中国核动力院&四川大学：基于光谱共焦技术的锆合金板材划伤缺陷深度测量

锆合金具有低热中子吸收截面、良好的耐高温和耐腐蚀性能，是核反应堆中燃料包壳、压力管、支架和孔道管的理想材料，在核工业领域应用极为广泛。

核工业领域对锆合金板材加工表面质量有严格的控制要求，其中板材表面划伤深度不得超过50 μm。锆合金板材在制造加工过程中容易产生划伤类缺陷，该类缺陷属于宽度微小，但纵深较大的表面形貌缺陷。

目前，通常采用目视检查、显微镜观察及划伤深度对比试块对比检查等方式进行检查，普遍存在缺陷深度难以量化，检测可靠性差，划伤形貌无法复现以及检测信息有限难以为工艺改进提供有效反馈等问题。

因此，亟需针对锆合金板材表面划伤形貌开展精密检测，开发可实现缺陷深度定性定量识别的自动化无损检测手段，进一步提升锆合金零部件制造工艺水平及生产效率。

表面三维形貌检测

技术应用现状

精密金属元件的表面三维形貌检测技术主要分为非光学检测与光学检测两大类。

其中，非光学检测以接触式测量为主，具备纳米级的高检测精度等优势，但存在测量速度慢、易划伤被测元件表面、对被测元件材料有特殊要求等诸多问题，在一定程度上限制了其应用。

常用光学检测方法主要有机械探针法、原子力显微镜（AFM）和扫描隧道显微镜（STM）等。该类方法具有操作简便、检测效率高、测量精度优异、非接触无损检测等优点。

光学精密金属元件表面三维形貌检测方法主要包括激光共聚焦扫描显微镜、数字全息技术、结构光投影显微技术和白光干涉等。

激光共聚焦扫描显微镜

激光共聚焦技术是20世纪80年代逐步发展成熟的光学检测手段。

该技术使用激光作为光源，激光束经过照明针孔后形成点光源，对被测元件进行逐点扫描，使得被测表面上的被照射点在探测针孔上成像，然后利用接收系统的光电倍增管采集成像信息。

由于照明针孔和探测针孔相对于成像物镜的焦平面呈共轭关系，焦平面以外的点几乎无法参与成像，有效规避了离焦信号干扰。

通过逐点扫描，可以得到被测元件的光学横断面成像，对连续光学切片扫描图进行三维解析，最终得到被测表面三维形貌信息。

此方法测量分辨率高，但逐点扫描导致其测量速度慢。

数字全息技术

数字全息显微技术由全息技术与显微技术交叉融合而成，其通过数字全息采集系统记录被测元件的全息图像，该图像中包含了物光波和参考光波相干叠加时产生的一系列干涉条纹信息。

通过对全息图像进行数字重构可得到被测元件的振幅信息和相位信息，其中相位信息可精准表征元件表面的三维形貌信息。

此方法可以达到波长量级的检测分辨率，但受相机分辨率和数字重建算法等限制，一定程度上阻碍了其应用。

结构光投影显微技术

结构光投影显微技术是近年来快速发展的精密三维形貌重建检测方法。

该方法通过空间光调制器产生正弦光栅条纹，利用白光光源照射，经过光学成像系统将光栅成像于被测元件上，再经过成像物镜和镜筒透镜成像到CCD相机，最后通过压电陶瓷纵向扫描，得到一系列被结构光调制的图像，经后期算法处理即可恢复元件表面的三维形貌信息。

白光干涉技术

白光干涉系统采用相干光作为光源，通过干涉光路使待测元件表面反射回来的测量光与干涉物镜内的参考光叠加并形成干涉条纹，由于干涉极值只发生在光程差为零的附近，且条纹对比度随光程差增大迅速下降。

与单色光干涉信号不同，宽光谱白光干涉信号由多个不同周期的余弦函数叠加而成，可以表示为一个受高斯曲线调制的余弦信号。

当测量光与参考光光程差为零时，干涉信号出现最大值，通过寻找光强极值对应的纵轴高度信息，实现纵向高度信息的检测。

此方法具有测量范围大、分辨率高、非接触等优势，是一种应用价值非常高的检测技术。

基于光谱共焦技术的

缺陷深度检测原理

图1 光谱共焦深度测量的工作原理

检测时，一束白光点光源穿过小孔1，照射在色散镜头组上，色散镜头将其分解成不同波长的单色光，每一个波长对应一个固定的距离值，当被测对象出现在测量区域时，某一特定波长的单色光正好照射在其表面，并反射进入光学系统，通过小孔2聚焦后，由光谱仪识别其波长从而得到精确的距离值。

检测系统方案

设计及实现

考虑到光谱共焦的光斑尺寸只有10 μm，限制了检测的横向分辨率，获取整个划伤缺陷的三维全貌需要耗费较长的时间，检测效率较低，无法满足工程化检测效率的需求。

故在系统设计中，仅测量划伤缺陷的深度，复原最大深度位置的切面二维图像，并将其作为划伤缺陷深度检测的主要数据支撑。

系统首先通过视觉采集模组识别提取划伤缺陷轮廓，运动模组依据缺陷轮廓提取结果配合光谱共焦模组进行边缘点逐一深度检测扫描，将深度检测扫描数据最大值进行划伤切面的二维图像复原，并将复原结果作为锆合金板材划伤缺陷定性及定量判定的主要检测数据。

为实现上述检测功能，设计了一套锆合金板材表面划伤缺陷定位与深度精密检测系统，其整体由软件组件、信号控制组件和机械执行组件3部分构成。

其中，软件组件包括深度学习模块、图像处理模块、数据处理模块；机械执行组件包括三维运动模块、视觉采集模块、深度检测模块、空间定位模块。

图2 检测路径规划示意

图3 检测系统实物

缺陷深度标定验证

加工了人工伤（沟槽）标准试件以完成系统功能验证与精度标定试验。

通过工业相机采集沟槽标准试件图像，提取沟槽的两道边缘并拟合为平行直线段。沿沟槽边缘法向构建扫描路径的直线段，使其分布在沟槽两端，并得出起点与终点在图像中的坐标位置，利用对准模型与扫描模型计算出三维运动机构与微动位移平台的运动参数，配合光谱共焦采集深度数据，得到沟槽在该截面的深度轮廓信息。

在光谱共焦的切面二维轮廓扫描数据中，第一个扫描数据到产生下降突变的数据间走过的距离与图像中扫描起点到沟槽边缘的距离D均表示扫描起点到经过沟槽第一道边缘时走过的距离。D值的偏差可反映点位对准的误差。下降沿的宽度即为扫描截面的沟槽宽度，下降沿的高度h即表示沟槽的深度。

图4 标定试验沟槽试件结构示意

图5 标定试验光谱共焦扫描数据

由验证试验测量数据可见，图像测量法可以实现沟槽的精准定位，D值误差量级为200~240 μm；光谱共焦测量方法可以实现沟槽的三维形貌复现，其d值误差量级为4~15 μm，h值误差量级为5 μm。

表1 验证试验测量数据（µm）

结语

针对核工业领域锆合金板材表面质量检测问题，提出了基于光谱共焦技术的锆合金板材划伤缺陷深度测量方法，搭建了测量系统，加工了表面划伤（沟槽）标样并进行了试验验证。试验结果表明：该测量系统的深度测量精度可达5 μm，较好地实现了沟槽切面二维形貌复原以及沟槽深度的量化检测；为实现划伤类缺陷信息三维形貌检测奠定了基础，为核工业精密零部件表面质量微米级检测提供了有效的手段。

作者：杨帆1，阳雷1，许斌2

工作单位：1. 中国核动力研究设计院 核材料及燃料重点实验室

2. 四川大学 机械工程学院

第一作者简介：杨帆，副研究员，主要从事核材料及燃料、核电设备无损检测技术研究工作。

来源：《无损检测》2026年9期