1、华中科技大学机械学院激光超声检测技术激光超声检测技术1 激光超声 检测 基本原理2 超声波的激光激励2.1 激励机理2.2 热弹 效 应 激励的超声波体波激励的指向性、瑞利波的激励、 Lamb波的激励、 多 层 介 质 中 导 波的激励、 阵 列激励源2.3 用于激励超声波的不同 类 型的激光3 超声波的声学探 测3.1 光束上超声波信息的 编码强 度 调 制、相位或 频 率 调 制3.2 光学干涉 仪4 应 用4.1 激光超声缺陷 检测体波的激光超声缺陷成像、表面波的激光超声缺陷成像、 Lamb的激光超声缺陷全 显 成像、表面开口缺陷的 扫 描激光成像4.2 激光超声 过 程 监测4.3 激
2、光超声材料表征薄膜的机械性能表征、材料各向异性表征华中科技大学机械学院1 激光超声检测技术激光超声检测技术 -基本原理基本原理激光超声主要利用激光作用在被测构件上，通过电离式作用或快速热膨胀引起构件局部受力变形，进而在构件激发出声波，并且利用光学传感器束探测该声波的变化。因此，该方法提供的是一种非接触的检测方法。 华中科技大学机械学院激光超声检测技术激光超声检测技术 -特点特点优点（ 1）非接触 避免了传统超声法中由于耦合层的变化而带来的对信号的各种干扰以及由于耦合剂的使用而对一些材料的污染，同时也使得快速超声扫描成像的实现变得更容易。另外激光探测法还可使被测超声波场不受任何干扰，这一特性对于
3、其它传感器的校准十分有利。（ 2）能远距工作 远距操作可免去很多对传感系统的冷却要求，大大减少系统复杂性，另外激光束可通过一玻璃窗口导入特定的密闭空间，因而激光超声可方便地用于存在核辐射、强腐蚀性以及化学反应等这样一些恶劣的环境条件下。（ 3）频带宽 在大多数金属中利用几十纳秒的短光脉冲所产生的超声脉冲宽度与激励光脉冲宽度十分相近，利用超短的超声脉冲和宽带的超声传感器，可以更精确地测量超声脉冲的渡越时间，该特性对于薄膜材料的定量分析及基于超声衍射方法的缺陷检测技术尤其重要。（ 4）高空间分辨率 这是指探测激光束可被聚成非常小的点，从理论上说，光点的极限大小受光波衍射限制，因而对于常用的激光系统
4、来说，可实现仅数微米的最高空间分辨率。 华中科技大学机械学院激光超声检测技术激光超声检测技术 -特点特点缺点（ 1）灵敏度低 尽管激光激励的超声波振幅与一般宽带压电换能器所激发的相当，或者略小一些，但激光干涉仪的接收灵敏度要比传统的超声检测系统差许多。在超声频率范围内，典型的压电传感器的探测极限在 0.01pm到 lpm之间。对多数实验室使用的干涉仪，在理想条件（防震，试件表面抛光）和带宽 10MHz情况下，一般最小可测位移在 100pm左右。（ 2）完整的检测系统复杂，体积庞大，造价也比传统压电传感系统昂贵。（ 3）由于使用高能激光，因而工作场地需采取严格的激光防护措施。 华中科技大学机械学
5、院1 激光超声检测技术激光超声检测技术 -基本原理基本原理传统的超声检测技术 绝大多数耦合剂的使用温度都在 100C以下。常用的超声换能介质 PZT， 其工作温度一般不能高于 300C， 即使换成其它高温材料，如铌酸锂，工作温度也不会超过 700C。电磁声换能器（ EMAT） 并配上适当的冷却系统，可以实现高温下的非接触式检测。但是，这种系统中电磁传感头与被测件间的工作距离只有数毫米，且检测信号的强弱受这一距离变化的影响很大。工业 CT技术 作为一种无损检测手段具有很多优点，美国 IDM公司曾采用工业 CT技术（辐射源为 3个 50的）实现对每秒数米延伸速度的热轧钢管作在线检测、监控。但是该系
6、统目前十分昂贵、复杂，被测件的最大允许尺寸也往往受到一定限制，因而还难于实现一般的工业使用。采用一定的 空间结构光 ，利用 CCD摄像机对摄取的工件图像进行处理，可对一些三维尺寸作在线检测，该法已被证明经济方便且有效，缺点是摄像法无法测量像管子壁厚这样的一些量，也无法检测工件的各种缺陷。 激光超声 是对传统超声检测技术的一大发展，它利用高能激光脉冲来激发超声并用激光来检测超声，具有非接触、可远距离探测等许多优点，尤其适合于一些恶劣环境场合，比如存在高温、具有腐蚀性、辐射性以及被检件具有较快的运动速度等一些条件下的使用 。华中科技大学机械学院2 激光超声检测技术激光超声检测技术 -超声波的激光激
7、励超声波的激光激励超声波的激光产生利用激光产生超声波的方法可分为直接式和间接式两大类，直接式利用激光与被测物质的直接作用，通过热弹效应或烧蚀作用激发出超声波，间接式则要利用被测材料周围的其它物质作为中介。 1 激励机理 图 1 激光超声的产生 (a)热弹性机理 (b)烧蚀机理 华中科技大学机械学院2 激光超声检测技术激光超声检测技术 -超声波的激光激励超声波的激光激励2 热弹 性激励超声波 为简单起见，假设构件是均匀、各向同性介质，热弹性激励包括以下三个步骤： (1)电磁能量被介质吸收。 (2)热源的发散。 (3)体积膨胀引起的动力学问题，并且假设能量吸收、温度升高和机械变形各自独立，互不关联
8、。 光能被吸收取决于激光波长和材料特性，当光垂直入射到构件表面时，光强随深度的变化 对金属，一般采用表面波模型；对其他材料采用体波模型。 材料吸收光能在材料表面引起的热能分布 华中科技大学机械学院2 激光超声检测技术激光超声检测技术 -超声波的激光激励超声波的激光激励热传导方程可解决给定热源的热学力学问题。采用 hyperbolic热传导方程 通过求解 (3)式可得到温度 T的分布 由于吸收光能产生的温度升高，引起的体积膨胀 采用标量和矢量势函数，包括体积变形的动力学方程 上述动力学方程的边界条件是表面拉力的消失。 应变位移 华中科技大学机械学院2 激光超声检测技术激光超声检测技术 -超声波的
9、激光激励超声波的激光激励给定激光源参数，采用传递函数技术可得到温度场和动力场分布，热导方程和动力学方程在时间上采用单边拉氏变换，在空间上采用傅里叶变换 (对线光源 )或 Handel变换 (对点光源 )，得到闭解后可重新回到物理方程上。 热散射忽略，结果可简化得到平面应力 华中科技大学机械学院2 激光超声检测技术激光超声检测技术 -超声波的激光激励超声波的激光激励实验测量的四热源中心表面法向位移 (a)纵 波(b)横波 体波产生的指向性 华中科技大学机械学院2 激光超声检测技术激光超声检测技术 -超声波的激光激励超声波的激光激励瑞利波的产生 (点光源 ) 热弹性线源产生的单方向瑞利波表面法向位
10、移 华中科技大学机械学院2 激光超声检测技术激光超声检测技术 -超声波的激光激励超声波的激光激励在一个薄铝板上产生的热弹性 Lamb波，表面法向位移距热源不同距离上测的 华中科技大学机械学院2 激光超声检测技术激光超声检测技术 -超声波的激光激励超声波的激光激励多层介质结构中导波的激励 华中科技大学机械学院2 激光超声检测技术激光超声检测技术 -超声波的激光激励超声波的激光激励阵列源 通过在时间和空间上布置激光能量，产生的声波可被集中到需要的地方，声波信号带宽变窄，信噪比提高。 产生窄带表面波的激光超声系统 华中科技大学机械学院2 激光超声检测技术激光超声检测技术 -超声波的激光激励超声波的激
11、光激励相互交叉的两束光波产生高频表面波 华中科技大学机械学院2 激光超声检测技术激光超声检测技术 -超声波的激光激励超声波的激光激励3 用来激励声波的激光器 选择激光器的类型取决于在材料中激励何种形式的超声波和希望得到的超声波的带宽。激光器的主要参数有：波长、能量、脉冲持续时间和重复率。重复率对检测速度非常重要，脉宽对产生的超声波带宽起着决定作用，同样，空间范围也影响到带宽，调制的连续波激光比较适合低频范围 (几 KHz)，一般情况下， 10ns激光器产生 10MHz频率范围，对更高频率范围，脉宽以 100波秒计，可产生100MHz或上 GHz。激光能量取决被测材料，由于激光造成的损失可否被接
12、受，激光能量从纳焦、微焦甚至几百焦耳都可用来激励超声波。最后，激光波长的选取取决材料的吸收性能，激光波长范围从紫外、红外甚至更宽范围。 华中科技大学机械学院3 激光超声检测技术激光超声检测技术 -超声波的光学探测超声波的光学探测1 超声波信息在光束上的 编码 为采取光学方法探测超声波，就须用一束光作用在波传播方向，一般采用激光束作为光源，这是由于激光可提供单色、线性极化、平等光束等优点，其电场方程如下式 电场 E是幅度 a，频率 和相位需要注意光电探测器无法直接跟踪相位， 太高，因此只有光强可直接来测量。 有许多种方法可影响光束，但从广义上可分为强度调制技术和相位 (或频率 )调制技术两类。
13、华中科技大学机械学院3 激光超声检测技术激光超声检测技术 -超声波的光学探测超声波的光学探测1.1 超声波 强 度 调 制 超声波在材料中受折射会发生变化，进而影响到反射光的强度，从而可用光电探测器获取该变化。尽管对大多数材料，该变化很小，但仍成功的应用于测量薄膜和纳米结构。另一种强度调制技术是利用表面倾斜与超声振动的关系实现测量。第三种方法是利用已知频率或波速的连续或猝发表面波 packet.强度调制低于相位或频率调制，因此在无损检测中应用很有限。 1.2 超声波的相位或 频 率 调 制 超声波在构件表面运动引起反射或散射光的相位或频率发生变化。如图10所示，一束光垂直入射到一构件表面，设表
14、面法向位移为，如果表面轻微倾斜，则反射光束也会轻微倾斜，构件表面位移发生变化，从而使光束路径发生变化 (两次声波法向位移 )进而引起光束相位发生变化。 华中科技大学机械学院3 激光超声检测技术激光超声检测技术 -超声波的光学探测超声波的光学探测超声波位移调制光束相位 电场可表示为 对于由超声波包引起的时变相位调制，从表面波动和光束的作用下，可得到光学频率的瞬时多普勒相移，假设表面速度 瞬时光学频率 表面波速与超声振动相关联，进而影响到光束频移。 则 华中科技大学机械学院3 激光超声检测技术激光超声检测技术 -超声波的光学探测超声波的光学探测2 光学干涉 仪 由于激光频率很高，任何一种光电探测器
15、都不可能测量单一光束的相位。因此一种称为相位纤偏编码信息的调解方案被提出，有很多种光学干涉仪可实现这种方案，这里仅论述激光超声检测中普遍应用的几种。 参考光束干涉仪自参考光束干涉仪两束零差干涉仪两束外差干涉仪时 延干涉 仪法布里珀里干涉仪动态全息干涉仪多束干涉仪内禀光纤超声传感器在粗糙表面上，自参考干涉仪可大幅度提高仪器性能，斑点光包含着构件位移和波前匹配参考 (wave-front-matched reference)的混合信息。 华中科技大学机械学院3 激光超声检测技术激光超声检测技术 -超声波的光学探测超声波的光学探测两束重差干涉仪 (Two-Beam Homodyne Interfer
16、ometers) 来自同一激光器的光束被一分光器一分为二，一束光作用在被测构件上，另一束送到一参考镜面上，反射回来以后，两束平等光又混合在一起，并在光电探测器处形成干涉条纹。 华中科技大学机械学院3 激光超声检测技术激光超声检测技术 -超声波的光学探测超声波的光学探测双束外差式干涉仪 (Two-Beam Heterodyne Interferometers) 该类干涉仪中，被混合的其中一束光频率发生一些轻微变化，通过一个声 -光调制器 (如 Bragg盒 )，从而提供一个频移光。华中科技大学机械学院3 激光超声检测技术激光超声检测技术 -超声波的光学探测超声波的光学探测时延干涉仪 (Time-
17、Delay Interferometers) 华中科技大学机械学院3 激光超声检测技术激光超声检测技术 -超声波的光学探测超声波的光学探测FP干涉 仪 (Fabry-Perot Interferometers) 华中科技大学机械学院3 激光超声检测技术激光超声检测技术 -超声波的光学探测超声波的光学探测动态全息干涉仪 该干涉仪的原理是基于光折射特性的动态全息记录原理。一种方法是采用光相位聚焦技术 (optical phase conjugation)将光斑 (the speckled object bean)极化，极化的物光与平面参考光在零差或外差干涉仪中相干涉 ;另一方面，同样光斑结构的参考
18、光作为静态物光，通过与包含超声信息的物光相互干涉后进行重构，这种方法很容易通过两束光在光折射介质中实现。 华中科技大学机械学院3 激光超声检测技术激光超声检测技术 -超声波的光学探测超声波的光学探测多光干涉仪 (Multibeam Interferometers) 在超声检测的许多场合中，需要同时测量多个点的信息。例如，超声波衰减系数测试中就需要同时测量两个已知距离之间的声波，同样，在导波的频散特性测试中也需要。这可通过采用相位阵列接收仪器，图 20给出了一种基于外差干涉仪的可同时测量一个工件不同点超声位移的双探头系统。 华中科技大学机械学院3 激光超声检测技术激光超声检测技术 -超声波的光学
19、探测超声波的光学探测内禀光纤超声传感器 (Intrinsic Fiber-Optic Ultrasound Sensors) 上面描述的大多数干涉仪都可通过光纤将光发射到构件上，然后采用光纤测量反射光，在上述系统中，光纤仅起传光作用，如果光纤在传光中作用，这种传感器可埋入到构件内部来监测超声波，而不仅仅是监测表面振动。 华中科技大学机械学院4 激光超声检测技术激光超声检测技术 -应用应用激光超声应用从工业界到学术界，下面从无损检测、材料表征和过程监控等方面加以论述。 4.1 激光超声缺陷 检测 表面波的激光缺陷成像 华中科技大学机械学院4 激光超声检测技术激光超声检测技术 -应用应用Lamb波的激光成像 华中科技大学机械学院4 激光超声检测技术激光超声检测技术 -应用应用表面开口缺陷扫描激光源成像 在脉冲回波反射中，激发点和接收点必须位于一条直线上，利用扫描激光源技术可探测很小的缺陷，并且可用于角度变化剧烈的地方，没有可与该方法对等的常规超声检测方法，该方法依赖于近场散射和热弹性产生的超声在有无缺陷的地方，如图所示。
