數(shù)字剪切散斑干涉玻璃幕墻缺陷無損檢測

王單單， 高 巖， 李偉仙， 蘇 展， 吳思進(jìn)

(1. 北京信息科技大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京 100192; 2. 河南省自動(dòng)化工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450008)

0 引 言

我國現(xiàn)在已經(jīng)成為鋼化玻璃成產(chǎn)和應(yīng)用最多的國家，其中一半玻璃應(yīng)用于玻璃幕墻上，但是鋼化玻璃自爆引起的安全事故時(shí)有發(fā)生，給國民生命安全和財(cái)產(chǎn)安全帶來了巨大隱患，因此對(duì)玻璃幕墻進(jìn)行缺陷檢測具有重要意義。

近年來不斷有學(xué)者對(duì)玻璃幕墻缺陷的檢測進(jìn)行研究，如吳永昌[1]提出了一種基于面掃描的方式進(jìn)行玻璃的缺陷檢測，采用無人機(jī)拍攝幕墻圖片，但是此方法只能檢測一些肉眼顯見的缺陷。袁永明[2]采用了超聲波的方法對(duì)玻璃幕墻的缺陷進(jìn)行了研究，此方法根據(jù)材料和缺陷的聲學(xué)性能差異性，對(duì)玻璃幕墻缺陷進(jìn)行檢測，但是此方法需要用耦合劑與玻璃進(jìn)行接觸。王文歡[3]根據(jù)玻璃幕墻缺陷處應(yīng)力集中的原理，利用光彈法來檢測玻璃內(nèi)部缺陷處的應(yīng)力集中光斑從而獲得光斑處的玻璃缺陷信息，但由于光彈效應(yīng)取決于材料的雙折射性質(zhì)，所以此方法并不適用于所有的玻璃種類。

數(shù) 字 剪 切 散 斑 干 涉 (digital shearing speckle pattern interferometry, DSSPI)作為一種光學(xué)無損檢測技術(shù)，以其實(shí)時(shí)、全場、非接觸、高精度、高靈敏度、不需要特殊防震的優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用到無損檢測中。例如，利用剪切散斑干涉無損檢測技術(shù)對(duì)航空航天領(lǐng)域復(fù)合材料[4-7]進(jìn)行缺陷檢測；對(duì)橡膠工業(yè)中輪胎[8-10]的無損檢測。數(shù)字剪切散斑干涉技術(shù)通過提取加載前后材料缺陷處形變空間梯度引起的相位變化信息，來進(jìn)一步測量缺陷處的形變信息。剪切散斑干涉對(duì)離面位移導(dǎo)數(shù)敏感，通過測量缺陷形變的位移導(dǎo)數(shù)信息，可以進(jìn)一步得到材料的缺陷信息。

玻璃自爆的根本原因是缺陷導(dǎo)致應(yīng)力集中，而玻璃沒有屈服強(qiáng)度，其應(yīng)力應(yīng)變曲線呈線性關(guān)系，材料應(yīng)力集中的位置其形變也急劇增加，出現(xiàn)變化的形變空間梯度。本文提出了一種數(shù)字剪切散斑干涉的玻璃缺陷無損檢測方法，基于缺陷與正常材料在加載過程中產(chǎn)生的形變差異的原理，通過玻璃熱加載下分析加載前后的玻璃相位差圖計(jì)算空間位移導(dǎo)數(shù)信息，最后獲取缺陷位置。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用數(shù)字剪切散斑干涉技術(shù)，可以清晰地檢測到玻璃缺陷的蝴蝶斑狀剪切散斑干涉條紋，及其缺陷處形變的空間位移梯度及其缺陷位置。

1 數(shù)字剪切散斑缺陷測量原理

在數(shù)字剪切散斑干涉技術(shù)中，利用相干光照射在粗糙的物體表面，在空間所形成散斑，通過一定的加載方式對(duì)被測物進(jìn)行加載，如真空加載，熱加載，震動(dòng)加載等，加載以后，被測物缺陷處會(huì)產(chǎn)生微小形變，微小形變會(huì)引起加載后被測物表面光場的相位發(fā)生相應(yīng)變化，通過分析加載前后被測物散斑的相位圖，可以得到被測物離面位移的一階導(dǎo)數(shù)信息，在包裹相位圖上顯示為蝴蝶斑狀剪切散斑干涉條紋，如圖1所示。所以，通過分析剪切散斑干涉包裹相位圖的蝴蝶斑狀條紋，可以獲得被測物是否存在缺陷，以及缺陷的位置。

圖1 缺陷檢測原理

圖2是典型的邁克爾遜數(shù)字剪切散斑干涉系統(tǒng)。激光器發(fā)出相干光，經(jīng)過擴(kuò)束器以后打在表面粗糙的被測物體表面，發(fā)生漫反射，此時(shí)會(huì)在空間形成散斑現(xiàn)象，而散斑攜帶了物體表面的相位信息。相干光在被測物表面反射經(jīng)過邁克爾遜剪切裝置，最后在CCD感光面發(fā)生剪切干涉。邁克爾遜剪切裝置主要由分光棱鏡、背面固定有壓電陶瓷傳感器（piezoelectric transducer, PZT）的平面鏡 2和傾斜的平面鏡1組成。被測物表面反射回來的光進(jìn)入分光棱鏡，分光棱鏡將入射光分為兩束，一束打在平面鏡2上，另一束打在平面鏡1上。平面鏡1傾斜，使反射的光偏離一定的角度，從而使在CCD感光面上的兩個(gè)像相互錯(cuò)開。其中PZT可以用來控制平面鏡2的微小位移，調(diào)節(jié)平面鏡1可以調(diào)節(jié)剪切方向和剪切量。剪切量和剪切方向決定了兩幅圖像的重疊區(qū)域的大小和形狀，而重疊區(qū)域是兩束光發(fā)生干涉的部分。這兩束光同時(shí)被CCD記錄，其光強(qiáng)表達(dá)式如下式所示：

圖2 傳統(tǒng)數(shù)字剪切散斑干涉原理

式中：I0——背景光強(qiáng)；

γ——對(duì)比度；

φ——干涉光相位。

通常將I稱為參考圖像。

對(duì)被測物進(jìn)行加載以后，被測物缺陷處產(chǎn)生微小形變，使得散斑場相位會(huì)發(fā)生一定的變化，其光強(qiáng)表達(dá)式如下式所示：

其中Δ為由于物體形變產(chǎn)生的相位差，通常將I′稱為測量圖像。

當(dāng)剪切方向?yàn)閤方向時(shí)，相位差與離面位移導(dǎo)數(shù)的關(guān)系如下式所示：

式中：λ——波長；

δx——x方向的剪切量；

?w/?x——x方向的離面位移空間梯度；

α——相機(jī)與激光器之間的夾角。

由式(3)可知，波長一定，剪切量已知時(shí)，只需要獲得相位差Δ就可以得到離面位移分量w的空間梯度?w/?x。

四步相移法是從測量圖像和參考圖像中提取相位差Δ最常見的方法[11-13]。它通過壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)PZT，使得平面鏡2依次按步產(chǎn)生位移，且每步平面鏡的位移使得兩路光的光程差為1/4波長，也就是引入了π/2的相位差。加載前和加載后各進(jìn)行四步相移，即相機(jī)在加載前和加載后各采集了四幅剪切散斑干涉參考圖像和測量圖像，其中加載前采集的四幅散斑干涉圖光強(qiáng)為：

將被測物變形前后的相位分布進(jìn)行相減，即可得到變形量對(duì)應(yīng)的相位差Δ：

因此，利用式(3)和(7)就可以獲取整個(gè)視場范圍內(nèi)的空間位移梯度。

2 實(shí)驗(yàn)與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在光學(xué)平臺(tái)上搭建，如圖3所示，主要由激光器，剪切散斑測量頭，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器，激光器電源，剪切散斑干涉處理軟件和試樣玻璃幕墻組成。由于玻璃透光的性質(zhì)，在玻璃表面事先噴涂一層啞光白漆，形成漫反射表面。在本實(shí)驗(yàn)中，激光器發(fā)射激光照射到玻璃幕墻上，通過熱加載使玻璃溫度升高，玻璃溫度從20 ℃左右升高到至40 ℃左右時(shí)停止加載，剪切散斑干涉處理軟件采集相應(yīng)的圖像并進(jìn)行處理計(jì)算，完成玻璃缺陷的檢測。

圖3 數(shù)字剪切散斑干涉幕墻玻璃無損檢測實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

2.2 缺陷檢測實(shí)驗(yàn)

如圖4所示，(a)～(d)為熱加載前采集的四幅四步相移散斑圖；(e)為計(jì)算得到的熱加載前相位圖；(f)～(i)為熱加載后采集的四幅四步相移散斑圖；(j) 為計(jì)算得到的熱加載后相位圖。按照式（4）先采集如圖4(a)～(d)所示的四幅加載前四步相移散斑圖，再根據(jù)公式（5）計(jì)算得到加載前的相位圖，見圖4(e)。然后對(duì)玻璃進(jìn)行熱加載，同理采集如圖(f)～(i)所示的四幅加載后四步相移散斑圖，根據(jù)公式（6）計(jì)算得到加載后的相位圖，見圖4(j)。加載前后相位圖4(e)和圖4(j)相減，得到加載前后的包裹相位差圖，再對(duì)該相位差圖進(jìn)行正余弦濾波，得到濾波以后的包裹相位差圖，見圖5。

圖4 熱加載前后相位圖的獲取

圖5 正余弦濾波以后的包裹相位圖

通常參考圖像在熱加載之前采集，測量圖像在熱加載之后采集。然而當(dāng)玻璃溫度從20 ℃左右加熱到升高30 ℃左右的時(shí)候就開始產(chǎn)生整體變形，溫度越高，產(chǎn)生的整體變形越大，CCD采集到的剪切散斑干涉條紋也就越密，如圖5所示。此時(shí)體現(xiàn)缺陷處形變空間梯度的蝴蝶條紋被裹挾于體現(xiàn)玻璃整體形變空間梯度的剪切散斑干涉條紋中，前者變得不易被發(fā)現(xiàn)，如圖5 兩處缺陷的蝴蝶斑狀條紋由于整體變形使得蝴蝶斑狀條紋顯得不明顯。為了使缺陷處的蝴蝶斑狀條紋更清晰可見，需要減少來自整體變形剪切散斑干涉條紋的干擾。所以本文避開玻璃熱加載溫度上升段，選擇在玻璃熱加載之后的玻璃冷卻溫度下降段進(jìn)行缺陷檢測，即參考圖像不在熱加載之前采集，而是在溫度下降階段測量圖像之前采集。在玻璃冷卻較短時(shí)間內(nèi)玻璃由于冷卻產(chǎn)生的整體變形小，整體變形較小所以背景干涉條紋會(huì)較少甚至沒有，這樣就可以減少整體變形的干涉條紋對(duì)缺陷變形干涉條紋的影響。圖6所示是圖5的同一樣品在熱加載之后，于溫降階段的前后分別根據(jù)四步相移方法采集與計(jì)算相位圖，然后相減并經(jīng)正余弦濾波之后的包裹相位差圖。與圖5相比，兩者計(jì)算原理一致，僅參考圖的采集時(shí)刻不同，但圖6避免了背景整體變形的干擾，可以檢測到較為明顯的缺陷處蝴蝶斑狀條紋。

圖6 溫降階段的包裹相位差圖

利用基于相位導(dǎo)數(shù)方差的解包裹方法對(duì)圖6進(jìn)行解包裹，得到解包裹的相位差圖，如圖7所示。整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)以x方向?yàn)榧羟蟹较?，x方向剪切量δx為5.26 mm，相機(jī)與激光器之間的夾角α為8.75°，故可以由式（3）求得形變空間位移梯度，如圖8所示，其中的缺陷1和缺陷2的形變空間位移梯度峰峰值分別是 0.000191和 0.000843。

圖7 對(duì)圖6進(jìn)行解包裹后的解包裹相位差圖

圖8 圖6中缺陷的空間位移梯度

基于上述結(jié)論，對(duì)玻璃試樣加熱并在冷卻過程中對(duì)多個(gè)區(qū)域進(jìn)行剪切散斑干涉缺陷檢測。圖9顯示了玻璃幕墻試樣3處區(qū)域的剪切散斑干涉檢測結(jié)果，區(qū)域(a)、(b)分別檢測到了缺陷3～6，區(qū)域(c)未檢測到明顯缺陷。通過對(duì)缺陷1～6手動(dòng)繪制目標(biāo)框，目標(biāo)框的中心像素被認(rèn)定為缺陷中心像素位置，如表1所示。

表1 圖6和圖9中缺陷的位置信息

圖9 3處玻璃區(qū)域剪切散斑干涉包裹相位圖

3 結(jié)束語

本文提出了一種數(shù)字剪切散斑干涉玻璃幕墻的無損檢測方法，通過對(duì)幕墻玻璃試樣進(jìn)行熱加載，并在溫降階段采集參考圖像和測量圖像，并進(jìn)行濾波和解包裹等計(jì)算，最后得到缺陷位置形變空間位移梯度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用剪切散斑干涉的測量方法可以清晰地看到代表缺陷的剪切散斑蝴蝶斑狀干涉條紋，從而確定缺陷存在的位置。因此，使用數(shù)字剪切散斑干涉技術(shù)對(duì)玻璃幕墻進(jìn)行無損檢測是一種有效的方法，對(duì)幕墻玻璃的安全隱患評(píng)估具有重要的意義。