材料微觀裂紋的光學低相干檢測技術

(南京航空航天大學 自動化學院， 南京 210016)

航空航天領域的機械結構在服役期間，不可避免地會承受高溫、高壓、高轉速等極端條件，外界不斷變化的溫濕度、長期的疲勞載荷、拉壓與沖擊等，都極有可能在零部件的材料表面或內部產生極微小的微觀裂紋，其尺寸可達到微米量級[1]。這時，若不及時對這些初期的微觀裂紋進行適當處理，其將會繼續發展為局部區域的開裂，并逐漸擴大到相鄰區域，直至整個結構發生脆性折斷或疲勞斷裂[2]。

材料疲勞裂紋的分布情況復雜，形成周期長，通常情況下難以被發現，構成的潛在危害較大，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展兩個時期[3]。大量試驗結果證明，材料疲勞壽命的大部分時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，會對機械部件造成較大的安全隱患。

傳統材料的裂紋檢測方法有渦流檢測法、激光散斑法及超聲波法等。其中，渦流檢測法具有無需耦合劑、檢測靈敏度高、檢測速度快和非接觸等優點，但其在檢測過程中易受外界干擾，且被測工件必須是金屬[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，精度能達到亞微米級，但散斑法是通過計算統計信息來得到表面特征的，無法還原出實際材料的圖像，不利于直觀觀察；超聲波法能容易地測出缺陷的深度信息，能對體積型和面積型缺陷進行有效測量，但測量過程中需要耦合劑，易受外部的干擾且會對材料產生影響，常規超聲波方法受人為因素的影響，檢測結果具有主觀性，此外，該方法具有一定的近場盲區，對近表面缺陷易造成漏檢，且不適合對薄壁工件進行檢測[5]。

基于上述原因，提出了一種采用掃頻光學低相干技術對材料進行裂紋檢測的方法，設計構建了馬赫-澤德干涉結構的低相干系統，并通過LabVIEW平臺實現數據的采集與處理，得到材料微觀裂紋(小裂紋)的二維信息，并重構出裂紋的二維成像圖，該方法可克服上述傳統方法的部分缺點，且具有檢測分辨率高的優點，可對小裂紋進行高精度的成像檢測，達到材料微觀裂紋檢測的目的，為材料裂紋擴展特性的進一步研究工作奠定了基礎。

1 基于掃頻光學低相干的裂紋檢測原理

掃頻光學低相干裂紋檢測系統結構框圖如圖1所示，掃頻光學低相干系統是基于快速掃頻激光光源和單點探測器的干涉成像系統，其成像速度、信噪比及靈敏度方面的性能全面超越時域光學低相干技術的。在大多數使用單點探測器的掃頻光學低相干系統中，干涉光譜的強度如式(1)所示。

(1)

式中：Pr為從參考臂返回到探測器的光功率；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的幅度和相位；Γ(z)為光源相干函數；k(t)為隨時間變化的波數；z為樣品深度坐標。

圖1 掃頻光學低相干裂紋檢測系統結構框圖

在式(1)等號的右側，第三項為參考臂與裂紋樣品各層之間的干涉光強，即掃頻光學相干層析系統探測到的有效干涉光譜信號，對此干涉光譜數據進行快速傅里葉變換(FFT)，即可實現從波數空間到深度空間的轉換，恢復裂紋樣品各層信號和平面鏡信號的自相關信號，獲得深度分辨的裂紋樣品散射強度信息，以及反映裂紋樣品的表面形貌信息[6]。

掃頻光學低相干裂紋檢測系統中，掃頻光源發出的光經光纖耦合器分為兩束，一束進入參考臂，通過準直器準直后入射到平面鏡發生反射，另一束進入樣品臂，通過準直器準直后入射到掃描振鏡，并經掃描振鏡偏轉后通過場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生低相干干涉現象。

2 基于掃頻光學低相干的裂紋檢測系統設計

2.1 系統干涉模塊的設計

掃頻光學低相干裂紋檢測系統的硬件干涉儀部分采用標準的馬赫-澤德(Mach-Zehnder)干涉儀，其結構示意如圖2所示(圖中BS1,BS2為分束器；M1,M2為平面鏡；PD1,PD2為光電探測器)。相比于光學低相干系統常用的邁克爾遜干涉儀，該系統采用馬赫-澤德干涉儀結構的顯著優勢在于其可以避免干涉光路中的光再反射回光源，因此對光源的影響很小，有利于降低光源的不穩定噪聲。此外，其能夠獲得雙路互補干涉輸出，便于后續信號的接收和處理。

圖2 標準馬赫-澤德干涉儀結構示意

2.2 系統探測部分設計

系統的探測部分使用平衡探測器接收信號，參考臂和樣品臂的返回光在干涉模塊中產生低相干現象，干涉信號分為兩路進入到平衡探測器中。平衡探測器的結構示意如圖3所示。

圖3 平衡探測器結構示意

平衡探測器兩個接口接收到的光電流信號分別為

(2)

(3)

式中：I+為探測器接收到的光電流正信號；I-為探測器接收到的光電流負信號；Es為樣品臂的電場強度；Er為參考臂的電場強度；E+為探測器正輸入端的電場強度；E-為探測器負輸入端的電場強度；其中，帶*的向量均為原向量的共軛向量。

兩路信號在平衡探測器中進行差分運算后輸出為

(4)

與掃頻低相干系統傳統的單點探測器相比，平衡探測器能有效地抑制信號中的直流共模成分，降低器件內部的自相關干擾，同時將有效的干涉信號放大為原來的兩倍。經平衡探測器放大后的干涉信號通過高速數據采集卡的A/D(模擬/數字)轉換變為數字信號存儲到計算機中，隨后再利用軟件平臺對采集到的數據進行后續處理，即可獲得最終的圖像。

2.3 系統軟件設計

由于掃頻光學低相干系統在數據采集卡、掃描振鏡與圖像采集卡的協同工作下才能實現數據的采集與存儲操作，所以需要合理地控制軟件系統的時序。系統的時序控制程序編寫在LabVIEW平臺上完成，通過數據采集卡輸出波形控制掃描振鏡的振動與圖像采集卡的采集，采用三角波控制掃描振鏡的振動掃描，采用方波觸發圖像采集卡采集圖像。為了保證振鏡從開始振動直至掃描到另一端的過程中，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同步。系統的時序控制信號如圖4所示。

圖4 系統時序控制信號

干涉光譜信號經過預處理之后，再通過傅里葉變換轉換為空間強度信號。系統對干涉信號加漢明窗以抑制干涉光譜經傅里葉變換后引入的旁瓣的影響[7]。為了便于顯示，光學低相干圖像信號光強通常以dB為單位。光學低相干技術無法直接測量樣品的尺寸，因此光學低相干圖像的尺寸一般通過計算得到。其中，橫向尺寸是利用掃描振鏡的偏轉角度等參數經幾何計算獲得，軸向尺寸則是由光學低相干系統的探測深度決定的。

2.4 系統分辨率標定

檢測系統采用1951USAF標準分辨率板對上述材料的二維表面掃描成像進行了橫向分辨率測定，以分辨率板上成像系統無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，其實物如圖5所示。1951USAF標準分辨率板平行短線的寬度有標準的規格，表格中的頻率表示在1 mm寬度內黑白刻線的對數，計算所得的黑白刻線對寬度的一半即為當前系統分辨率下的線寬。

圖5 1951USAF分辨率板實物

將標準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下進行掃描，即可對分辨率板的刻線進行成像。1951USAF標準分辨率板系統標定成像圖如圖6所示。

圖6 1951USAF標準分辨率板系統標定成像圖

由圖6可知，系統在對第5組第1元素進行成像時，幾乎已達到測量極限，無法再分辨下一元素(即第5組第2元素)，因此系統的橫向分辨率標定為15.6 μm。

掃頻光學低相干裂紋檢測系統的軸向分辨率與系統所使用的掃頻激光光源的光譜半高全寬(Full Width of Half Maximum，FWHM)有直接關系。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系統的軸向分辨率可表示為

(5)

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

由式(5)計算得到的掃頻低相干系統在真空中的軸向分辨率的理論值為13.4 μm，而根據裂紋成像試驗標定所得的系統軸向分辨率的實際值為20 μm。經分析可知，系統軸向分辨率標定誤差主要來自于系統掃頻光源的不穩定以及樣品介質折射率的影響。

3 渦輪葉片微觀裂紋檢測試驗

3.1 試驗系統搭建

根據上述原理，采用1 2001 400 nm波段的掃頻激光光源、馬赫-澤德干涉結構的干涉模塊、樣品臂掃描模塊與計算機來搭建光學低相干微觀裂紋檢測系統。掃頻光源發出的光在干涉模塊中分光為兩路：一路經準直器準直后入射到掃描振鏡，再經過掃描振鏡偏轉后由場鏡聚焦到裂紋樣品表面；另一路入射到參考臂，通過干涉模塊內部的延遲線匹配光程差，隨后兩路光返回到干涉模塊中發生干涉，該干涉信號由平衡探測器接收并傳入圖像采集卡，再存入計算機中以進行后續處理。系統樣品臂實物如圖7所示。

圖7 系統樣品臂實物

圖8 A掃描信號波形

3.2 試驗結果與數據分析

系統對渦輪葉片裂紋樣品進行掃描檢測后，得到如圖8所示的深度方向的FFT之后的A掃描信號。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的深度方向上共發生了兩次明顯的干涉，經分析后可知，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，而光程差為-561.7 μm處出現的尖峰信號則是經裂紋樣品表面反射后形成的干涉信號，其光強大小為62.47 dB，這兩個光程差的差值即表示該裂紋的深度。

同時，試驗得到如圖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，再結合圖8信號波形中的光程差信息、掃描振鏡的偏轉角度大小以及系統的成像深度等參數可以計算出該裂紋長度為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，則系統測得的渦輪葉片樣品的裂紋尺寸在小裂紋尺寸的范圍之內，可見所設計搭建的掃頻光學低相干系統具有檢測材料或零部件表面微觀裂紋的能力。后續通過對微觀裂紋的二維成像圖進行三維重構，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展特性研究。

4 結語

將掃頻光學低相干法應用于材料微觀裂紋的檢測中，相比于傳統的渦流法、超聲波法和光聲結合等方法，光學低相干的方法具有非侵入的優勢，其不需要激勵源對待檢測樣品進行激勵，避免了微觀裂紋的進一步擴展，同時又得到了高精度的裂紋信息。掃頻光學低相干系統采用平衡探測器接收干涉信號，有效地抑制了共模噪聲，又通過LabVIEW平臺編程實現了數據的采集與處理，最終獲得了樣品表面微觀裂紋的詳細信息，達到了微觀裂紋檢測的目的，為材料小裂紋的擴展特性研究工作奠定了基礎。