激光超聲檢測原理與應(yīng)用課件.

1、激光超聲檢測原理與應(yīng)用激光超聲檢測原理與應(yīng)用1 1 激光產(chǎn)生超聲的機(jī)理激光產(chǎn)生超聲的機(jī)理利用激光產(chǎn)生超聲波的方法可分為直接式和間接式兩大類。直接式是使激光與被測材料直接作用，通過熱彈性效應(yīng)或燒蝕作用等激發(fā)出超聲波；間接式則是利用被測材料周圍的其它物質(zhì)作為中介來產(chǎn)生超聲波。1.1 1.1 熱彈機(jī)制熱彈機(jī)制當(dāng)入射光的功率密度較低（金屬材料的典型值是106W/cm2）時(shí)，材料表層由于吸收光能導(dǎo)致局部升溫，引起熱膨脹而產(chǎn)生表面切向壓力，同時(shí)激發(fā)出橫波、縱波和表面波。在這種機(jī)制下，聲信號的幅度隨著激發(fā)功率的增加而線性增加。由于激發(fā)功率的密度較低，表層的局部升溫沒有導(dǎo)致材料的任何相變，因而具有嚴(yán)格無損檢測

2、的特點(diǎn)。但熱彈激發(fā)超聲過程中，光能轉(zhuǎn)化為熱能的效率很低。熱彈激發(fā)機(jī)理原理如圖1-11.2 1.2 燒蝕機(jī)制燒蝕機(jī)制當(dāng)入射光的功率密度逐漸升高時(shí)，材料表層的瞬態(tài)升溫將逐步導(dǎo)致材料的熔化、汽化和形成等離子體。這時(shí)將有一小部分表面物質(zhì)被噴射出來，從而給樣品表面施加了一個(gè)非常高的反作用力，導(dǎo)致聲波的產(chǎn)生。在這種機(jī)制下可以獲得大幅度的縱波和表面波，激發(fā)效率比熱彈機(jī)制高4個(gè)數(shù)量級。但由于它每次對表面產(chǎn)生約0.3m的損傷，所以只能用于某些場合，且通常用來產(chǎn)生超聲縱波。熱彈機(jī)制由于對表面無損傷，且能產(chǎn)生各種波形，所以現(xiàn)在用得最多。燒蝕激發(fā)機(jī)理原理如圖燒蝕激發(fā)機(jī)理原理如圖1-21-2。1.3 1.3 其他激發(fā)機(jī)

3、理其他激發(fā)機(jī)理1.3.11.3.1熱柵激發(fā)熱柵激發(fā)( (簡稱簡稱LIPS)LIPS)1.3.21.3.2熱應(yīng)變激發(fā)熱應(yīng)變激發(fā)1.3.31.3.3電子應(yīng)變激發(fā)電子應(yīng)變激發(fā)( (非熱激發(fā)非熱激發(fā)) )1.3.41.3.4非熱機(jī)制非熱機(jī)制- -反壓電效應(yīng)激發(fā)反壓電效應(yīng)激發(fā)2 2 激光超聲檢測系統(tǒng)激光超聲檢測系統(tǒng)激光超聲的接收主要有激光超聲的接收主要有：傳感器檢測傳感器檢測光學(xué)法檢測兩類光學(xué)法檢測兩類傳感器檢測包括壓電陶瓷換能器檢測，電磁聲傳感器檢測包括壓電陶瓷換能器檢測，電磁聲換能器檢測，電容聲換能器檢測。這些檢測方換能器檢測，電容聲換能器檢測。這些檢測方法法,可以十分簡便地接收到激光超聲信號，但傳

4、可以十分簡便地接收到激光超聲信號，但傳感器必須與樣品接觸，或者非常接近樣品表面感器必須與樣品接觸，或者非常接近樣品表面，才能獲得高的檢測靈敏度。并且超聲檢測用，才能獲得高的檢測靈敏度。并且超聲檢測用壓電換能器接收超聲信號這種方法需要用耦合壓電換能器接收超聲信號這種方法需要用耦合劑，對被測樣品會產(chǎn)生影響。劑，對被測樣品會產(chǎn)生影響。利用光學(xué)方法探測材料表面的超聲振動是利用光學(xué)方法探測材料表面的超聲振動是種新型種新型的無損檢測手段，該方法具有非接觸、靈敏度高等的無損檢測手段，該方法具有非接觸、靈敏度高等特點(diǎn)，能夠克服傳統(tǒng)超聲波檢測需要耦合劑的缺點(diǎn)特點(diǎn)，能夠克服傳統(tǒng)超聲波檢測需要耦合劑的缺點(diǎn)，是真正意

5、義上的非接觸、寬帶檢測技術(shù)。光學(xué)法，是真正意義上的非接觸、寬帶檢測技術(shù)。光學(xué)法檢測技術(shù)又可細(xì)分為非干涉檢測技術(shù)和干涉檢測技檢測技術(shù)又可細(xì)分為非干涉檢測技術(shù)和干涉檢測技術(shù)兩種。目前廣泛使用的是外插干涉儀、共焦術(shù)兩種。目前廣泛使用的是外插干涉儀、共焦F-PF-P干干涉儀是線性干涉儀，而相位共軛干涉儀，雙波混合涉儀是線性干涉儀，而相位共軛干涉儀，雙波混合干涉儀以及光感生電動勢干涉儀則屬于非線性光學(xué)干涉儀以及光感生電動勢干涉儀則屬于非線性光學(xué)的。的。2.1 2.1 非干涉檢測技術(shù)非干涉檢測技術(shù)2.1.12.1.1刀刃檢測技術(shù)刀刃檢測技術(shù)2.1.22.1.2表面柵格衍射技術(shù)表面柵格衍射技術(shù)2.1.32.

6、1.3反射率檢測技術(shù)反射率檢測技術(shù)當(dāng)照射到樣品表面的檢測光束直徑小于激光超聲波長時(shí)，檢測光的反射光由于樣品表面超聲振動而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)大小由刀刃切割的光通量和位移檢測器測定。反射光的偏轉(zhuǎn)值與聲波的幅值及性質(zhì)有關(guān)，它反映了表面波和體波的傳播情況，以及樣品的內(nèi)部缺陷和微結(jié)構(gòu)。其檢測極限為103nm；對于拋光的非吸收面，檢測帶寬可達(dá)到MHz 量級。已在商用的掃描激光聲顯微鏡（SLAM）及原子力顯微鏡（AFM）中獲得應(yīng)用。該方法具有結(jié)構(gòu)簡單，頻帶寬，環(huán)境振動影響小等優(yōu)點(diǎn)，是對拋光表面樣品進(jìn)行超聲檢測的有效工具脈沖激光照射到樣品的表面上所產(chǎn)生的超聲應(yīng)力能脈沖激光照射到樣品的表面上所產(chǎn)生的超聲應(yīng)力能引起樣

7、品光折射率的微小改變，這種微小改變又能引起樣品光折射率的微小改變，這種微小改變又能引起樣品鏡式或彌散式反射率的變化，通過檢測這引起樣品鏡式或彌散式反射率的變化，通過檢測這種變化，即可得到脈沖激光在薄膜中產(chǎn)生的超聲回種變化，即可得到脈沖激光在薄膜中產(chǎn)生的超聲回波。已在光熱檢測中獲得了成功的應(yīng)用。波。已在光熱檢測中獲得了成功的應(yīng)用。當(dāng)入射光斑的尺寸相當(dāng)于幾個(gè)聲波的波長時(shí)，由于當(dāng)入射光斑的尺寸相當(dāng)于幾個(gè)聲波的波長時(shí)，由于BraggBragg效應(yīng)或效應(yīng)或Raman-NathRaman-Nath效應(yīng)，會產(chǎn)生一級或多級效應(yīng)，會產(chǎn)生一級或多級衍射光，通過測量衍射光的強(qiáng)度和偏轉(zhuǎn)角，可測定衍射光，通過測量衍射光

8、的強(qiáng)度和偏轉(zhuǎn)角，可測定超聲波的特性。已在連續(xù)聲波測量中獲得了廣泛應(yīng)超聲波的特性。已在連續(xù)聲波測量中獲得了廣泛應(yīng)用。用。刀刃檢測技術(shù)其裝置圖2.2 2.2 干涉檢測技術(shù)干涉檢測技術(shù)2.2.12.2.1線性干涉檢測技術(shù)線性干涉檢測技術(shù)1自差干涉檢測2外差干涉檢測技術(shù)3共焦F-P干涉檢測技術(shù)2.2.2 2.2.2 非線性干涉檢測技術(shù)非線性干涉檢測技術(shù)1相位共軛干涉檢測2雙波混合干涉檢測3光感生電動勢（Photo-EMF）干涉檢測1 1自差干涉檢測自差干涉檢測自差干涉檢測是將樣品表面直接作為邁克爾遜干涉自差干涉檢測是將樣品表面直接作為邁克爾遜干涉儀測量臂中的反射鏡。激光器發(fā)射的脈沖激光被分儀測量臂中的

9、反射鏡。激光器發(fā)射的脈沖激光被分束鏡分成兩路，一路經(jīng)透鏡聚焦后入射到樣品表面，束鏡分成兩路，一路經(jīng)透鏡聚焦后入射到樣品表面，反射光再經(jīng)分束鏡后進(jìn)入探測器；另一路經(jīng)反射鏡反射光再經(jīng)分束鏡后進(jìn)入探測器；另一路經(jīng)反射鏡和分束鏡后也進(jìn)入探測器，二者發(fā)生干涉。和分束鏡后也進(jìn)入探測器，二者發(fā)生干涉。2外差干涉檢測技術(shù)如果在邁克爾遜干涉儀的參考臂中引入頻移系統(tǒng)，如果在邁克爾遜干涉儀的參考臂中引入頻移系統(tǒng)，使參考光產(chǎn)生射頻范圍內(nèi)的頻移，即構(gòu)成外差干涉使參考光產(chǎn)生射頻范圍內(nèi)的頻移，即構(gòu)成外差干涉檢測儀。脈沖激光器發(fā)出的光束，經(jīng)分束鏡分成兩檢測儀。脈沖激光器發(fā)出的光束，經(jīng)分束鏡分成兩束，其中的一束經(jīng)移頻裝置后有束

10、，其中的一束經(jīng)移頻裝置后有f fB B的頻移，經(jīng)反射鏡的頻移，經(jīng)反射鏡反射后與樣品表面反射的信號光發(fā)生干涉。由探測反射后與樣品表面反射的信號光發(fā)生干涉。由探測器檢測出頻移和干涉光強(qiáng)度，從而得到樣品超聲振器檢測出頻移和干涉光強(qiáng)度，從而得到樣品超聲振動的位移信息。動的位移信息。3共焦F-P干涉檢測技術(shù)共焦法布里一珀羅干涉儀屬于速度型干涉儀，基于振動共焦法布里一珀羅干涉儀屬于速度型干涉儀，基于振動表面反射光和散射光的多普勒頻移，使光的頻率受到超表面反射光和散射光的多普勒頻移，使光的頻率受到超聲波信號的調(diào)制，再由共焦球面法布里珀羅干涉儀解聲波信號的調(diào)制，再由共焦球面法布里珀羅干涉儀解調(diào)，將頻率調(diào)制變?yōu)?/p>

11、光強(qiáng)調(diào)制，從而檢測超聲振動信號。調(diào)，將頻率調(diào)制變?yōu)楣鈴?qiáng)調(diào)制，從而檢測超聲振動信號。這種干涉儀具有帶寬、靈敏及較大入射孔徑的特點(diǎn)，只這種干涉儀具有帶寬、靈敏及較大入射孔徑的特點(diǎn)，只對固體表面的振動速度靈敏，對周圍環(huán)境振動較不敏感，對固體表面的振動速度靈敏，對周圍環(huán)境振動較不敏感，有很強(qiáng)的聚光能力，且結(jié)構(gòu)緊湊，適用于對光學(xué)粗糙表有很強(qiáng)的聚光能力，且結(jié)構(gòu)緊湊，適用于對光學(xué)粗糙表面的檢測，但其頻率響應(yīng)不夠平坦，呈帶通型，在需精面的檢測，但其頻率響應(yīng)不夠平坦，呈帶通型，在需精密測量超聲波形的場合這將引入一定的誤差。密測量超聲波形的場合這將引入一定的誤差。3 3 激光超聲技術(shù)在無損檢測領(lǐng)域的應(yīng)用概況激光超

12、聲技術(shù)在無損檢測領(lǐng)域的應(yīng)用概況3.1 3.1 高精度的無損檢測高精度的無損檢測3.2 3.2 惡劣環(huán)境下的材料特性測量惡劣環(huán)境下的材料特性測量3.3 3.3 材料特性的檢測材料特性的檢測3.4 3.4 薄膜、復(fù)合材料檢測，以及材料高溫特性等的研究薄膜、復(fù)合材料檢測，以及材料高溫特性等的研究3.5 3.5 快速超聲掃描成像快速超聲掃描成像極短的激光脈沖可以激發(fā)出極短的超聲脈沖。通過極短的激光脈沖可以激發(fā)出極短的超聲脈沖。通過對衍射超聲波渡越時(shí)間差的分析，可以非常準(zhǔn)確地對衍射超聲波渡越時(shí)間差的分析，可以非常準(zhǔn)確地確定各種缺陷、包括各種體缺陷和表面缺陷的位置確定各種缺陷、包括各種體缺陷和表面缺陷的位

13、置，其精度可優(yōu)于，其精度可優(yōu)于0.1mm。在這種檢測系統(tǒng)中，最引。在這種檢測系統(tǒng)中，最引人注目的系統(tǒng)之一，就是人注目的系統(tǒng)之一，就是LGAP與光探針相結(jié)合，與光探針相結(jié)合，所構(gòu)成的全光學(xué)檢測系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)表明，用這種全光所構(gòu)成的全光學(xué)檢測系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)表明，用這種全光學(xué)系統(tǒng)對亞表面缺陷進(jìn)行檢測，除可探知缺陷的存學(xué)系統(tǒng)對亞表面缺陷進(jìn)行檢測，除可探知缺陷的存在，確定缺陷的位置外，還可探知缺陷附近的脈沖在，確定缺陷的位置外，還可探知缺陷附近的脈沖模式轉(zhuǎn)換，進(jìn)而可弄清缺陷的詳細(xì)情況。模式轉(zhuǎn)換，進(jìn)而可弄清缺陷的詳細(xì)情況。由于超聲能透入金屬內(nèi)部，大多數(shù)需要測量的材料由于超聲能透入金屬內(nèi)部，大多數(shù)需要測量的材料特性

14、參數(shù)不是影響超聲速度，就是影響超聲衰減，特性參數(shù)不是影響超聲速度，就是影響超聲衰減，或者對二者都有影響。再加上激光超聲的特點(diǎn)，它或者對二者都有影響。再加上激光超聲的特點(diǎn)，它就能夠測量材料的以下各項(xiàng)特性：就能夠測量材料的以下各項(xiàng)特性：(1)(1)尺寸特性，如厚度、高度等。用激光超聲可提高尺寸特性，如厚度、高度等。用激光超聲可提高測量薄片的能力，幾微米厚的金屬片測量誤差約測量薄片的能力，幾微米厚的金屬片測量誤差約2 2，并且可以進(jìn)行高溫在線測厚。，并且可以進(jìn)行高溫在線測厚。(2)(2)力學(xué)特性，如測量殘余應(yīng)力、彈性模量等。力學(xué)特性，如測量殘余應(yīng)力、彈性模量等。(3)(3)缺陷檢測。因?yàn)榧す獬暀z測

15、技術(shù)對包括縱波、缺陷檢測。因?yàn)榧す獬暀z測技術(shù)對包括縱波、橫波和表面波在內(nèi)的整個(gè)超聲波都是靈敏的，所以橫波和表面波在內(nèi)的整個(gè)超聲波都是靈敏的，所以它可以通過選擇不同的波形，來探測體內(nèi)，表面和它可以通過選擇不同的波形，來探測體內(nèi)，表面和亞表面的缺陷。亞表面的缺陷。(4)(4)內(nèi)部和表面的應(yīng)力狀態(tài)及分布。內(nèi)部和表面的應(yīng)力狀態(tài)及分布。激光超聲的非接觸式激發(fā)與接收、以及無損、非侵激光超聲的非接觸式激發(fā)與接收、以及無損、非侵入性等特點(diǎn)，使得其特別適合于在惡劣的環(huán)境下（入性等特點(diǎn)，使得其特別適合于在惡劣的環(huán)境下（如高溫高壓、高濕、有毒、酸、堿及檢測環(huán)境或被如高溫高壓、高濕、有毒、酸、堿及檢測環(huán)境或被測工件存在核輻射、強(qiáng)腐蝕性和化學(xué)反應(yīng)等），對測工件存在核輻射、強(qiáng)腐蝕性和化學(xué)反應(yīng)等），對工件進(jìn)行在線檢測。工件進(jìn)行在線檢測?，F(xiàn)在，激光超聲技術(shù)酬疊成功地盔熱軋無縫鋼管（現(xiàn)在，激光超聲技術(shù)酬疊成功地盔熱軋無縫鋼管（管長管長5.55.512m12m，溫度，溫度1230 1230