知，系統(tǒng)軸向分辨率標(biāo)定誤差主要來(lái)自于系統(tǒng)掃頻光源的不穩(wěn)定以及樣品介質(zhì)折射率的影響。

3 渦輪葉片微觀裂紋檢測(cè)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)系統(tǒng)搭建

根據(jù)上述原理，采用1 2001 400 nm波段的掃頻激光光源、馬赫-澤德干涉結(jié)構(gòu)的干涉模塊、樣品臂掃描模塊與計(jì)算機(jī)來(lái)搭建光學(xué)低相干微觀裂紋檢測(cè)系統(tǒng)。掃頻光源發(fā)出的光在干涉模塊中分光為兩路：一路經(jīng)準(zhǔn)直器準(zhǔn)直后入射到掃描振鏡，再經(jīng)過(guò)掃描振鏡偏轉(zhuǎn)后由場(chǎng)鏡聚焦到裂紋樣品表面；另一路入射到參考臂，通過(guò)干涉模塊內(nèi)部的延遲線匹配光程差，隨后兩路光返回到干涉模塊中發(fā)生干涉，該干涉信號(hào)由平衡探測(cè)器接收并傳入圖像采集卡，再存入計(jì)算機(jī)中以進(jìn)行后續(xù)處理。系統(tǒng)樣品臂實(shí)物如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)樣品臂實(shí)物

圖8 A掃描信號(hào)波形

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

系統(tǒng)對(duì)渦輪葉片裂紋樣品進(jìn)行掃描檢測(cè)后，得到如圖8所示的深度方向的FFT之后的A掃描信號(hào)。從圖8可以看出，兩束返回光在光程差為-215.2 μm以及-561.7 μm的深度方向上共發(fā)生了兩次明顯的干涉，經(jīng)分析后可知，光程差為-215.2 μm處為從樣品裂紋底部反射后形成的干涉信號(hào)，而光程差為-561.7 μm處出現(xiàn)的尖峰信號(hào)則是經(jīng)裂紋樣品表面反射后形成的干涉信號(hào)，其光強(qiáng)大小為62.47 dB，這兩個(gè)光程差的差值即表示該裂紋的深度。

同時(shí)，試驗(yàn)得到如圖9所示的樣品渦輪葉片裂紋部位B掃描成像圖。其中，圖9(a)為振鏡掃描方向與裂紋延伸方向平行時(shí)的裂紋成像圖，圖9(b)為振鏡掃描方向與裂紋延伸方向垂直時(shí)的裂紋成像圖。從圖9可以看到樣品表面存在微觀裂紋，再結(jié)合圖8信號(hào)波形中的光程差信息、掃描振鏡的偏轉(zhuǎn)角度大小以及系統(tǒng)的成像深度等參數(shù)可以計(jì)算出該裂紋長(zhǎng)度為1.54 mm，深度約為346 μm，寬度約為167 μm。

圖9 樣品渦輪葉片裂紋部位的B掃描成像圖

通常情況下，一般將長(zhǎng)度小于2 mm，寬度小于0.2 mm的裂紋稱為微裂紋，即材料疲勞裂紋萌生初期的小裂紋，則系統(tǒng)測(cè)得的渦輪葉片樣品的裂紋尺寸在小裂紋尺寸的范圍之內(nèi)，可見(jiàn)所設(shè)計(jì)搭建的掃頻光學(xué)低相干系統(tǒng)具有檢測(cè)材料或零部件表面微觀裂紋的能力。后續(xù)通過(guò)對(duì)微觀裂紋的二維成像圖進(jìn)行三維重構(gòu)，即可獲得直觀的微觀裂紋形貌，并以此作為基于小裂紋理論的裂紋擴(kuò)展特性研究。

4 結(jié)語(yǔ)

將掃頻光學(xué)低相干法應(yīng)用于材料微觀裂紋的檢測(cè)中，相比于傳統(tǒng)的渦流法、超聲波法和光聲結(jié)合等方法，光學(xué)低相干的方法具有非侵入的優(yōu)勢(shì)，其不需要激勵(lì)源對(duì)待檢測(cè)樣品進(jìn)行激勵(lì)，避免了微觀裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展，同時(shí)又得到了高精度的裂紋信息。掃頻光學(xué)低相干系統(tǒng)采用平衡探測(cè)器接收干涉信號(hào)，有效地抑制了共模噪聲，又通過(guò)LabVIEW平臺(tái)編程實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集與處理，最終獲得了樣品表面微觀裂紋的詳細(xì)信息，達(dá)到了微觀裂紋檢測(cè)的目的，為材料小裂紋的擴(kuò)展特性研究工作奠定了基礎(chǔ)。