《激光超声检测原理与应用课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《激光超声检测原理与应用课件（20页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、激光超声检测原理与应用激光超声检测原理与应用1 激光产生超声的机理激光产生超声的机理利用激光产生超声波的方法可分为直接式和间接式两大类。直接式是使激光与被测材料直接作用，通过热弹性效应或烧蚀作用等激发出超声波；间接式则是利用被测材料周围的其它物质作为中介来产生超声波。1.1 热弹机制热弹机制当入射光的功率密度较低（金属材料的典型值是106W/cm2）时，材料表层由于吸收光能导致局部升温，引起热膨胀而产生表面切向压力，同时激发出横波、纵波和表面波。在这种机制下，声信号的幅度随着激发功率的增加而线性增加。由于激发功率的密度较低，表层的局部升温没有导致材料的任何相变，因而具有严格无损检测的特点。但热
2、弹激发超声过程中，光能转化为热能的效率很低。热弹激发机理原理如图1-11.2 烧蚀机制烧蚀机制当入射光的功率密度逐渐升高时，材料表层的瞬态升温将逐步导致材料的熔化、汽化和形成等离子体。这时将有一小部分表面物质被喷射出来，从而给样品表面施加了一个非常高的反作用力，导致声波的产生。在这种机制下可以获得大幅度的纵波和表面波，激发效率比热弹机制高4个数量级。但由于它每次对表面产生约0.3m的损伤，所以只能用于某些场合，且通常用来产生超声纵波。热弹机制由于对表面无损伤，且能产生各种波形，所以现在用得最多。烧蚀激发机理原理如图烧蚀激发机理原理如图1-2。1.3 其他激发机理其他激发机理1.3.1热栅激发热
3、栅激发(简称简称LIPS)1.3.2热应变激发热应变激发1.3.3电子应变激发电子应变激发(非热激发非热激发)1.3.4非热机制非热机制-反压电效应激发反压电效应激发2 激光超声检测系统激光超声检测系统激光超声的接收主要有激光超声的接收主要有：传感器检测传感器检测光学法检测两类光学法检测两类传感器检测包括压电陶瓷换能器检测，电磁声传感器检测包括压电陶瓷换能器检测，电磁声换能器检测，电容声换能器检测。这些检测方换能器检测，电容声换能器检测。这些检测方法法,可以十分简便地接收到激光超声信号，但传可以十分简便地接收到激光超声信号，但传感器必须与样品接触，或者非常接近样品表面，感器必须与样品接触，或者
4、非常接近样品表面，才能获得高的检测灵敏度。并且超声检测用压才能获得高的检测灵敏度。并且超声检测用压电换能器接收超声信号这种方法需要用耦合剂，电换能器接收超声信号这种方法需要用耦合剂，对被测样品会产生影响。对被测样品会产生影响。利用光学方法探利用光学方法探测测材料表面的超声振材料表面的超声振动动是是种新型的种新型的无无损检测损检测手段，手段，该该方法具有非接触、灵敏度高等特点，方法具有非接触、灵敏度高等特点，能能够够克服克服传统传统超声波超声波检测检测需要耦合需要耦合剂剂的缺点，是真正的缺点，是真正意意义义上的非接触、上的非接触、宽带检测宽带检测技技术术。光学法。光学法检测检测技技术术又又可可细
5、细分分为为非干涉非干涉检测检测技技术术和干涉和干涉检测检测技技术术两种。目前两种。目前广泛使用的是外插干涉广泛使用的是外插干涉仪仪、共焦、共焦F-P干涉干涉仪仪是是线线性干性干涉涉仪仪，而相位共，而相位共轭轭干涉干涉仪仪，双波混合干涉，双波混合干涉仪仪以及光感以及光感生生电动势电动势干涉干涉仪则仪则属于非属于非线线性光学的。性光学的。2.1 非干涉检测技术非干涉检测技术2.1.1刀刃检测技术刀刃检测技术2.1.2表面栅格衍射技术表面栅格衍射技术2.1.3反射率检测技术反射率检测技术当照射到样品表面的检测光束直径小于激光超声波长时，检测光的反射光由于样品表面超声振动而发生偏转，偏转大小由刀刃切割
6、的光通量和位移检测器测定。反射光的偏转值与声波的幅值及性质有关，它反映了表面波和体波的传播情况，以及样品的内部缺陷和微结构。其检测极限为103nm；对于抛光的非吸收面，检测带宽可达到MHz 量级。已在商用的扫描激光声显微镜（SLAM）及原子力显微镜（AFM）中获得应用。该方法具有结构简单，频带宽，环境振动影响小等优点，是对抛光表面样品进行超声检测的有效工具脉冲激光照射到脉冲激光照射到样样品的表面上所品的表面上所产产生的超声生的超声应应力能引力能引起起样样品光折射率的微小改品光折射率的微小改变变，这这种微小改种微小改变变又能引起又能引起样样品品镜镜式或弥散式反射率的式或弥散式反射率的变变化，通化
7、，通过检测这过检测这种种变变化，化，即可得到脉冲激光在薄膜中即可得到脉冲激光在薄膜中产产生的超声回波。已在光生的超声回波。已在光热检测热检测中中获获得了成功的得了成功的应应用。用。当入射光斑的尺寸相当于几个声波的波当入射光斑的尺寸相当于几个声波的波长时长时，由于，由于Bragg效效应应或或Raman-Nath效效应应，会，会产产生一生一级级或多或多级级衍射光，通衍射光，通过测过测量衍射光的量衍射光的强强度和偏度和偏转转角，可角，可测测定超定超声波的特性。已在声波的特性。已在连续连续声波声波测测量中量中获获得了广泛得了广泛应应用。用。刀刃检测技术其装置图2.2 干涉检测技术干涉检测技术2.2.1
8、线性干涉检测技术线性干涉检测技术1自差干涉检测2外差干涉检测技术3共焦F-P干涉检测技术2.2.2 非线性干涉检测技术非线性干涉检测技术1相位共轭干涉检测2双波混合干涉检测3光感生电动势（Photo-EMF）干涉检测1自差干涉检测自差干涉检测自差干涉检测是将样品表面直接作为迈克尔逊干涉仪自差干涉检测是将样品表面直接作为迈克尔逊干涉仪测量臂中的反射镜。激光器发射的脉冲激光被分束镜测量臂中的反射镜。激光器发射的脉冲激光被分束镜分成两路，一路经透镜聚焦后入射到样品表面，反射分成两路，一路经透镜聚焦后入射到样品表面，反射光再经分束镜后进入探测器；另一路经反射镜和分束光再经分束镜后进入探测器；另一路经反
9、射镜和分束镜后也进入探测器，二者发生干涉。镜后也进入探测器，二者发生干涉。2外差干涉检测技术如果在迈克尔逊干涉仪的参考臂中引入频移系统，使如果在迈克尔逊干涉仪的参考臂中引入频移系统，使参考光产生射频范围内的频移，即构成外差干涉检测参考光产生射频范围内的频移，即构成外差干涉检测仪。脉冲激光器发出的光束，经分束镜分成两束，其仪。脉冲激光器发出的光束，经分束镜分成两束，其中的一束经移频装置后有中的一束经移频装置后有fB的频移，经反射镜反射后的频移，经反射镜反射后与样品表面反射的信号光发生干涉。由探测器检测出与样品表面反射的信号光发生干涉。由探测器检测出频移和干涉光强度，从而得到样品超声振动的位移信频
10、移和干涉光强度，从而得到样品超声振动的位移信息。息。3共焦F-P干涉检测技术共焦法布里一珀罗干涉仪属于速度型干涉仪，基于振动表共焦法布里一珀罗干涉仪属于速度型干涉仪，基于振动表面反射光和散射光的多普勒频移，使光的频率受到超声波面反射光和散射光的多普勒频移，使光的频率受到超声波信号的调制，再由共焦球面法布里珀罗干涉仪解调，将信号的调制，再由共焦球面法布里珀罗干涉仪解调，将频率调制变为光强调制，从而检测超声振动信号。这种干频率调制变为光强调制，从而检测超声振动信号。这种干涉仪具有带宽、灵敏及较大入射孔径的特点，只对固体表涉仪具有带宽、灵敏及较大入射孔径的特点，只对固体表面的振动速度灵敏，对周围环境
11、振动较不敏感，有很强的面的振动速度灵敏，对周围环境振动较不敏感，有很强的聚光能力，且结构紧凑，适用于对光学粗糙表面的检测，聚光能力，且结构紧凑，适用于对光学粗糙表面的检测，但其频率响应不够平坦，呈带通型，在需精密测量超声波但其频率响应不够平坦，呈带通型，在需精密测量超声波形的场合这将引入一定的误差。形的场合这将引入一定的误差。3 激光超声技术在无损检测领域的应用概况激光超声技术在无损检测领域的应用概况3.1 高精度的无损检测高精度的无损检测3.2 恶劣环境下的材料特性测量恶劣环境下的材料特性测量3.3 材料特性的检测材料特性的检测3.4 薄膜、复合材料检测，以及材料高温特性等的研究薄膜、复合材
12、料检测，以及材料高温特性等的研究3.5 快速超声扫描成像快速超声扫描成像极短的激光脉冲可以激发出极短的超声脉冲。通过极短的激光脉冲可以激发出极短的超声脉冲。通过对衍射超声波渡越时间差的分析，可以非常准确地对衍射超声波渡越时间差的分析，可以非常准确地确定各种缺陷、包括各种体缺陷和表面缺陷的位置，确定各种缺陷、包括各种体缺陷和表面缺陷的位置，其精度可优于其精度可优于0.1mm。在这种检测系统中，最引人。在这种检测系统中，最引人注目的系统之一，就是注目的系统之一，就是LGAP与光探针相结合，所与光探针相结合，所构成的全光学检测系统。实验表明，用这种全光学构成的全光学检测系统。实验表明，用这种全光学系
13、统对亚表面缺陷进行检测，除可探知缺陷的存在，系统对亚表面缺陷进行检测，除可探知缺陷的存在，确定缺陷的位置外，还可探知缺陷附近的脉冲模式确定缺陷的位置外，还可探知缺陷附近的脉冲模式转换，进而可弄清缺陷的详细情况。转换，进而可弄清缺陷的详细情况。由于超声能透入金属内部，大多数需要由于超声能透入金属内部，大多数需要测测量的材料特量的材料特性参数不是影响超声速度，就是影响超声衰减，或者性参数不是影响超声速度，就是影响超声衰减，或者对对二者都有影响。再加上激光超声的特点，它就能二者都有影响。再加上激光超声的特点，它就能够够测测量材料的以下各量材料的以下各项项特性：特性：(1)尺寸特性，如厚度、高度等。用
14、激光超声可提高尺寸特性，如厚度、高度等。用激光超声可提高测测量薄片的能力，几微米厚的金属片量薄片的能力，几微米厚的金属片测测量量误误差差约约2，并且可以，并且可以进进行高温在行高温在线测线测厚。厚。(2)力学特性，如力学特性，如测测量残余量残余应应力、力、弹弹性模量等。性模量等。(3)缺陷缺陷检测检测。因。因为为激光超声激光超声检测检测技技术对术对包括包括纵纵波、波、横波和表面波在内的整个超声波都是灵敏的，所以它横波和表面波在内的整个超声波都是灵敏的，所以它可以通可以通过选择过选择不同的波形，来探不同的波形，来探测测体内，表面和体内，表面和亚亚表表面的缺陷。面的缺陷。(4)内部和表面的内部和表
15、面的应应力状力状态态及分布。及分布。激光超声的非接触式激激光超声的非接触式激发发与接收、以及无与接收、以及无损损、非侵入、非侵入性等特点，使得其特性等特点，使得其特别别适合于在适合于在恶恶劣的劣的环环境下（如高境下（如高温高温高压压、高湿、有毒、酸、碱及、高湿、有毒、酸、碱及检测环检测环境或被境或被测测工件工件存在核存在核辐辐射、射、强强腐腐蚀蚀性和化学反性和化学反应应等），等），对对工件工件进进行行在在线检测线检测。现现在，激光超声技在，激光超声技术术酬叠成功地盔酬叠成功地盔热轧热轧无无缝钢缝钢管（管管（管长长5.512m，温度，温度1230 摄摄氏度，延伸速度氏度，延伸速度2m/s）生生产线产线上上进进行管坯壁厚均匀性的在行管坯壁厚均匀性的在线检测线检测；对对核反核反应应堆中的石墨特性堆中的石墨特性进进行分析：行分析：对铝对铝、陶瓷和、陶瓷和钢钢在高温下在高温下(温度达温度达1400摄摄氏度）的材料特性氏度）的材料特性进进行行测测定：在定：在线监线监测测陶瓷的陶瓷的烧结过烧结过程程(温度温度7001100摄摄氏度）和金属氏度）和金属浇铸过浇铸过程中的固化等。程中的固化等。谢谢！
