激光全息无损检测技术

摘要

脱层和气泡是轮胎主要的内部缺陷之一，采用常规检测手段很难检测出来，所以一般采用激光全息无损检测技术。早期的全息无损检测一般采用全息干板来记录全息图，检测周期长，检测效率低，不能适应现代工业流水线上的检测。数字全息技术用CCD代替传统全息记录材料记录全息图，用计算机模拟光学衍射过程来实现数字再现，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。本文从理论和实验两方面探讨了数字全息术的原理及其在轮胎内部缺陷无损检测方面的应用，并取得了较为满意的结果。所作的主要工作如下：

1．模拟实现了全息记录和重现的全过程，包括：模拟生成理想全息图；采用傅立叶变换法进行数字全息重现；提取相位，进行物体表面三维形貌恢复等。2．深入分析和研究了二次曝光和消除零级衍射斑的理论，同时进行模拟仿真和实验测试，得到了较好的结果，且实验结果与模拟的结果吻合。

3．搭建数字全息系统测量橡胶表面形变，获得了满意的形变测量结果，并进行了光路计算和实验中各参数的分析和讨论。

4．针对现场检测要求，提出新的光路，实现了更大视场的检测。实验证明，本系统的检测范围己达到138．Ira×112．4mm，处理一幅1300x 1024的图像只需62ms，已经达到实际工业流水线检测上的要求，可应用于现场检测。

关键词：数字全息全息重现电子散斑轮胎检测无损检测

激光全息无损检测技术的发展

数字全息技术是由Goodman和Lawrence在1967年提出的n1，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。90年代中期以来数字全息技术已成功应用于显微成像、干涉计量，粒子场的测试、信息存储、学信息加密、活体生物成像和三维形貌成像等领域瞳。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n"。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口副，条纹密表示轮胎形变大，条纹疏表示轮胎形变小n引。同时，缺陷离表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，横向分辨率低。因此，在目前CCD等光敏电子成像器件性能限制的情况下，提高数字全息术的分辨率和再现像的清晰度、实现再现像与其它成分的良好分离、获得较大视场的全息记录是目前数字全息技术发展和应用中首先需要解决的三个关键问题。

2轮胎无损检测的国内外发展动态

近年来，国内的上海光学精密机械研究所、天津大学、山东师范大学、西安光学精密机械研究所和西北工业大学等一些单位都在这一领域积极开始研究工作，并取得一些初步成果降矧。我国自行研制生产的首台激光全息轮胎无损检测仪出自曙光橡胶工业研究设计院口引。它主要用于检测航空轮胎内部的气泡和脱层陷，也可以用于检测各种汽车轮胎。S2JOL21500型激光全息轮胎无损检测仪采用息干板记录条纹，适用于外直径小于1500m、内直径大于300mm的轮胎，可检测轮胎上胎肩到下胎肩的部分，灵敏度为elm，检测速度可达每小时10条。国外的激光数字错位散斑轮胎无损检测技术已非常成熟，轮胎行业应用该检测技术已进入普及阶段。德国Steinbichler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啪1。该检测系统由高分率的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1250m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2咖2。

比较后可以看出，国内利用全息干板进行检测，检测速度慢，但是检测精度较高，而国外利用CCD采集全息图像，检测速度快，但是检测精度较使用全息干板检测时低。国外轮胎生产厂家已普遍将激光无损检测仪用于新轮胎和翻新轮胎的检测。米其林和固特异等大型轮胎企业是应用该种检测仪的大户。一般国外轮胎翻新企业均配备两台激光无损检测仪，一台用于翻新前检测，淘汰内部缺陷较严重的轮胎，另一台用于翻新后检测，保证到达客户手中的轮胎是合格品。在国内，银川橡胶厂(现银川佳通轮胎有限公司)1992年率先引进美国生产的激光全息轮胎无损检测仪。至1J2004年，已有沈阳三橡轮胎有限公司、上海轮胎橡胶(集团)股份有限公司和曙光橡胶工业研究设计院分别引进了德国生产的激光错位散斑