基于光外差干涉檢測激光超射波技術(shù)研究

1、目錄1 引言11.1 課題背景11.2 國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r11.3 課題意義31.4 課題內(nèi)容32 激光超聲激勵技術(shù)研究52.1 超聲波的性質(zhì)52.1.1 超聲波的分類52.1.2 超聲波的特點(diǎn)52.1.3 超聲波的波型與聲速62.1.4 超聲波的反射折射及波型轉(zhuǎn)換62.2 超聲波的檢測72.3 激光產(chǎn)生超聲的原理92.4 nd:yag激光器激勵超聲波102.4.1 nd:yag激光介紹102.4.2 nd:yag激光器工作原理102.5 本章小結(jié)113 激光外差干涉概述133.1 光電檢測133.1.1 系統(tǒng)分類133.1.2 激光超聲檢測163.2 光外差干涉測試技術(shù)173.2.1 概述173

2、.2.2 光外差干涉原理173.2.3 光外差探測系統(tǒng)183.3 激光外差干涉測試系統(tǒng)193.3.1 測試系統(tǒng)的原理193.3.2 激光外差干涉測長213.4 光外差檢測優(yōu)勢233.5 本章小結(jié)244 光外差干涉法檢測激光超聲的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)254.1 聲光調(diào)制254.1.1 聲光調(diào)制器原理254.1.2 聲光調(diào)制分類274.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)284.2.1 外差干涉系統(tǒng)構(gòu)成294.2.1 超聲信號檢測原理304.2.2 光外差干涉法檢測激光超聲原理314.3 光路調(diào)試結(jié)果324.4 本章小結(jié)335 總結(jié)345.1 主要工作345.2 系統(tǒng)存在問題34參 考 文 獻(xiàn)35致 謝371 引言1.1 課題背景

3、隨自20世紀(jì)70年代以來，激光超聲技術(shù)因其頻帶較寬、模式多樣、具有很高的時(shí)間和空間分辨率等特性，在無損探傷領(lǐng)域得到了越來越廣泛的關(guān)注和應(yīng)用，已發(fā)展成為超聲學(xué)的一個(gè)重要分支1-2。但激光超聲振動信號非常微弱，位移幅值一般在數(shù)微米量級，且激發(fā)超聲的激光源所需強(qiáng)度特別大3-5，因此，目前多用光學(xué)方法檢測。光學(xué)法檢測超聲可分為兩大類：一類是非干涉法，如狹縫法、刀刃法等；另一類為干涉法，主要包括外差干涉法、差分干涉法和多光束干涉法等6。此外，還有使用法布里-珀羅干涉儀(fairy-perot interferometer)和光折變干涉儀的方法，但前者性能不穩(wěn)定，后者價(jià)格十分昂貴。較常用的當(dāng)屬外差干涉法7

4、，該方法最大的特點(diǎn)是將微弱的激光超聲信號加載到高頻范圍內(nèi)進(jìn)行處理，從而避開了低頻1噪聲的干擾。通常的外差干涉系統(tǒng)，因使用的光學(xué)器件較多，會出現(xiàn)很多雜光如回授光8，光學(xué)噪聲大，信噪比低，并不適合微弱激光超聲信號的檢測。因此，本文采用線偏振光作為光源來改善傳統(tǒng)的干涉光路系統(tǒng)，設(shè)計(jì)出了檢測微弱振動信號的新型線偏振光外差干涉系統(tǒng)。該系統(tǒng)用壓電超聲代替激光超聲作為微弱振動信號源，實(shí)驗(yàn)得到了較好的外差干涉信號，并得到了與壓電探頭振動激勵信號一致的探測信號，而且結(jié)構(gòu)簡單，成本較低。雖然超聲技術(shù)已獲得極大成功，但在應(yīng)用過程中傳統(tǒng)超聲技術(shù)還是暴露出許多不足之處。1.2 國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r激光超聲技術(shù)的研究始于196

5、2年。當(dāng)時(shí)，white和askaryan分別論證了用脈沖激光束在固體和液體中激發(fā)聲波的方法。緊接著，ramsden，bunkiny和stegman觀察到強(qiáng)激光在固體中產(chǎn)生的爆炸波和在大氣中產(chǎn)生的燃燒波，會隨時(shí)間和距離的增加而衰變成聲波。之后。對固體，液體和氣體媒質(zhì)中激光超聲激發(fā)的研究均有了很大的發(fā)展。1976年，bondarenko等首先把激光超聲用于材料檢測。他們用調(diào)q紅寶石激光器激發(fā)超聲，用帶寬為5khz至150mhz，位移靈敏度為10- 9nm的干涉儀檢測激光超聲，并對不銹鋼板的人工缺陷進(jìn)行了檢測。之后，hutehins和nedeou等用nd:yag和帶寬為45mhz，位移靈敏度為1nm

6、的干涉儀進(jìn)行了表面缺陷的實(shí)驗(yàn)。1979年，ledbetter等最先同時(shí)撿測到一次激發(fā)產(chǎn)生的縱波，橫波和表面波。1980和1982年，seruby和dewhurst等對激光在金屬中產(chǎn)生的超聲波形進(jìn)行了定量測量，并用面內(nèi)正交力偶模型解釋了熱彈條件下的激發(fā)現(xiàn)象，用垂直力偶模型解釋了燒蝕條件下的激發(fā)現(xiàn)象9,為激光超聲的應(yīng)用技術(shù)打下了基礎(chǔ)。20世紀(jì)80年代中期，加拿大人je monehalin提出了用球面共焦fabry-perot干涉儀探測超聲振動超聲測厚技術(shù)，首次實(shí)現(xiàn)了在1m遠(yuǎn)處對未拋光的鋼板進(jìn)行激光超聲的實(shí)驗(yàn)，向?qū)嵱没~出了一大步10。20世紀(jì)90年代中期，y dagata，jhuang，jdach

7、enbach和krishnaswamy等進(jìn)行了一系列的理論和應(yīng)用研究工作近幾年，激光超聲機(jī)理和技術(shù)的研究有了更大發(fā)展，在激光超聲信號的激發(fā)、接收、傳播理論，以及應(yīng)用等方面取得很大進(jìn)展11。超聲技術(shù)在工業(yè)測量、物質(zhì)結(jié)構(gòu)特性的研究等領(lǐng)域已獲得成功應(yīng)用。在各種結(jié)構(gòu)工程材料的生產(chǎn)過程中能實(shí)時(shí)檢測出產(chǎn)品的多種特性參數(shù)，引入閉環(huán)控制，對于保證產(chǎn)品質(zhì)量，降低原材料損耗，是十分重要的。由于一般的金屬材料對于電磁波是不透明的，對各種粒子射線也有較大的衰減，而對于超聲波能有效地傳輸，因此超聲方法很早已成為一系列材料元件和工程結(jié)構(gòu)檢測，特別是金屬材料的首選方案。常規(guī)的超聲檢測中，超聲波是由壓電或壓磁換能器產(chǎn)生的，在

8、檢測時(shí)必須通過耦合劑與試件耦合，由于換能器本身帶寬的限制及換能器與試件之間的耦合等因素影響，無法產(chǎn)生很窄的單個(gè)超聲脈沖。激光超聲技術(shù)白出現(xiàn)之日起便以諸多優(yōu)點(diǎn)吸引廣大研究人員的關(guān)注。利用激光激發(fā)可以重復(fù)產(chǎn)生很窄的超聲脈沖，在時(shí)間和空間均具有極高的分辨率，而且激光可以在不同形狀的試件中激發(fā)超聲并且是非接觸的，易于在高溫、高壓、有毒和放射性等惡劣環(huán)境下進(jìn)行超聲檢測，適合于超薄材料的檢測和物質(zhì)微結(jié)構(gòu)的研究。激光超聲是一種新型無損檢測方法，早期受激光器件與相關(guān)學(xué)科發(fā)展的限制，自20世紀(jì)70年代提出到80年代中期成為熱點(diǎn)后，未達(dá)到人們預(yù)想的應(yīng)用效果。20世紀(jì)末至今，隨著激光、電子、計(jì)算機(jī)和相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，

9、經(jīng)過近十年的技術(shù)積累，激光超聲已從方法探索步人技術(shù)研究與開發(fā)應(yīng)用階段，是傳統(tǒng)超聲檢測技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。傳統(tǒng)的超聲技術(shù)多采用接觸式換能器，為保證有高的靈敏度和可靠性，通常還應(yīng)使用各種超聲耦合劑，這種方法的最大優(yōu)點(diǎn)是檢測靈敏度高，設(shè)備簡單，便宜，因而使用得最廣泛。然而當(dāng)溫度升高時(shí)，大多數(shù)耦合劑將汽化，失去粘性并產(chǎn)生化學(xué)變化，從而使得超聲檢測變得十分困難。日前絕大多數(shù)耦合劑的使用溫度都在100以下，常用的超聲換能介質(zhì)pzt。其工作溫度一般不能高于300，即使換成其它高溫材料，工作溫度也很難超過700。對于像鋼鐵制造這樣的行業(yè)，工作溫度常在1000以上12，因此傳統(tǒng)的超聲檢測法無法實(shí)現(xiàn)在線檢測。采用電

10、磁聲換能器(既at)并配上適當(dāng)?shù)睦鋮s系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)高溫下的非接觸式檢測13。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(qiáng)弱受這一距離變化的影響很大，所以當(dāng)用于實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場時(shí)也存在很多困難。工業(yè)ct技術(shù)作為一種無損檢側(cè)手段具有很多優(yōu)點(diǎn)，美國idm公司曾采用工業(yè)ct技術(shù)實(shí)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14。但是該系統(tǒng)目前十分昂貴、復(fù)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(shí)現(xiàn)一般的工業(yè)使用。激光超聲技術(shù)是對傳統(tǒng)超聲檢測技術(shù)的一大發(fā)展，它的出現(xiàn)彌補(bǔ)了許多電超聲的檢測盲區(qū)，為超聲檢測技術(shù)的發(fā)展起到很強(qiáng)了的推進(jìn)作用15。激光超聲技術(shù)利用高能激

11、光脈沖來激發(fā)超聲，與傳統(tǒng)超聲技術(shù)相比，具有許多得天獨(dú)厚的優(yōu)點(diǎn)。1.3 課題意義隨著科學(xué)技術(shù)，尤其是激光技術(shù)的發(fā)展，激光超聲學(xué)將在理論、技術(shù)和應(yīng)用研究等各方面取得新的突破,它的應(yīng)用前景也會更加廣闊。目前，激光超聲技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于材料的缺陷探測和定位，內(nèi)部損傷過程監(jiān)測和斷裂機(jī)理研究等工程領(lǐng)域中。特別是對固體材料的力學(xué)和熱學(xué)性質(zhì)研究，以及對具有生物活性的化學(xué)和生物物質(zhì)的光化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)和熱力學(xué)的研究，更顯示出激光超聲技術(shù)具有其它檢測技術(shù)難以替代的優(yōu)越性16。因此。研究激光超聲無損檢測技術(shù)不僅有理論方面的意義，還有實(shí)際應(yīng)用上的意義。1.4 課題內(nèi)容通過對激光激勵超聲波的基本概念、nd:yag激光器激

12、勵超聲波的工作原理、光外差干涉的原理和測量方法、聲光調(diào)制器的工作原理及使用方法等的掌握，以此為基礎(chǔ)構(gòu)成光外差干涉檢測激光超聲波的裝置，從而達(dá)到利用光外差干涉技術(shù)對激光超聲無損檢測技術(shù)來進(jìn)行研究的目的。本論文的主要內(nèi)容包括：第一章為引言，主要介紹了課題的研究背景和意義以及相關(guān)技術(shù)國內(nèi)外的研究情況，由此引出課題的研究內(nèi)容，確定了本文的研究方向。第二章對光外差干涉檢測激光超聲波工作過程中所需用到的關(guān)鍵技術(shù)及原理說明，為論文的研究提供了相關(guān)的理論基礎(chǔ)。首先簡單地介紹超聲波的定義與其相關(guān)性質(zhì)。然后激光介紹了產(chǎn)生超聲波的方法技術(shù)，重點(diǎn)介紹了利用nd:yag激光器激勵超聲波的工作原理如熱彈機(jī)理、燒蝕機(jī)理及其

13、特點(diǎn)。第三章主要針對激光外差干涉測試研究來討論。首先，介紹了光電檢測系統(tǒng)中的激光超聲檢測，然后光外差干涉原理光外差探測系統(tǒng)，最后激光外差干涉系統(tǒng)中的測長的工作原理。 第四章首先介紹了聲光調(diào)制器的工作原理、使用方法，然后設(shè)計(jì)了基于光外差干涉法檢測激光超聲的裝置。主要由頻移裝置，連續(xù)激光器，分光鏡，反光鏡，激光超聲源，光電探測器，信號處理器，示波器等部分組成。最后使用由nd:yag線偏振激光器，pbs，光電探測器等部分，實(shí)現(xiàn)了線偏振光外差干涉系統(tǒng)的組成。 第五章對論文主要工作的總結(jié)和展望。2 激光超聲激勵技術(shù)研究2.1 超聲波的性質(zhì)2.1.1 超聲波的分類超聲波的類型很多，有縱波、橫波、表面波和平

14、面波等?？v波傳導(dǎo)時(shí)，每個(gè)粒子都在平行于波動前進(jìn)方向上振動，呈現(xiàn)交替密集或稀疏的變化，在超聲波探傷中最常用。橫波也在超聲波探傷中有廣泛的應(yīng)用，它的傳播有點(diǎn)類似于在繩子一端有規(guī)律地抖動所形成的繩子的振動形式，分子和原子在一個(gè)平面上垂直于波浪傳播方向上下振動；表面波只是有時(shí)才用在超聲波探傷中，它沿著平面或相對較厚的曲面?zhèn)鞑?；平面波只是?yīng)用于超聲波探傷的某些場合，僅在厚度只有幾個(gè)波長大小的材料表面?zhèn)鞑?7。界面處超聲波的反射與材料的物理狀態(tài)關(guān)聯(lián)較大，而與材料本身的物理性能關(guān)聯(lián)較小。聲波、次聲波、超聲波都是機(jī)械波，有聲速、頻率、波長、聲壓、聲強(qiáng)等參數(shù)，在界面也會發(fā)生反射 、折射。我們能夠聽到聲音是因?yàn)槁?/p>

15、波傳到了我們的耳內(nèi)，聲波的頻率在20hz20000hz，頻率低于或超過上述范圍時(shí)人們無法聽到聲音，頻率低于20hz的聲波稱為次聲波，頻率超過20000hz的聲波稱為超聲波。工業(yè)上常用的超聲波范圍是：0.520mhz ;其中金屬最常用的頻率是：15mhz；探水泥構(gòu)建用的頻率是： 0.5mhz,如100khz,200khz; 探測玻璃陶瓷中m級用的頻率是100mhz200mhz,甚至更高。2.1.2 超聲波的特點(diǎn)（1）有良好的指向性；（2）能量高； i1/i2=1mhz2/1khz2=100萬倍。 (2.1)由上式(2.1)，我們可以發(fā)現(xiàn)由于能量（聲強(qiáng)）與頻率的平方成正比關(guān)系，因此超聲波的能量i1

16、遠(yuǎn)大于聲波的能量i2。（3）傳播路徑與光線相同呈直線傳播，并在界面上產(chǎn)生反射、折射和波型轉(zhuǎn)換，在傳播過程中還有干涉、疊加、繞射現(xiàn)象，故可以充分利用這些幾何、物理特征進(jìn)行檢測。（4）在金屬材料中的傳播速度很快， 穿透能力強(qiáng)、衰減小，如對某些金屬的穿透能力可達(dá)數(shù)米，其他檢測手段無法相比。 2.1.3 超聲波的波型與聲速（1）縱波（l） 縱波定義為質(zhì)點(diǎn)的振動方向與波的傳播在水平方向上的超聲波。縱波在固、液、氣三種介質(zhì)中均能傳播。（2）橫波（s）質(zhì)點(diǎn)的振動方向與傳播垂直方向上的超聲波，當(dāng)質(zhì)點(diǎn)受到的是交變剪切應(yīng)力的作用，因此也稱作切變波。液體和氣體不能夠承受剪切應(yīng)力，所以無橫波傳播。（3）表面波在不同固

17、體的介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ穆曀俨煌?2.1.4 超聲波的反射折射及波型轉(zhuǎn)換（1） 超聲波與介質(zhì)形成的入射反射折射圖如下圖2.1所示。入射縱波反射折射波型轉(zhuǎn)換縱波傾斜入射到不同介質(zhì)的表面時(shí)會產(chǎn)生反射縱波、反射橫波、折射縱波、折射橫波，反射、折射角度符合一般的反射折射定律。其公式如下式(2.2)所示： (2.2)介質(zhì)1 介質(zhì)2 圖2.1 超聲波的反射折射圖（2）第一臨界角當(dāng)在第二介質(zhì)中的折射縱波角等于90度時(shí)，稱這時(shí)的縱波入射角為第一臨界角1。這時(shí)在第二介質(zhì)中已沒有縱波，只有橫波。焊縫探傷用的橫波就是，經(jīng)過界面波型轉(zhuǎn)換得到的。（3）第二臨界角當(dāng)縱波入射角繼續(xù)增大時(shí)，在第二介質(zhì)中的橫波折射角也增大，當(dāng)s達(dá)

18、90度時(shí)，第二介質(zhì)中沒有超聲波，超聲波都在表面，為表面波。在有機(jī)介面用于檢測的超聲波斜探頭的入射角必須大于第一臨界角而小于第二臨界角。一般設(shè)定的橫波折射角用橫波折射角度的正切值表示，如k=2（k值根據(jù)厚度和寬度選擇）。探頭發(fā)射和接收超聲波，發(fā)射的超聲波是脈沖波，脈沖超聲在工件中遇界面反射超聲波，超聲再在探頭中換成電信號經(jīng)放大后顯示，顯示屏上橫座標(biāo)表示超聲波在工件中傳播的時(shí)間，縱座標(biāo)表示反射的超聲波聲壓，與反射面積大小對應(yīng)。超聲波檢測主要包括三個(gè)特點(diǎn)：1）面積型缺陷檢出率高，體積型缺陷檢出率低；2）適合較大厚度工件的檢驗(yàn)；3）材質(zhì)晶粒度對檢測結(jié)果有影響。2.2 超聲波的檢測（1）超聲波反射法超聲

19、波反射法是利用材料中的不連續(xù)性對超聲波的反射回波進(jìn)行檢測。這種方法通常對其平面垂直于聲束的不連續(xù)性尤其敏感，因此特別適合于檢測復(fù)合材料中平行于試件表面的層狀不連續(xù)性。對于圓管類試件，可使聲束沿管子的軸向和周向兩個(gè)方向傾斜入射，此時(shí)超聲橫波在管壁內(nèi)沿鋸齒形路線傳播，可以檢測出管子中多種方向的不連續(xù)性。用顆粒或晶須增強(qiáng)的復(fù)合材料坯料及用坯料制成的擠壓件、鍛件和板材，特別適合于采用超聲波反射法進(jìn)行檢驗(yàn)，目前已在生產(chǎn)中應(yīng)用，如美國acmc公司等。而用纖維增強(qiáng)的材料，因厚度一般較薄且表面不平整，用反射法檢測較困難。通常對薄壁金屬管材都采用超聲反射法檢驗(yàn)，以水浸聚焦的方式進(jìn)行，需要昂貴的傳動裝置。（2）超

20、聲波速度測量法一些研究工作表明，超聲波的傳播速度與材料的孔隙率，碳化硅增強(qiáng)劑含量和各向異性等因素有關(guān)，也與材料的楊氏模量有關(guān)。目前國外已發(fā)展了速度掃描技術(shù)，該技術(shù)可將試件各部位的聲速用圖像方式直觀地顯示出來。（3）超聲波衰減法超聲波衰減法利用超聲波穿透試件后衰減值的相對變化來判斷試件質(zhì)量。測量超聲衰減的技術(shù)通常有試件背面回波法、穿透法和反射板法 (兩次穿透法) 等。試樣的超聲衰減與材料斷裂韌性的關(guān)系為，試件背面反射回波的次數(shù)代表了材料聲衰減的大小，反射次數(shù)愈少說明衰減愈大。該中心根據(jù)反射次數(shù)的多少對材料確定了優(yōu)、良、差三個(gè)等級。（4）聲學(xué)振動檢測法聲學(xué)振動檢測法是一種新穎的檢測技術(shù)，它是為檢測

21、復(fù)合材料而發(fā)展起來的。在檢測時(shí)將管子裝在一個(gè)有兩個(gè)支點(diǎn)的支架上，用一個(gè)低頻敲擊器周期性地敲擊管子。支點(diǎn)和敲擊點(diǎn)的位置符合管子彎曲振動基頻諧振的激發(fā)條件。通過敲擊器中的敲擊頭對管子的敲擊激發(fā)管子作自由衰減彈性振蕩。敲擊器兼作接收器，將管子的振蕩變成電信號輸入到頻譜分析儀，并用x-y記錄儀記錄振蕩的頻譜。聲學(xué)振動檢測法可以檢測出管子身部的嚴(yán)重疏松 (對一般疏松的檢測能力還有待進(jìn)一步試驗(yàn))，但對裂紋缺陷很不敏感。由于超聲反射法不能檢查出管子中的疏松缺陷，因此聲學(xué)振動法有可能與超聲反射法起互補(bǔ)作用。（5）x射線檢測法 x射線照相法是檢查復(fù)合材料中孔隙、夾雜等體積型缺陷的優(yōu)良方法，對增強(qiáng)劑分布不勻也有一

22、定的檢出能力，因此是一種不可缺少的檢測手段。這種方法對分層缺陷的檢測很困難，對裂紋一般只有當(dāng)裂紋平面與射線束大致平行時(shí)方能檢出，所以通常只能檢測與試件表面垂直的裂紋，可與超聲反射法起互補(bǔ)作用。早在80年代，杜邦公司就已應(yīng)用工業(yè)ct檢測金屬基復(fù)合材料。由于工業(yè)ct密度分辨率和空間分辨率比射線照相法要高一個(gè)數(shù)量級以上，因此它對各種缺陷的檢出能力大大優(yōu)于射線照相法。ct檢測的主要缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴，使其在生產(chǎn)中的應(yīng)用受到了一定的限制。（6）聲發(fā)射檢測法聲發(fā)射檢測技術(shù)也是無損檢測中的一項(xiàng)重點(diǎn)研究項(xiàng)目。有研究指出，振鈴計(jì)數(shù)、高幅度和長持續(xù)時(shí)間信號，費(fèi)利西蒂比和恒載聲發(fā)射特性可作為評價(jià)材料中損傷的判據(jù)。在生產(chǎn)

23、中，通常要求對管子進(jìn)行100%的拉伸強(qiáng)度驗(yàn)收試驗(yàn)。但是在拉伸試驗(yàn)中通過了考核載荷的管子并不意味著絕對不存在潛在的損傷 (纖維斷裂、界面分離等)，這些損傷有可能在使用過程中發(fā)生擴(kuò)展而造成產(chǎn)品的破壞。為此，在拉伸強(qiáng)度驗(yàn)收試驗(yàn)中進(jìn)行聲發(fā)射監(jiān)控是十分必要的和有效的。2.3 激光產(chǎn)生超聲的原理利用激光產(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）熱彈機(jī)制當(dāng)入射光的功率密度較低時(shí)，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(shí)激發(fā)出橫波、縱波和表面

24、波。在這種機(jī)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)致材料的任何相變，因而具有嚴(yán)格無損檢測的特點(diǎn)。但熱彈激發(fā)超聲過程中，光能轉(zhuǎn)化為熱能的效率很低。為了提高熱彈激發(fā)超聲的效率，常在固體表面涂各種涂層(如水，油)，以增加表面的光吸收系數(shù)。同樣，采用脈沖寬度極窄的高能量密度光束照射，也可以獲得較高的聲波能量。（2）燒蝕機(jī)制當(dāng)入射光的功率密度逐漸升高時(shí)，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(shí)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(gè)非常高的反作用力，導(dǎo)致聲波的產(chǎn)生。在這種機(jī)制下可以獲得大幅度的縱波和表面波，激發(fā)

25、效率比熱彈機(jī)制高 4 個(gè)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(jī)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。一般認(rèn)為，固體中激光激勵超聲波的機(jī)理隨入射激光的功率密度和固體表面條件的不同而改變。對于表面干凈的、無約束的固體來說，如果入射激光的功率密度較低，激光能量不足以使固體熔化，則在產(chǎn)生過程中，熱彈機(jī)制將起主要作用。在激光功率密度較高的情況下，溫度上升將使固體局部融化，以至出現(xiàn)燒蝕，此時(shí)，盡管熱彈機(jī)制仍然存在，但是燒蝕效應(yīng)起決定性的作用。2.4 nd:yag激光器激勵超聲波2.4.1 nd:yag激光介紹nd:yag為其

26、英文簡化名稱，來自(neodymium-doped yttrium aluminium garnet; nd:y3al5o12)或中文稱之為釔鋁石榴石晶體，釔鋁石榴石晶體為其激活物質(zhì)，體晶體內(nèi)之nd原子含量為0.61.1，屬固體激光，可激發(fā)脈沖激光或連續(xù)式激光，發(fā)射之激光為紅外線波長 1.064m。nd:yag激活物質(zhì)晶體使用之泵浦燈管主要為氪氣(krypton)或氙氣(xenon)燈管，泵浦燈的發(fā)射光譜是一個(gè)寬帶連續(xù)浦，但僅少數(shù)固定的光譜峰被nd離子吸收18，所以泵浦燈僅利用了很少部份的光譜能量，大部份沒被吸收的光譜能量轉(zhuǎn)換成熱能，所以能量的使用率偏低。2.4.2 nd:yag激光器工作原理

27、除自由電子激光器外，各種激光器的基本工作原理均相同，產(chǎn)生激光的必不可少的條件是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和增益大過損耗，所以裝置中必不可少的組成部分有激勵（或抽運(yùn)）源、具有亞穩(wěn)態(tài)能級的工作介質(zhì)兩個(gè)部分。激勵是工作介質(zhì)吸收外來能量后激發(fā)到激發(fā)態(tài)，為實(shí)現(xiàn)并維持粒子數(shù)反轉(zhuǎn)創(chuàng)造條件。激勵方式有光學(xué)激勵、電激勵、化學(xué)激勵和核能激勵等19。工作介質(zhì)具有亞穩(wěn)能級是使受激輻射占主導(dǎo)地位，從而實(shí)現(xiàn)光放大。激光器中常見的組成部分還有諧振腔，但諧振腔（ 見光學(xué)諧振腔）并非必不可少的組成部分，諧振腔可使腔內(nèi)的光子有一致的頻率、相位和運(yùn)行方向，從而使激光具有良好的方向性和相干性。而且，它可以很好地縮短工作物質(zhì)的長度，還能通過改變諧振腔

28、長度來調(diào)節(jié)所產(chǎn)生激光的模式（即選模），所以一般激光器都具有諧振腔。nd:yag激光超聲利用高能激光脈沖與物質(zhì)表面的瞬時(shí)熱作用，在固體表面產(chǎn)生熱應(yīng)力區(qū)，從而在物體內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力波(即超聲波)。如圖2.2所示，在較低的吸收率下，表面吸收的熱量不超過其融化溫度，產(chǎn)生的是短時(shí)膨脹過程，與該膨脹相關(guān)的應(yīng)力波絕大部分在彈性范圍內(nèi)，該模式稱為熱彈效應(yīng)；在高能作用下，物體的溫度升高，超過了其蒸發(fā)溫度，產(chǎn)生燒蝕現(xiàn)象，使材料表面汽化，形成等離子體，于是有一垂直表面的反作用力作用在表面，形成彈性波源，該產(chǎn)生超聲的模式稱為熱蝕效應(yīng)。通常所說激光超聲是指熱彈效應(yīng)。在熱彈效應(yīng)區(qū)內(nèi)，激光產(chǎn)生的應(yīng)力波大小與吸收光的能量成正比，

29、在能量分布均勻的情況下，可用一維模型來描述激光在材料表面產(chǎn)生的應(yīng)力。應(yīng)力 (2.2)式中為彈性常數(shù)。熱應(yīng)力產(chǎn)生的應(yīng)變 (2.3)式中為泊松比；為線性膨脹系數(shù)；為被材料表面吸收的激光能量；為材料密度；為材料的特征熱。由于激勵的脈沖激光器與被檢物體表面之間無需機(jī)械連接和接觸、無需耦合劑且檢測能量可調(diào)等特點(diǎn)，使得激光超聲技術(shù)在工程上有較大的應(yīng)用前景。超聲源 固體 圖2.2 激光激勵方式試驗(yàn)結(jié)果表明，采用上述課題研究的激光激勵方法可以較好地在復(fù)合材料中激發(fā)出超聲波。調(diào)q的nd:yag固體激光器，作為激光源可調(diào)的最大能量是300 mj，重復(fù)頻率為10hz，可發(fā)出直徑為5 mm的激光光斑。當(dāng)激光入射到材料

30、上時(shí)，所產(chǎn)生的超聲波以不同的類型傳播出去，主要有縱波、橫波和表面波。影響超聲波傳播特性的因素很多，主要有材料對激光光能量的吸收程度、材料的熱傳導(dǎo)特性、激勵激光的頻率、材料表面的光滑程度等。2.5 本章小結(jié)當(dāng)激光的能量聚焦照射到彈性材料表面時(shí)，部分會轉(zhuǎn)移到材料本身并以熱能和應(yīng)力波動能的形式表現(xiàn)出來。通過改變激發(fā)激光的幾何形狀可以控制能量在材料中的分布以及對材料的影響。激光超聲就是利用高能激光脈沖與物質(zhì)表面的瞬時(shí)熱作用，通過熱彈效應(yīng)（少數(shù)情況是熱蝕效應(yīng)）在固體表面產(chǎn)生應(yīng)變和應(yīng)力場，使粒子產(chǎn)生波動，進(jìn)而在物體內(nèi)部產(chǎn)生超聲波。根據(jù)入射到物體表面激光能量的不同，激光脈沖在物體表面產(chǎn)生的這種熱效應(yīng)可分為熱

31、彈效應(yīng)和熱蝕效應(yīng)兩種。在較低的吸收率下，表面吸收的熱量不超過其融化溫度，產(chǎn)生的是短時(shí)膨脹過程，與該膨脹相關(guān)的應(yīng)力波絕大部分在彈性范圍內(nèi)，該方式稱為熱彈效應(yīng)。在高能作用下，物體的溫度升高，超過了其蒸發(fā)溫度，產(chǎn)生燒蝕現(xiàn)象，使材料表面氣化，形成等離子體，于是有一垂直表面的反作用力作用在表面，形成彈性波源，該方式稱為熱蝕效應(yīng)。在熱彈性區(qū)，激光產(chǎn)生的應(yīng)力波大小與吸收光的能量呈正比，對于均勻能量分布，可用一維模型描述激光束在材料表面產(chǎn)生的應(yīng)力，其在材料表面產(chǎn)生的應(yīng)力-應(yīng)變與材料表面吸收的激光能量呈正比統(tǒng)。3 激光外差干涉概述3.1 光電檢測3.1.1 系統(tǒng)分類光電檢測系統(tǒng)的分類有五個(gè)主要的方向：按信息光源

32、分為主動系統(tǒng)和被動系統(tǒng)；按接受系統(tǒng)分為點(diǎn)探測和面探測系統(tǒng)；按調(diào)制和信號處理方式分為模擬系統(tǒng)和數(shù)字系統(tǒng)；按光波對信號的攜帶方式分為直接檢測系統(tǒng)和光外差檢測系統(tǒng)；按光源波長分為紅外系統(tǒng)和可見光系統(tǒng)。 在我國，無損檢測一詞最早被稱之為探傷或無損探傷，其不同的方法也同樣被稱之為探傷，如射線探傷、超聲波探傷、磁粉探傷、滲透探傷等等。這一稱法或?qū)懛◤V為流傳，并一直沿用至今，其使用率并不亞于無損檢測一詞。在國外，無損檢測一詞相對應(yīng)的英文詞，除了該詞的前半部分即non- destructive 的寫法大多相同外，其后半部分的寫法就各異了。如日本習(xí)慣寫作inspection，歐洲不少國家過去曾寫作 flaw d

33、etection、現(xiàn)在則統(tǒng)一使用testing，美國除了也使用testing 外，似乎更喜歡寫作 examination 和 evaluation。這些詞與前半部分結(jié)合后，形成的縮略語則分別是ndi、ndt 和nde，翻譯成中文就出現(xiàn)了無損探傷、無損檢查(非破壞檢查)、無損檢驗(yàn)、無損檢測、無損評價(jià)等不同術(shù)語形式和寫法。實(shí)際上，這些不同的英文及其相應(yīng)的中文術(shù)語，它們具有的意相同，都是同義詞。為此，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織無損檢測技術(shù)委員會制定并發(fā)布了一項(xiàng)新的國際標(biāo)準(zhǔn)，旨在將這些不同形式和寫法的術(shù)語統(tǒng)一起來，明確它們是有一個(gè)相同定義的術(shù)語、都是同義詞，即等同于無損檢測(non- destryctive te

34、sting)。而不同的寫法，僅僅是由于語言習(xí)慣不同而已。目前用于無損檢測的方法很多。除了5種常規(guī)(射線、超聲、磁粉、滲透和渦流)方法外，還有紅外、激光、聲發(fā)射、微波，工業(yè)ct等。下面是一些常見的無損檢測的方法： 1、射線探傷(radiographictesting)。利用x射線或射線在穿透被檢物各部分時(shí)強(qiáng)度衰減的不同，檢測被檢物的缺陷。若將受到不同程度吸收的射線投射到x射線膠片上，經(jīng)顯影后可得到顯示物體厚度變化和內(nèi)部缺陷情況的照片。如用熒光屏代替膠片，可直接觀察被檢物體的內(nèi)部情況。2、超聲檢測(ultrasonictesting)。利用物體自身或缺陷的聲學(xué)特性對超聲波傳播的影響，來檢測物體的缺

35、陷或某些物理特性。在超聲檢測中常用的超聲頻率為0.55兆赫(mhz)。最常用的超聲檢測是脈沖探傷。3、聲發(fā)射檢測(acousticemissiontesting)。通過接收和分析材料的聲發(fā)射信號來評定材料的性能或結(jié)構(gòu)完整性。材料中因裂縫擴(kuò)展、塑性變形或相變等引起應(yīng)變能快速釋放而產(chǎn)生應(yīng)力波的現(xiàn)象稱為聲發(fā)射。材料在外部因素作用下產(chǎn)生的聲發(fā)射，被聲傳感器接收轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)放大后送至信號處理器，從而測量出聲發(fā)射信號的各種特征參數(shù)。4、滲透探傷(penetranttesting)。利用某些液體對狹窄縫隙的滲透性來探測表面缺陷。常用的滲透液為含有有色染料或熒光的液體。5、磁粉探傷(magnetictes

36、ting)。通過磁粉在物體缺陷附近漏磁場中的堆積來檢測物體表面或近表面處的缺陷，被檢測物體必須具有鐵磁性。航空航天材料和工藝的發(fā)展與無損檢測有密切的關(guān)系。20世紀(jì)30年代初磁粉探傷用以檢驗(yàn)航空鋼零件。1935年，x射線開始用于檢查飛機(jī)木質(zhì)螺旋槳。在第二次世界大戰(zhàn)期間，飛機(jī)已經(jīng)大量使用鋁合金和鎂合金，為了檢查這些非鐵磁性材料的表面缺陷，開始使用熒光滲透檢驗(yàn)法。3.1.2 激光超聲檢測激光超聲利用高能激光脈沖來激發(fā)超聲波并用激光來檢測超聲回波(穿透波或發(fā)射波)，具有非接觸、遠(yuǎn)距離探測、頻帶寬及檢測可達(dá)性好等優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于一些惡劣環(huán)境，如高溫、腐蝕、輻射及具有較快運(yùn)動速度的被檢件。激光超聲的接收主

37、要有傳感器檢測和光學(xué)法檢測兩類。 傳感器檢測包括壓電陶瓷換能器檢測，電磁聲換能器檢測，電容聲換能器檢測。這些檢測方法,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，才能獲得高的檢測靈敏度20。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一種新型的無損檢測手段，該方法具有非接觸、靈敏度高等特點(diǎn)，能夠克服傳統(tǒng)超聲波檢測需要耦合劑的缺點(diǎn)，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(xì)分為非干涉檢測技術(shù)和干涉檢測技術(shù)兩種。直接檢測(非相干檢測)是利用光源發(fā)射的光強(qiáng)攜帶信息，直接把接受到的

38、光強(qiáng)變化轉(zhuǎn)換為電信號的變化。目前廣泛使用的是外插干涉儀、共焦 f - p 干涉儀是線性干涉儀，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)的。激光超聲技術(shù)是利用開關(guān)脈沖激光器發(fā)出的激光束照射被測物體，激發(fā)出超聲波，采用干涉儀顯示該超聲波的干涉條紋。與常規(guī)超聲檢測相比，激光超聲檢測的主要優(yōu)越性是： (1)能實(shí)現(xiàn)一定距離之外的非接觸檢測，不存在耦合與匹配問題。 (2)利用超短激光脈沖可以得到超短聲脈沖和高時(shí)間分辨率，可以在寬帶范圍內(nèi)提取信息，實(shí)現(xiàn)寬帶檢測。 (3)易于聚焦，實(shí)現(xiàn)快速掃描和成像。3.2 光外差干涉測試技術(shù)3.2.1 概述由于單頻激光干涉儀的光強(qiáng)信號及光電轉(zhuǎn)換

39、器件輸出的電信號都是直流量，直流漂移是影響測量準(zhǔn)確度的重要原因，信號處理及細(xì)分都比較困難。為了提高光學(xué)干涉測量的準(zhǔn)確度，七十年代起有人將電通訊的外差技術(shù)移植到光干涉測量領(lǐng)域，發(fā)展了一種新型的光外差干涉技術(shù)21。光外差干涉是指兩只相干光束的光波頻率產(chǎn)生一個(gè)小的頻率差，引起干涉場中干涉條紋的不斷掃描，經(jīng)光電探測器將干涉場中的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，由電路和計(jì)算機(jī)檢出干涉場的相位差。光外差干涉所具備的特點(diǎn)：克服單頻干涉儀的漂移問題；細(xì)分變得容易；提高了抗干擾性能。3.2.2 光外差干涉原理光外差探測在激光通信、雷達(dá)、測長、測速、測振、光譜學(xué)等方面都很有用。其探測原理與微波及無線電外差探測原理相似。光外差

40、探測與光直接探測比較，其測量精度要高78個(gè)數(shù)量級。激光受大氣湍流效應(yīng)影響嚴(yán)重，破壞了激光的相干性，因而目前遠(yuǎn)距離外差探測在大氣中應(yīng)用受到限制，但在外層空間特別是衛(wèi)星之間通信聯(lián)系已達(dá)到實(shí)用階段。光外差探測與直接探測相比較有許多優(yōu)點(diǎn)，在直接探測中由于光的振動頻率高達(dá)210137.51014hz，振動周期t為510-14 1.310 -15 s (可見光到中近紅外)，而探測器響應(yīng)時(shí)間最短1-10 s, 它只能響應(yīng)其平均能量或平均功率。在直接探測中，設(shè)光波動的圓頻率為，振幅為a，則光波 f(t)= acost (3.1)平均功率 (3.2) (3.3)探測器 放大器 fs-fl 信號光源f1 f2 本

41、振 光束 圖3.1外差探測原理示意圖fs為信號光波，fl為本機(jī)振蕩(本振)光波，這兩束平面平行的相干光，經(jīng)過分光鏡和可變光闌入射到探測器表面進(jìn)行混頻，形成相干光場。經(jīng)探測器變換后，輸出信號中包含fc fs fl的差頻信號。故又稱相干探測。3.2.3 光外差探測系統(tǒng)光學(xué)外差探測利用一個(gè)頻率與被測相干輻射的頻率相近的參考激光輻射在探測元件（通常由光電導(dǎo)材料、光生伏打材料或光電發(fā)射材料制成）中與被測輻射混頻而產(chǎn)生差頻。光學(xué)外差探測只受到散粒噪聲的限制，因而探測率比直接探測或零差探測高幾個(gè)數(shù)量級。零差探測的本振信號經(jīng)分光器從發(fā)射光源分離出來,與調(diào)制后的接收信號混頻產(chǎn)生外差信號, 本振信號的頻率相同,差

42、頻為零, 主要優(yōu)點(diǎn):省去了本振器,比外差探測簡單,可靠;發(fā)射光頻的穩(wěn)定性可以放寬;光頻移速率可經(jīng)接收頻差除以光往返時(shí)間測定,距離大于l0km。光外差干涉系統(tǒng)又稱雙頻干涉系統(tǒng)或交流干涉系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用兩種不同頻率的單色光作為測量光束和參考光束。通過光電探測器的混頻，輸出差頻信號（受光電探測器頻響的限制，頻差一般在 100兆赫以內(nèi)）。被測物體的變化如位移、振動、轉(zhuǎn)動、大氣擾動等引起的光波相位變化或多普勒頻移載于此差頻上，經(jīng)解調(diào)即可獲得被測數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。系統(tǒng)工作原理圖如3.1所示。光外差干涉系統(tǒng)的突出優(yōu)點(diǎn)是：(1)由于物體變化所產(chǎn)生的多普勒頻移信息是載于穩(wěn)定的差頻上，且其頻率較高（幾兆至100兆赫）,

43、因此，光電探測時(shí)避過了激光器的低頻噪聲和半導(dǎo)體器件的1/噪聲區(qū);又利用頻率跟蹤等外差解調(diào)技術(shù)大量濾除了寬帶噪聲，因此提高了光電信號的信噪比。例如零差干涉測長系統(tǒng)中，當(dāng)測量光束受外界干擾光強(qiáng)衰減50時(shí)，就不易正常工作，而外差干涉測長系統(tǒng)則可在光強(qiáng)衰減90時(shí)仍能正常工作，因此能用于生產(chǎn)現(xiàn)場，并能測量較長距離（大于60米）。(2)可以直接從輸出頻率相對于差頻的增減判別運(yùn)動的方向，因此可以測量物體的連續(xù)變化過程如隨機(jī)振動波形，氣流擾動隨時(shí)間變化過程，而零差干涉系統(tǒng)較難實(shí)現(xiàn)。掃描輸出坐標(biāo)（xi, yi） 基準(zhǔn)坐標(biāo)（x0, y0） （a） t 1/ t i(x, y, t) （b） 探測器 圖3.2 外差

44、干涉圖樣和電信號掃描輸出坐標(biāo)（xi, yi） 基準(zhǔn)坐標(biāo)（x0, y0） （a） t 1/ t i(x, y, t) （b） 探測器 圖3.2為非相干檢測，利用光源發(fā)射的光強(qiáng)攜帶信息如(a)圖所示，直接把接受到的光強(qiáng)變化轉(zhuǎn)換為電信號的變化如(b)所示。光外差干涉系統(tǒng)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于測速、測長、測角、測振、測表面光潔度、測激光束通過湍流時(shí)光束的擾動、提高望遠(yuǎn)鏡的視軸瞄準(zhǔn)精度以及作自適應(yīng)光學(xué)中的鑒相器等領(lǐng)域，獲得了比零差干涉系統(tǒng)更高的精度。光外差干涉系統(tǒng)中兩種不同頻率的光束可由兩只穩(wěn)頻的激光器提供，也可以利用磁光、電光、聲光效應(yīng)或旋轉(zhuǎn)光柵盤的衍射效應(yīng)提供。光外差干涉系統(tǒng)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于測速、測長、測角、

45、測振、測表面光潔度、測激光束通過湍流時(shí)光束的擾動、提高望遠(yuǎn)鏡的視軸瞄準(zhǔn)精度以及作自適應(yīng)光學(xué)中的鑒相器等領(lǐng)域，獲得了比零差干涉系統(tǒng)更高的精度。光外差干涉系統(tǒng)中兩種不同頻率的光束可由兩只穩(wěn)頻的激光器提供，也可以利用磁光、電光、聲光效應(yīng)或旋轉(zhuǎn)光柵盤的衍射效應(yīng)提供。3.3 激光外差干涉測試系統(tǒng)3.3.1 測試系統(tǒng)的原理在干涉場中，放入兩個(gè)探測器，一個(gè)放在基準(zhǔn)點(diǎn)(x0, y0)處，稱之為基準(zhǔn)探測器，其輸出基準(zhǔn)信號i(x0, y0, t)，另一個(gè)放在干涉場某探測點(diǎn)(xi, yi)處，稱之為掃描探測器，輸出信號為i(xi, yi, t) 。將兩信號相比，測出信號的過零時(shí)間差t，便可知道二者的光學(xué)位相差 (3

46、.4)由控制系統(tǒng)控制掃描探測器對整個(gè)干涉場掃描，就可以測出干涉場各點(diǎn)的位相差。外差干涉需要雙頻光源。其頻差根據(jù)需要選定。1） 塞曼效應(yīng)nd:yag激光器可得到12mhz的頻差；2） 雙縱模nd:yag激光器頻差約600mhz（較大）；3） 光學(xué)機(jī)械移頻a) 當(dāng)干涉儀中的參考鏡以勻速v 沿光軸方向移動時(shí)，則垂直入射的反射光將產(chǎn)生的頻移為。b) 如果圓偏振光通過一個(gè)旋轉(zhuǎn)中的半波片，則透射光將產(chǎn)生兩倍于半波片旋轉(zhuǎn)頻率f 的頻移，即。c) 在參考光路中放入一個(gè)固定的1/4波片和一旋轉(zhuǎn)的1/4波片，如果固定1/4波片的主方向定位合適，它可以把入射的線偏振光轉(zhuǎn)變?yōu)閳A偏振光。該圓偏振光兩次穿過旋轉(zhuǎn)的1/4波

47、片，使其產(chǎn)生2f的頻移。圓偏振光再次穿過固定1/4波片后又恢復(fù)為線偏振光，但頻率已發(fā)生偏移d) 垂直于入射光束方向移動（勻速）光柵的方法也可以使通過光柵的第n級衍射光產(chǎn)生頻移，此處f 是光柵的空間頻率，v是光柵移動速度。4） 聲光調(diào)制器利用布拉格盒（braggcell）聲光調(diào)制器可以起到與移動光柵同樣的移頻效果。這時(shí)超聲波的傳播就相當(dāng)于移動光柵，其一級衍射光的頻移量就等于布拉格盒的驅(qū)動頻率f，而與光的波長無關(guān)。激光干涉測長的基本原理圖如下圖3.3所示。顯示裝置 光電計(jì)數(shù)器 nd:yag 激 光器 待測物 可移動臺 光電顯微鏡 激光束 光束2 光束1 邁克爾遜干涉儀 bs 圖3.3激光干涉測長的

48、基本原理圖3.3.2 激光外差干涉測長激光散斑無損檢測技術(shù)是通過被檢物體在加載前后的激光散斑圖的疊加，從而在有缺陷部位形成干涉條紋。使用角錐棱鏡代替了平面反射鏡作為反射器，一方面避免了反射光束反饋回激光器而對激光器帶來的不利影響，另一方面由于角錐棱鏡的特點(diǎn)，使得出射光束與入射光束平行，而棱鏡繞任一轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動均不影響出射光束的方向，當(dāng)它繞光學(xué)中心轉(zhuǎn)動的角度不大時(shí)，它對光程的影響也是產(chǎn)生效果中不能忽視的。角錐棱鏡的形狀相當(dāng)于立方體切下來的一個(gè)角，它的三個(gè)內(nèi)表面作為光學(xué)反射面并相互垂直。當(dāng)光從基面入射，可在三個(gè)直角面上依次反射，仍從基面出射。出射光線與入射光線總保持平行。軟件取值法主要是通過直接采樣

49、干涉信號，然后通過計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理獲得相位信息。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，軟件取值法要求設(shè)計(jì)的外差干涉系統(tǒng)、激光器的輸出功率與頻率均需要有相當(dāng)高的穩(wěn)定性，ad轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率應(yīng)大于系統(tǒng)外差頻率(即調(diào)制頻率1t)的三倍，而且它一般采用ccd線陣或面陣作為光電探測器。因此，造價(jià)高且頻響低，適用于調(diào)制頻率較低(lkhz)的場合。應(yīng)用受到一定程度的限制。所以，設(shè)計(jì)研制了硬件取值法來實(shí)現(xiàn)相位的高精度測量。硬件取值法主要是通過把光電探測器探測到的信號經(jīng)過放大處理后，再整形成方波信號。在信號輸入到相位檢測器之前，需經(jīng)隔直流、自動增益放大、波形整形使之變成方波信號供相位檢測器件使用。而方波信號經(jīng)鑒相器、電荷泵、濾波電路、信

50、號抬高放大電路后就得到了與相位差成正比的電壓信號。光外差干涉技術(shù)可以用于測量象平面上每一點(diǎn)的光程差 (opd)值，這就是說，當(dāng)探測器位于象平面上一點(diǎn)時(shí)就可獲得正比于該點(diǎn)opd的電壓，這種系統(tǒng)不記錄條紋，而是把象面上每點(diǎn)opd值直接輸給計(jì)算機(jī)處理。圖3.3表示一個(gè)簡單系統(tǒng)，以說明外差相位測量原理。設(shè)測試光路和參考光路的光波頻率分別為和+，則干涉場的瞬時(shí)光強(qiáng)為由于光電探測器的頻率響應(yīng)范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于光頻，它不能跟隨光頻變化，所以式中含有2的交變項(xiàng)對探測器的輸出響應(yīng)無貢獻(xiàn)。干涉場中某點(diǎn)（x，y）處光強(qiáng)以低頻隨時(shí)間呈余弦變化。頻帶寬度的光電探測器上合成，探測器響應(yīng)是電場強(qiáng)度和的平方，表示為： (3.5)

51、(3.6) (3.7) (3.8)激光器數(shù)據(jù)處理1/4波片準(zhǔn)直系統(tǒng)可動角隅棱鏡檢偏器v探測器 前置放大器f2 f1f1ff2f1f2f1f圖3.4 雙頻激光器外差干涉測長原理圖偏振分光鏡f2f1f2（f1f）由于是利用物體表面反射的光通過棱鏡后產(chǎn)生的微小剪切量形成散斑干涉圖，不需要參考光路，因此外界干擾的影響小，檢測時(shí)不需要防震工作臺，便于在現(xiàn)場使用。隨著激光散斑測量技術(shù)的發(fā)展，采用ccd攝像機(jī)輸出干涉圖像信號，省去了顯影、定影等繁雜的濕處理程序，大大提高了檢測效率，同時(shí)可直接將輸出的數(shù)字化信號與計(jì)算機(jī)連接，自動處理，并可在計(jì)算機(jī)屏幕上實(shí)時(shí)觀察到干涉圖形，現(xiàn)場應(yīng)用十分方便。是將激光超聲加載到高

52、頻范圍內(nèi)處理, 避開低頻1/f 噪聲的干擾。但激光超聲信號的幅值強(qiáng)度很小(其位移幅值一般在微米量級), 通常的外差干涉系統(tǒng), 因使用的光學(xué)器件較多, 會出現(xiàn)很多雜光, 光路噪聲大, 信噪比低。差頻信號是由具有恒定頻率（近于單頻）和恒定相位的相干光混頻得到的，只有激光才能實(shí)現(xiàn)外差探測。3.4 光外差檢測優(yōu)勢（一）光外差檢測不僅可檢測振幅和強(qiáng)度調(diào)制的光信號，還可檢測頻率調(diào)制及相位調(diào)制的光信號。（二）光外差檢測器輸出電流振幅為 (3.9)式中，分別為信號光功率和本振光功率。在直接檢測中，輸出信號電流的振幅為 (3.10)外差轉(zhuǎn)換增益為 (3.11)由上述推到我們可以發(fā)現(xiàn)在光外差檢測中，本機(jī)振蕩光功率

53、比信號光功率大幾個(gè)數(shù)量級，所以，外差轉(zhuǎn)換增益可以高達(dá)107 10 8 。由此看出，外差檢測靈敏度比直接檢測靈敏度高107 10 8 倍。（三）光外差檢測對背景光有強(qiáng)抑制作用。如果取差頻信號寬度c / 2 =l-s /2為信息處理器的通頻帶f，那么只有與本機(jī)振蕩光束混頻后在此頻帶內(nèi)的雜光可以進(jìn)入系統(tǒng)，其他雜光所形成的噪聲均被信號處理器濾掉。因此，光外差檢測系統(tǒng)中不需要加光譜濾光片，其效果甚至比加濾光片的直接檢測系統(tǒng)還好得多。（四）外差檢測抗干擾性強(qiáng)如果入射到探測器上的光場不僅存在信號光波ps，還存在背景光波pb，輸出信噪比為 (3.12)上述說明外差探測的輸出信噪比等于信號光波和背景光波振幅的比值，輸人信噪比等于輸出信噪比，輸出信躁比沒有任何損失。但是，當(dāng)本振光功率足夠大時(shí)，本振光產(chǎn)生的散粒噪聲遠(yuǎn)大于其他噪聲。本振光功率繼續(xù)增大時(shí)，由本振光所產(chǎn)生的散粒噪聲隨之增大，從而使光外差探測系統(tǒng)的倍噪比降低。所以，在實(shí)際的光外差探測系統(tǒng)中要合理選擇本振光功率的大小，以便得到最佳信噪比和較大的中頻轉(zhuǎn)換增益。（五）穩(wěn)定性和可靠性較高即使被測參量為0，載波信號仍保持穩(wěn)定的幅度。3.5 本章小結(jié)綜上所述，外差干涉技術(shù)具有很高的空間分辨力，理論值達(dá)1000。因此，必須設(shè)計(jì)一套與之相匹配的高精度相位檢測系統(tǒng)，根據(jù)采用的數(shù)據(jù)處理方法及所需的光電器件不同，可采用軟件取值法與硬件取