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Mach-Zehnder based Rotational Shearing Interferometer for Non-destructive Testing using Spatial Phase-Shifting Shearography

Este artículo presenta un novedoso interferómetro de cizalladura rotacional basado en Mach-Zendher que utiliza el desplazamiento de fase espacial y prismas de Dove para permitir el ensayo no destructivo de campo completo y rápido de componentes con simetría rotacional mediante el desacoplamiento del ajuste de cizalladura de la generación de la frecuencia portadora y la detección de gradientes de desplazamiento tangencial.

Autores originales: Valentin-Johannes Bastgen, Michael Schuth, Georg von Freymann

Publicado 2026-06-01

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CC BY 4.0

Autores originales: Valentin-Johannes Bastgen, Michael Schuth, Georg von Freymann

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

Imagina que estás intentando encontrar grietas invisibles o puntos débiles dentro de un objeto redondo y delicado, como un sello de goma o un anillo de metal, sin tocarlo ni romperlo. Este es el trabajo de los Ensayos No Destructivos (END). El artículo que compartiste describe un nuevo "ojo mágico" de alta tecnología que hace este trabajo mucho mejor que los métodos antiguos, especialmente para objetos redondos.

Aquí está el desgcho de cómo funciona, utilizando analogías sencillas:

1. El problema con la "linterna" antigua

Piensa en los métodos de prueba tradicionales como si estuvieras proyectando la luz de una linterna sobre una pelota redonda. Si quieres ver toda la pelota, tienes que mover la linterna o hacer girar la pelota una y otra vez.

La limitación: La forma antigua de hacer esto (llamada "Shearografía Lineal") es como usar una regla para medir un círculo. Solo puedes medir una línea recta a la vez. Para ver todo el círculo, tienes que tomar muchas fotos, detenerte, rotar el objeto y tomar más fotos. Es lento y torpe.
El problema de la vibración: Algunos métodos antiguos de alta velocidad son como intentar tomar una foto de un colibrí mientras estás parado en un bote que se sacude. Si el suelo de la fábrica vibra aunque sea un poco, la imagen sale borrosa.

2. La nueva solución: La "cámara rotatoria"

Los autores construyeron una nueva máquina basada en un interferómetro Mach-Zehnder. Ese es un nombre sofisticado para un dispositivo que divide un haz de láser en dos caminos y luego los vuelve a unir para crear un patrón de líneas claras y oscuras (interferencia).

Aquí está la parte ingeniosa:

La "doble rendija virtual": Imagina que estás mirando a través de una ventana con dos pequeñas aberturas. En la configuración antigua, mover las aberturas para cambiar la vista también cambiaba el patrón de luz en la pared, lo que dificultaba el control. En esta nueva configuración, los autores crearon una "Doble Rendija Virtual" (VDS).
La analogía: Piensa en el método antiguo como intentar cambiar el zoom de una cámara moviendo físicamente el lente, lo que también desplaza accidentalmente la imagen hacia un lado. El nuevo método es como tener una cámara donde puedes hacer zoom (ajustar la sensibilidad) sin que la imagen se desplace nunca hacia los lados. Esto les otorga un control total.

3. El arma secreta: El "Prisma de Dove"

Para que el sistema funcione con objetos redondos, utilizaron bloques de vidrio especiales llamados prismas de Dove.

La metáfora: Imagina que sostienes la foto de un reloj. Si rotas la foto 10 grados, las manecillas se mueven. Pero si usas un prisma de Dove, este actúa como un espejo mágico que rota la imagen dentro de la máquina el doble del ángulo que giras el prisma.
El resultado: En lugar de mover el láser en una línea recta (izquierda a la derecha), el láser ahora "cizalla" (desliza) la imagen en un círculo. Es como girar un disco en un tocadiscos en lugar de deslizar un libro sobre una mesa.

4. Por qué "girar" es mejor para las cosas redondas

El artículo explica que este nuevo "Cizallamiento Rotacional" cambia las reglas del juego para los objetos redondos (como los anillos de sellado).

La forma antigua (Lineal): Si deslizas una regla sobre un neumático redondo, solo ves la parte del neumático que toca la regla. Te pierdes el resto.
La nueva forma (Rotacional): Debido a que el láser gira alrededor del centro, puede ver todo el objeto redondo en una sola captura. Es sensible a las grietas que corren desde el centro hacia el exterior (grietas radiales), las cuales son comunes en estas piezas.
Velocidad: Debido a que captura toda la imagen a la vez (a la velocidad de una cámara tomando una foto), puede revisar piezas tan rápido como se mueve una cinta transportadora de una fábrica. No hay necesidad de detener y girar la pieza.

5. El experimento: La prueba del "Queso Suizo"

Para demostrar que funcionaba, el equipo probó un bloque de metal con agujeros perforados (como un queso suizo) para simular defectos.

Bombaron aire a presión dentro del bloque para hacer que se abultara ligeramente.
Compararon el método láser de "línea recta" antiguo con su nuevo método láser de "giro".
El resultado: Ambos métodos encontraron los agujeros. Sin embargo, el nuevo método láser giratorio los encontró con la misma fiabilidad pero con una ventaja única: resaltó perfectamente la dirección del estrés alrededor del centro. Esto demostró que la máquina puede detectar fallas diminutas en piezas redondas en una sola toma rápida.

Resumen

El artículo presenta una nueva herramienta óptica que utiliza un efecto de láser giratorio (cizallamiento rotacional) en lugar de uno de deslizamiento.

Forma antigua: Lenta, requiere mover el objeto, tiene dificultades con las formas redondas.
Nueva forma: Rápida, captura todo el objeto redondo de una sola vez y es inmune a las vibraciones de la fábrica.

Los autores concluyen que esto es perfecto para verificar piezas redondas críticas para la seguridad, como los sellos utilizados en aviones, plantas nucleares o plataformas petroleras, asegurando que no tengan grietas ocultas sin necesidad de desmontarlos.

Resumen Técnico: Interferómetro de Cizalladura Rotacional basado en Mach-Zehnder para Ensayos No Destructivos mediante Shearografía de Desplazamiento de Fase Espacial

Planteamiento del Problema
Los ensayos no destructivos (NDT) industriales actuales mediante shearografía (interferometría de patrones de moteado por cizalladura) dependen en gran medida de configuraciones de cizalladura lineal (direcciones x, y o xy). Si bien la shearografía de desplazamiento de fase espacial (SPS) ha permitido mediciones rápidas de campo completo a las tasas de fotogramas de la cámara, la cizalladura lineal presenta limitaciones significativas para componentes con simetría rotacional, como los anillos de sellado de paredes delgadas. Específicamente, los ajustes de cizalladura lineal restringen severamente el área de medición utilizable en tales geometrías, lo que requiere múltiples mediciones y el reposicionamiento rotacional tanto del objeto como del sensor para inspeccionar toda la superficie. Además, las configuraciones existentes que utilizan cizalladura rotacional han sufrido históricamente de una baja eficiencia de luz de medición o requirieron desplazamiento de fase temporal (TPS), lo cual es altamente sensible a las vibraciones y no es adecuado para la inspección en línea industrial.

Metodología
Los autores proponen un novedoso montaje óptico basado en un interferómetro Mach-Zehnder que integra cizalladura rotacional con shearografía de desplazamiento de fase espacial. La innovación central radica en la implementación de una configuración de Doble Rendija Virtual (VDS, por sus siglas en inglés). En este montaje, se colocan rendijas de apertura en cada brazo del interferómetro cerca del divisor de haz del lado de la cámara (BS2), con una rendija desplazada lateralmente del eje óptico.

Características metodológicas clave:

Mecanismo de Desacoplamiento: La disposición VDS genera una frecuencia de portadora espacial mediante el desplazamiento fuera de eje de las rendijas. Esto desacopla la formación de la frecuencia de portadora espacial del ajuste de la cantidad de cizalladura, permitiendo una sintonización flexible de la sensibilidad de forma independiente a la frecuencia de la portadora.
Generación de Cizalladura Rotacional: La cizalladura rotacional se logra mediante prismas de Dove como rotadores de imagen. La rotación de un prisma de Dove por un ángulo $\psi$ resulta en una rotación de imagen de $2\psi$ .
Procesamiento de Señales: El sistema emplea el método de Takeda para el procesamiento de señales. El análisis teórico demuestra que, a diferencia de las configuraciones convencionales donde el espectro de la frecuencia de la portadora espacial rota con la imagen, la configuración VDS mantiene un espectro de frecuencia de portadora espacial constante independientemente del ángulo de rotación del prisma.
Principio de Medición: El sistema es sensible a los gradientes de desplazamiento tangencial (azimutal) alrededor del centro de rotación. La cantidad de cilla local es dependiente de la posición, aumentando linealmente con la distancia al centro de la imagen ( $r$ ), mientras que la cizalladura lineal proporciona una cantidad de cizalladura constante en todo el campo.

Validación Experimental y Resultados
El sistema propuesto fue validado experimentalmente utilizando un espécimen de calibración que consistía en un cuerpo de aluminio con ocho defectos artificiales circulares (agujeros de fondo plano) de diámetros y espesores de pared residuales variables. El espécimen fue sometido a una excitación por sobrepresión neumática ( $\Delta p = 3$ bar).

Detección de Defectos: El sistema detectó con éxito todos los defectos, independientemente de su diámetro o espesor de pared residual.
Comparación: Los resultados se compararon con configuraciones de cizalladura lineal convencionales (direcciones x, y y xy). Tanto la configuración de cizalladura lineal como la rotacional identificaron de manera fiable los defectos, los cuales aparecieron como patrones característicos de "mariposa".
Características de Sensibilidad: La configuración de cizalladura rotacional demostró una sensibilidad distinta a los gradientes de deformación en la dirección tangencial. En consecuencia, el sistema mostró una mayor sensibilidad a defectos que se propagan radialmente (desde el centro hacia el diámetro exterior).

Contribuciones Clave

Arquitectura Óptica Novedosa: Introducción de un interferómetro Mach-Zehnder con una Doble Rendija Virtual (VDS) que permite la cizalladura rotacional manteniendo los beneficios del desplazamiento de fase espacial.
Control Desacoplado: Logro del control independiente sobre la cantidad de cizalladura y la frecuencia de la portadora espacial, permitiendo un ajuste de sensibilidad sin restricciones sin comprometer la velocidad o la estabilidad de la medición.
Viabilidad Industrial: Demostración de que la cizalladura rotacional puede realizarse a las tasas de fotogramas de la cámara, superando los problemas de sensibilidad a las vibraciones asociados con el desplazamiento de fase temporal en configuraciones de cizalladura rotacional previas.
Eficiencia de Campo Completo: El método permite la evaluación de campo completo de componentes con simetría rotacional en una sola adquisición ("one-shot"), eliminando la necesidad de múltiples mediciones y reposicionamientos requeridos por los métodos de cizalladura lineal.

Significación y Reivindicaciones
El artículo afirma que este enfoque ofrece un potencial significativo para los NDT industriales, particularmente para la inspección de componentes con simetría rotacional y tecnología de sellado crítica para la seguridad (por ejemplo, en los sectores aeroespacial, nuclear y de gas y petróleo). Los autores destacan que el método aborda la limitación de las áreas de medición reducidas en piezas de paredes delgadas, reduciendo significamente el tiempo de inspección.

Sin embargo, los autores señalan modestamente limitaciones específicas y áreas de trabajo futuro:

Sensibilidad de Orientación: El enfoque de cizalladura rotacional exhibe una sensibilidad reducida para defectos orientados en la dirección circunferencial (tangencial), ya que estos se alinean con la dirección de la cizalladura.
Direcciones Futuras: Los autores afirman que el trabajo futuro se centrará en adaptar el montaje para entornos industriales hostiles, investigar escenarios de aplicación adicionales y extender el método desde la detección de defectos hasta la caracterización de la profundidad de los mismos. También sugieren que una combinación de configuraciones de cizalladura rotacional y radial amerita un estudio más profundo para abordar las limitaciones de sensibilidad respecto a las grietas circunferenciales.