(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(jié)構在服役期間，不可避免地會承受高溫、高壓、高轉(zhuǎn)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(nèi)部產(chǎn)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(xù)發(fā)展為局部區(qū)域的開裂，并逐漸擴大到相鄰區(qū)域，直至整個結(jié)構發(fā)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(fā)現(xiàn)，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(jié)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(tǒng)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(yōu)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(tǒng)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(chǎn)生影響，常規(guī)超聲波方法受人為因素的影響，檢測結(jié)果具有主觀性，此外，該方法具有一定的近場盲區(qū)，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(jié)構的低相干系統(tǒng)，并通過LabVIEW平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)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(tǒng)方法的部分缺點，且具有檢測分辨率高的優(yōu)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(tǒng)結(jié)構框圖如圖1所示，掃頻光學低相干系統(tǒng)是基于快速掃頻激光光源和單點探測器的干涉成像系統(tǒng)，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(shù)使用單點探測器的掃頻光學低相干系統(tǒng)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(shù)的幅度和相位；Γ(z)為光源相干函數(shù)；k(t)為隨時間變化的波數(shù)；z為樣品深度坐標。

圖1 掃頻光學低相干裂紋檢測系統(tǒng)結(jié)構框圖

在式(1)等號的右側(cè)，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(tǒng)探測到的有效干涉光譜信號，對此干涉光譜數(shù)據(jù)進行快速傅里葉變換(FFT)，即可實現(xiàn)從波數(shù)空間到深度空間的轉(zhuǎn)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(tǒng)中，掃頻光源發(fā)出的光經(jīng)光纖耦合器分為兩束，一束進入?yún)⒖急?，通過準直器準直后入射到平面鏡發(fā)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(jīng)掃描振鏡偏轉(zhuǎn)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(fā)生低相干干涉現(xiàn)象。

2 基于掃頻光學低相干的裂紋檢測系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)干涉模塊的設計

掃頻光學低相干裂紋檢測系統(tǒng)的硬件干涉儀部分采用標準的馬赫-澤德(Mach-Zehnder)干涉儀，其結(jié)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(tǒng)常用的邁克爾遜干涉儀，該系統(tǒng)采用馬赫-澤德干涉儀結(jié)構的顯著優(yōu)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(wěn)定噪聲。此外，其能夠獲得雙路互補干涉輸出，便于后續(xù)信號的接收和處理。

圖2 標準馬赫-澤德干涉儀結(jié)構示意

2.2 系統(tǒng)探測部分設計

系統(tǒng)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(chǎn)生低相干現(xiàn)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(jié)構示意如圖3所示。

圖3 平衡探測器結(jié)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(tǒng)傳統(tǒng)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(nèi)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(jīng)平衡探測器放大后的干涉信號通過高速數(shù)據(jù)采集卡的A/D(模擬/數(shù)字)轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)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(shù)據(jù)進行后續(xù)處理，即可獲得最終的圖像。

2.3 系統(tǒng)軟件設計

由于掃頻光學低相干系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集卡、掃描振鏡與圖像采集卡的協(xié)同工作下才能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與存儲操作，所以需要合理地控制軟件系統(tǒng)的時序。系統(tǒng)的時序控制程序編寫在LabVIEW平臺上完成，通過數(shù)據(jù)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(fā)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(tǒng)的時序控制信號如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)時序控制信號

干涉光譜信號經(jīng)過預處理之后，再通過傅里葉變換轉(zhuǎn)換為空間強度信號。系統(tǒng)對干涉信號加漢明窗以抑制干涉光譜經(jīng)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(zhuǎn)角度等參數(shù)經(jīng)幾何計算獲得，軸向尺寸則是由光學低相干系統(tǒng)的探測深度決定的。

2.4 系統(tǒng)分辨率標定

檢測系統(tǒng)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(tǒng)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(guī)格，表格中的頻率表示在1 mm寬度內(nèi)黑白刻線的對數(shù)，計算所得的黑白刻線對寬度的一半即為當前系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)標定成像圖如圖6所示。

圖6 1951USAF標準分辨率板系統(tǒng)標定成像圖

由圖6可知，系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)的軸向分辨率與系統(tǒng)所使用的掃頻激光光源的光譜半高全寬(Full Width of Half Maximum，F(xiàn)WHM)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(tǒng)的軸向分辨率可表示為

(5)

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

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

根據(jù)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(jié)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(tǒng)。掃頻光源發(fā)出的光在干涉模塊中分光為兩路：一路經(jīng)準直器準直后入射到掃描振鏡，再經(jīng)過掃描振鏡偏轉(zhuǎn)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(nèi)部的延遲線匹配光程差，隨后兩路光返回到干涉模塊中發(fā)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(xù)處理。系統(tǒng)樣品臂實物如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)樣品臂實物

圖8 A掃描信號波形

3.2 試驗結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

系統(tǒng)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(fā)生了兩次明顯的干涉，經(jīng)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(xiàn)的尖峰信號則是經(jīng)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(jié)合圖8信號波形中的光程差信息、掃描振鏡的偏轉(zhuǎn)角度大小以及系統(tǒng)的成像深度等參數(shù)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(tǒng)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(nèi)，可見所設計搭建的掃頻光學低相干系統(tǒng)具有檢測材料或零部件表面微觀裂紋的能力。后續(xù)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(jié)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(tǒng)的渦流法、超聲波法和光聲結(jié)合等方法，光學低相干的方法具有非侵入的優(yōu)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(tǒng)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(xiàn)了數(shù)據(jù)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。