激光超声检测原理与应用课件

1、激光超声检测原理与应用激光超声检测原理与应用1 1 激光产生超声的机理激光产生超声的机理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。直接式是使激光与被测材料直接作用，通过热弹性效应或烧蚀作用等激发出超声波；间接式则是利用被测材料周围的其它物质作为中介来产生超声波。1.1 1.1 热弹机制热弹机制当入射光的功率密度较低（金属材料的典型值是106W/cm2）时，材料表层由于吸收光能导致局部升温，引起热膨胀而产生表面切向压力，同时激发出横波、纵波和表面波。在这种机制下，声信号的幅度随着激发功率的增加而线性增加。由于激发功率的密度较低，表层的局部升温没有导致材料的任何相变，因而具有严格无损检测

2、的特点。但热弹激发超声过程中，光能转化为热能的效率很低。热弹激发机理原理如图1-11.2 1.2 烧蚀机制烧蚀机制当入射光的功率密度逐渐升高时，材料表层的瞬态升温将逐步导致材料的熔化、汽化和形成等离子体。这时将有一小部分表面物质被喷射出来，从而给样品表面施加了一个非常高的反作用力，导致声波的产生。在这种机制下可以获得大幅度的纵波和表面波，激发效率比热弹机制高4个数量级。但由于它每次对表面产生约0.3m的损伤，所以只能用于某些场合，且通常用来产生超声纵波。热弹机制由于对表面无损伤，且能产生各种波形，所以现在用得最多。烧蚀激发机理原理如图烧蚀激发机理原理如图1-21-2。1.3 1.3 其他激发机

3、理其他激发机理1.3.11.3.1热栅激发热栅激发( (简称简称LIPS)LIPS)1.3.21.3.2热应变激发热应变激发1.3.31.3.3电子应变激发电子应变激发( (非热激发非热激发) )1.3.41.3.4非热机制非热机制- -反压电效应激发反压电效应激发2 2 激光超声检测系统激光超声检测系统激光超声的接收主要有：激光超声的接收主要有：传感器检测传感器检测光学法检测两类光学法检测两类传感器检测包括压电陶瓷换能器检测，电磁声传感器检测包括压电陶瓷换能器检测，电磁声换能器检测，电容声换能器检测。这些检测方换能器检测，电容声换能器检测。这些检测方法法,可以十分简便地接收到激光超声信号，但

4、传可以十分简便地接收到激光超声信号，但传感器必须与样品接触，或者非常接近样品表面感器必须与样品接触，或者非常接近样品表面，才能获得高的检测灵敏度。并且超声检测用，才能获得高的检测灵敏度。并且超声检测用压电换能器接收超声信号这种方法需要用耦合压电换能器接收超声信号这种方法需要用耦合剂，对被测样品会产生影响。剂，对被测样品会产生影响。利用光学方法探测材料表面的超声振动是利用光学方法探测材料表面的超声振动是种新型种新型的无损检测手段，该方法具有非接触、灵敏度高等的无损检测手段，该方法具有非接触、灵敏度高等特点，能够克服传统超声波检测需要耦合剂的缺点特点，能够克服传统超声波检测需要耦合剂的缺点，是真正

5、意义上的非接触、宽带检测技术。光学法，是真正意义上的非接触、宽带检测技术。光学法检测技术又可细分为非干涉检测技术和干涉检测技检测技术又可细分为非干涉检测技术和干涉检测技术两种。目前广泛使用的是外插干涉仪、共焦术两种。目前广泛使用的是外插干涉仪、共焦F-PF-P干干涉仪是线性干涉仪，而相位共轭干涉仪，双波混合涉仪是线性干涉仪，而相位共轭干涉仪，双波混合干涉仪以及光感生电动势干涉仪则属于非线性光学干涉仪以及光感生电动势干涉仪则属于非线性光学的。的。2.1 2.1 非干涉检测技术非干涉检测技术2.1.12.1.1刀刃检测技术刀刃检测技术2.1.22.1.2表面栅格衍射技术表面栅格衍射技术2.1.32

6、.1.3反射率检测技术反射率检测技术当照射到样品表面的检测光束直径小于激光超声波长时，检测光的反射光由于样品表面超声振动而发生偏转，偏转大小由刀刃切割的光通量和位移检测器测定。反射光的偏转值与声波的幅值及性质有关，它反映了表面波和体波的传播情况，以及样品的内部缺陷和微结构。其检测极限为103nm；对于抛光的非吸收面，检测带宽可达到MHz 量级。已在商用的扫描激光声显微镜（SLAM）及原子力显微镜（AFM）中获得应用。该方法具有结构简单，频带宽，环境振动影响小等优点，是对抛光表面样品进行超声检测的有效工具脉冲激光照射到样品的表面上所产生的超声应力能脉冲激光照射到样品的表面上所产生的超声应力能引起

7、样品光折射率的微小改变，这种微小改变又能引起样品光折射率的微小改变，这种微小改变又能引起样品镜式或弥散式反射率的变化，通过检测这引起样品镜式或弥散式反射率的变化，通过检测这种变化，即可得到脉冲激光在薄膜中产生的超声回种变化，即可得到脉冲激光在薄膜中产生的超声回波。已在光热检测中获得了成功的应用。波。已在光热检测中获得了成功的应用。当入射光斑的尺寸相当于几个声波的波长时，由于当入射光斑的尺寸相当于几个声波的波长时，由于BraggBragg效应或效应或Raman-NathRaman-Nath效应，会产生一级或多级效应，会产生一级或多级衍射光，通过测量衍射光的强度和偏转角，可测定衍射光，通过测量衍射

8、光的强度和偏转角，可测定超声波的特性。已在连续声波测量中获得了广泛应超声波的特性。已在连续声波测量中获得了广泛应用。用。刀刃检测技术其装置图2.2 2.2 干涉检测技术干涉检测技术2.2.12.2.1线性干涉检测技术线性干涉检测技术1自差干涉检测2外差干涉检测技术3共焦F-P干涉检测技术2.2.2 2.2.2 非线性干涉检测技术非线性干涉检测技术1相位共轭干涉检测2双波混合干涉检测3光感生电动势（Photo-EMF）干涉检测1 1自差干涉检测自差干涉检测自差干涉检测是将样品表面直接作为迈克尔逊干涉自差干涉检测是将样品表面直接作为迈克尔逊干涉仪测量臂中的反射镜。激光器发射的脉冲激光被分仪测量臂中

9、的反射镜。激光器发射的脉冲激光被分束镜分成两路，一路经透镜聚焦后入射到样品表面，束镜分成两路，一路经透镜聚焦后入射到样品表面，反射光再经分束镜后进入探测器；另一路经反射镜反射光再经分束镜后进入探测器；另一路经反射镜和分束镜后也进入探测器，二者发生干涉。和分束镜后也进入探测器，二者发生干涉。2外差干涉检测技术如果在迈克尔逊干涉仪的参考臂中引入频移系统，如果在迈克尔逊干涉仪的参考臂中引入频移系统，使参考光产生射频范围内的频移，即构成外差干涉使参考光产生射频范围内的频移，即构成外差干涉检测仪。脉冲激光器发出的光束，经分束镜分成两检测仪。脉冲激光器发出的光束，经分束镜分成两束，其中的一束经移频装置后有

10、束，其中的一束经移频装置后有f fB B的频移，经反射镜的频移，经反射镜反射后与样品表面反射的信号光发生干涉。由探测反射后与样品表面反射的信号光发生干涉。由探测器检测出频移和干涉光强度，从而得到样品超声振器检测出频移和干涉光强度，从而得到样品超声振动的位移信息。动的位移信息。3共焦F-P干涉检测技术共焦法布里一珀罗干涉仪属于速度型干涉仪，基于振动共焦法布里一珀罗干涉仪属于速度型干涉仪，基于振动表面反射光和散射光的多普勒频移，使光的频率受到超表面反射光和散射光的多普勒频移，使光的频率受到超声波信号的调制，再由共焦球面法布里珀罗干涉仪解声波信号的调制，再由共焦球面法布里珀罗干涉仪解调，将频率调制变

11、为光强调制，从而检测超声振动信号。调，将频率调制变为光强调制，从而检测超声振动信号。这种干涉仪具有带宽、灵敏及较大入射孔径的特点，只这种干涉仪具有带宽、灵敏及较大入射孔径的特点，只对固体表面的振动速度灵敏，对周围环境振动较不敏感，对固体表面的振动速度灵敏，对周围环境振动较不敏感，有很强的聚光能力，且结构紧凑，适用于对光学粗糙表有很强的聚光能力，且结构紧凑，适用于对光学粗糙表面的检测，但其频率响应不够平坦，呈带通型，在需精面的检测，但其频率响应不够平坦，呈带通型，在需精密测量超声波形的场合这将引入一定的误差。密测量超声波形的场合这将引入一定的误差。3 3 激光超声技术在无损检测领域的应用概况激光

12、超声技术在无损检测领域的应用概况3.1 3.1 高精度的无损检测高精度的无损检测3.2 3.2 恶劣环境下的材料特性测量恶劣环境下的材料特性测量3.3 3.3 材料特性的检测材料特性的检测3.4 3.4 薄膜、复合材料检测，以及材料高温特性等的研究薄膜、复合材料检测，以及材料高温特性等的研究3.5 3.5 快速超声扫描成像快速超声扫描成像极短的激光脉冲可以激发出极短的超声脉冲。通过极短的激光脉冲可以激发出极短的超声脉冲。通过对衍射超声波渡越时间差的分析，可以非常准确地对衍射超声波渡越时间差的分析，可以非常准确地确定各种缺陷、包括各种体缺陷和表面缺陷的位置确定各种缺陷、包括各种体缺陷和表面缺陷的

13、位置，其精度可优于，其精度可优于0.1mm。在这种检测系统中，最引。在这种检测系统中，最引人注目的系统之一，就是人注目的系统之一，就是LGAP与光探针相结合，与光探针相结合，所构成的全光学检测系统。实验表明，用这种全光所构成的全光学检测系统。实验表明，用这种全光学系统对亚表面缺陷进行检测，除可探知缺陷的存学系统对亚表面缺陷进行检测，除可探知缺陷的存在，确定缺陷的位置外，还可探知缺陷附近的脉冲在，确定缺陷的位置外，还可探知缺陷附近的脉冲模式转换，进而可弄清缺陷的详细情况。模式转换，进而可弄清缺陷的详细情况。由于超声能透入金属内部，大多数需要测量的材料由于超声能透入金属内部，大多数需要测量的材料特

14、性参数不是影响超声速度，就是影响超声衰减，特性参数不是影响超声速度，就是影响超声衰减，或者对二者都有影响。再加上激光超声的特点，它或者对二者都有影响。再加上激光超声的特点，它就能够测量材料的以下各项特性：就能够测量材料的以下各项特性：(1)(1)尺寸特性，如厚度、高度等。用激光超声可提高尺寸特性，如厚度、高度等。用激光超声可提高测量薄片的能力，几微米厚的金属片测量误差约测量薄片的能力，几微米厚的金属片测量误差约2 2，并且可以进行高温在线测厚。，并且可以进行高温在线测厚。(2)(2)力学特性，如测量残余应力、弹性模量等。力学特性，如测量残余应力、弹性模量等。(3)(3)缺陷检测。因为激光超声检

15、测技术对包括纵波、缺陷检测。因为激光超声检测技术对包括纵波、横波和表面波在内的整个超声波都是灵敏的，所以横波和表面波在内的整个超声波都是灵敏的，所以它可以通过选择不同的波形，来探测体内，表面和它可以通过选择不同的波形，来探测体内，表面和亚表面的缺陷。亚表面的缺陷。(4)(4)内部和表面的应力状态及分布。内部和表面的应力状态及分布。激光超声的非接触式激发与接收、以及无损、非侵激光超声的非接触式激发与接收、以及无损、非侵入性等特点，使得其特别适合于在恶劣的环境下（入性等特点，使得其特别适合于在恶劣的环境下（如高温高压、高湿、有毒、酸、碱及检测环境或被如高温高压、高湿、有毒、酸、碱及检测环境或被测工件存在核辐射、强腐蚀性和化学反应等），对测工件存在核辐射、强腐蚀性和化学反应等），对工件进行在线检测。工件进行在线检测。现在，激光超声技术酬叠成功地盔热轧无缝钢管（现在，激光超声技术酬叠成功地盔热轧无缝钢管（管长管长5.55.512m12m，温度，温度1230 1230