专利名称：采用光学全息摄影干涉测量术的物体无损检查方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及采用全息摄影干涉测量术对细部、机器零部件、机械装置以及各种材料无损检查方法及装置，它能够大大降低测量期间对防振动保护的要求并且能在任何天气条件下按不同物体的实时比例在现场实施测量。
背景技术：
光学全息摄影干涉测量术使得对机器和装置的整体和零部件(unit)实施无损检查以判断内部缺陷的最终存在，乃至物体工作载荷期间物体的应力和因焊接、锻造、软钎焊等工业加工造成的残余应力的测量成为可能。这些测量对于诸如近海石油工业、造船工业、制造工业、飞机工业等领域，以及对可能因加载应力及残余应力而导致失效的所有类型的结构均有用。
采用光学全息摄影干涉测量术对物体的某一区域进行无损检查的原理可这样表述首先，当物体处于未加载的初始应力状态时，用记录(register)介质记录下该物体上要检查区域的全息图象并显影(有关用全息摄影干涉仪记录全息图象的描述可见诸于，例如本申请人的挪威专利申请20002948，其在此收作参考)。然后，略微改变该物体的检查区域，可通过施加某种类型载荷来实现；例如，拉伸、压缩、弯曲、扭转、加热以及这些作用中一种或多种的组合等。加载应使得应力集中在最终缺陷所在的部位。随后，载有全息显影图象的记录介质和该物体同时接受相干光的照射。结果，加载前与加载后检查区域散射的两种光波将同时地呈现在记录介质后面。这些光波将彼此干涉，并形成包含一组条纹的干涉图。当用例如(f.eks)肉眼或用物镜加显示器透过记录介质观察干涉图时，它呈现覆盖在加载期间的检查区域上的一组条纹。另外，具有异常条纹特性的区域的存在则对应于该物体中缺陷的存在。于是，凭借该技术，就有可能揭示各种类型缺陷，如裂纹、团块、未焊透、孔隙、空腔、孔眼等。
还可采用此种技术确定该物体检查区域的载荷应力和残余应力。例如，在确定残余应力的情况下，记录并显影该区域初始状态的全息图象，然后在检查区域的一个小区实施残余应力的释放。该残余应力的释放导致在已释放应力区附近在残余应力作用下的变形，然后测量该区边缘的表面位移的法向分量值，因为它直接比例于残余应力值。然后，载有检查区域初始状态的已显影全息图象的记录介质与带有已释放残余应力的区的检查区域同时地接受相干光照射。该照射形成一种干涉图，由该图首先确定出已释放应力的边缘区的表面位移法向分量。最后，用该测量值计算出残余应力的大小。该程序是由本申请人在挪威申请19995312(在此收作参考)中做了透彻的阐明。
迄今已知的全息摄影干涉测量术的方法存在若干缺点，一直阻碍着此技术应用的推广1)必须严格保护全息图象的记录和干涉图形成的过程不受振动的影响。就是说，要保证一种排除检查区域、激光器、干涉仪元件和记录介质彼此之间任何相对运动的状态。与此相联系的，例如可能是如下情况；空间载频一般介于1000～2000mm-1的数量级，于是，上面提到的各组成部分之一若出现小到0.5～1μm的相对位移，就将造成全息图象的干涉图形难以辨认(crab)，从而使记录成为不可能。
2)在记录介质是无定形分子半导体薄膜(AMS-膜)的情况下，全息图象的记录和显影应在诸如室内的舒适条件下进行，以满足记录介质对湿度和温度敏感性的要求。AMS-膜在进行全息图象记录之前要接受电晕放电的充静电处理。这在高湿度环境或温度低于0℃条件下是不可能的。再者，全息图象高质量的记录和显影在高湿度和低温下之所以办不到，还因为静电潜影的可变部分会发生表面松弛。还有，在此种条件下，要达到显影期间AMS-膜的最佳加热速率也不可能。
3)全息摄影干涉测量术对装置的各元件之间相对位移的异常敏感曾通过对装置的构建而得到部分克服，即，将上面提到的所有元件和被检查对象刚性地固定在同一个基座上。然而，此种装置似乎不适合容易振动的物体。这部分地由于需要彼此刚性地固定的组件的数目比较大，同时部分地由于物体的形状和尺寸的限制所致。某些物体仅仅是因为过大和过重，在共同基座上就无法放。此外，这样的装置不允许对物体进行现场检查。
发明目的本发明主要目的是提供一种采用光学全息摄影干涉测量术对物体按实时比例进行无损检查的装置和方法，它们克服了上面提到的种种缺点。
本发明另一个目的是提供一种采用实时光学全息摄影干涉测量术对物体进行无损检查的装置和方法，它使得对物体检查区域的以相干光加载和照射在现场实施成为可能，而全息图象的记录和显影以及干涉图的形成在另一地方进行。
本发明另一个目的是提供一种采用实时光学全息摄影干涉测量术对物体进行无损检查的装置和方法，它大大降低全息图象记录和显影以及干涉图形成期间对振动保护的要求。
本发明的目的还在于提供一种采用实时光学全息摄影干涉测量术在现场对物体实施无损检查的装置和方法。
附图简述
图1显示本发明的全息摄影干涉仪的优选实施方案以及检查经受弯曲加载的两个焊接半管的接合处用的夹紧和加载装置的例子。
图2显示图1所示目标单元的放大视图。
图3显示图1所示全息照相机的放大视图。
图4是来自受到弯曲变形的12mm直径钛管焊缝区域的干涉图照片。
发明概述本发明的目的可由所附权利要求以及下面给出的说明中公开的装置和方法实现。
大大降低对振动保护的要求和能够现场检查物体，而全息图象的记录和显影以及干涉图的形成则在另一地点进行——这样一个目的可这样实现将全息摄影干涉仪“分成”目标模块(object module)和全息照相机，并且确保相干光从光源到物体以及进而到记录介质所走过的光程长度与物体相对于全息照相机和/或光源的运动无关。这可保证物体和/或参照光束的任何相变都是由于物体表面处的变化，而不是由于物体与全息照相机或光源之间距离的改变所致。
做到这一点的优选途径是在单模光导光缆(light guidance cable)中将构成物体光束的部分相干光从光源传送到物体表面并从表面再到全息照相机，以及将构成参照光束的部分相干光从光源传送到全息照相机，其中所述光缆连接到本身刚性地固定在光源上、分别位于物体检查区域和全息照相机上方的光学连接器(connector)上。物体表面上方的光学连接器及其固定手段可视为构成目标模块。之所以优选使用单模光导光缆，是因为在此种光缆中，光程长度与光缆的弯曲和扭转实际上无关。这样，我们便消除了将物体以相对于全息照相机和/或光源无振动的方式固定的需要，因为光缆的位移或弯曲不导致光程长度的改变或相变的积累。于是，全息照相机、光源和目标模块可随意相对运动，而不会导致干涉图上干涉条纹(interference fringe)的畸变。唯一的要求是，光学连接器必须分别相对于物体、记录介质或光源牢固地固定。这显然比将所有组成部分，包括物体在内，都彼此固定的现有技术的要求要容易得多。
此种优选实施方案的另一个优点在于，全息图象的记录和显影以及干涉图的形成可与物体“分开”进行。就是说，不再需要保证全息照相设备相对于物体不运动，后者实际上意味着将全息照相设备固定在物体上或者将所有组成部分，包括物体在内，都放在一个振动保护板之类的东西上。因此，可将全息照相机和光源放在，例如，防天候保护的舒适地方，同时通过简单地调节将物体光束送至并传出目标模块的光导光缆长度对远方物体实施现场检查。
发明详述现在将结合附图更详细地描述本发明，其中图1显示物体无损检查用全息摄影干涉仪和本发明一种优选实施方案的加载装置。图2显示加载模块的放大视图，图中显示出加载模块的光学体系，而图3则显示全息照相机的放大视图，其具有照相机用的光学连接器和光学体系。当然，该被检查物体(两个半管的焊接接合处)和施加弯曲载荷的装置在这里仅当作全息摄影干涉仪检查的一种典型范例给出，绝不应解释为对本发明的限制。
本发明涉及全息摄影干涉测量术的操作方法和装置，可应用于前面背景技术段落中提到的所有种类的物体。加载装置的尺寸和形状，当然必须根据待检查物体的尺寸和形状和所选物体加载方式来改变，以便在物体内缺陷附近造成应力。唯一的要求是，加载装置应提供达到如下目的的必要条件借助第一光学连接器用相干光照射物体检查区域，以及借助第二光学连接器收集检查区域散射出来的相干光。涉及加载装置的形状和尺寸的问题，则属于本领域技术人员所掌握的知识，故不拟在此赘述。于是，下面将注意力集中在构成本发明基础的该装置的全息摄影干涉仪上。
全息摄影干涉仪(参见图1～3)包括直接坐落在加载装置8的一个元件上的目标模块20、全息照相机12连同记录介质13，相干光源——激光器1连同光学连接器3和分光器3，以及单模光缆4、5、10。目标模块20和全息照相机12包含成对的光学连接器，分别是6、9和11、14。另外，实施物体的无损检查的装置还包含将全息图象记录在AMS-膜上的装置15、带物镜的电视-摄像机16、电脑17及其显示器18，以及打印机19。
从图1～3可以看出，在优选的实施方案中，光学连接器2一端连接在激光器1上，另一端连接分光器3，单模光导光缆4一端连接分光器3，另一端连接光学连接器6，单模光导光缆5一端连接分光器3，另一端连接光学连接器14，单模光导光缆10一端连接光学连接器9，另一端连接光学连接器11。目标模块20连同光学连接器6、9，坐落在加载装置8的一个元件上，使得连接器6能够以物体相干光照射物体的检查区域(参见图2)，以及连接器9能够收集从检查区域散射出来的物体相干光。光学连接器11坐落在光学照相机12上，使之将物体光束引导到记录介质13上，而光学连接器14坐落在光学照相机12上，使之将参照光束引导到记录介质13上(参见图3)。对于这样的安排，重要的是，光学连接器2和分光器3应刚性地固定在激光器1上，光学连接器6、9刚性地固定在本身必须刚性地固定在加载装置8上的目标模块20上，位于物体检查区域上方一段固定距离，并且光学连接器11、14刚性地固定在光学照相机上，与记录介质13保持一段固定距离。
如此，我们便做到，可将全息摄影干涉仪设想为由两部分构成；全息照相机连同光源，和目标模块，二者可放在不同的地点，这保证它们可以在光导光缆长度规定的极限内彼此随意移动，而不会造成物体和/或参照光束的光程长度的改变。从而，有可能将全息摄影干涉仪(照相机和光源)放在舒适和/或防天候保护的地方，并在现场对各种物体，不论其尺寸和形状如何，实施检查。
让我们来看采用本发明全息摄影干涉测量装置实施物体的无损检查用装置的操作。全息图象的记录和干涉图的形成的程序透彻地描述在本发明人相应的挪威申请2000xxxx中，其在此收作参考，因此在此不拟细说。然而，要知道，全息图象在记录介质上的记录和显影是由控制装置15完成的，并且记录介质是AMS-膜，由91wt％含环氧丙基咔唑与5wt％缩水甘油丁醚的共聚物组成，其中掺杂以5wt％9-(4-十二烷基-氧苯基-1，3-硒醇(selenathiol)-2-叉基(ylidene))-2，5，7-三硝基芴-4-羧酸甲酯和5wt％十六烷基-2，7-二硝基-二氰基亚甲基芴(methylenfluorene)-4-羧酸酯。有关AMS-膜性质的讨论以及为什么优选该膜，在本申请人的挪威申请19995273中给出，其在此收作参考。
当目标模块20恰当地固定在检查区域上方时，记录介质13就准备好用于记录全息图象。然后，打开激光器，相干光经过光学连接器2送入到分光器3中，后者将激光射线分成物体相干光和参照相干光束。物体相干光束穿过单模光导光缆4并进入到目标模块20的光学连接器6中。光学连接器6扩展并引导物体光束，使之照射物体7的检查区域。从检查区域表面反射的这部分物体光束被目标模块20的连接器9收集，由此它进入并穿过单模光导光缆10。物体光束随后将进入全息照相机12的光学连接器11。光学连接器11引导并扩展物体光束，使之照射记录介质13。与此同时，参照相干光束由单模光导光缆5送至全息照相机12的光学连接器14。光学连接器10将引导并扩展参照光束15，使之照射记录介质13。于是，物体与参照光束在记录介质13的表面发生干涉，并形成物体检查区域的全息图象。该全息图象被记录和显影成为记录介质上的潜影。
继而，物体的检查区域接受载荷，在此种情况下为一种采用加载装置8施加的轻微弯曲变形。随后，载有已显影的全息图象的记录介质13与物体的检查区域，同时分别以参照和物体光束照射。结果，两个光波将同时出现在记录介质13后面，一个对应于加载前物体检查区域散射的物体光波，而另一个对应于加载后物体检查区域散射的光波。这些光波将发生干涉并形成物体检查区域的干涉图，该图可透过记录介质用肉眼观看，或者用电视摄像机16和显示器18看。缺陷区域对应于具有异常干涉条纹特性表现的干涉图的区域。
作为一个例子，取自物体检查区域——12mm直径钛管焊缝——的干涉图形呈现在图4中。—个干涉条纹特性行为异常的区域，对应于缺陷所位于的区域，可从该焊缝上看出。
采用本发明全息摄影干涉测量术对物体进行无损实时检查的装置和方法克服了上面提到的困扰目前已知全息摄影干涉测量术物体无损检查的装置和方法的缺点。
以相干光在现场对物体检查区域实施照射并收集由检查区域散射出来的相干光，而检查区域的全息图的形成、全息图象的记录和显影以及干涉图形的形成则在舒适、受保护的地方进行——这种可能性，使我们得以大大扩展全息摄影干涉测量术在物体无损检查上的应用范围。于是，可在任何天气条件下现场实施物体的无损检查，即便在水下、在等离子体中以及在高放射性影响之下。
单模光导光缆(i)用于将发自激光器的相干光传送到物体检查区域，(ii)用于将检查区域散射的相干光传送到形成全息图象的地点，(iii)用于将发自激光器的相干光传送到形成全息图象的位置等方面的应用，使得在现场以相干光照明物体和收集物体散射的光的真正实现变得容易许多，而同时全息图象的形成及其记录和显影、干涉图的形成却可在另一舒适的受保护的地点进行。与此同时，这项技术还大大降低测量对防振动保护的要求，因为物体的振动不再影响记录介质、全息照相机元件和激光器。另外，全息照相机的元件和记录介质不被机械地固定在激光器上，因此激光器和全息照相机的相对运动将不会彼此影响。还有，单模光导光缆的任何移动或弯曲也不会导致光程长度的改变或相的附加积累。
虽然已就优选实施方案和物体的一种固定和加载范例做了描述，但要知道，还可创造出多种多样固定和/或加载装置用于多种多样本发明适用的物体。这些对于本领域技术人员是显而易见的，因此应包括在本发明的主要范围内。
权利要求
1.一种采用光学全息摄影干涉测量术按实时比例对物体检查区域进行无损检查的方法，其中首先，在记录介质上记录并显影该物体检查区域的全息图象，然后，该物体的检查区域接受载荷，最后，物体检查区域和载有该物体初始状态检查区域的已显影全息图象的记录介质二者同时地以相干光照射，从而由于对应于加载前后由物体检查区域散射出来的光波的两种光波之间干涉而形成该物体检查区域的干涉图形，其特征在于，物体检查区域以相干光进行照射和由同一区域散射的相干光的收集是在物体的现场实施的，而全息图象的记录和显影以及物体检查区域的干涉图形的形成则是在相隔物体一定距离的另一地点通过相干光在光源、物体检查区域和全息照相机之间利用单模光导光缆的传送完成的。
2.权利要求1的方法，其特征在于，检查区域的全息图象和干涉图形的形成受到保护因而不受物体、全息照相机和/或光源之间相对位移的影响，措施包括相干光利用单模光导光缆在物体、光源和全息照相机之间传送，以及确保单模光导光缆端点牢靠地固定，分别与物体检查区域、全息照相机记录介质和光源保持固定的距离。
3.权利要求1或2的方法，其特征在于，全息图象的记录和显影以及物体检查区域的干涉图形的形成是在一种适合无定形分子半导体记录介质的环境受保护的地方进行的。
4.权利要求1或2的方法，其特征在于，物体、光源和全息照相机的相对位移是小运动和/或振动。
5.一种采用光学全息摄影干涉测量术按实时比例对物体进行实时无损检查的装置，其中该装置包括相干光源、全息摄影干涉仪、记录介质、待检查物体加载用装置以及观察和冲洗所形成的干涉图形的辅助装置，其特征在于，全息摄影干涉仪分成目标模块(20)、全息照相机(12)和相干光源(1)，并且光源(1)利用单模光导光缆(4)连接到目标模块(20)上，目标模块(20)与全息照相机(12)用单模光导光缆(10)连接，全息照相机(12)与光源利用单模光导光缆(5)连接。
6.权利要求5的装置，其特征在于，全息照相机(12)通过确保单模光导光缆(4)的端点牢靠地固定从而与物体(7)的检查区域、全息照相机(12)的记录介质(13)和光源(1)分别保持一段固定距离，而不受光源(1)和目标模块(20)的相对位移的影响。
7.权利要求6的装置，其特征在于，-单模光导光缆(4)的端点连接到光学连接器(2)和(6)上，单模光导光缆(5)的端点连接光学连接器(2)和(14)，而单模光导光缆(10)的端点连接光学连接器(9)和(11)，-光学连接器(2)刚性地连接到光源(1)上，并配备有分光器(3)，后者将相干光分成物体光束和参照光束，-光学连接器(6)刚性地连接到目标模块(20)上，位于物体(7)的检查区域上方一段固定距离，使得它将物体光束引导并扩展到物体(7)的检查区域上，-光学连接器(9)刚性地连接到目标模块(20)上，位于物体(7)的检查区域上方一段固定距离，使得它收集物体(7)的检查区域反射的相干光并将该光束聚焦到单模光导光缆(10)中，-光学连接器(11)刚性地连接到全息照相机(12)上，位于记录介质(13)上方一段固定距离，使得它将物体光束引导并扩展到记录介质(13)上，以及-光学连接器(14)刚性地连接到全息照相机(12)上，位于记录介质(13)上方一段固定距离，使得它将参照光束引导并扩展到记录介质(13)上。
8.权利要求5～7的装置，其特征在于，全息照相机(12)和光源(1)放在适合无定形半导体记录介质(13)的环境受保护的地点。
9.权利要求5～8的装置，其特征在于，目标模块(20)和全息照相机(12)与光源(1)之间的距离可通过相应简单地调节单模光导光缆(4)和(10)的长度而调节到任意长度。
全文摘要
本发明涉及采用全息摄影干涉测量术对细部、机器零部件、机械装置以及各种材料无损检查方法及装置，它能够克服物体与全息照相设备之间相对位移，特别是由于物体振动造成的问题。这是通过在柔性波导光缆中在被检查物体、光源和干涉仪之间传送参照和物体光束以及使柔性波导光缆端点牢靠地固定，与被检查物体、干涉仪的记录介质和光源分别保持固定距离来实现的。这样做还提供另一个好处，即，将全息摄影干涉仪分成物体部分和形成干涉图形的记录部分。于是，在任何天气条件下对物体实施现场测量，同时全息摄影干涉仪的敏感记录设备则可工作在远方受保护的地点就成为可能。
文档编号G01B11/16GK1415067SQ00818014
公开日2003年4月30日 申请日期2000年10月18日 优先权日1999年10月29日
发明者J·P·菲耶尔斯塔, I·E·菲耶尔斯塔, L·M·罗巴洛夫, V·A·皮夫托拉克, N·G·库夫辛斯基, N·A·达维登科, V·P·库斯尼鲁克, P·D·克罗藤科, V·A·帕夫洛夫, G·I·特卡楚克 申请人:费劳斯全息摄影技术公司