激光無損檢測

1、看更多目錄激光檢測技術(shù)簡介及其進展字體大?。捍?- 中 - 小 julia8 發(fā)表于 09-11-24 16:47 閱讀(108) 評論(0) 激光技術(shù)用于檢測工作主要是利用激光的優(yōu)異特性，將它作為光源，配以相應(yīng)的光電元件來實現(xiàn)的。它具有精度高、測量范圍大、檢測時間短、非接觸式等優(yōu)點，常用于測量長度、位移、速度、振動等參數(shù)。 在光電檢測領(lǐng)域，利用光的干涉、衍射和散射進行檢測已經(jīng)有很長的歷史。由泰曼干涉儀到莫爾條紋，然后到散斑，再到全息干涉，出現(xiàn)了一個個干涉場，物理量(如位移、溫度、壓力、速度、折射率等) 的測量不再需要單獨測量，而是整個物理量場一起進行測量。自從激光出現(xiàn)以后，電子學(xué)領(lǐng)域的許多探

2、測方法(如外差、相關(guān)、取樣平均、光子計數(shù)等) 被引入，使測量靈敏度和測量精度得到大大提高。由于光纖能控制光束的傳播路徑，光纖技術(shù)的出現(xiàn)使光調(diào)制方法增多，接收更為方便，同時它能進入物體內(nèi)部，擴大了測量范圍，提高了測量精度，甚至可以事先鋪設(shè)在各種建筑物內(nèi)部，作實時檢測和自動控制等。光纖激光器具有非常高的電光轉(zhuǎn)換效率，其光束質(zhì)量無與倫比，在光學(xué)檢測領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。在激光技術(shù)發(fā)展過程中，利用ccd 圖像處理技術(shù)，可以提高測量信噪比，并擴大測量范圍，目前其正全面改造著傳統(tǒng)的光學(xué)測量方法；因其高的分辨率，可以直接用于物體外部尺寸、輪廓以及位移和有關(guān)物理量的測量。由于圖像具有非常高的信息量，特別是彩色c

3、cd，在遙感技術(shù)和光纖傳感技術(shù)中也得到普遍應(yīng)用。利用光與物質(zhì)的相互作用，如激光致超聲、激光熱效應(yīng)等新的探測方法，在無損檢測中也得到廣泛應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)的日新月異， 新的檢測方法還會不斷出現(xiàn)。激光檢測技術(shù)屬于非接觸式測量技術(shù)，與接觸式測量方法相比，具有限制更少、效率更高、不損傷測量表面、不易受被測對象表面狀態(tài)影響等優(yōu)點，因此高精度的激光檢測技術(shù)越來越廣泛地應(yīng)用到精密、超精密加工中。超精密加工技術(shù)，其精度從微米級到亞微米級、納米級，在高技術(shù)領(lǐng)域和軍用工業(yè)以及民用醫(yī)療工業(yè)中都有大量需求。就國防工業(yè)而言， 如人造衛(wèi)星用的姿態(tài)軸承和遙測部件、飛機發(fā)動機轉(zhuǎn)子葉片、導(dǎo)彈慣性儀表、激光陀螺儀的平面反射鏡、紅

4、外制導(dǎo)的導(dǎo)彈反射鏡等，其表面粗糙度均要求微納米級， 需要高精度激光檢測技術(shù)。而非球面作為超精密加工中的重點和難點，其加工和檢測技術(shù)引起了各個國家的高度重視。目前，非球面的高精度檢測技術(shù)及設(shè)備由日美和歐盟國家掌握，同時鑒于在信息處理、通信、生物、醫(yī)療、地面和空間技術(shù)、制造業(yè)，尤其是國防上的巨大應(yīng)用前景，國外已對中國實行技術(shù)保密和技術(shù)封鎖。如果一直從國外引進相關(guān)先進設(shè)備，一是受到許多限制，二是會永遠落后于別人，不利于我國制造工業(yè)的發(fā)展。聯(lián)系國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃，在激光檢測技術(shù)學(xué)科方面，我認為，激光非球面檢測技術(shù)應(yīng)作為重點攻關(guān)方向之一。2 激光非球面檢測技術(shù)長期以來，非球面檢測技術(shù)一直制約著

5、非球面制造精度的提高，尤其對于高精度非球面的檢測。常規(guī)的非球面檢測方法如刀口陰影法、激光數(shù)字干涉法及接觸式光柵測量法等，對于檢測工件表面來說都有一定的局限性。圖1 為原子力顯微鏡（afm）檢測結(jié)果圖。原子力顯微鏡是利用納米級的探針固定在可靈敏操控的微米級尺度的彈性懸臂上，當(dāng)針尖很靠近樣品時，其頂端的原子與樣品表面原子間的作用力會使懸臂彎曲，偏離原來的位置。根據(jù)掃描樣品時探針偏離量或其它反饋量重建三維圖像，就能間接獲得樣品表面的形貌圖。afm 突破了掃描隧道顯微鏡(stm) 只能夠用于掃描不容易氧化的良導(dǎo)體樣品的限制，可以掃描導(dǎo)體和絕緣體。afm 具有多種掃描模式：接觸掃描模式是原子力顯微鏡的基

6、本工作模式；輕敲掃描模式(tapping mode) 特別適用于檢測生物樣品及其它柔軟、易碎、粘附性較強的樣品。圖2 為干涉儀檢測法原理圖。在光學(xué)系統(tǒng)中聚焦的激光束照射到試樣表面，入射的激光束被表面反射并與由光源分離出的參考光束發(fā)生干涉，使光束發(fā)生頻移，由干涉儀檢測器檢測出頻移，從而測量試樣振動位移，從檢測出的超聲波可判斷試樣內(nèi)部缺陷和微結(jié)構(gòu)。3 主要發(fā)展方向3.1 偏心光束對焦系統(tǒng)近年來，非接觸式測量技術(shù)在表面測量領(lǐng)域得到比較廣泛的應(yīng)用，其中自動對焦測量已從微米尺度進入納米尺度，在非球面檢測中大大提高了非球面的測量精度，因此具有重大的研究價值和廣闊的發(fā)展前景。自動對焦是利用物體光反射的原理，

7、將反射光照射在光電探測器上，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換而帶動電動對焦裝置進行對焦的方式。偏心光束對焦精度取決于光源的質(zhì)量、光電探測器對光源的敏感度及電動對焦裝置的合理設(shè)計等。圖3 為偏心光束對焦系統(tǒng)的設(shè)計及調(diào)試，主要包括三部分：1) 激光作為光源；2) 一維位置敏感探測器作為光電探測器；3) 電動機驅(qū)動電路的設(shè)計。根據(jù)偏心光束對焦系統(tǒng)設(shè)計方案進行對焦實驗。固定光路系統(tǒng)與位置敏感探測器的位置，調(diào)節(jié)移動工作臺上下移動，位置敏感探測器光敏面上的激光光斑也隨之變化，于是電動機隨之轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)動情況決定了偏心光束是否對焦。當(dāng)電動機停轉(zhuǎn)時，即工件內(nèi)表面位于物鏡平面，對焦成功。3.2 激光掃描顯微鏡激光掃描顯微鏡是融合光、機

8、、電以及計算機和圖像處理等技術(shù)的高新技術(shù)產(chǎn)品，它廣泛應(yīng)用于檢測領(lǐng)域，已經(jīng)成為這個領(lǐng)域強有力的研究工具。激光共焦顯微鏡是利用激光光束經(jīng)照明針孔形成點光源，對標(biāo)本內(nèi)焦平面的每一點掃描，標(biāo)本上的被照射點在探測孔處成像，由探測孔后的光電倍增管(pmt) 接收，在計算機屏幕上迅速形成熒光圖像。由于掃描過程是逐點進行的，因此需要由電動機驅(qū)動玻片沿x-y 平面運動。高分辨率圖像的獲得，不但要求有完善的光學(xué)與精密機械系統(tǒng)，而且還要求玻片移動平穩(wěn)，防止抖動出現(xiàn)，否則會影響掃描效果，這就對運動控制系統(tǒng)提出了較高要求。采用基于數(shù)字信號處理技術(shù)的移動控制器很好地解決了共焦掃描顯微鏡的運動控制問題。激光共焦掃描顯微鏡系

9、統(tǒng)由光學(xué)掃描單元、數(shù)據(jù)傳輸及圖像處理、運動控制單元和主機組成。光學(xué)掃描單元負責(zé)對數(shù)據(jù)進行采集；數(shù)據(jù)傳輸及圖像處理單元接收掃描數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行視頻處理后傳輸給主機和顯示器；運動控制單元驅(qū)動載物玻片沿預(yù)定軌跡運動，實現(xiàn)逐點掃描；主控制機實現(xiàn)對下位機的控制及數(shù)據(jù)的后處理。4 結(jié)語激光檢測技術(shù)由于其自身的優(yōu)勢，正在逐步深入信息處理、通信、生物、醫(yī)療、制造業(yè)等各個領(lǐng)域，形成大規(guī)模產(chǎn)業(yè)。尤其是隨著超精密加工、強激光、光電技術(shù)和半導(dǎo)體工業(yè)的發(fā)展，出現(xiàn)了超光滑或有超精細結(jié)構(gòu)的表面, 高精度的激光檢測技術(shù)已應(yīng)用于對該領(lǐng)域的微觀形貌的非接觸測量。目前，利用激光檢測關(guān)鍵技術(shù)（激光干涉測量技術(shù)、激光共焦測量技術(shù)、激

10、光三角測量技術(shù)）實現(xiàn)的激光干涉儀、激光位移傳感器等，可以完成納米級非接觸測量?？梢哉f，超精密加工技術(shù)將隨著高精密激光檢測技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展。一些示例激光測距 激光測距的基本原理是：將光速為c的激光射向被測目標(biāo)，測量它返回的時間，由此求得激光器與被測目標(biāo)間的距離d。 即： dc t / 2 式中t激光發(fā)出與接收到返回信號之間的時間間隔。 可見這種激光測距的精度取決于測時精度。由于它利用的是脈沖激光束，為了提高精度，要求激光脈沖寬度窄，光接收器響應(yīng)速度快。所以，遠距離測量常用輸出功率較大的固體激光器與二氧化碳激光器作為激光源；近距離測量則用砷化鎵半導(dǎo)體激光器作為激光源。 激光測長 從光學(xué)原理可知，單

11、色光的最大可測長度l與光源波長和譜線寬度的關(guān)系用普通單色光源測量，最大可測長度78cm。若被測對象超過78cm，就須分段測量，這將降低測量精度。若用氦氖激光器作光源，則最大可測長度可達幾十公里。通常測長范圍不超過10m，其測量精度可保證在0.1m以內(nèi)。 激光檢測是非接觸式的，不直接碰觸物體，不影響測量對象和現(xiàn)場，還可遙測，比較方便地對處在高溫或者不宜接近的有害場所作檢測。同時，與電子技術(shù)相結(jié)合，能實現(xiàn)自動化檢測和在線檢測。 (1)激光導(dǎo)向、準(zhǔn)直 生產(chǎn)過程中經(jīng)常碰到導(dǎo)向、準(zhǔn)直的問題，比如礦井坑道的掘進過程中，就需要儀器給挖掘機導(dǎo)向，讓它定向直線掘進。高層建筑安裝電梯，大型發(fā)動機組安裝轉(zhuǎn)子，造大輪

12、船時調(diào)整發(fā)動機主軸系統(tǒng)、定中心線等，都需要一條準(zhǔn)轟線。激光有很好的方向性，亮度又高，用它做準(zhǔn)直線和導(dǎo)向，操作簡便、快捷，而且精度高。 (2)表面質(zhì)量和形狀檢測 過去，在生產(chǎn)線上檢驗產(chǎn)品里面質(zhì)量，很大一部分工作是由人工觀察鑒別。這不僅勞動強度大，眼睛容易疲勞，而且工效低，漏檢率也比較高。采用激光代替眼睛觀察檢查，檢查速度快，漏檢率低，并且還能夠在生產(chǎn)線上對產(chǎn)品表面質(zhì)量進行分類，檢查的項目有：紙張、磁帶、玻璃、紡織品、電子線路等元件的疵點、壓痕、裂紋、氣泡、針孔等。在生產(chǎn)線上可以檢測0.1毫米的疵點，測量光潔度和精度達0.05微米。三種激光檢測技術(shù)簡介一.激光干涉 1.原理 高頻的激光脈沖輸入下，

13、依靠入射激光和反射激光的相位差來測量工件的瞬間位移變化，瞬間位移變化量的疊加可以描述工件輪廓的狀況。照射到工件表面光斑直徑保持為200微米左右，足夠大的參考光斑可以給干涉儀提供穩(wěn)定的參考信號。 2.國內(nèi)外研究 國內(nèi)：四川大學(xué)激光應(yīng)用技術(shù)研究所, 周肇飛教授領(lǐng)導(dǎo)的課題組 。 國外：美國的zygo ,wyko 型的光干涉式輪廓儀, 英國npl 的雙焦物鏡輪廓儀 。 3.干涉技術(shù)展望 用于在線檢測的高分辨干涉測量設(shè)備由于要適應(yīng)直接放在精密機床上工作的較嚴(yán)酷條件, 又要調(diào)整快捷, 在靈敏度方面作了一定犧牲。不過, ra 優(yōu)于0. 2nm 的分辨力對于超精密加工在線檢測已完全滿足要求并有一定儲備。如果確

14、有更高的要求, 該領(lǐng)域尚有進一步提高靈敏度的潛力, 基于同樣原理的實驗室用輪廓儀已經(jīng)做到分辨力優(yōu)于0. 02nm。 二、激光共焦1.原理 結(jié)合音叉與共焦原理而達到的一種非接觸的激光測量技術(shù)。 (1)從光源發(fā)出的激光光束透過一組以音叉上下快速振動的物鏡而聚焦在目標(biāo)物表面。 (2)反射光束離開目標(biāo)物表面回到傳感器，并且被一個半反射導(dǎo)向而收斂在光接受元件上的針孔。 (3)當(dāng)激光光束聚焦于物體表面時，有一組傳感器決定音叉的正確位置，從而計算出目標(biāo)物表面的距離。 2.技術(shù)優(yōu)勢 適用范圍廣，不受目標(biāo)物表面顏色、光澤度和材料等情況的影響。 響應(yīng)速度快，由音叉的振動頻率決定其響應(yīng)速度。 3.國內(nèi)外相關(guān)研究 國內(nèi)：西安交通大學(xué)機械工程學(xué)院激光紅外應(yīng)用技術(shù)研究所，趙宏教授領(lǐng)導(dǎo)的課題組。 國外：日本的keyence激光共焦位移計。 三、激光三角法 1.原理 用一束激光以某一角度聚焦在被測物體表面，然后從另一角度對物體表面上的激光光斑進行成像，物體表面激光照射點的位置高度不同，所接受散射或反射光線的角度也不同，用ccd光電探測器測出光斑像