激光超声检测技术
激光超声检测技术及其工业应用前景
激光超声检测技术及其工业应用前景周益军1,张永康2,周建忠2,冯爱新2(1.扬州职业大学,江苏扬州225009;2.江苏大学,江苏镇江212013)摘 要:阐述了激光超声的基本理论,综述了激光超声检测技术的发展,重点介绍了激光超声检测技术在工业中的相关应用,如:材料性质的无损评价、对复合材料构件进行评估、在高温有辐射等恶劣环境下对样品进行检测、非接触测量固体材料厚度等。
对激光超声应用于纳米材料中的研究概况也作了简要说明。
同时指出了激光超声检测技术的工业应用前景。
关键词:激光超声;检测技术;工业应用中图分类号:TN 249文献标识码:A文章编号:1008-3693(2005)03-0050-04The Laser U ltrasonic Detection T echnology andIts Applied Prospect in IndustryZHOU Yi 2jun 1,ZHAN G Y ong 2kang 2,ZHOU Jian 2zhong 3,FEN G Ai 2xin 4(1.Y angzhou Polytechnic College ,Y angzhou 225009,China ;2.Jiangsu University ,Zhenjiang 212013,China )Abstract :In this article ,the basic theory of laser ultrasonic is discussed ,and the development of laser ul 2trasonic detection technology is summarized as well ,with focus on its related application to industry.Mean 2while ,a brief explanation of the application of laser ultrasound to mano 2structured materials is given and the applied prospect of the laser ultrasonic detection technology is indicated here.K ey w ords :laser ultrasound ;detection technology ;application in industry 激光超声技术的研究始于1962年,White 和Aakaryan 各自论证了用脉冲激光束在固体和液体中激发出声波的方法。
激光超声技术及其应用
激光超声技术及其应用曾伟;杨先明;王海涛;田贵云;方凌【摘要】综述了激光超声技术的基本特点,介绍了激光超声产生机理及检测方法.概述了激光超声技术在工业无损检测技术中的应用.得出激光超声技术作为一种新兴技术,具有非接触、远距离、高时空分辨力等特点,将在工业无损检测中具有十分广泛的应用价值.【期刊名称】《无损检测》【年(卷),期】2013(035)012【总页数】4页(P49-52)【关键词】激光超声;无损检测;非接触;时空分辨力【作者】曾伟;杨先明;王海涛;田贵云;方凌【作者单位】南京航空航天大学自动化学院,南京210016;烟台富润实业有限公司,烟台264670;南京航空航天大学自动化学院,南京210016;南京航空航天大学自动化学院,南京210016;纽卡斯尔大学电子与计算机工程学院,纽卡斯尔EU1 7RU;南京航空航天大学自动化学院,南京210016【正文语种】中文【中图分类】TG115.28近年来，随着现代工业技术的飞速发展，在一些恶劣的环境中，如高温、高压、易腐蚀及放射性强的条件下，传统的无损检测方法无法完全满足检测要求，需要寻求一种更有效的无损检测方法对一些环境恶劣的工件进行检测。
激光超声技术作为一种非接触、远距离的新兴检测技术，将激光技术与超声技术进行了有机结合，与传统意义上的超声检测技术相比，激光超声技术的特点如下：（1）可实现与被检测材料表面非接触激发超声信号，因此，在材料表面无需添加任何耦合剂，避免耦合剂对检测精度的影响，同时也避免对试件表面产生各种化学污染。
（2）可实现大面积、快速扫描及超声成像等特点，能够实现在实际工业生产中对一些快速运动的试件进行在线检测的要求。
（3）可实现在一些绝缘体、陶瓷及有机材料中激发不同模式的超声波。
而传统的压电超声技术中一种换能器只能在材料表面产生一种超声信号。
（4）激光器产生激光声源，可大可小且易聚焦。
在实际检测中，可以自由选取点、线、环的激光声源。
激光超声无损检测技术讲解
➢ 常见的有光衍射技术、光偏转技术等。
➢ 发展较完善，但应用有局限性，故没有推广
光学检测法
干涉法
基于超声波在表面传播或到达表面时超声波的位移 引起光束相位或频率的改变来实现。实现这一手段 的方法和仪器主要有零差法、外差法、差分位移干 涉仪，速度或时延干涉仪等，以零差法为例：
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0.3μm的损伤，所以只能用于某些 场合，且通常用来产生超声纵波。
烧蚀激发机理原理
技术方法
常用的检测方法有电学检测法和光学检 测法两大类：
➢ 电学检测法主要以借助换能器接受超声波信号，其 中有接触的压电陶瓷换能器（PZT），以及非接触 的电容换能器（ESAT）、电磁换能器（EMAT）。
背景简介
内窥镜通过视频摄像头检测肉眼无法直接 观测的地方，可进行视觉定性检查和定量 测量。可用于叶片原位检测，但人工检查 效率低，不能发现材质内部缺陷。
背景简介
涡流检测灵敏度高，无需表面处理，无需 耦合剂。但对缺陷的估计困难，受集肤效 应的限制，只能用于近表面缺陷检测，对 检测位置有要求，只能用于可达部位检测。
背景简介
超声波脉冲回波法是把超声短脉冲射入物 体，如物体存在缺陷就会生产一个额外反 射回波， 从而判断缺陷及缺陷位置，但使 用中需逐点检测，费时，需要耦合剂，仅 能在可达部位使用。
背景简介
激光超声检测技术因其非接触式激发和探 测的特点，便于在高温、高压等恶劣环境 下进行，并且不受表面几何形状的限制， 因此广泛应用于无损检测和评估领域。
激光超声可视化检测技术研究及在管壁缺陷检测的应用
激光超声可视化检测技术研究及在管壁缺陷检测的应用激光超声可视化检测技术是一项应用于管道行业的新兴技术，它结合了激光和超声波技术，在管道的检测和维护中起到了重要的作用。
本文将详细介绍激光超声可视化检测技术的原理以及其在管壁缺陷检测中的应用。
激光超声可视化检测技术是通过将激光束聚焦在管道表面，利用超声波传播和反射的特性，实现对管壁缺陷的检测和分析。
激光束的聚焦能够提高超声波的能量密度，增强信号的强度和分辨率，从而更加准确地检测出管壁的缺陷。
在激光超声可视化检测技术中，激光束通过光纤传输到管道表面，并经过透镜聚焦成一个小点。
超声波发射器将超声波信号发送到激光束聚焦的位置，当超声波与管壁发生反射时，接收器将接收到的信号转换为电信号，并经过放大和滤波处理后传输给计算机进行分析和图像重建。
通过对接收到的信号进行处理和分析，可以得到管壁的缺陷位置、大小和形状等信息。
激光超声可视化检测技术在管壁缺陷检测中具有许多优势。
首先，它能够实现对管道的全面检测，包括内部和外部的缺陷。
其次，激光超声可视化检测技术能够实时监测管道的状态，及时发现和预防潜在的安全隐患。
此外，该技术具有高分辨率和高灵敏度的特点，能够精确地检测出微小的管壁缺陷，提高了管道的使用寿命和安全性。
激光超声可视化检测技术在管道行业中已经得到了广泛的应用。
它可以应用于石化、电力、煤矿等行业的管道检测和维护中，对于管道的安全运行和设备的正常工作具有重要的意义。
此外，激光超声可视化检测技术还可以应用于医学领域，用于人体组织的检测和诊断，为医学研究和临床诊断提供了新的手段。
总之，激光超声可视化检测技术是一项具有广阔应用前景的技术。
它的研究和应用将进一步提高管道的安全性和可靠性，为工业生产和人们的生活带来更多的便利和安全。
激光超声
1.2 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0.3μm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。
刀刃检测技术其装置图
2.2 干涉检测技术
2.2.1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 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．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 仪测量臂中的反射镜。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， 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。
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， 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 束，其中的一束经移频装置后有fB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。
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。
相控阵超声技术、空气耦合超声技术和激光超声技术
相控阵超声技术、空气耦合超声技术和激光超声技术都是现代无损检测技术的重要分支，它们在工业、医疗等领域有着广泛的应用。
相控阵超声技术：
相控阵超声技术是一种先进的超声成像技术，通过电子方式控制声波束的方向和聚焦，实现对物体内部结构的精确检测。
与传统的机械扫描超声相比，相控阵超声具有更高的扫描速度和更灵活的波束控制能力，能够更准确地识别物体内部的缺陷、裂纹等问题。
此外，相控阵超声技术还适用于复杂形状的物体检测，如飞机发动机叶片、管道等。
空气耦合超声技术：
空气耦合超声技术是一种无需液体耦合剂的超声检测方法，它通过空气作为声波的传输介质，实现了对物体表面的非接触检测。
这种技术特别适用于一些难以接触或不能使用液体耦合剂的场合，如高温、高压、腐蚀等恶劣环境。
空气耦合超声具有快速、便捷、安全等优点，因此在工业、能源、医疗等领域得到了广泛应用。
激光超声技术：
激光超声技术是一种将激光技术与超声技术相结合的无损检测方法。
它通过激光在物体表面产生热效应，激发出超声波，然后利用激光干涉技术检测超声波的传播特性，从而实现对物体内部结构的检测。
激光超声技术具有非接触、高精度、高分辨率等优点，特别适用于一些薄板、涂层等材料的检测。
此外，激光超声技术还可以实现远程、在线监测，因此在航空航天、石油化工、电力等领域具有广泛的应用前景。
综上所述，相控阵超声技术、空气耦合超声技术和激光超声技术各具特色，适用于不同的检测场合和需求。
它们的发展和应用为现代无损检测技术的发展提供了有力的支持。
激光超声无损检测技术研究汇总
激光超声无损检测技术研究摘要激光超声检测技术是利用激光脉冲照射样品表面，激发出超声波，并利用光学方法对超声波进行检测，从而实现对样品进行无损检测的一种方法。
它随着现代科技和工业的发展，应用范围也越来越广。
传统的无损检测方法有其局限性，在温度、压力较大或者具有放射性或腐蚀性的环境下就不能完全满足要求。
而激光超声检测技术由于能够在短时间内不接触物体进行激光激励，所以，适合于环境复杂的检测环境，并具有极强的抗干扰能力。
所以，激光超声技术在材料缺陷和性能的无损检测中发挥了超声检测的优势，其应用广泛。
本文首先对激光超声技术进行了阐述，并介绍了激光超声检测系统的组成，及各个部分的具体情况。
然后，着重介绍了激光激励超声波的基本概念，包括波长，横波，纵波，声表面波，超声波，并举例了烧蚀效应作用下纵波、横波、平面波的波形示意图。
另外介绍了常用激光器。
在此基础上，本文介绍了激光产生超声波的机理，着重介绍了热弹激发机理和烧蚀激发机理，并通过对热弹激发机理的温度场和应力场的分析，介绍了激光超声位移场理论。
本文进一步讲述了激光超声检测技术，着重讲了光偏转法中常见的刀口法、光干涉检测方法中的自差干涉以及外差干涉的原理和方法，并简要介绍了其他方法。
最后，介绍了激光超声技术在无损检测邻域的具体应用及存在的问题。
关键字：激光超声，无损检测，激光超声检测技术Laser ultrasonic nondestructive testing technology researchAbstractThe laser-induced ultrasonic technique，which is based on the generation of ultrasonic by a laser and detection of stress wave with laser interferometry, and is an ideal combination of laser and ultrasonic for nondestructive testing, has also the advantage of noncontact, and has become very important in the nondestructive testing fields. The traditional nondestructive testing method has its limitations, which cannot completely meet the requirements in the large temperature, large pressure, radioactive or corrosive environment. Because the laser ultrasonic testing technology can not contact body for laser incentive in a short time, so it is suitable for complex testing environment, and has a strong anti-interference ability. Therefore, in material defects and properties of the nondestructive testing，laser ultrasound technology play the advantage of ultrasonic testing.This paper first describes the laser ultrasonic technique, and introduces the composition of the laser ultrasonic detection system, and various parts of the specific situation. Then focuses on the basic concept of ultrasonic laser incentive, including wavelength, transverse wave, longitudinal wave, surface acoustic wave, ultrasound wave, and an example of a waveform diagram of the ablation effect under longitudinal wave, transverse wave, plane wave. In addition it also introduces the common laser.On this basis, the article describes the mechanism of laser generated ultrasound, Mainly introduces hot play stimulate mechanism and Ablation stimulate mechanism, and by the temperature and stress field analysis of the hot play stimulate mechanism, introduced the laser ultrasonic displacement field theory.The paper further describes a laser ultrasonic detection technology, mainly about the light deflection method in common blade method,the Principle and method of interference from poor and heterodyne interference in the light of interference detection method, and briefly introduces the other methods.Finally, this paper introduces the specific application and the existing problems of the laser ultrasound technology in nondestructive testing.Keywords: laser ultrasound, nondestructive testing, laser ultrasonic detection technology目录1 绪论 (1)1.1 本文的研究背景与意义 (1)1.2 激光超声技术的发展情况 (2)1.3 激光超声技术的研究现状 (3)1.3.1 激光激励技术 (3)1.3.2 检测技术 (3)1.3.3 总体应用 (3)1.4 本文的主要内容 (4)2 激光超声理论 (5)2.1 激光超声概述 (5)2.2 激光激励超声波的基本概念 (5)2.2.1 波长 (5)2.2.2 纵波（P波） (5)2.2.3 横波 (5)2.2.4 波面 .......................................... 错误！未定义书签。
激光超声及其无损检测技术的研究进展
激光超声及其无损检测技术的研究进展作者：陈舒钱娇来源：《商情》2016年第20期【摘要】本文分别介绍激光超声波，激光超声检测技术，超声无损检测数值研究，激光超声信号处理等方面的进展，为激光超声技术检测材料力学性能提供理论依据。
【关键词】激光超声表面波无损检测一、激光超声波研究进展激光超声技术在材料无损检测研究方向的研究热点。
首先，激光是一种定向的电磁波，它具有高亮度，而且在信息的获得和传播上具有良好的运用；同时，激光广泛用于医学诊断、工业发展及军事技术等领域。
超声波的传播介质可以是固体、液体和气体，通过它们之间的联系和运用，然后对传播中的超声波进行信息提取，进而准确测量物体的密度、硬度、强度、浓度、弹性等性质，并检测出物体的表面缺陷，客观地评价材料的物理性质。
激光超声技术与传统的超声技术相比之下具有更大的优势，因为激光超声技术不需要接触、分辨率很高、频带较宽，能对纳米材料的力学性能进行有效评价，同时能够检测出精确到微、纳米级的缺陷，因此激光超声技术在检测材料力学性能和表面缺陷的方面具有可行性。
1963年，White最早提出使用激光激发超声技术的观点，因为激光可以在固体中传播，所以他尝试利用脉冲激光在固体中进行超声激发，发现固体会吸收激光、微波、电子束等辐射而产生弹性波。
随后，在越来越多的研究应用中，激光除了被用于固体中激发超声，也被应用于液体和气体中。
Askaryan提出在液体中激发超声，用红宝石激光射入液体激发超声。
随着科技发展，许多学者围绕着激光超声展开大量的实验和研究。
Dewhurst等首次利用脉冲激光激发兰姆波，测量2%精度的薄膜厚度；Wu等通过实验检测到兰姆波的波形，并根据波形的传播特征和色散关系，计算薄膜的弹性、厚度等相关的力学参数。
学者们发现，在一定条件下超声波可以在材料无损的情况下被激发出来，于是激光超声开启一种新的用于材料结构性能的无损检测。
激光超声技术结合激光和超声波的特点，具有极大的发展潜力，在工程研究和应用中具有重大科学意义和学术价值。
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2 激光超声检测技术-超声波的激光激励
华中科技大学机械学院
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
k Ct2h
2T t 2
C T
t
k2T
q
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
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。
（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。
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1 激光超声检测技术-基本原理
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传统的超声检测技术绝大多数耦合剂的使用温度都在100°C以下。常用的超声换能介 质PZT，其工作温度一般不能高于300°C，即使换成其它高温材料，如铌酸锂，工作 温度也不会超过700°C。
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 。
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激光超声检测技术-特点
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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。
图1 激光超声的产生(a)热弹性机理(b)烧蚀机理
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2 激光超声检测技术-超声波的激光激励
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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。
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 激光超声材料表征 薄膜的机械性能表征、材料各向异性表征
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激光超声检测技术
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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
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2 激光超声检测技术-超声波的激光激励
超声波的激光产生
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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
T
3
2 2
T
T
采用标量和矢量势函数，包括体积变形的动力学方程
22C11p2
T 0
C
2 s
上述动力学方程的边界条件是表面拉力的消失。
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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。
1 激光超声检测技术-基本原理
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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。
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激光超声检测技术-特点
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
I (x1, x2 , x3, t) I0 (x1, x2 , t)erx3
对金属，一ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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
q(x1, x2 , x3 ) q0 (x1, x2 ,t)ex3
（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来说，可实现仅数微米的最高 空间分辨率。