精心收藏版_基于光外差干涉检测激光超射波技术研究

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1、目录1引言11.1课题背景11.2 国内外发展状况11.3课题意义31.4 课题内容32 激光超声激励技术研究52.1超声波的性质52.1.1超声波的分类52.1.2超声波的特点52.1.3 超声波的波型与声速62.1.4超声波的反射折射及波型转换62.2超声波的检测72.3 激光产生超声的原理92.4 Nd:YAG激光器激励超声波10241 Nd:YAG激光介绍102.4.2 Nd:YAG激光器工作原理102.5 本章小结113激光外差干涉概述错误！未定义书签。3.1 光电检测133.1.1系统分类133.1.2激光超声检测143.2光外差干涉测试技术153.2.1 概述153.2.2光外差

2、干涉原理153.2.3 光外差探测系统163.3激光外差干涉测试系统183.3.1 测试系统的原理183.3.2激光外差干涉测长193.4光外差检测优势213.5本章小结224光外差干涉法检测激光超声的设计和实现234.1声光调制234.1.1声光调制器原理234.1.2声光调制分类264.2系统设计274.2.1 外差干涉系统构成274.2.1 超声信号检测原理294.2.2光外差干涉法检测激光超声原理304.3光路调试结果324.4本章小结335 总结345.1 主耍工作345.2系统存在问题34参考文献35致谢371引言1.1课题背景随自20世纪70年代以来，激光超声技术因其频带较宽、模

3、式多样、具有很 高的时间和空间分辨率等特性，在无损探伤领域得到了越來越广泛的关注和应用, 已发展成为超声学的一个重要分支铁但激光超声振动信号非常微弱，位移幅值 一般在数微米量级，且激发超声的激光源所需强度特别大习，因此，冃前多用光 学方法检测。光学法检测超声可分为两大类：一类是非干涉法，如狭缝法、刀刃 法等；另一类为干涉法，主耍包括外差干涉法、差分干涉法和多光朿干涉法等。 此外，还有使用法布里珀罗干涉仪(Fairy-Perot Interferometer)和光折变干涉仪的 方法，但前者性能不稳定，后者价格十分昂贵。较常用的当属外差干涉法，该 方法最大的特点是将微弱的激光超声信号加载到高频范閑

4、内进行处理，从而避开 了低频1 / /噪声的干扰。通常的外差干涉系统，因使用的光学器件较多，会岀现很多杂光如回授光, 光学噪声大，信噪比低，并不适合微弱激光超声信号的检测。因此，本文采用线 偏振光作为光源來改善传统的干涉光路系统，设计出了检测微弱振动信号的新型 线偏振光外差干涉系统。该系统用压电超声代替激光超声作为微弱振动信号源， 实验得到了较好的外差干涉信号，并得到了与压电探头振动激励信号一致的探测 信号，而且结构简单，成本较低。虽然超声技术已获得极大成功，但在应用过程 中传统超声技术还是暴露出许多不足Z处。1.2国内外发展状况激光超声技术的研究始J 1962年。当时,White和Askar

5、yan分别论证了用 脉冲激光朿在I古I体和液体中激发声波的方法。紧接着，Ramsden, Bunkiny和 Stegman观察到强激光在固体中产生的爆炸波和在大气中产生的燃烧波，会随时 间和距离的增加而衰变成声波。Z后。对固体，液体和气体媒质中激光超声激发 的研究均有了很大的发展。1976年,Bondarenko等首先把激光超声用于材料检测。 他们用调Q红宝石激光器激发超声，用带宽为5kHz至150MHz,位移灵敏度为 IO 9nm的干涉仪检测激光超声，并对不锈钢板的人工缺陷进行了检测。Z后，Hutehins和Nedeou等用Nd:YAG和带宽为45MHz,位移灵敏度为lnm的干涉仪 进行了表

6、面缺陷的实验。1979年，Ledbetter等最先同时捡测到一次激发产生的纵 波，横波和表面波。1980和1982年，Seruby和Dewhurst等对激光在金属中产生 的超声波形进行了定量测量，并用面内正交力偶模型解释了热弹条件下的激发现 象，用垂直力偶模型解释了烧蚀条件下的激发现象叫为激光超声的应用技术打下 了基础。20世纪80年代中期，加拿大人J. E Monehalin提出了用球面共焦 Fabry-Perot干涉仪探测超声振动超声测厚技术，首次实现了在lm远处对未抛光的钢板进行激光超声的实验，向实用化迈出了一大步。20世纪90年代中 期，Y Dagata, J Huang, J. D

7、Achenbach 和 Krishnaswamy 等进行了一系列的 理论和应用研究工作近儿年，激光超声机理和技术的研究有了更大发展，在激光 超声信号的激发、接收、传播理论，以及应用等方面取得很大进展W 超声技术 在工业测量、物质结构特性的研究等领域已获得成功应用。在各种结构工程材料 的生产过程中能实时检测出产品的多种特性参数，引入闭环控制，对于保证产品 质量，降低原材料损耗，是十分重耍的。由于一般的金属材料对于电磁波是不透 明的，对各种粒子射线也有较大的衰减，而对于超声波能有效地传输，因此超声 方法很早已成为一系列材料元件和工程结构检测，特别是金属材料的首选方案。 常规的超声检测中，超声波是由

8、圧电或圧磁换能器产生的，在检测时必须通过耦 合剂与试件耦合，由于换能器本身带宽的限制及换能器与试件Z间的耦合等因素 影响，无法产生很窄的单个超声脉冲。激光超声技术白岀现之日起便以诸多优点 吸引广大研究人员的关注。利用激光激发可以重复产生很窄的超声脉冲，在时间 和空间均具有极高的分辨率，而且激光可以在不同形状的试件中激发超声并且是 非接触的，易于在高温、高压、有壽和放射性等恶劣环境下进行超声检测，适合 丁超薄材料的检测和物质微结构的研究。激光超声是一种新型无损检测方法，早期受激光器件与相关学科发展的限制， 自2()世纪70年代提出到8()年代中期成为热点后，未达到人们预想的应用效果。20 世纪末

9、至今，随着激光、电子、计算机和相关学科的发展，经过近十年的技术积累, 激光超声已从方法探索步人技术研究与开发应用阶段，是传统超声检测技术的进一 步发展。传统的超声技术多采用接触式换能器，为保证有高的灵敏度和可靠性，通 常还应使用各种超声耦合剂，这种方法的最大优点是检测灵敏度高，设备简单，便 宜，因而使用得最广泛。然而当温度升高时，大多数耦合剂将汽化，失去粘性并产 生化学变化，从而使得超声检测变得十分困难。日前绝大多数耦合剂的使用温度都 在100C以下，常用的超声换能介质PZT。其工作温度一般不能高T-300C,即使换 成其它高温材料，T作温度也很难超过700C。对丁像钢铁制造这样的行业，工作

10、温度常在100()C以上叨，因此传统的超声检测法无法实现在线检测。采用电磁声换 能器(既AT)并配上适当的冷却系统，可以实现高温下的非接触式检测3。但是这种 系统中电磁传感头与被测件间的工作距离只有数毫米，且检测信号的强弱受这一距 离变化的影响很大，所以当用于实际的工业生产现场时也存在很多困难。工业CT 技术作为一种无损检侧手段具有很多优点，美国IDM公司曾采用工业CT技术实现 对每秒数米延伸速度的热轧钢管作在线检测、监控。但是该系统冃前十分昂贵、 复杂。被测件的最大允许尺寸也往往受到一定限制，因而还难于实现一般的丁业使 用。激光超声技术是对传统超声检测技术的一大发展，它的出现弥补了许多电超声

11、 的检测盲区，为超声检测技术的发展起到很强了的推进作用。激光超声技术利用 高能激光脉冲来激发超声，与传统超声技术相比，具有许多得天独厚的优点。1.3课题意义随着科学技术，尤其是激光技术的发展，激光超声学将在理论、技术和应用 研究等齐方而取得新的突破，它的应用前景也会更加广阔。冃前，激光超声技术已 被广泛丿应用于材料的缺陷探测和定位，内部损伤过程监测和断裂机理研究等工程 领域中。特别是对固体材料的力学和热学性质研究，以及对具有生物活性的化学 和生物物质的光化学反应动力学和热力学的研究，更显示出激光超声技术具有其 它检测技术难以替代的优越性。因此。研究激光超声无损检测技术不仅有理论 方而的意义，还

12、有实际应用上的意义。1.4课题内容通过对激光激励超声波的基本概念、Nd: YAG激光器激励超声波的工作原理、 光外差干涉的原理和测量方法、声光调制器的工作原理及使用方法等的掌握，以 此为基础构成光外差干涉检测激光超声波的装置，从而达到利用光外差干涉技术 对激光超声无损检测技术来进行研究的冃的。本论文的主耍内容包括：第一章为引言，主耍介绍了课题的研究背景和意义以及相关技术国内外的研 究情况，由此引出课题的研究内容，确定了本文的研究方向。第二章对光外差干涉检测激光超声波工作过程中所需用到的关键技术及原理 说明，为论文的研究提供了相关的理论基础。首先简单地介绍超声波的定义与其 相关性质。然后激光介绍

13、了产生超声波的方法技术，重点介绍了利用Nd: YAG激光 器激励超声波的工作原理如热弹机理、烧蚀机理及其特点。第三章主要针对激光外差干涉测试研究来讨论。首先，介绍了光电检测系统 中的激光超声检测，然后光外差干涉原理光外差探测系统，最后激光外差干涉系 统中的测长的工作原理。第四章首先介绍了声光调制器的工作原理、使用方法，然后设计了基于光外 差干涉法检测激光超声的装置。主要由频移装置，连续激光器，分光镜，反光镜， 激光超声源，光电探测器，信号处理器，示波器等部分组成。最后使用由Nd:YAG 线偏振激光器，PBS,光电探测器等部分，实现了线偏振光外差干涉系统的组成。第五章对论文主耍工作的总结和展望。

14、2激光超声激励技术研究2.1超声波的性质2.1.1超声波的分类超声波的类型很多，有纵波、横波、表而波和平而波等。纵波传导时，每个 粒子都在平行于波动前进方向上振动，呈现交替密集或稀疏的变化，在超声波探 伤中最常用。横波也在超声波探伤中有广泛的应用，它的传播有点类似于在绳子 一端有规律地抖动所形成的绳子的振动形式，分子和原子在一个平面上垂直丁波 浪传播方向上下振动；表面波只是有时才用在超声波探伤中，它沿着平面或相对 较厚的曲而传播；平而波只是应用丁超声波探伤的某些场合，仅在厚度只有儿个 波长大小的材料表面传播。界而处超声波的反射与材料的物理状态关联较大， 而与材料本身的物理性能关联较小。声波、次

15、声波、超声波都是机械波，有声速、频率、波长、声压、声强等参 数，在界面也会发生反射、折射。我们能够听到声音是因为声波传到了我们的耳 内，声波的频率在20HZ20000H乙 频率低于或超过上述范閑时人们无法听到声 音,频率低T20HZ的声波称为次声波，频率超过20000HZ的声波称为超声波。工 业上常用的超声波范围是：0.520MHz洪中金属最常用的频率是：15MHz； 探水泥构建用的频率是：v ().5MHz,如10()KHz,200KHz;探测玻璃陶瓷中u m级用 的频率是100MHz200MHz,甚至更高。2.1.2超声波的特点(1) 有良好的指向性;(2) 能量高；Ii/I2= 1 MHz2/1 KHz2= 100 万倍。(2.1)由上式(2)，我们可以发现由于能量(声强)与频率的平方成正比关系，因 此超声波的能量1|远大丁声波的能量(3) 传播路径与光线相同呈直线传播，并在界面上产生反射、折射和波型转换, 在传播过程中还有干涉、叠加、绕射现象，故可以充分利用这些儿何、物理特征 进行检测。(4) 在金属材料中的传播速度很快，穿透能力强、衰减小，如对某些金属的穿 透能力可达数米，其他检测手段无法相比。2. 1.3超声波的波型与声速(1) 纵波(L)纵波定义为质点的振动方向与波的传播在水平方向上的超声波。纵波在