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)生超聲的機理激光產(chǎn)生超聲的機理 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 熱彈機制熱彈機制 當(dāng)入射光的功率密度較低（金屬材料的典型 值是106W/cm2）時，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，同時激發(fā)出橫波、縱波和表面波。 在這種機制下，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

2、任何相 變，因而具有嚴(yán)格無損檢測的特點。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)機理原理如圖1-1 1.2 1.2 燒蝕機制燒蝕機制 當(dāng)入射光的功率密度逐漸升高時，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非常高的反作用力， 導(dǎo)致聲波的產(chǎn)生。在這種機制下可以獲得大幅度 的縱波和表面波，激發(fā)效率比熱彈機制高4個數(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)機理原理如

3、圖燒蝕激發(fā)機理原理如圖1-21-2。 1.3 1.3 其他激發(fā)機理其他激發(fā)機理 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非熱機制非熱機制- -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

4、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

5、 特點，能夠克服傳統(tǒng)超聲波檢測需要耦合劑的缺點特點，能夠克服傳統(tǒng)超聲波檢測需要耦合劑的缺點 ，是真正意義上的非接觸、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)又可細分為非干涉檢測技術(shù)和干涉檢測技檢測技術(shù)又可細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

6、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) 2.1.32.1.3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， 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

7、優(yōu)點，是對拋光表面樣品進行超聲檢 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)于幾個聲波的波長時，由于當(dāng)入射光斑的尺寸相當(dāng)于幾個聲波的波長時，由于 BraggBragg效應(yīng)或效

8、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度和偏轉(zhuǎn)角，可測定衍射光，通過測量衍射光的強度和偏轉(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

9、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)分束鏡后進入探測器；另一路經(jīng)反射鏡反射光再經(jīng)分束鏡后進入探測器；另一路經(jīng)反射鏡 和分束鏡后也進入探測器，二者發(fā)生干涉。和分束鏡后也進入探測器，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

10、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，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度，從而得到樣品超聲振器檢測出頻移和干涉光強度，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

11、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)楣鈴娬{(diào)制，從而檢測超聲振動信號。調(diào)，將頻率調(diào)制變?yōu)楣鈴娬{(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，只這種干涉儀具有帶寬、靈敏及較大入射孔徑的特點，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)粗糙表有很強的聚光能力，且結(jié)構(gòu)緊湊，適用于對光學(xué)粗糙表

12、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

13、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間差的分析，可以非常準(zhǔn)確地對衍射超聲波渡越時間差的分析，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)。實驗表明，用這種全光所構(gòu)成的全光學(xué)檢測系統(tǒng)。實驗表明，用這種全光 學(xué)系統(tǒng)對亞表面缺陷進行檢測，除可探知缺陷的存學(xué)系統(tǒng)對亞表面缺陷進行檢測，除可探知缺陷的

14、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，進而可弄清缺陷的詳細情況。模式轉(zhuǎn)換，進而可弄清缺陷的詳細情況。 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，它或者對二者都有影響。再加上激光超聲的特點，它 就能夠測量材料的以下各項特性：就能夠測量材料的以下各項特性： (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

15、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 ，并且可以進行高溫在線測厚。，并且可以進行高溫在線測厚。 (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。因為激光超聲檢測技術(shù)對包括縱波、缺陷檢測。因為激光超聲檢測技術(shù)對包括縱波、 橫波和表面波在內(nèi)的整個超聲波都是靈敏的，所以橫波和表面波在內(nèi)的整個超聲波都是靈敏的，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，使得其特別適合于在惡劣的環(huán)境下（入性等特點，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、強腐蝕性和化學(xué)反應(yīng)等），對測工件存在核輻射、強腐蝕性和化學(xué)反應(yīng)等），對 工件進行在線檢測。工件進行在線檢測。 現(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