激光技术在检测领域中的应用

摘要:激光具有单色性好、方向性好、强度高的特点, 使其在无损检测领域的应用不断扩大, 并逐渐形成了激光全息、激光散斑、激光超声、激光轮廓测量、激光瞬时热成像等无损检测新技术。随着成本低、性能高、安全性好的激光器的出现,将进一步降低检测成本,推动无损检测技术的发展。本文综述了几种激光无损检测技术的原理及应用、发展情况。

关键词:激光全息; 激光散斑;激光超声; 激光轮廓测量

激光技术在无损检测领域的应用始于上世纪末, 由于激光本身所具有的独特性能, 使其在无损检测领域的应用不断扩大, 并逐渐形成了激光全息、激光散斑、激光超声、激光轮廓测量、激光瞬时热成像等无损检测新技术。

无损检测是以不改变被检测对象的状态和使用性能为前提, 应用物理或化学现象对各种工程材料、零部件和产品进行有效的检测和测试, 借以评价它们的完整性、连续性、安全可靠性及其它机械、物理性能的一门综合性科学技术。随着现代工业和科技的发展, 新材料、新工艺不断涌现,对检测范围、精度的要求也不断提高, 促使人们不断研究新的检测方法以适应实际应用的需要。

1激光技术在无损检测领域中的应用

1.1激光全息无损检测技术

激光全息无损检测约占激光全息术总应用的25%。其检测的基本原理是通过对被测物体施加外加载荷, 利用有缺陷部位的形变量与其他部位不同的特点, 通过加载前后所形成的全息图像的叠加来反映材料、结构内部是否存在缺陷。图1所示为激光全息无损检测的基本原理。

激光全息无损检测技术的发展方向主要有以下几个方面

( 1) 将全息图记录在非线性记录材料上, 以实现干涉图像的实时显示。

( 2) 利用计算机图像处理技术获取干涉条纹的实时定量数据。

( 3) 采用新的干涉技术, 如相移干涉技术, 在原来的基础上进一步提高全息技术的分辨率和准确性。

图1激光全息检测示意图

目前, 激光全息无损检测应用领域包括航空航天产品中常用的蜂窝夹层结构脱胶缺陷的检测、印刷电路板内焊接头的虚焊检测、压力容器焊缝的完整性检测等。

2.2激光散斑无损检测技术

激光散斑无损检测技术是通过被检物体在加载前后的激光散斑图的叠加, 从而在有缺陷部位形成干涉条纹。图2是激光散斑检测原理图, 由于是利用物体表面反射的光通过棱镜后产生的微小剪切量形成散斑干涉图, 不需要参考光路, 因此外界干扰的影响小, 检测时不需要防震工作台, 便于在现场使用。随着激光散斑测量技术的发展,采用CCD摄像机输出干涉图像信号, 省去了显影、定影等繁杂的湿处理程序, 大大提高了检测效接, 自动处理, 并可在计算机屏幕上实时观察到干涉图形, 现场应用十分方便。

图2 激光散斑检测原理图

高分辨率的激光散斑检测系统可检测出91. 4cm视场范围内大小仅0. 64cm的机身脱胶缺陷, 用于登机检测的便携式激光散斑摄像器最轻重量仅有141. 8g。散斑技术在飞机机身及部件的现场检测、火箭壳体和衬套的分层缺陷检测、复合材料的检测等方面都有广泛应用。

2.3激光超声无损检测技术

激光超声技术是利用Q开关脉冲激光器发出的激光束照射被测物体, 激发出超声波, 采用干涉仪显示该超声波的干涉条纹。与常规超声检测相比, 激光超声检测的主要优越性是

(1) 能实现一定距离之外的非接触检测, 不存在耦合与匹配问题。

(2) 利用超短激光脉冲可以得到超短声脉冲和高时间分辨率, 可以在宽带范围内提取信息, 实现宽带检测。

(3) 易于聚焦, 实现快速扫描和成像。

激光超声信号的还可采用光学方法检测, 主要采用光学外差式干涉计量法和速度干涉计量法, 其中, 速度干涉计量法由于可同时接收多个散射光斑, 有强的集光能力, 适用于工业现场检测。图3是速度干涉计量法原理, 当激光照射到有超声脉冲传播的物体表面时,其反射光由于超声脉冲产生的表面振动而发生多普勒频移, 产生频移的激光经共焦法布里-珀罗干涉仪后表现为光强的变化,由光电探测器转换成电信号, 放大后送示波器显示。通过调节法布里- 珀罗干涉仪的厚度, 可使激光的一个纵模波段位于F- P干涉仪透过峰的斜坡上, 即接近半最大点处, 这样很小的激光频率变变化可引起F-P干涉仪透过率较大的变化。

图3速度干涉计量法的工作原理

激光超声检测成本高、安全性较差, 目前仍处于发展阶段。但在无损检测领域, 激光超声检测在以下几方面的应用前景引起了人们的关注:高温条件下的检测, 如热钢材的在线检测;不宜接近的样品, 如放射性样品的检测;激光束可入射到任何部位, 可用于形状奇异样品的检测;超薄超细的样品及表面或亚表面层的检测。国外近几年已有将激光超声检测用于飞机复合材料的检测, 热态钢的在线检测的报道。在化学气相沉积、物理气相沉积、等离子体溅射等高温镀膜工艺过程中膜层厚度的实时检测方面也进行了研究。

2.4激光轮廓测量技术

激光轮廓测量技术目前已被公认为一种高精度、高效率、非接触式的表面无损检测方法。如图4, 激光轮廓测量技术利用光学三角测量的基本原理, 激光器发射的光经聚光镜后照射到被检测物体表面, 被测物体表面漫反射的光线经透镜成像后再传到横向光电效应传感器的接收面上。传感器的输出电信号仅与像点的位置有关, 当被激光照射的物体表面的高度发生变化时, 像点的位置也随之改变, 从而引起传感器输出信号的变化。若使激光束逐点扫面被测物体表面, 用计算机对输出信号进行存储处理, 则不仅可获取被测物体表面缺陷的定量数据, 还可用截面图及立体图的形式直观的显示出被测物体表面的情况。

图4激光轮廓测量原理示意图

目前激光轮廓测量技术已成功地用于锅炉管道、热交换器管道、重振炉管道、火箭发动机喷管、石化提炼炉管道、枪炮管等内壁表面裂纹、腐蚀缺陷的检测中, 对管道内径的测量精度可达5Lm,扫查点的空间分辨率可达0. 025mm, 检测速度达5m/ min, 可完成内直径仅5mm

的管道的自动检测。

激光轮廓测量技术只能检测表面缺陷, 其发展方向将是与其他无损检测方法结合, 以达到对被测物体全面评价的目的。

3 结束语

除上述应用外, 激光在红外热成像、荧光渗透等无损检测技术中也得到广泛应用。可以预见,随着激光技术的发展以及成本低、性能高、安全性好的激光器的出现, 必将进一步降低检测成本, 扩大激光技术在无损检测领域的应用, 从而进一步推动无损检测技术的发展。