2011激光超聲檢測(cè)技術(shù)解析

激光超聲檢測(cè)技術(shù)1激光超聲檢測(cè)根本原理2超聲波的激光鼓舞2.1鼓舞機(jī)理2.2熱彈效應(yīng)鼓舞的超聲波體波鼓舞的指向性、瑞利波的鼓舞、Lamb波的鼓舞、多層介質(zhì)中導(dǎo)波的鼓舞、陣列鼓舞源2.3用于鼓舞超聲波的不同類(lèi)型的激光3超聲波的聲學(xué)探測(cè)3.1光束上超聲波信息的編碼強(qiáng)度調(diào)制、相位或頻率調(diào)制3.2光學(xué)干預(yù)儀4應(yīng)用4.1激光超聲缺陷檢測(cè)體波的激光超聲缺陷成像、外表波的激光超聲缺陷成像、Lamb的激光超聲缺陷全顯成像、外表開(kāi)口缺陷的掃描激光成像4.2激光超聲過(guò)程監(jiān)測(cè)4.3激光超聲材料表征薄膜的機(jī)械性能表征、材料各向異性表征1激光超聲檢測(cè)技術(shù)-根本原理激光超聲主要利用激光作用在被測(cè)構(gòu)件上，通過(guò)電離式作用或快速熱膨脹引起構(gòu)件局部受力變形，進(jìn)而在構(gòu)件激發(fā)出聲波，并且利用光學(xué)傳感器束探測(cè)該聲波的變化。因此，該方法供給的是一種非接觸的檢測(cè)方法。激光超聲檢測(cè)技術(shù)-特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)〔1〕非接觸避開(kāi)了傳統(tǒng)超聲法中由于耦合層的變化而帶來(lái)的對(duì)信號(hào)的各種干擾以及由于耦合劑的使用而對(duì)一些材料的污染，同時(shí)也使得快速超聲掃描成像的實(shí)現(xiàn)變得更簡(jiǎn)潔。另外激光探測(cè)法還可使被測(cè)超聲波場(chǎng)不受任何干擾，這一特性對(duì)于其它傳感器的校準(zhǔn)特殊有利。〔2〕能遠(yuǎn)距工作遠(yuǎn)距操作可免去很多對(duì)傳感系統(tǒng)的冷卻要求，大大削減系統(tǒng)簡(jiǎn)潔性，另外激光束可通過(guò)一玻璃窗口導(dǎo)入特定的密閉空間，因而激光超聲可便利地用于存在核輻射、強(qiáng)腐蝕性以及化學(xué)反響等這樣一些惡劣的環(huán)境條件下?！?〕頻帶寬在大多數(shù)金屬中利用幾十納秒的短光脈沖所產(chǎn)生的超聲脈沖寬度與鼓舞光脈沖寬度特殊相近，利用超短的超聲脈沖和寬帶的超聲傳感器，可以更準(zhǔn)確地測(cè)量超聲脈沖的渡越時(shí)間，該特性對(duì)于薄膜材料的定量分析及基于超聲衍射方法的缺陷檢測(cè)技術(shù)尤其重要?！?〕高空間區(qū)分率這是指探測(cè)激光束可被聚成特殊小的點(diǎn)，從理論上說(shuō)，光點(diǎn)的極限大小受光波衍射限制，因而對(duì)于常用的激光系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，可實(shí)現(xiàn)僅數(shù)微米的最高空間區(qū)分率。激光超聲檢測(cè)技術(shù)-特點(diǎn)缺點(diǎn)〔1〕靈敏度低盡管激光鼓舞的超聲波振幅與一般寬帶壓電換能器所激發(fā)的相當(dāng)，或者略小一些，但激光干預(yù)儀的接收靈敏度要比傳統(tǒng)的超聲檢測(cè)系統(tǒng)差很多。在超聲頻率范圍內(nèi)，典型的壓電傳感器的探測(cè)極限在0.01pm到lpm之間。對(duì)多數(shù)試驗(yàn)室使用的干預(yù)儀，在抱負(fù)條件〔防震，試件外表拋光〕和帶寬10MHz狀況下，一般最小可測(cè)位移在100pm左右。〔2〕完整的檢測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)潔，體積浩大，造價(jià)也比傳統(tǒng)壓電傳感系統(tǒng)昂貴?！?〕由于使用高能激光，因而工作場(chǎng)地需實(shí)行嚴(yán)格的激光防護(hù)措施。1激光超聲檢測(cè)技術(shù)-根本原理傳統(tǒng)的超聲檢測(cè)技術(shù)絕大多數(shù)耦合劑的使用溫度都在100°C以下。常用的超聲換能介質(zhì)PZT，其工作溫度一般不能高于300°C，即使換成其它高溫材料，如鈮酸鋰，工作溫度也不會(huì)超過(guò)700°C。電磁聲換能器〔EMAT〕并配上適當(dāng)?shù)睦鋮s系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)高溫下的非接觸式檢測(cè)。但是，這種系統(tǒng)中電磁傳感頭與被測(cè)件間的工作距離只有數(shù)毫米，且檢測(cè)信號(hào)的強(qiáng)弱受這一距離變化的影響很大。工業(yè)CT技術(shù)作為一種無(wú)損檢測(cè)手段具有很多優(yōu)點(diǎn)，美國(guó)IDM公司曾承受工業(yè)CT技術(shù)〔輻射源為3個(gè)50的〕實(shí)現(xiàn)對(duì)每秒數(shù)米延長(zhǎng)速度的熱軋鋼管作在線檢測(cè)、監(jiān)控。但是該系統(tǒng)目前特殊昂貴、簡(jiǎn)潔，被測(cè)件的最大允許尺寸也往往受到確定限制，因而還難于實(shí)現(xiàn)一般的工業(yè)使用。承受確定的空間構(gòu)造光，利用CCD攝像機(jī)對(duì)攝取的工件圖像進(jìn)展處理，可對(duì)一些三維尺寸作在線檢測(cè)，該法已被證明經(jīng)濟(jì)便利且有效，缺點(diǎn)是攝像法無(wú)法測(cè)量像管子壁厚這樣的一些量，也無(wú)法檢測(cè)工件的各種缺陷。激光超聲是對(duì)傳統(tǒng)超聲檢測(cè)技術(shù)的一大進(jìn)展，它利用高能激光脈沖來(lái)激發(fā)超聲并用激光來(lái)檢測(cè)超聲，具有非接觸、可遠(yuǎn)距離探測(cè)等很多優(yōu)點(diǎn)，尤其適合于一些惡劣環(huán)境場(chǎng)合，比方存在高溫、具有腐蝕性、輻射性以及被檢件具有較快的運(yùn)動(dòng)速度等一些條件下的使用。2激光超聲檢測(cè)技術(shù)-超聲波的激光鼓舞超聲波的激光產(chǎn)生利用激光產(chǎn)生超聲波的方法可分為直接式和間接式兩大類(lèi)，直接式利用激光與被測(cè)物質(zhì)的直接作用，通過(guò)熱彈效應(yīng)或燒蝕作用激發(fā)出超聲波，間接式則要利用被測(cè)材料四周的其它物質(zhì)作為中介。1鼓舞機(jī)理圖1激光超聲的產(chǎn)生(a)熱彈性機(jī)理(b)燒蝕機(jī)理

2激光超聲檢測(cè)技術(shù)-超聲波的激光鼓舞2熱彈性鼓舞超聲波為簡(jiǎn)潔起見(jiàn)，假設(shè)構(gòu)件是均勻、各向同性介質(zhì)，熱彈性鼓舞包括以下三個(gè)步驟：(1)電磁能量被介質(zhì)吸取。(2)熱源的發(fā)散。(3)體積膨脹引起的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，并且假設(shè)能量吸取、溫度上升和機(jī)械變形各自獨(dú)立，互不關(guān)聯(lián)。光能被吸取取決于激光波長(zhǎng)和材料特性，當(dāng)光垂直入射到構(gòu)件外表時(shí)，光強(qiáng)隨深度的變化對(duì)金屬，一般承受外表波模型；對(duì)其他材料承受體波模型。材料吸取光能在材料外表引起的熱能分布2激光超聲檢測(cè)技術(shù)-超聲波的激光鼓舞熱傳導(dǎo)方程可解決給定熱源的熱學(xué)力學(xué)問(wèn)題。承受hyperbolic熱傳導(dǎo)方程通過(guò)求解(3)式可得到溫度T的分布

由于吸取光能產(chǎn)生的溫度上升，引起的體積膨脹承受標(biāo)量和矢量勢(shì)函數(shù)，包括體積變形的動(dòng)力學(xué)方程上述動(dòng)力學(xué)方程的邊界條件是外表拉力的消逝。應(yīng)變位移

2激光超聲檢測(cè)技術(shù)-超聲波的激光鼓舞給定激光源參數(shù)，承受傳遞函數(shù)技術(shù)可得到溫度場(chǎng)和動(dòng)力場(chǎng)分布，熱導(dǎo)方程和動(dòng)力學(xué)方程在時(shí)間上承受單邊拉氏變換，在空間上承受傅里葉變換(對(duì)線光源)或Handel變換(對(duì)點(diǎn)光源)，得到閉解后可重新回到物理方程上。熱散射無(wú)視，結(jié)果可簡(jiǎn)化得到平面應(yīng)力2激光超聲檢測(cè)技術(shù)-超聲波的激光鼓舞試驗(yàn)測(cè)量的四熱源中心外表法向位移(a)縱波(b)橫波體波產(chǎn)生的指向性

2激光超聲檢測(cè)技術(shù)-超聲波的激光鼓舞

瑞利波的產(chǎn)生(點(diǎn)光源)

熱彈性線源產(chǎn)生的單方向瑞利波外表法向位移2激光超聲檢測(cè)技術(shù)-超聲波的激光鼓舞在一個(gè)薄鋁板上產(chǎn)生的熱彈性Lamb波，外表法向位移距熱源不同距離上測(cè)的2激光超聲檢測(cè)技術(shù)-超聲波的激光鼓舞多層介質(zhì)構(gòu)造中導(dǎo)波的鼓舞

2激光超聲檢測(cè)技術(shù)-超聲波的激光鼓舞陣列源

通過(guò)在時(shí)間和空間上布置激光能量，產(chǎn)生的聲波可被集中到需要的地方，聲波信號(hào)帶寬變窄，信噪比提高。

產(chǎn)生窄帶外表波的激光超聲系統(tǒng)2激光超聲檢測(cè)技術(shù)-超聲波的激光鼓舞

相互穿插的兩束光波產(chǎn)生高頻外表波2激光超聲檢測(cè)技術(shù)-超聲波的激光鼓舞3用來(lái)鼓舞聲波的激光器選擇激光器的類(lèi)型取決于在材料中鼓舞何種形式的超聲波和希望得到的超聲波的帶寬。激光器的主要參數(shù)有：波長(zhǎng)、能量、脈沖持續(xù)時(shí)間和重復(fù)率。重復(fù)率對(duì)檢測(cè)速度特殊重要，脈寬對(duì)產(chǎn)生的超聲波帶寬起著預(yù)備作用，同樣，空間范圍也影響到帶寬，調(diào)制的連續(xù)波激光比較適合低頻范圍(幾KHz)，一般狀況下，10ns激光器產(chǎn)生10MHz頻率范圍，對(duì)更高頻率范圍，脈寬以100波秒計(jì)，可產(chǎn)生100MHz或上GHz。激光能量取決被測(cè)材料，由于激光造成的損失可否被承受，激光能量從納焦、微焦甚至幾百焦耳都可用來(lái)鼓舞超聲波。最終，激光波長(zhǎng)的選取取決材料的吸取性能，激光波長(zhǎng)范圍從紫外、紅外甚至更寬范圍。3激光超聲檢測(cè)技術(shù)-超聲波的光學(xué)探測(cè)1超聲波信息在光束上的編碼為實(shí)行光學(xué)方法探測(cè)超聲波，就須用一束光作用在波傳播方向，一般承受激光束作為光源，這是由于激光可供給單色、線性極化、公正光束等優(yōu)點(diǎn)，其電場(chǎng)方程如下式電場(chǎng)E是幅度a，頻率和相位需要留意光電探測(cè)器無(wú)法直接跟蹤相位，太高，因此只有光強(qiáng)可直接來(lái)測(cè)量。有很多種方法可影響光束，但從廣義上可分為強(qiáng)度調(diào)制技術(shù)和相位(或頻率)調(diào)制技術(shù)兩類(lèi)。3激光超聲檢測(cè)技術(shù)-超聲波的光學(xué)探測(cè)1.1超聲波強(qiáng)度調(diào)制超聲波在材料中受折射會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而影響到反射光的強(qiáng)度，從而可用光電探測(cè)器獵取該變化。盡管對(duì)大多數(shù)材料，該變化很小，但仍成功的應(yīng)用于測(cè)量薄膜和納米構(gòu)造。另一種強(qiáng)度調(diào)制技術(shù)是利用外表傾斜與超聲振動(dòng)的關(guān)系實(shí)現(xiàn)測(cè)量。第三種方法是利用頻率或波速的連續(xù)或猝發(fā)外表波packet.強(qiáng)度調(diào)制低于相位或頻率調(diào)制，因此在無(wú)損檢測(cè)中應(yīng)用很有限。1.2超聲波的相位或頻率調(diào)制超聲波在構(gòu)件外表運(yùn)動(dòng)引起反射或散射光的相位或頻率發(fā)生變化。如圖10所示，一束光垂直入射到一構(gòu)件外表，設(shè)外表法向位移為，假設(shè)外表略微傾斜，則反射光束也會(huì)略微傾斜，構(gòu)件外表位移發(fā)生變化，從而使光束路徑發(fā)生變化(兩次聲波法向位移)進(jìn)而引起光束相位發(fā)生變化。3激光超聲檢測(cè)技術(shù)-超聲波的光學(xué)探測(cè)超聲波位移調(diào)制光束相位

電場(chǎng)可表示為

對(duì)于由超聲波包引起的時(shí)變相位調(diào)制，從外表波動(dòng)和光束的作用下，可得到光學(xué)頻率的瞬時(shí)多普勒相移，假設(shè)外表速度瞬時(shí)間學(xué)頻率外表波速與超聲振動(dòng)相關(guān)聯(lián)，進(jìn)而影響到光束頻移。則

3激光超聲檢測(cè)技術(shù)-超聲波的光學(xué)探測(cè)2光學(xué)干預(yù)儀由于激光頻率很高，任何一種光電探測(cè)器都不行能測(cè)量單一光束的相位。因此一種稱(chēng)為相位纖偏編碼信息的調(diào)解方案被提出，有很多種光學(xué)干預(yù)儀可實(shí)現(xiàn)這種方案，這里僅論述激光超聲檢測(cè)中普遍應(yīng)用的幾種。參考光束干預(yù)儀自參考光束干預(yù)儀兩束零差干涉儀兩束外差干涉儀時(shí)延干涉儀法布里－珀里干涉儀動(dòng)態(tài)全息干涉儀多束干涉儀內(nèi)稟光纖超聲傳感器在粗糙外表上，自參考干預(yù)儀可大幅度提高儀器性能，斑點(diǎn)光包含著構(gòu)件位移和波前匹配參考(wave-front-matchedreference)的混合信息。3激光超聲檢測(cè)技術(shù)-超聲波的光學(xué)探測(cè)兩束重差干預(yù)儀(Two-BeamHomodyneInterferometers)來(lái)自同一激光器的光束被一分光器一分為二，一束光作用在被測(cè)構(gòu)件上，另一束送到一參考鏡面上，反射回來(lái)以后，兩束公正光又混合在一起，并在光電探測(cè)器處形成干預(yù)條紋。3激光超聲檢測(cè)技術(shù)-超聲波的光學(xué)探測(cè)雙束外差式干預(yù)儀(Two-BeamHeterodyneInterferometers)該類(lèi)干預(yù)儀中，被混合的其中一束光頻率發(fā)生一些略微變化，通過(guò)一個(gè)聲-光調(diào)制器(如Bragg盒)，從而供給一個(gè)頻移光。3激光超聲檢測(cè)技術(shù)-超聲波的光學(xué)探測(cè)時(shí)延干預(yù)儀(Time-DelayInterferometers)3激光超聲檢測(cè)技術(shù)-超聲波的光學(xué)探測(cè)FP干預(yù)儀(Fabry-PerotInterferometers)3激光超聲檢測(cè)技術(shù)-超聲波的光學(xué)探測(cè)動(dòng)態(tài)全息干預(yù)儀該干預(yù)儀的原理是基于光折射特性的動(dòng)態(tài)全息記錄原理。一種方法是承受光相位聚焦技術(shù)(opticalphaseconjugation)將光斑(thespeckledobjectbean)極化，極化的物光與平面參考光在零差或外差干預(yù)儀中相干預(yù);另一方面，同樣光斑構(gòu)造的參考光作為靜態(tài)物光，通過(guò)與包含超聲信息的物光相互干預(yù)后進(jìn)展重構(gòu)，這種方法很簡(jiǎn)潔通過(guò)兩束光在光折射介質(zhì)中實(shí)現(xiàn)。3激光超聲檢測(cè)技術(shù)-超聲波的光學(xué)探測(cè)多光干預(yù)儀(MultibeamInterferometers)在超聲檢測(cè)的很多場(chǎng)合中，需要同時(shí)測(cè)量多個(gè)點(diǎn)的信息。例如，超聲波衰減系數(shù)測(cè)試中就需要同時(shí)測(cè)量?jī)蓚€(gè)距離之間的聲波，同樣，在導(dǎo)波的頻散特性測(cè)試中也需要。這可通過(guò)承受相位陣列接收儀器，圖20給出了一種基于外差干預(yù)儀的可同時(shí)測(cè)量一個(gè)工件不同點(diǎn)超聲位移的雙探頭系統(tǒng)。3激光超聲檢測(cè)技術(shù)-超聲波的光學(xué)探測(cè)內(nèi)稟光纖超聲傳感器(IntrinsicFiber-OpticUltrasoundSensors)

上面描述的大多數(shù)干預(yù)儀都可通過(guò)光纖將光放射到構(gòu)件上，然后承受光纖測(cè)量反射光，在上述系統(tǒng)中，光纖僅起傳光作用，假設(shè)光纖在傳光中作用，這種傳感器可埋入到構(gòu)件內(nèi)部來(lái)監(jiān)測(cè)超聲波，而不僅僅是監(jiān)測(cè)外表振動(dòng)。4激光超聲檢測(cè)技術(shù)-應(yīng)用激光超聲應(yīng)用從工業(yè)界到學(xué)術(shù)界，下面從無(wú)損檢測(cè)、材料表征和過(guò)程監(jiān)控等方面加以論述。

4.1激光超聲缺陷檢測(cè)外表波的激光缺陷成像4激光超聲檢測(cè)技術(shù)-應(yīng)用

Lamb波的激光成像4激光超聲檢測(cè)技術(shù)-應(yīng)用外表開(kāi)口缺陷掃描激光源成像在脈沖回波反射中，激發(fā)點(diǎn)和接收點(diǎn)必需位于一條直線上，利用掃描激光源技術(shù)可探測(cè)很小的缺陷，并且可用于角度變化猛烈的地方，沒(méi)有可與該方法對(duì)等的常規(guī)超聲檢測(cè)方法，該方法依靠于近場(chǎng)散射和熱彈性產(chǎn)生的超聲在有無(wú)缺陷的地方，如以以下圖。4激光超聲檢測(cè)技術(shù)-應(yīng)用鈦合金發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的檢測(cè)，可檢測(cè)的缺陷標(biāo)樣為0.05nm寬×0.75nm長(zhǎng)×0.375nm深

4激光超聲檢測(cè)技術(shù)-應(yīng)用2激光超聲在過(guò)程監(jiān)控的應(yīng)用已有的工業(yè)應(yīng)用說(shuō)明，激光超聲檢測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)可應(yīng)用工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，這些應(yīng)用包括高溫?zé)o絕鋼管的壁厚在線監(jiān)測(cè)，紙張?zhí)匦苑治?，玻璃測(cè)厚，微觀組織的演化，polymermatrixcomposites成形等。4激光超聲檢測(cè)技術(shù)-應(yīng)用3材料特性的激光檢測(cè)激光超聲技術(shù)現(xiàn)