2011激光超声检测技术解析

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激光超声检测技术-特点
优点
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（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。 （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。
I ( x1 , x2 , x3 , t ) I 0 ( x1 , x2 , t )e
材料吸收光能在材料表面引起的热能分布
rx3
对金属，一般采用表面波模型；对其他材料采用体波模型。
q( x1 , x2 , x3 ) q0 ( x1 , x2 , t )e x3
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3 2 T T 2
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 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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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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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。 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
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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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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
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激光超声检测技术-特点
缺点
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（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。
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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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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 2T T 2 C k T q 2 2 t Cth t
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
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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。 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。 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 。