层压结构复合材料的激光剪切散斑检测

张旭刚，张素香，程 旭，王 珏

（沈阳飞机工业（集团）有限公司，沈阳 100085）

常规的超声波检测，其一次波检测区域小、效率低、劳动强度大，特别是飞机外场原位检测时，不仅实施困难，结果可靠性差，且对飞机蒙皮漆及表面重要功能涂层的损伤较大。因此，开发一种高效的非接触式无损检测技术变得尤为重要。

激光剪切散斑技术是通过测量物体表面变形信息而获得物体内部不连续信息的一种数字光学干涉技术［1］，具有非接触、全场、实时、快速检测等特点；且检测灵敏度高、受环境因素（振动、光线）影响小、加载形式灵活多样（热加载、真空加载、声加载、振动加载等），特别适合飞机复合材料制件的外场原位无损检测。因而，近年来得到了大量的关注［2－7］，并在蜂窝夹芯结构等复合材料结构缺陷检测的理论研究和工程化应用研究方面取得了较大的发展。

笔者采用热加载激光剪切散斑检测系统，对一组预埋有不同尺寸和不同深度人工缺陷的复合材料层压板进行了LSS检测能力的试验。结果表明，当层压板中的缺陷埋深超过一定值或缺陷减小到一定程度时，热加载下的激光剪切散斑技术检测灵敏度急剧下降，甚至无法检测；但仍然可以以足够的灵敏度和精度检测出层压结构试块中按复合材料试块制作标准中规定大小和埋深的人工缺陷。

1 激光剪切散斑检测技术原理

激光经分束后照射在物体表面，反射光经过方棱镜产生反射和透射，反射光和透射光分别通过反射镜M1和位错镜M2反射后到达摄像头平面；由于M2有一定的偏折角，所以在摄像头上会产生两个剪切像，这两个剪切像将在摄像头平面相互干涉形成散斑干涉图像，如图1所示。

图1 激光剪切散斑干涉成像技术原理

当物体表面由于加载而产生变形时，变形前后的两幅散斑干涉图像被CCD接收，并经计算机进行相减运算（即第二幅散斑图的光强减去第一幅散斑图对应点的光强），得到一幅反映物体表面在观察方向（离面方向）上的位移偏导数的干涉条纹图。

根据特征条纹即可获得被检物体的缺陷大小等信息。

式中：U（x，y）为物体表面光波幅度分布函数；α（x，y）为物体表面光波入射角；θ（x，y）为光波相位角。

假设剪切方向为x方向，剪切量为δx，则剪切图像的复振幅可表示为：

两个像叠加的结果为：

其光强和相位分别为：

当物体因加载而产生形变后，散斑场将形成一个相位变化φx，变形后的光强为：

用变形前后两幅散斑图像相减得到的合成光强为：

这种相减的方式把本底光强或背景光强剔除，突出了由于变形引起的相位变化φx所产生的结果，因而可直接获取形变位移的偏导数信息，进而获取物体内部缺陷信息。

2 试验对象及设备

2.1 试验对象

按照复合材料试块制作标准，设计了三种典型的层压结构人工模拟缺陷阶梯试块，如图2所示。

图2 人工缺陷试块俯视图

（1）1号试块为100mm×300mm碳纤维单向带阶梯层压结构，从左至右试块厚度依次分别为0.75，2.25，3.25，4.25，5.25mm，从左至右缺陷埋深依次分别为0.5，0.38，2.0，1.15，3.0，1.62，4.0，2.12，5.0，2.62，0.25mm，预置人工缺陷为正方形，大小分别为6mm×6mm、10mm×10mm、15mm×15mm，如图2（a）所示。

近矿围岩蚀变在水平方向具有一定的分带性，自围岩至矿体，依次为：绢云母化带→绢云母化、硅化带→强绢云母化、硅化、黄铁矿化、碎裂岩化带→亮晶煤带→细砂糖状煤带。

（2）2号试块为100mm×420mm碳纤维单向带阶梯层压结构，从左至右试块厚度依次分别为0.72，2.16，4.8，6.72，8.88，10.56，12.48mm，从左至右缺陷埋深依次分别为上表面，中间，下表面，上表面为距检测面0.25mm，下表面为距底面0.25mm，预置人工缺陷为大小φ3mm、φ5mm，如图2（b）所示。

（3）3号试块为100mm×30mm的碳纤维织物阶梯层压结构，从左至右试块厚度分别为1.62，2.43，2.7，2.97mm，从左至右缺陷埋深分别为上表面，中间，下表面，上表面为距检测面0.25mm，下表面为距底面0.25mm，预置人工缺陷大小为φ3mm、φ5mm，如图2（c）所示。

试验采用聚四氟乙烯贴膜模拟试块中的人工缺陷，膜片厚度为0.12mm，膜片放置于碳纤维铺层之间，与试块一起固化成型，缺陷设计尺寸均对应实际检测中相应的评级标准。

相同条件下，聚四氟乙烯膜的单位温差热形变量小于空气的，采用热加载变形的情况下，同尺寸、同埋深的模拟缺陷的形变量应小于实际分层缺陷，因此，参照试验结论时，实际工件中同尺寸自然缺陷的检测灵敏度要略高于本试验的理论值。

2.2 仪器设备

试验采用LTI－TES－200型激光错位散斑检测系统，该系统主要包括了CCD相机，热加载装置，激光器，控制台四部分。其中CCD相机为LT－500HD数字激光剪切散斑相机，激光光源为He－Ne激光，波长λ为532nm，激光器功率为150mW。

3 试验结果与分析

将试块固定在试验夹上，设置加载时间和剪切量等检测参数，对试块进行加载、检测，仔细观察冷却过程中的动态影像，选取适当的加载时间和剪切量，使检测效果达到最佳（图像中碳纤维方向清晰可见），计算机处理后得到如图3所示试块散斑图。

3.1 热加载激光剪切散斑检测能力分析

由图3可知，选取适当的加载时间和剪切量：1号试块中大小6mm×6mm、10mm×10mm、15mm×15mm，埋深从0.25～5.0mm的人工缺陷均被发现；2号和3号试块中只能发现上表面层中φ3mm、φ5mm的缺陷。其中，2号试块第一台阶处只发现中间层φ5mm的缺陷，却未发现同样大小、埋深更浅的上表面层φ5mm缺陷；经超声检测分析认为可能是试块制作过程中操作失误导致该处缺陷漏失。

从检测结果知，热加载激光剪切散斑技术对复合材料层压结构中的近表面缺陷（埋深为0.25mm、0.38mm）具有很高的检测灵敏度和精度。随着缺陷埋深的增大和缺陷尺寸的减小，检测灵敏度逐渐降低，当埋深超过一定值或缺陷减小到一定程度时，检测灵敏度急剧下降，甚至无法检测。如图3（a）中埋深大于5mm、尺寸小于6mm×6mm时，缺陷影像模糊不清；如图3（a）或（c）中缺陷小于φ3mm或φ5mm时，最大检测深度只有2～3层碳纤维（或织物）。另外发现，同为φ5mm缺陷，3号试块的最大检测深度为0.8mm，而2号试块则只有0.36mm，说明LSS技术对碳纤维织物层压结构比碳纤维单向带层压结构复合材料的检测灵敏度要高。

图3 1～3号试块激光剪切散斑图像

3.2 加载时间对检测灵敏度的影响

为研究加载时间对缺陷检测灵敏度的影响，试验中以2号试块第三台阶为研究对象，将热加载时间分别延长到15s和20s，对2号试块第三台阶再进行检测，测得如图4所示散斑图像。

图4 2号试块第三台阶处理后散斑图像加热

由图4可知，逐渐延长热加载时间后，试块表面2～3层的缺陷灵敏度逐渐变高，而中间层和下表面缺陷仍未被检测到；与此同时，背景散斑场中的噪声信号逐渐增强，这将不利于缺陷信号的判断。因此，实际检测中，选取合适的热加载量等参数对于获取可靠的缺陷散斑图像具有重要意义。

结果表明，当缺陷尺寸小于φ3mm或φ5mm时，热加载下的激光错位散斑检测灵敏度与加载量关系不大，主要受缺陷埋深的限制。随着热加载量的增加，表面2～3层的缺陷的变形量逐渐加大，因此缺陷影像更加清晰。然而当缺陷很小（小于φ5mm或φ3mm）且埋深较深时，缺陷受热形变本身很小，加之复合材料内部的不均性引起的形变协调与消耗（如图4所示，随着加载时间的延长，复合材料试块中碳纤维织构的散斑条纹已非常清晰），导致形变很难传递至检测面，因此，不能形成有效的离面位移，从而难以被激光检测成像。

4 结论

（1）热加载下的激光剪切散斑技术对复合材料层压结构近表面缺陷（埋深小于1mm）具有很高的检测灵敏度和精度，达φ3mm。检测灵敏度随缺陷埋深的增大或缺陷尺寸的减小而降低，当缺陷埋深超过一定值或缺陷减小到一定程度时，检测灵敏度急剧下降，甚至无法检测。这一现象与加载量、剪切量等参数关系不大，主要取决于不同的加载形式和复合材料本身的物理特性。

（2）对于6mm×6mm的缺陷，可检测的最大埋深为5mm；缺陷大小为φ3mm时，最大检测深度只有2～3层碳纤维织物（约0.5mm）。实际检测中，要求检测的复合材料层压板厚度一般不超过5mm，要求的验收级别一般不高于B级（约为φ5mm）。

（3）激光剪切散斑检测能力和检测灵敏度主要取决于物体检测面的离面位移大小，即形变量越大，检测越容易，灵敏度越高，反之亦然。碳纤维复合材料结构制造工艺离散型较高，导致成型工件内部均匀性较差，弹性理论等物理特性非常复杂。材料内部形变的生成、传递及损耗机制复杂，这就导致了检测过程中加载量和剪切量不易定量，且不同工件检测难有具体的规律可循，因此，该技术的应用尚需进行大量的试验，确定不同工件的检测工艺。

（4）考虑到试验中人工模拟缺陷的检测灵敏度低于同尺寸、同埋深的自然分层缺陷，同时考虑到激光剪切散斑检测技术的非接触、快速、全场、实时成像检测等优势，激光剪切散斑检测技术在复合材料层压结构的无损检测上具有很好的应用潜力。

［1］HUNG Y Y.Shearography：a new optical method for strain measurement and nondestructive testing［J］.Opt.Engng 1982，21（3）：391－395.

［2］郭广平，刘永斌，王珏，等.蜂窝结构的错位散斑无损检测技术［J］.无损检测，2004，26（12）：605－608.

［3］汤剑飞，汪勇.基于激光错位散斑干涉技术的复合材料无损检测［J］.南京航空航天大学学报，2005，25（2）：112－116.

［4］陈金龙，秦玉文，计欣华.双材料界面粘接质量定量检测的相移错位散斑技术［J］.复合材料学报，2001，18（1）：128－130.

［5］陈金龙，秦玉文，计欣华.复合材料（结构）粘接质量检测的错位散斑技术 ［J］.宇航学报，2004，25（3）：323－326.

［6］付刚强，张庆荣，耿荣生，等.激光电子剪切散斑干涉成像技术在复合材料检测中的应用［J］.无损检测，2005，27（9）：466－469.

［7］陈金龙，刘宝会，秦玉文，等.利用宽带音频扫描加载实现复合材料结构质量检测的数字散斑错位术研究［J］.实验力学，2003，18（2）：199－204.