1、激光超聲檢測技術1 激光超聲檢測基本原理2 超聲波的激光激勵2.1 激勵機理2.2 熱彈效應激勵的超聲波體波激勵的指向性、瑞利波的激勵、Lamb波的激勵、 多層介質(zhì)中導波的激勵、陣列激勵源2.3 用于激勵超聲波的不同類型的激光3 超聲波的聲學探測3.1 光束上超聲波信息的編碼強度調(diào)制、相位或頻率調(diào)制3.2 光學干涉儀4 4.1 激光超聲缺陷檢測體波的激光超聲缺陷成像、表面波的激光超聲缺陷成像、Lamb的激光超聲缺陷全顯成像、表面開口缺陷的掃描激光成像4.2 激光超聲過程監(jiān)測4.3 激光超聲材料表征薄膜的機械性能表征、材料各向異性表征1 激光超聲檢測技術-基本原理激光超聲主要利用激光作用在被測構(gòu)

2、件上，通過電離式作用或快速熱膨脹引起構(gòu)件局部受力變形，進而在構(gòu)件激發(fā)出聲波，并且利用光學傳感器束探測該聲波的變化。因此，該方法提供的是一種非接觸的檢測方法。 激光超聲檢測技術-特點優(yōu)點 （1）非接觸 避免了傳統(tǒng)超聲法中由于耦合層的變化而帶來的對信號的各種干擾以及由于耦合劑的使用而對一些材料的污染，同時也使得快速超聲掃描成像的實現(xiàn)變得更容易。另外激光探測法還可使被測超聲波場不受任何干擾，這一特性對于其它傳感器的校準十分有利。 （2）能遠距工作 遠距操作可免去很多對傳感系統(tǒng)的冷卻要求，大大減少系統(tǒng)復雜性，另外激光束可通過一玻璃窗口導入特定的密閉空間，因而激光超聲可方便地用于存在核輻射、強腐蝕性以及

3、化學反應等這樣一些惡劣的環(huán)境條件下。 （3）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激勵光脈沖寬度十分相近，利用超短的超聲脈沖和寬帶的超聲傳感器，可以更精確地測量超聲脈沖的渡越時間，該特性對于薄膜材料的定量分析及基于超聲衍射方法的缺陷檢測技術尤其重要。（4）高空間分辨率 這是指探測激光束可被聚成非常小的點，從理論上說，光點的極限大小受光波衍射限制，因而對于常用的激光系統(tǒng)來說，可實現(xiàn)僅數(shù)微米的最高空間分辨率。 激光超聲檢測技術-特點缺點 （1）靈敏度低 盡管激光激勵的超聲波振幅與一般寬帶壓電換能器所激發(fā)的相當，或者略小一些，但激光干涉儀的接收靈敏度要比傳統(tǒng)的超聲檢測系統(tǒng)

4、差許多。在超聲頻率范圍內(nèi)，典型的壓電傳感器的探測極限在0.01pm到lpm之間。對多數(shù)實驗室使用的干涉儀，在理想條件（防震，試件表面拋光）和帶寬10MHz情況下，一般最小可測位移在100pm左右。 （2）完整的檢測系統(tǒng)復雜，體積龐大，造價也比傳統(tǒng)壓電傳感系統(tǒng)昂貴。 （3）由于使用高能激光，因而工作場地需采取嚴格的激光防護措施。 1 激光超聲檢測技術-基本原理傳統(tǒng)的超聲檢測技術絕大多數(shù)耦合劑的使用溫度都在100C以下。常用的超聲換能介質(zhì)PZT，其工作溫度一般不能高于300C，即使換成其它高溫材料，如鈮酸鋰，工作溫度也不會超過700C。電磁聲換能器（EMAT）并配上適當?shù)睦鋮s系統(tǒng)，可以實現(xiàn)高溫下的

5、非接觸式檢測。但是，這種系統(tǒng)中電磁傳感頭與被測件間的工作距離只有數(shù)毫米，且檢測信號的強弱受這一距離變化的影響很大。工業(yè)CT技術作為一種無損檢測手段具有很多優(yōu)點，美國IDM公司曾采用工業(yè)CT技術（輻射源為3個50的）實現(xiàn)對每秒數(shù)米延伸速度的熱軋鋼管作在線檢測、監(jiān)控。但是該系統(tǒng)目前十分昂貴、復雜，被測件的最大允許尺寸也往往受到一定限制，因而還難于實現(xiàn)一般的工業(yè)使用。采用一定的空間結(jié)構(gòu)光，利用CCD攝像機對攝取的工件圖像進行處理，可對一些三維尺寸作在線檢測，該法已被證明經(jīng)濟方便且有效，缺點是攝像法無法測量像管子壁厚這樣的一些量，也無法檢測工件的各種缺陷。 激光超聲是對傳統(tǒng)超聲檢測技術的一大發(fā)展，它利

6、用高能激光脈沖來激發(fā)超聲并用激光來檢測超聲，具有非接觸、可遠距離探測等許多優(yōu)點，尤其適合于一些惡劣環(huán)境場合，比如存在高溫、具有腐蝕性、輻射性以及被檢件具有較快的運動速度等一些條件下的使用 。2 激光超聲檢測技術-超聲波的激光激勵超聲波的激光產(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，直接式利用激光與被測物質(zhì)的直接作用，通過熱彈效應或燒蝕作用激發(fā)出超聲波，間接式則要利用被測材料周圍的其它物質(zhì)作為中介。 1 激勵機理 圖1 激光超聲的產(chǎn)生(a)熱彈性機理(b)燒蝕機理 2 激光超聲檢測技術-超聲波的激光激勵2 熱彈性激勵超聲波 為簡單起見，假設構(gòu)件是均勻、各向同性介質(zhì)，熱彈性激勵包括

7、以下三個步驟：(1)電磁能量被介質(zhì)吸收。(2)熱源的發(fā)散。(3)體積膨脹引起的動力學問題，并且假設能量吸收、溫度升高和機械變形各自獨立，互不關聯(lián)。 光能被吸收取決于激光波長和材料特性，當光垂直入射到構(gòu)件表面時，光強隨深度的變化 對金屬，一般采用表面波模型；對其他材料采用體波模型。 材料吸收光能在材料表面引起的熱能分布 2 激光超聲檢測技術-超聲波的激光激勵熱傳導方程可解決給定熱源的熱學力學問題。采用hyperbolic熱傳導方程 通過求解(3)式可得到溫度T的分布 由于吸收光能產(chǎn)生的溫度升高，引起的體積膨脹 采用標量和矢量勢函數(shù)，包括體積變形的動力學方程 上述動力學方程的邊界條件是表面拉力的消

8、失。 應變位移 2 激光超聲檢測技術-超聲波的激光激勵給定激光源參數(shù)，采用傳遞函數(shù)技術可得到溫度場和動力場分布，熱導方程和動力學方程在時間上采用單邊拉氏變換，在空間上采用傅里葉變換(對線光源)或Handel變換(對點光源)，得到閉解后可重新回到物理方程上。 熱散射忽略，結(jié)果可簡化得到平面應力 2 激光超聲檢測技術-超聲波的激光激勵實驗測量的四熱源中心表面法向位移 (a)縱波(b)橫波 體波產(chǎn)生的指向性 2 激光超聲檢測技術-超聲波的激光激勵瑞利波的產(chǎn)生(點光源) 熱彈性線源產(chǎn)生的單方向瑞利波表面法向位移 2 激光超聲檢測技術-超聲波的激光激勵在一個薄鋁板上產(chǎn)生的熱彈性Lamb波，表面法向位移距

9、熱源不同距離上測的 2 激光超聲檢測技術-超聲波的激光激勵多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)中導波的激勵 2 激光超聲檢測技術-超聲波的激光激勵陣列源 通過在時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，聲波信號帶寬變窄，信噪比提高。 產(chǎn)生窄帶表面波的激光超聲系統(tǒng) 2 激光超聲檢測技術-超聲波的激光激勵相互交叉的兩束光波產(chǎn)生高頻表面波 2 激光超聲檢測技術-超聲波的激光激勵3 用來激勵聲波的激光器 選擇激光器的類型取決于在材料中激勵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、能量、脈沖持續(xù)時間和重復率。重復率對檢測速度非常重要，脈寬對產(chǎn)生的超聲波帶寬起著決定作用，同樣，空間范圍也

10、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)，一般情況下，10ns激光器產(chǎn)生10MHz頻率范圍，對更高頻率范圍，脈寬以100波秒計，可產(chǎn)生100MHz或上GHz。激光能量取決被測材料，由于激光造成的損失可否被接受，激光能量從納焦、微焦甚至幾百焦耳都可用來激勵超聲波。最后，激光波長的選取取決材料的吸收性能，激光波長范圍從紫外、紅外甚至更寬范圍。 3 激光超聲檢測技術-超聲波的光學探測1 超聲波信息在光束上的編碼 為采取光學方法探測超聲波，就須用一束光作用在波傳播方向，一般采用激光束作為光源，這是由于激光可提供單色、線性極化、平等光束等優(yōu)點，其電場方程如下式 電場E是幅度a，頻率和相位

11、需要注意光電探測器無法直接跟蹤相位，太高，因此只有光強可直接來測量。 有許多種方法可影響光束，但從廣義上可分為強度調(diào)制技術和相位(或頻率)調(diào)制技術兩類。 3 激光超聲檢測技術-超聲波的光學探測1.1 超聲波強度調(diào)制 超聲波在材料中受折射會發(fā)生變化，進而影響到反射光的強度，從而可用光電探測器獲取該變化。盡管對大多數(shù)材料，該變化很小，但仍成功的應用于測量薄膜和納米結(jié)構(gòu)。另一種強度調(diào)制技術是利用表面傾斜與超聲振動的關系實現(xiàn)測量。第三種方法是利用已知頻率或波速的連續(xù)或猝發(fā)表面波packet.強度調(diào)制低于相位或頻率調(diào)制，因此在無損檢測中應用很有限。 1.2 超聲波的相位或頻率調(diào)制 超聲波在構(gòu)件表面運動引

12、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)件表面，設表面法向位移為，如果表面輕微傾斜，則反射光束也會輕微傾斜，構(gòu)件表面位移發(fā)生變化，從而使光束路徑發(fā)生變化(兩次聲波法向位移)進而引起光束相位發(fā)生變化。 3 激光超聲檢測技術-超聲波的光學探測超聲波位移調(diào)制光束相位 電場可表示為 對于由超聲波包引起的時變相位調(diào)制，從表面波動和光束的作用下，可得到光學頻率的瞬時多普勒相移，假設表面速度 瞬時光學頻率 表面波速與超聲振動相關聯(lián)，進而影響到光束頻移。 則 3 激光超聲檢測技術-超聲波的光學探測2 光學干涉儀 由于激光頻率很高，任何一種光電探測器都不可能測量單一光束的相位。因此

13、一種稱為相位纖偏編碼信息的調(diào)解方案被提出，有很多種光學干涉儀可實現(xiàn)這種方案，這里僅論述激光超聲檢測中普遍應用的幾種。 參考光束干涉儀自參考光束干涉儀兩束零差干涉儀兩束外差干涉儀時延干涉儀法布里珀里干涉儀動態(tài)全息干涉儀多束干涉儀內(nèi)稟光纖超聲傳感器在粗糙表面上，自參考干涉儀可大幅度提高儀器性能，斑點光包含著構(gòu)件位移和波前匹配參考(wave-front-matched reference)的混合信息。 3 激光超聲檢測技術-超聲波的光學探測兩束重差干涉儀(Two-Beam Homodyne Interferometers) 來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構(gòu)件上，另一束送到一

14、參考鏡面上，反射回來以后，兩束平等光又混合在一起，并在光電探測器處形成干涉條紋。 3 激光超聲檢測技術-超聲波的光學探測雙束外差式干涉儀(Two-Beam Heterodyne Interferometers) 該類干涉儀中，被混合的其中一束光頻率發(fā)生一些輕微變化，通過一個聲-光調(diào)制器(如Bragg盒)，從而提供一個頻移光。3 激光超聲檢測技術-超聲波的光學探測時延干涉儀(Time-Delay Interferometers) 3 激光超聲檢測技術-超聲波的光學探測FP干涉儀(Fabry-Perot Interferometers) 3 激光超聲檢測技術-超聲波的光學探測動態(tài)全息干涉儀 該干涉

15、儀的原理是基于光折射特性的動態(tài)全息記錄原理。一種方法是采用光相位聚焦技術(optical phase conjugation)將光斑(the speckled object bean)極化，極化的物光與平面參考光在零差或外差干涉儀中相干涉;另一方面，同樣光斑結(jié)構(gòu)的參考光作為靜態(tài)物光，通過與包含超聲信息的物光相互干涉后進行重構(gòu)，這種方法很容易通過兩束光在光折射介質(zhì)中實現(xiàn)。 3 激光超聲檢測技術-超聲波的光學探測多光干涉儀(Multibeam Interferometers) 在超聲檢測的許多場合中，需要同時測量多個點的信息。例如，超聲波衰減系數(shù)測試中就需要同時測量兩個已知距離之間的聲波，同樣，在

16、導波的頻散特性測試中也需要。這可通過采用相位陣列接收儀器，圖20給出了一種基于外差干涉儀的可同時測量一個工件不同點超聲位移的雙探頭系統(tǒng)。 3 激光超聲檢測技術-超聲波的光學探測內(nèi)稟光纖超聲傳感器(Intrinsic Fiber-Optic Ultrasound Sensors) 上面描述的大多數(shù)干涉儀都可通過光纖將光發(fā)射到構(gòu)件上，然后采用光纖測量反射光，在上述系統(tǒng)中，光纖僅起傳光作用，如果光纖在傳光中作用，這種傳感器可埋入到構(gòu)件內(nèi)部來監(jiān)測超聲波，而不僅僅是監(jiān)測表面振動。 4 激光超聲檢測技術-應用激光超聲應用從工業(yè)界到學術界，下面從無損檢測、材料表征和過程監(jiān)控等方面加以論述。 4.1 激光超聲

17、缺陷檢測 表面波的激光缺陷成像 4 激光超聲檢測技術-應用 Lamb波的激光成像 4 激光超聲檢測技術-應用表面開口缺陷掃描激光源成像 在脈沖回波反射中，激發(fā)點和接收點必須位于一條直線上，利用掃描激光源技術可探測很小的缺陷，并且可用于角度變化劇烈的地方，沒有可與該方法對等的常規(guī)超聲檢測方法，該方法依賴于近場散射和熱彈性產(chǎn)生的超聲在有無缺陷的地方，如圖所示。 4 激光超聲檢測技術-應用鈦合金發(fā)動機葉片的檢測，可檢測的缺陷標樣為0.05nm寬0.75nm長0.375nm深 4 激光超聲檢測技術-應用2 激光超聲在過程監(jiān)控的應用 已有的工業(yè)應用表明，激光超聲檢測系統(tǒng)已經(jīng)可應用工業(yè)現(xiàn)場，這些應用包括高

18、溫無絕鋼管的壁厚在線監(jiān)測，紙張?zhí)匦苑治?，玻璃測厚，微觀組織的演化，polymer matrix composites 成形等。 4 激光超聲檢測技術-應用3 材料特性的激光檢測 激光超聲技術現(xiàn)在已經(jīng)被用來研究材料的特性，其范圍從宏觀到微觀，這里主要論述在薄膜材料、涂層特性、材料各向異性測定等方面的應用。 薄膜材料機械特性表征 4 激光超聲檢測技術-應用材料各向異性表征 圖48顯示用SAW波來研究材料各向異性的光學結(jié)構(gòu)圖，一個脈沖激光器用來激勵SAW波，8個光學構(gòu)放在四周，每2旋轉(zhuǎn)一次，圍繞360，由于每一個激勵點和接收點位置固定，表面波的速度也可得到。 4 激光超聲檢測技術-應用作為其它超聲傳感器的校準系統(tǒng)。由于激光超聲系統(tǒng)的非接觸性，它不會對被測超聲波場引入干擾，而且其輸出直接為被測表面的位移或速度，因而十分適合于作一般超聲傳感器的校準系統(tǒng)。用于高精度的缺陷檢測，包括各種體缺陷和表面缺