激光超聲檢測(cè)原理與應(yīng)用課件.

1、激光超聲檢測(cè)原理與應(yīng)用激光超聲檢測(cè)原理與應(yīng)用1 1 激光產(chǎn)生超聲的機(jī)理激光產(chǎn)生超聲的機(jī)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(cè)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(cè)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(jī)制熱彈機(jī)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(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、縱波和表面波。在這種機(jī)制下，聲信號(hào)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(cè)

2、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。熱彈激發(fā)機(jī)理原理如圖1-11.2 1.2 燒蝕機(jī)制燒蝕機(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)效率比熱彈機(jī)制高4個(gè)數(shù)量級(jí)。但由于它每次對(duì)表面產(chǎn)生約0.3m的損傷，所以只能用于某些場(chǎng)合，且通常用來產(chǎn)生超聲縱波。熱彈機(jī)制由于對(duì)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(jī)理原理如圖燒蝕激發(fā)機(jī)理原理如圖1-21-2。1.3 1.3 其他激發(fā)機(jī)

3、理其他激發(fā)機(jī)理1.3.11.3.1熱柵激發(fā)熱柵激發(fā)( (簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)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(jī)制非熱機(jī)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(cè)系統(tǒng)激光超聲檢測(cè)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(cè)傳感器檢測(cè)光學(xué)法檢測(cè)兩類光學(xué)法檢測(cè)兩類傳感器檢測(cè)包括壓電陶瓷換能器檢測(cè)，電磁聲傳感器檢測(cè)包括壓電陶瓷換能器檢測(cè)，電磁聲換能器檢測(cè)，電容聲換能器檢測(cè)。這些檢測(cè)方換能器檢測(cè)，電容聲換能器檢測(cè)。這些檢測(cè)方法法,可以十分簡(jiǎn)便地接收到激光超聲信號(hào)，但傳

4、可以十分簡(jiǎn)便地接收到激光超聲信號(hào)，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(cè)靈敏度。并且超聲檢測(cè)用，才能獲得高的檢測(cè)靈敏度。并且超聲檢測(cè)用壓電換能器接收超聲信號(hào)這種方法需要用耦合壓電換能器接收超聲信號(hào)這種方法需要用耦合劑，對(duì)被測(cè)樣品會(huì)產(chǎn)生影響。劑，對(duì)被測(cè)樣品會(huì)產(chǎn)生影響。利用光學(xué)方法探測(cè)材料表面的超聲振動(dòng)是利用光學(xué)方法探測(cè)材料表面的超聲振動(dòng)是種新型種新型的無損檢測(cè)手段，該方法具有非接觸、靈敏度高等的無損檢測(cè)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(cè)需要耦合劑的缺點(diǎn)特點(diǎn)，能夠克服傳統(tǒng)超聲波檢測(cè)需要耦合劑的缺點(diǎn)，是真正意

5、義上的非接觸、寬帶檢測(cè)技術(shù)。光學(xué)法，是真正意義上的非接觸、寬帶檢測(cè)技術(shù)。光學(xué)法檢測(cè)技術(shù)又可細(xì)分為非干涉檢測(cè)技術(shù)和干涉檢測(cè)技檢測(cè)技術(shù)又可細(xì)分為非干涉檢測(cè)技術(shù)和干涉檢測(cè)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(dòng)勢(shì)干涉儀則屬于非線性光學(xué)干涉儀以及光感生電動(dòng)勢(shì)干涉儀則屬于非線性光學(xué)的。的。2.1 2.1 非干涉檢測(cè)技術(shù)非干涉檢測(cè)技術(shù)2.1.12.1.1刀刃檢測(cè)技術(shù)刀刃檢測(cè)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.

6、1.3反射率檢測(cè)技術(shù)反射率檢測(cè)技術(shù)當(dāng)照射到樣品表面的檢測(cè)光束直徑小于激光超聲波長(zhǎng)時(shí)，檢測(cè)光的反射光由于樣品表面超聲振動(dòng)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(cè)器測(cè)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(cè)極限為103nm；對(duì)于拋光的非吸收面，檢測(cè)帶寬可達(dá)到MHz 量級(jí)。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(jiǎn)單，頻帶寬，環(huán)境振動(dòng)影響小等優(yōu)點(diǎn)，是對(duì)拋光表面樣品進(jìn)行超聲檢測(cè)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

7、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(cè)這引起樣品鏡式或彌散式反射率的變化，通過檢測(cè)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(cè)中獲得了成功的應(yīng)用。波。已在光熱檢測(cè)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(gè)聲波的波長(zhǎng)時(shí)，由于當(dāng)入射光斑的尺寸相當(dāng)于幾個(gè)聲波的波長(zhǎng)時(shí)，由于BraggBragg效應(yīng)或效應(yīng)或Raman-NathRaman-Nath效應(yīng)，會(huì)產(chǎn)生一級(jí)或多級(jí)效應(yīng)，會(huì)產(chǎn)生一級(jí)或多級(jí)衍射光，通過測(cè)量衍射光的強(qiáng)度和偏轉(zhuǎn)角，可測(cè)定衍射光，通過測(cè)量衍射光

8、的強(qiáng)度和偏轉(zhuǎn)角，可測(cè)定超聲波的特性。已在連續(xù)聲波測(cè)量中獲得了廣泛應(yīng)超聲波的特性。已在連續(xù)聲波測(cè)量中獲得了廣泛應(yīng)用。用。刀刃檢測(cè)技術(shù)其裝置圖2.2 2.2 干涉檢測(cè)技術(shù)干涉檢測(cè)技術(shù)2.2.12.2.1線性干涉檢測(cè)技術(shù)線性干涉檢測(cè)技術(shù)1自差干涉檢測(cè)2外差干涉檢測(cè)技術(shù)3共焦F-P干涉檢測(cè)技術(shù)2.2.2 2.2.2 非線性干涉檢測(cè)技術(shù)非線性干涉檢測(cè)技術(shù)1相位共軛干涉檢測(cè)2雙波混合干涉檢測(cè)3光感生電動(dòng)勢(shì)（Photo-EMF）干涉檢測(cè)1 1自差干涉檢測(cè)自差干涉檢測(cè)自差干涉檢測(cè)是將樣品表面直接作為邁克爾遜干涉自差干涉檢測(cè)是將樣品表面直接作為邁克爾遜干涉儀測(cè)量臂中的反射鏡。激光器發(fā)射的脈沖激光被分儀測(cè)量臂中的

9、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(jìn)入探測(cè)器；另一路經(jīng)反射鏡反射光再經(jīng)分束鏡后進(jìn)入探測(cè)器；另一路經(jīng)反射鏡和分束鏡后也進(jìn)入探測(cè)器，二者發(fā)生干涉。和分束鏡后也進(jìn)入探測(cè)器，二者發(fā)生干涉。2外差干涉檢測(cè)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(cè)儀。脈沖激光器發(fā)出的光束，經(jīng)分束鏡分成兩檢測(cè)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

10、，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(hào)光發(fā)生干涉。由探測(cè)反射后與樣品表面反射的信號(hào)光發(fā)生干涉。由探測(cè)器檢測(cè)出頻移和干涉光強(qiáng)度，從而得到樣品超聲振器檢測(cè)出頻移和干涉光強(qiáng)度，從而得到樣品超聲振動(dòng)的位移信息。動(dòng)的位移信息。3共焦F-P干涉檢測(cè)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(dòng)共焦法布里一珀羅干涉儀屬于速度型干涉儀，基于振動(dòng)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(hào)的調(diào)制，再由共焦球面法布里珀羅干涉儀解聲波信號(hào)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)?/p>

11、光強(qiáng)調(diào)制，從而檢測(cè)超聲振動(dòng)信號(hào)。調(diào)，將頻率調(diào)制變?yōu)楣鈴?qiáng)調(diào)制，從而檢測(cè)超聲振動(dòng)信號(hào)。這種干涉儀具有帶寬、靈敏及較大入射孔徑的特點(diǎn)，只這種干涉儀具有帶寬、靈敏及較大入射孔徑的特點(diǎn)，只對(duì)固體表面的振動(dòng)速度靈敏，對(duì)周圍環(huán)境振動(dòng)較不敏感，對(duì)固體表面的振動(dòng)速度靈敏，對(duì)周圍環(huán)境振動(dòng)較不敏感，有很強(qiáng)的聚光能力，且結(jié)構(gòu)緊湊，適用于對(duì)光學(xué)粗糙表有很強(qiáng)的聚光能力，且結(jié)構(gòu)緊湊，適用于對(duì)光學(xué)粗糙表面的檢測(cè)，但其頻率響應(yīng)不夠平坦，呈帶通型，在需精面的檢測(cè)，但其頻率響應(yīng)不夠平坦，呈帶通型，在需精密測(cè)量超聲波形的場(chǎng)合這將引入一定的誤差。密測(cè)量超聲波形的場(chǎng)合這將引入一定的誤差。3 3 激光超聲技術(shù)在無損檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用概況激光超

12、聲技術(shù)在無損檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用概況3.1 3.1 高精度的無損檢測(cè)高精度的無損檢測(cè)3.2 3.2 惡劣環(huán)境下的材料特性測(cè)量惡劣環(huán)境下的材料特性測(cè)量3.3 3.3 材料特性的檢測(cè)材料特性的檢測(cè)3.4 3.4 薄膜、復(fù)合材料檢測(cè)，以及材料高溫特性等的研究薄膜、復(fù)合材料檢測(cè)，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(duì)衍射超聲波渡越時(shí)間差的分析，可以非常準(zhǔn)確地對(duì)衍射超聲波渡越時(shí)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

13、置，其精度可優(yōu)于，其精度可優(yōu)于0.1mm。在這種檢測(cè)系統(tǒng)中，最引。在這種檢測(cè)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(cè)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)表明，用這種全光所構(gòu)成的全光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)表明，用這種全光學(xué)系統(tǒng)對(duì)亞表面缺陷進(jìn)行檢測(cè)，除可探知缺陷的存學(xué)系統(tǒng)對(duì)亞表面缺陷進(jìn)行檢測(cè)，除可探知缺陷的存在，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(jìn)而可弄清缺陷的詳細(xì)情況。模式轉(zhuǎn)換，進(jìn)而可弄清缺陷的詳細(xì)情況。由于超聲能透入金屬內(nèi)部，大多數(shù)需要測(cè)量的材料由于超聲能透入金屬內(nèi)部，大多數(shù)需要測(cè)量的材料特性

14、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(duì)二者都有影響。再加上激光超聲的特點(diǎn)，它或者對(duì)二者都有影響。再加上激光超聲的特點(diǎn)，它就能夠測(cè)量材料的以下各項(xiàng)特性：就能夠測(cè)量材料的以下各項(xiàng)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(cè)量薄片的能力，幾微米厚的金屬片測(cè)量誤差約測(cè)量薄片的能力，幾微米厚的金屬片測(cè)量誤差約2 2，并且可以進(jìn)行高溫在線測(cè)厚。，并且可以進(jìn)行高溫在線測(cè)厚。(2)(2)力學(xué)特性，如測(cè)量殘余應(yīng)力、彈性模量等。力學(xué)特性，如測(cè)量殘余應(yīng)力、彈性模量等。(3)(3)缺陷檢測(cè)。因?yàn)榧す獬暀z測(cè)

15、技術(shù)對(duì)包括縱波、缺陷檢測(cè)。因?yàn)榧す獬暀z測(cè)技術(shù)對(duì)包括縱波、橫波和表面波在內(nèi)的整個(gè)超聲波都是靈敏的，所以橫波和表面波在內(nèi)的整個(gè)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(cè)體內(nèi)，表面和它可以通過選擇不同的波形，來探測(cè)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(diǎn)，使得其特別適合于在惡劣的環(huán)境下（入性等特點(diǎn)，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(cè)環(huán)境或被如高溫高壓、高濕、有毒、酸、堿及檢測(cè)環(huán)境或被測(cè)工件存在核輻射、強(qiáng)腐蝕性和化學(xué)反應(yīng)等），對(duì)測(cè)工件存在核輻射、強(qiáng)腐蝕性和化學(xué)反應(yīng)等），對(duì)工件進(jìn)行在線檢測(cè)。工件進(jìn)行在線檢測(cè)?，F(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(zhǎng)管長(zhǎng)5.55.512m12m，溫度，溫度1230 1230