激光超聲波可視化檢測儀

..「激光超聲波可視化檢測儀」及其應(yīng)用羅朝莉

王波

林〔金波檢測儀器XX公司

luozhaolijinbotesting.〕摘要：激光超聲檢測是超聲檢測開展起來的新分支，屬于光、聲、電等的穿插科學(xué)。與傳統(tǒng)的超聲檢測技術(shù)相比,激光超聲波可視化技術(shù)以其非接觸地高速掃描檢測，消除了傳統(tǒng)超聲檢測技術(shù)中的耦合劑影響，用于各種較復(fù)雜形狀工件的無損檢測。加之可重復(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，使之成為極具應(yīng)用前景的無損檢測新技術(shù)。本公司在日本筑波科技株式會社的大力協(xié)助下，成功研發(fā)了「激光超聲波可視化檢測儀」。應(yīng)用該儀器對各種難檢樣件進(jìn)展實(shí)際檢測，其效果甚佳。關(guān)鍵詞：激光超聲；可視化；檢測技術(shù)1.「激光超聲波可視化檢測儀」簡介激光超聲檢測技術(shù)是用強(qiáng)度調(diào)制激光束射入物體時(shí)發(fā)生熱彈效應(yīng)產(chǎn)生聲波,通過檢測該聲波對金屬、非金屬及復(fù)合材料等外表和部進(jìn)展無損檢測。目前，多數(shù)激光超聲技術(shù)采用脈沖激光照射試樣外表產(chǎn)生超聲波，利用傳感器或光學(xué)系統(tǒng)接收。采用壓電傳感器與試樣耦合接收激光超聲產(chǎn)生的寬帶信號。如圖1所示，傳感器必須與試件接觸，才能獲得較高的靈敏度；或者利用空氣超聲傳感器接近試件外表〔距離試件不超過5mm〕接收激光超聲信號，一但距離加大，接收信號的靈敏度衰減甚快。圖1

激光鼓勵(lì)產(chǎn)生超聲波

圖2

激光超聲波可視化檢測儀可視化技術(shù)是圖形學(xué)的新領(lǐng)域，它運(yùn)用圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)，將計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)化成圖像，呈現(xiàn)在計(jì)算機(jī)屏幕上，用圖像直觀地表達(dá)抽象數(shù)據(jù)所蘊(yùn)含的容，從而使人們加深對數(shù)據(jù)的理解和利用，更好地分析和洞察在聯(lián)系，可視一些以前不能被看見的奧秘?！讣す獬暡梢暬瘷z測儀」是將激光超聲檢測技術(shù)與可視化技術(shù)相結(jié)合，采用脈沖激光掃描產(chǎn)生超聲波信號，通過對接收信號進(jìn)展高度同步處理來實(shí)現(xiàn)超聲波傳播過程可視化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)"一目了然〞地發(fā)現(xiàn)工件的部損傷。在檢測時(shí)，用脈沖激光照射物體外表，由局部瞬間熱膨脹而產(chǎn)生超聲波并在該物體部傳播，當(dāng)它到達(dá)異常部位時(shí)返回到物體外表的反射波被觀察到。以此，可實(shí)時(shí)觀察到物體構(gòu)造及物理性能的變化對超聲信號的影響，也可動態(tài)地觀察超聲波在物體中的實(shí)際傳播過程，從而直觀地檢測出物體部的損傷?！讣す獬暡梢暬瘷z測儀」如圖2所示。2.可視化檢測實(shí)例2.1薄板檢測圖3為檢測樣件照片。如圖4樣件尺寸為300×150×t2mm的薄鋁板，鋁板中間部位制作一個(gè)人工缺陷，缺陷長度8mm、寬度0.2mm、深度0.2mm。將「激光超聲波可視化檢測儀」的激光發(fā)射器能量調(diào)節(jié)到15A，中心頻率2MHz，且將晶片尺寸為5×5mm的外表波傳感器置于該薄板的反面。用激光對于薄板進(jìn)展正面掃描，同時(shí)位于反面的傳感器接收激光所產(chǎn)生的超聲信號。將人工缺陷置于激光掃描圍之，且位于反面〔圖中紅色標(biāo)記為缺陷位置〕。設(shè)置好檢測條件，對其進(jìn)展檢測。圖5表示各掃描點(diǎn)的信號波形最大值的空間分布，從該圖可看出超聲波在傳播時(shí)的強(qiáng)度分布。圖6是波形處理前傳播圖像，圖像由原始接收波形重建而成，反響了超聲波在薄板傳播時(shí)各掃描點(diǎn)處的振動隨時(shí)間的變化狀態(tài)。在t=30μs，出現(xiàn)與前進(jìn)波反方向的回波。圖7是將圖6中的超聲波傳播圖像經(jīng)單方向同步差分處理〔前進(jìn)波消除〕后的不同時(shí)刻傳播圖像。該方法將具有干擾的前進(jìn)波消除，從而提高了缺陷回波的相對強(qiáng)度，使得缺陷回波更加清晰。圖7中箭頭所指出的回波為缺陷產(chǎn)生的回波，由此可知缺陷的位置所在。2.2兩薄板間點(diǎn)焊檢測圖8所示，檢測樣件是厚度為5mm的薄鋁板與0.1mm薄鋁板經(jīng)點(diǎn)焊粘接而成。用激光掃描的方式對中間部位的三個(gè)點(diǎn)焊區(qū)域進(jìn)展可視化檢測。結(jié)合最大振幅圖及波形傳播圖像可看出點(diǎn)焊焊接的情況。用這種方法可以對點(diǎn)焊焊斑大小、形狀及質(zhì)量進(jìn)展初步評價(jià)。2.3復(fù)雜形狀檢測圖11是汽車變速箱，為一次性鑄成的復(fù)雜形狀樣件。采用激光掃描的方式對其部進(jìn)展可視化檢測。從超聲波傳播的動態(tài)圖像〔圖12及13〕上可看到用紅色箭頭所標(biāo)示的位置即損傷所在。3.結(jié)論「激光超聲波可視化檢測儀」不僅能夠用于金屬薄板焊接、復(fù)雜形狀樣件等的無損檢測，而且適用于非金屬材料、金屬與非金屬結(jié)合材料的檢測與評估。它還可用于高溫、劇毒等特殊環(huán)境下的檢測。它解決了許多用傳統(tǒng)超聲波檢測方法無法解決的難題，為無損檢測領(lǐng)域提供了嶄新的檢測手段。目前，該儀器及其檢測技術(shù)在國外的重點(diǎn)領(lǐng)域、研究機(jī)構(gòu)和大型企業(yè)已發(fā)揮其作用。隨著激光超聲技術(shù)的不斷開展，該儀器及其檢測方法將不斷地改良和完善。在不久的將來，它會在航空航天、石油化工、核電、鐵路、汽車等眾多領(lǐng)域彰顯出更大的威力。參考文獻(xiàn)：[1]孟振庭.激光超聲的熱彈機(jī)理研究[J].交通大學(xué)學(xué)報(bào),2002,36(5):548-550.[2]曉春.激光超聲技術(shù)及其應(yīng)用[J].大學(xué)物理,1998,17(2):40-42.[3]REarnshaw，Nwiseman.AnIntroductionauidetoScientificVisualization．Springer-Verlag，1992.[4]王小同，杜芳等．可視化仿真及其應(yīng)用綜述．計(jì)算機(jī)工程,1998，24(8)[5]JunjiTakatsubo,BoWang,etal.GenerationLaserScanningMethodfortheVisualizationofUltrasoundsPropagatingona3-DObjectwithanArbitraryShape[J].JournalofSolidMechanicsandMaterialsEngineering,2007,12:1405-1411.[6]王波，高坪純治.激光超聲波可視化檢測儀使用說明書[M].筑波：日本筑波科技株式會社，2010.

激光超聲檢測技術(shù)1前言激光可以實(shí)現(xiàn)非接觸式的高靈敏度測量,但不能通過非透明材料的部,而超聲波的檢測方法可以實(shí)現(xiàn)部質(zhì)量的檢測,因此,用激光激發(fā)超聲波使之通過被檢測試件的部,再用激光技術(shù)來接收這種超聲波的信號,把兩者結(jié)合起來,開展出一種新的檢測方法-激光超聲檢測方法,解決常規(guī)超聲檢測難以解決的問題。與常規(guī)超聲檢測方法比擬,激光超聲技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn):激光超聲不需要耦合劑,防止了耦合劑對測量圍和精度的影響;激光超聲可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離操作,可用于高溫環(huán)境及腐蝕性強(qiáng)、有放射性等惡劣條件,并可以實(shí)現(xiàn)快速掃描,對生產(chǎn)現(xiàn)場快速運(yùn)動的工件的在線檢測;激光超聲的盲區(qū)小于100μm,可用于測量薄工件。激光超聲的頻率帶寬較常規(guī)的換能器寬,具有測量微小缺陷裂紋的能力;激光超聲可用于外表幾何形狀復(fù)雜及受限制的空間,如焊縫根部小直徑管道等;空間分辨率高,有利于缺陷的準(zhǔn)確定位及尺寸量度,并可作為聲源應(yīng)用于理論研究。早期受到激光器件與相關(guān)學(xué)科開展的影響,激光超聲自20世紀(jì)70年代提出到80年代中期成為熱點(diǎn)之后,尚未到達(dá)人們預(yù)想的應(yīng)用效果。20世紀(jì)末21世紀(jì)初,隨著激光、電子、計(jì)算機(jī)和相關(guān)學(xué)科的開展,經(jīng)過近10來年的技術(shù)積累,激光超聲已經(jīng)從方法探索步入技術(shù)研究與開發(fā)應(yīng)用階段,特別是國外一些新型的航空裝備上已經(jīng)開場采用這一檢測新技術(shù)。我國那么錯(cuò)過了這一個(gè)關(guān)鍵時(shí)期的技術(shù)積累。2激光超聲檢測的原理激光超聲是利用高能量的激光脈沖與物質(zhì)外表的瞬時(shí)熱作用,在固體外表產(chǎn)生熱特性區(qū),然后利用這種小熱層在材料部向四周熱膨脹擴(kuò)散產(chǎn)生熱應(yīng)力,從而通過這種熱應(yīng)力產(chǎn)生超聲波。激光作用在材料上產(chǎn)生兩個(gè)熱特性區(qū):灼燒區(qū)、熱彈區(qū)。2.1灼燒區(qū)如圖1所示,在高的能量作用下,物體的溫度升高超過了其蒸發(fā)溫度,原子以高速離開物體外表,產(chǎn)生一個(gè)動量,這種產(chǎn)生超聲的模式稱為熱蝕效應(yīng)。2.2熱彈區(qū)如圖2所示,當(dāng)激光器的能量缺乏在外表上形成腐蝕現(xiàn)象時(shí),在固體外表產(chǎn)生熱特性區(qū),從而在物體部產(chǎn)生應(yīng)力波即超聲波,較低的吸收率下,外表吸收的熱量沒有超過其融化溫度,產(chǎn)生源是一個(gè)短暫的膨脹過程,與這個(gè)膨脹相關(guān)的壓力波絕大局部低于彈性圍,這種模式稱為熱彈效應(yīng)。通常所說的激光超聲指的是熱彈區(qū),由于用于鼓勵(lì)的脈沖激光器與被檢測物體外表之間不需要任何機(jī)械連接和接觸,因此,這種方法具有很好的工程應(yīng)用潛力和前景。當(dāng)采用光學(xué)方法接收激光束在被檢測材料中產(chǎn)生的超聲波時(shí),這種方法可以完全實(shí)現(xiàn)非接觸的超聲檢測。3激光超聲檢測技術(shù)3.1鼓勵(lì)用激光器激光超聲系統(tǒng)是一個(gè)集光、機(jī)、電、算的復(fù)雜的檢測系統(tǒng),主要由兩局部組成,即超聲波的產(chǎn)生與接收。產(chǎn)生超聲波的激光器目前主要有a)Nd:YAG激光器[1],該激光器產(chǎn)生的激光波長是1064nm,激光器的能量為300mJ,發(fā)出的激光光斑直徑是6·5mm,該激光器鼓勵(lì)出的超聲波的脈寬是5ns;b)CO2激光器[2],該激光器的光脈沖持續(xù)時(shí)間為70ns,根據(jù)制造需要,CO2激光束的形狀是長方形的,光斑直徑大約5mm左右;c)XeCL(308nm)激光器[3],鼓勵(lì)出的脈寬是40ns,XeCL激光器與CO2激光器有相似的光束形狀,光斑直徑大約是3mm。在對碳纖維樹脂基復(fù)合材料檢測時(shí),復(fù)合材料對這幾種波長的激光器有不同的吸收特性和燒蝕閾值[3],選用Nd:YAG激光器比擬常見。3.2光學(xué)接收技術(shù)非接觸的超聲波接收技術(shù)較多,常用的方法有電磁聲換能器(EMAT),電容換能器(MSAT)及空氣換能器等,但是這些非接觸光學(xué)探測方法的應(yīng)用除了各自的局限性(如EMAT要求被檢測樣品為導(dǎo)體;ES2AT要求樣品外表拋光;空氣換能器帶寬較窄等)之外,其共同的特點(diǎn)是雖然是非接觸式的,但相隔距離不能很遠(yuǎn)(幾毫米到幾十個(gè)毫米),探測靈敏度隨樣品及換能器間的距離增大而降低。要真正實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的非接觸式檢測只能采用光學(xué)檢測技術(shù)。非干預(yù)的刀口技術(shù)要求樣品外表非常光潔,難以用于粗糙外表。所以要想實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的檢測,常用光學(xué)干預(yù)技術(shù),常用下面兩種干預(yù)方法來實(shí)現(xiàn)超聲波的接收:3.2.1光外差技術(shù)光外差方法通常用的是邁克遜干預(yù)儀,探測的外表是鏡面,圖3是外差干預(yù)儀的原理圖。光外差方法對頻率的響應(yīng)受探測器截止頻率影響,因此大于探測器截止頻率的超聲振動應(yīng)該有補(bǔ)償措施,用一個(gè)機(jī)電反響回路來實(shí)現(xiàn)這種補(bǔ)償效果。外差干預(yù)法對外表的位移敏感,但是卻無法消除工業(yè)現(xiàn)場各種振動對探測的干擾,此外,這種方法對光點(diǎn)的尺寸大小有非?？量痰南拗?只有光點(diǎn)尺寸到達(dá)一個(gè)散斑大小時(shí)才能到達(dá)最正確的檢測效果,因此光外差方法只能用于實(shí)驗(yàn)室條件下光滑外表的超聲振動的檢測,在外現(xiàn)場檢測中常用的是速度干預(yù)儀。3.2.2速度干預(yù)儀速度干預(yù)儀也叫作時(shí)間延遲干預(yù)儀,它是基于多普勒頻移原理而應(yīng)用的一種光學(xué)檢測方法,如圖4所示。當(dāng)激光照射在振動物體外表時(shí),根據(jù)多普勒頻移的原理,發(fā)射或散射光的頻率發(fā)生了變化,變化的頻率里加載了超聲波的振動頻率,干預(yù)儀把頻率的變化轉(zhuǎn)變成光的強(qiáng)度的變化,經(jīng)過一系列的處理手段,轉(zhuǎn)變成電信號在示波器上顯示出來,分析信號的特征就可以得到對被檢測試件部的情況。速度干預(yù)儀對檢測物體外表的速度特別敏感,對微振動有較好的檢測能力。這種干預(yù)儀有雙光束干預(yù)和多光束干預(yù),用的較多的是共焦的多光束干預(yù)儀,也就是F-P干預(yù)儀,它有突出的優(yōu)于其他干預(yù)儀的特點(diǎn)[4],圖5所示是光線在干預(yù)儀的傳播路線及輸出信號的光強(qiáng)與頻率的關(guān)系。采用圖6所示的工作系統(tǒng)[5],用一個(gè)調(diào)QNd:YAG激光器,打在被檢測的試件上面,用一個(gè)He-Ne激光器在試樣另一面來接收產(chǎn)生的超聲波,信號檢測取決于攜帶超聲的激光束頻率的頻移,利用多光束干預(yù)的特點(diǎn),頻率的變化轉(zhuǎn)變成輸出光強(qiáng)的變化,從而實(shí)現(xiàn)光學(xué)方法的超聲檢測。L1~L3透鏡的焦距分別是2cm、-5cm、5.5cm;BS:分光鏡;PBS:偏振分光鏡;G1:電子放大器;QW:1/4波片;PD1、PD2:靈敏光電二極管。4在航空工業(yè)中的應(yīng)用由于激光超聲檢測技術(shù)有突出的優(yōu)點(diǎn),常用于復(fù)雜的幾何形狀如:楔形構(gòu)造、拐角構(gòu)造、V型構(gòu)造、T型構(gòu)造、蜂窩夾層構(gòu)造等,國外在航空工業(yè)及其他領(lǐng)域都有較好的應(yīng)用效果。a)高溫大曲面的復(fù)合材料平板的檢測[6]圖7是激光超聲檢測曲面復(fù)合材料平板的原理圖。被檢測材料的外表溫度是1400℃,厚2.24mm,大小254mm×254mm,生成C-Scan掃描圖像,可以直觀分析部的缺陷,用這種方法使曲面物體的檢測變得容易得多。b)復(fù)合材料構(gòu)