2011激光超声检测技术解析
激光超声检测技术
脉冲激光照射到样品的表面上所产生的超声应力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，通过检测这种 变化，即可得到脉冲激光在薄膜中产生的超声回波。 1.2 干涉检测技术 根据是否使用非线性晶体， 干涉检测技术又可分为线性干涉检测技术和非线 性干涉检测技术。 1.2.1 线性干涉检测技术
i (t ) {ES cos(2f S t S ) E R cos(2f R t R )}2
1 2 1 2 1 1 ES E R ES cos(4f S t 2S ) E R cos(4f R t 2R ) 2 2 2 2
ES E R cos[2 ( f S f R )t R S ] ES E R cos(2f B t )
：
i (t ) k1ES E R (1 cos ) cos[ wt (S R )]
sin
D
2 2
D
（1.16） 式中， k1 为比例系数， 为光电探测器光量子效率， D 为光敏面的直径，
2 sin / 。
当光电器件的量子噪声很小时，可以只考虑参考光的散粒噪声，光外差系统 的 信 噪 比 为
激光超声检测技术
目前，激光超声的接收主要有传感器检测和光学法检测两类。 传感器检测 包括压电陶瓷换能器检测，电磁声换能器检测，电容声换能器检测。这些检测方 法,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， 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一种新型的无损检测手段，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， 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 技术和干涉检测技术两种。目前广泛使用的是外插干涉仪、共焦 F - P 干涉仪 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 属于非线性光学的。 1.1 非干涉检测技术 非干涉检测技术包括刀刃检测技术，表面栅格衍射技术和反射率检测技术 等。 1.1.1 刀刃检测技术
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。
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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 Ct2h
2T t 2
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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 。
激光超声检测技术[1]
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第35卷第5期2011年10月无损探伤N D TV ol.35N o.5Octo ber.2011综 述激光超声检测技术杜丽婷 刘松平(北京航空制造工程研究所101室,北京 100024)摘 要:激光超声检测技术是用激光激励出声波,它是基于多普勒效应的原理用光学方法接收产生的超声波的一种新型的无损检测方法,本文介绍了激光超声检测技术的特点、工作原理及其应用。
关键词:激光超声;激励;多普勒频移;F-P干涉仪中图分类号:TG115.28 文献标志码:A 文章编号:1671-4423(2011)05-01-04LASER ULTRASOUND TESTING TECHNOLOGYDu Liting Liu Songping(Beijing Aer onautical M anufacturing Technolog y research Institute101,100024) Abstract:Laser gener ation ultr asound is a new testing technique.It g enerates ultraso und by the laser, and using the light to receive the ultr asound by the Doppler theory.The paper dem onstrates the character-istic,thory and application of the technique.Keyword:Laser ultraso und;Excitated;Do ppler;F-P intermenery1 前言激光可以实现非接触式的高灵敏度测量,但不能通过非透明材料的内部,而超声波的检测方法可以实现内部质量的检测,因此,用激光激发超声波使之通过被检测试件的内部,再用激光技术来接收这种超声波的信号,把两者结合起来,发展出一种新的检测方法-激光超声检测方法,解决常规超声检测难以解决的问题。
南京理工大学科技成果——激光超声检测仪
南京理工大学科技成果——激光超声检测仪
成果简介：
工业产品和机械设备中经常使用各种金属、复合材料和焊接结构的部件，如何对这类材料和装备内部是否存在缺陷进行无损检测一直是困扰企业的问题。
相对于其它无损检测技术，由于超声波能有效地在这些材料和结构中传输，因此超声检测在复合材料和焊接结构的无损检测中得到广泛应用。
激光超声是在传统超声检测技术上的进一步发展，它利用高能激光束与被检测物体表面相互作用，在材料中激励产生宽频带超声波，并采用光学方法检测，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，适合在高温、具有腐蚀性、辐射性以及被检件具有较快的运动速度等恶劣环境下使用。
而且激励光束与被检测物体表面无需保持严格的垂直等固定的角度关系，亦不需要复杂的扫查机构，因此，激光超声特别容易实现快速自动化扫描检测。
这一技术既具有超声检测缺陷定量定性准确、又具有非接触的特点，能实现构件的准确快速的无损检测。
项目水平：国内领先
成熟程度：样机
合作方式：合作开发、专利许可、技术转让、技术入股。
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3 激光超声检测技术-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
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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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瑞利波的产生(点光源)
热弹性线源产生的单方向 瑞利波表面法向位移
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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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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
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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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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
产生窄带表面波的激光超声系统
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2 激光超声检测技术-超声波的激光激励
激光-电磁超声技术的检测原理与应用
激光-电磁超声技术的检测原理与应用赵扬;刘伟;郭锐;宋江峰;贾中青【摘要】The principle and character of laser-EMAT testing technique have been introduced in detail in this work. The method used to test the defects in the steel（ including the surface, suburface and inner defects） hasbeen investigated. The laser-EMAT testing system was set up, and the experiments were carried out on the steel specimen containing the surface crack（30 mm×0.2 mm）（0. 2 mm）, sub-surface hole （Ф 3mm×30 mm）and inner hole （Ф 3 mm×30 mm）. The results showed that the method was suitable for testing steel. There is a clear prospect of laser-EMAT testing technique applied to test metal materials at high temperature, corrosion or high speed conditions.%系统介绍了激光一电磁超声检测技术的检测原理和技术特点。
针对连铸钢坯中存在的多种类型缺陷，研究了钢坯表面、近表面和内部缺陷的检测方法。
建立了激光一电磁超声检测系统，并对含有尺寸为30mm×0．2mm×0．2mm的表面裂纹、Ф3mm×430mm的近表面横通孔以及Ф3mm×30mm的内部横通孔的人工缺陷试样进行了检测。
采用激光超声技术实现表面微损伤的尺寸测量
采用激光超声技术实现表面微损伤的尺寸测量李海洋;王召巴;潘强华【摘要】本文采用激光超声检测技术实现了金属材料表面微损伤的尺寸测量.基于热弹机制和干涉接收方式,搭建了激光超声检测实验平台,采用移动待测样品方法,完成了微损伤处反射声信号与透射声信号的接收采集以及B-scan成像,最后从表面微损伤处声信号的时域与频域特征出发,实现了微损伤宽度和深度的定量检测.实验结果表明:根据激光激发点与接收点在微损伤处造成的时域声信号幅值衰减,可实现微损伤的宽度检测;根据表面微损伤透射与反射声信号能量转换的临界频率可实现表面微损伤的深度检测.本文研究成果可为激光超声检测技术的推广与应用提供理论基础和实验方法.【期刊名称】《测试技术学报》【年(卷),期】2018(032)005【总页数】6页(P455-460)【关键词】激光超声;无损检测;表面微损伤;临界频率;定量测量【作者】李海洋;王召巴;潘强华【作者单位】中北大学信息与通信工程学院,山西太原 030051;中北大学信息与通信工程学院,山西太原 030051;中国特种设备检测研究院,北京 100029【正文语种】中文【中图分类】TN249;O426.9高温、高压和腐蚀等恶劣环境会对长期服役的金属构件造成不可逆转的损伤，尤其金属材料表面微损伤，不易检测但危害极大. 因此，实现构件表面性能完好的安全监测是工业生产过程中必不可少的环节.激光超声技术具有远距离、非接触、高灵敏度和宽频带等优点，近年来得到了无损检测行业的广泛关注. 钱梦騄[1-2]分析了热弹机制下激光超声脉冲在自由界面和钳制界面的应力分布情况；沈中华[3]研究了激光线源超声在薄膜-衬底系统中的产生，给出了传播距离和薄膜厚度对声表面波的影响；石一飞[4]研究了扫描激光源法检测板状和柱状金属材料表面微小微损伤的机理；张建炎[5]分析了不同深度微损伤对激光超声表面波传播速度的影响； Dong[6]采用激光超声方法测量了铝合金试样的三阶弹性常数； Soltani[7]通过有限元仿真得到了激光产生超声时样品表面温度和位移分布，分析了激光参数对声波激励的影响； Domarkas[8]根据裂纹共振效应实现微裂纹的宽度与深度测量；李海洋[9-11]采用反射系数法实现了微裂深度与角度测量.本文采用激光线源聚焦方式在待测样品中激发表面波，并结合干涉接收方式实现声波信号的采集与接收，进而实现了待测样品表面微损伤的宽度与深度测量. 主要内容包括：搭建激光超声检测平台，采用移动样品法，完成待测样品表面微损伤处的透射与反射声信号以及B-scan成像采集；根据微损伤处的声信号时域特征实现样品表面微损伤的宽度测量，并结合微损伤处的临界频率现象，进一步实现微损伤的深度检测.1 光弹原理激光照射到材料表面转化为热能，导致材料局部区域温度升高形成热膨胀区域，进而产生超声波在固体介质中传播. 当激光功率密度小于材料表面能量阈值107 W/cm2时，不会对材料造成损伤，可实现完全无损的检测. 这种激光激发机制称为光弹原理，可在材料表层激发出横波、纵波和表面波，其振动位移满足μ2U(x,y,z,t)+(λ+μ)(T(x,y,z,t),式中： U(x,y,z,t)代表t时刻的瞬态位移量；λ与μ是拉梅常数；β是热弹耦合系数；βT(x,y,z,t)是基于热梯度而形成的瞬态体力源； T(x,y,z,t)是样品内部t时刻的温度. 激光照射一次激发会产生表面波、纵波和横波等多种波型声信号，本文采用激光超声产生表面波完成试样表面微损伤的检测.2 实验平台及样品2.1 激光超声检测平台本文采用热弹机制原理和线源聚焦方式，搭建了激光超声检测平台. 该实验平台分为激发部分和信号采集部分，其中激发部分采用CFR200激光发生器，经焦距为100 mm的柱面透镜聚焦成线源，照射到样品表面产生声表面波；采集部分采用基于迈克尔逊干涉仪原理的QUARTET-500 mV激光超声探测仪实现样品表面声信号的非接触探测. 该激光超声检测平台配有扫查行程为250 mm*250 mm，扫查分辨率为6 μm的自动扫查架，并结合移动样品法完成待测样品的A扫信号与B-scan信号采集，进而实现表面微损伤的宽度和深度测量. 实验框图和实验平台如图 1 所示.图 1 激光超声实验框图与平台Fig.1 Experimental setup2.2 实验样品待测样品表面具有不同深度矩形槽形状的微损伤，样品材质为A6061铝合金. 待测样品及损伤尺寸如图 2 所示，对应样品微损伤深度如表 1 所示.图 2 实验样品及尺寸Fig.2 Samples and their size表 1 样品参数Tab.1 Sample parameter样品名称微损伤深度/mmA0.3B0.1C0.083 结果分析3.1 B-Scan图分析基于图 1 激光超声检测平台，完成3块样品表面的B-Scan成像检测，结果如图3 所示.图 3 B-Scan图Fig.3 B-Scan image图 3 中①表示探测点位于微损伤处；②表示激发点位于微损伤处；①和②之间表示透射声信号. 对比(a)(b)(c)可看出在①②处发生散射现象，并且透射声波幅值会随着表面微损伤深度变小而减小. 由图 3 的3块样品B-Scan图像可以很明显地确定微损伤位置，但是无法测量微损伤几何尺寸，需要对声信号进一步分析.图 4 表面微损伤宽度测量Fig.4 Width measurement for micro-damage3.2 表面微损伤宽度测量随着样品的移动，激光激发点与探测点在样品表面的位置会发生变化，具体如图4 所示. 当激发位于表面微损伤处时，无法探测到激光激励的表面声波，同理当接收点运动到表面微损伤处也会发生此现象. 根据探测到声波信号的幅值变化就可以测量表面微损伤的宽度.本文激发点与探测点距离为15 mm，探测表面直达波达到时间为5.6 μs，此时声信号幅值与扫查距离之间的关系如图 5 所示.图 5 扫查范围内信号幅值分布Fig.5 Amplitude distribution of scanning range 以图5(a)为例进行说明：①是探测点位于表面微损伤处位置，②是激发点位于表面微损伤处位置. 当激发点位于微损伤处时，①②处声信号幅值会出现一个很大的衰减，而这个衰减与微损伤的宽度有关. 由图5中数据读取3块样品表面微损伤宽度，如表 2.表 2 表面微损伤宽度Tab.2 Width of mirco-damage样品1样品2样品3宽度/mm0.40.30.4由图2(b)可知表面微损伤实际宽度为0.2 mm，可见实验测量表面微损伤宽度与实际值相近，采用激光超声检测技术可实现表面微损伤宽度的检测.3.3 表面微损伤深度测量表面波传播过程中与微损伤相互作用会发生反射、透射现象，如图 6 所示. 由文献[8]可知，透射声波与发射声波的能量大小与表面损伤的深度有关，因此，可通过测量透射与反射声波能量的大小实现表面微损伤深度的测量.图 6 透射与反射现象Fig.6 Transmission and reflection本文对表面微损伤深度T=0.3 mm, T=0.1 mm以及T=0.08 mm样块的微损伤反射声表面波及透射声表面波进行阈值为db10的小波变换，进行6层分解，对每一层信号进行频谱变换，再结合帕塞瓦尔定理，得到不同频段信号随频率变化的能量曲线图，如图 7 所示. a实线表示透射声表面波曲线， b实线表示微损伤反射声表面波曲线；横坐标为频率(单位： MHz)，纵坐标为能量值(单位： mJ).图 7 透射/反射信号能量谱分布Fig.7 Energy distribution of transmission and reflection signal图 7 中S表示原始信号频谱能量， d1的频率范围是8.34～16.67 MHz； d2的频率范围是4.17～8.34 MHz； d3的频率范围是2.08～4.17 MHz； d4的频率范围是1.04～2.08 MHz； d5的频率范围是0.52～1.04 MHz； d6的频率范围是0.26～0.52 MHz. (a)中S以d6层信号能量分布，透射信号能量大于反射信号能量；而在d1到d2层信号频谱能量的分布是反射信号能量大于透射信号能量，发生这种变化图 8 表面微损伤深度与对应波长关系图Fig.8 A relationship between depth and wavelength的临界频率为2.60 MHz；同理可求得(b)发生透射声信号与发射声信号能量变化的临界频率为7.60 MHz； (c)发生透射声信号与发射声信号能量发生变化的临界频率为9.50 MHz. 根据公式C=λε可计算临界频率对应的临界波长，微损伤深度与波长如图 8 所示.由图8 可知表面微损伤深度与临界波长近似成线性关系，且该近似直线斜率为4，根据这一关系判断表面微损伤深度及误差，如表 3 所示.由此可知，激光超声表面波遇到微损伤会造成透射声信号与反射声信号能量发生转换的现象，采用发生转换现象的临界频率实现了表面微损伤的深度检测，测量误差为6.33%.表 3 实际测量微损伤深度及误差Tab.3 Measurement of defect depth and error样块频率/MHz波长/mm深度/mm误差T=0.3mm2.601.1221.122/4=0.281|0.281-0.3|/0.3=6.33%T=0.1mm7.600.3840.384/4=0.096|0.096-0.1|/0.1=4.00%T=0.08mm9.500.3070.307/4=0.077|0.077-0.08|/0.08=3.75%4 结论本文根据热弹机制和干涉接收方式搭建了激光超声检测平台，结合移动样品方法，完成了待测样品的表面检测，根据微损伤处的声信号时域与频域特征完成了样品表面微损伤的尺寸测量. 本文研究结果真实可靠，可为激光超声检测技术的应用推广提供理论基础和试验方法.参考文献：【相关文献】[1]钱梦騄. 激光超声检测技术及其应用[J]. 上海计量测试, 2003, 30(1)： 4-7.Qian Menglu. Laser ultrasonic technigue and its applications[J]. Shanghai Measurement and Testing, 2003, 30(1)： 4-7. (in Chinese)[2]钱梦騄, 张万春, 吴田成. 激光热弹激发超声脉冲的特性研究[J]. 声学学报, 1995(1)： 1-10.Qian Menglu, Zhang Wanchun, Wu Tiancheng. Study of characteristic of ultrasound pulsethermoelasictally generaetd by a Iaser pulse[J]. Acta Acustica, 1995(1)： 1-10. (in Chinese) [3]Shen Z H, Xu B Q, Ni X W, et al. Theoretical study on line source laser-induced surface acoustic waves in two-layer structure in ablative regime[J]. Optics & Laser Technology, 2004, 36(2)： 139-143.[4]石一飞. 金属材料表面微损伤及残余应力的激光超声无损检测研究[D]. 南京：南京理工大学, 2009.[5]张建炎. 激光超声非接触检测高温金属表面微损伤研究[D]. 南京：南京航空航天大学, 2016.[6]Dong L M, Lomonosov A M, Shen Z H, et al. Evaluation of third-order elastic constants using laser-generated multi-type ultrasound for isotropic materials[J]. Ultrasonics, 2013, 53(6)： 1079-1083.[7]Soltani P, Akbareian N. Finite element simulation of laser generated ultrasound waves in aluminum plates[J]. Latin American Journal of Solids & Structures, 2014, 11(10): 1761-1776.[8]Domarkas V, Khuri-Yakub B T, Kino G S. Length and depth resonances of surface cracks and their use for crack size estimation[J]. Applied Physics Letters, 1978, 33(7)： 557-559. [9]李巧霞, 李海洋, 王召巴, 等. 针对金属表面缺陷深度的激光超声检测研究[J]. 测试技术学报, 2018(1)： 81-86.Li Qiaoxiao, Li Haiyang, Wang Zhaoba. Study on Laser Ultrasonic Technology for Depth Detection of Metal Surface Defects[J]. Journal of Test and Measurement Technology, 2018(1)： 81-86. (in Chinese)[10]李海洋, 李巧霞, 王召巴. 针对金属表面裂纹角度的激光超声检测[J]. 国外电子测量技术, 2018(2): 95-99.Li Haiyang, Li QiaoXia, Wang Zhaoba. Laser ultrasonic testing for the angle of surface crack on metal[J]. Foreign Electronic Measurement Technology, 2018(2): 95-99. (in Chinese)[11]李海洋. 针对金属材料疲劳损伤的声学无损检测技术[M]. 北京：北京理工大学出版社, 2017.。
激光超声检测技术在复合材料检测中的应用
激光超声检测技术在复合材料检测中的应用周正干;孙广开;李征;张耀【摘要】针对广泛用于航天器结构的复合材料层压板,建立了激光超声检测实验平台,实验研究了脉冲激光在复合材料中产生超声波的时频域特征,分析了激光超声与复合材料分层缺陷相互作用的声衰减行为,实现了复合材料层压板夹杂、分层缺陷的C型成像检测.研究成果对推动激光超声检测技术在航天飞行器结构快速检测中的应用与发展具有积极作用.%According to the composite laminates which are widely used in spacecraft structures, a laser ultrasonic experimental platform has been built, the time and frequency features of laser generated ultrasonic waves in composite materials have been studied, the attenuation characteristics induced by the interaction of laser ultrasonic waves with inclusions and delaminations in composite materials have been analyzed. The laser ultrasonic imaging of the internal defects in composite laminates is realized. These research results have a positive effect on the application and development of laser ultrasonic testing technique in the field of spacecraft testing.【期刊名称】《哈尔滨理工大学学报》【年(卷),期】2012(017)006【总页数】4页(P119-122)【关键词】复合材料;缺陷检测;激光超声【作者】周正干;孙广开;李征;张耀【作者单位】北京航空航天大学机械工程及自动化学院,北京100191;北京航空航天大学机械工程及自动化学院,北京100191;北京航空航天大学机械工程及自动化学院,北京100191;北京航空航天大学机械工程及自动化学院,北京100191【正文语种】中文【中图分类】TB5530 引言航天复合材料结构在制造过程中容易产生多种类型的缺陷，对于设计安全裕度很小的飞行器结构，必须采用多种手段尽量减少或避免出现危及其安全性能的结构缺陷.目前，在航天复合材料结构零部件制造过程中虽然采用了十分严格的生产工艺要求和管理控制流程，但是仍然无法避免缺陷的产生.制造缺陷及服役过程中的缺陷扩张对飞行器的结构安全产生巨大威胁，因此，必须采用有效、可靠的无损检测手段来准确识别、定征航天复合材料结构的制造缺陷以保证其性能安全.激光超声检测技术以激光激发并接收超声波，具有非接触、复杂结构适应性好、缺陷识别与表征能力强、检测效率高等技术特点，可以实现大型复杂构件的快速自动化检测，并且具备突出的快速检测和在线/现场检测能力［1，3，5］.针对广泛用于航天器结构的复合材料层压板，研究脉冲激光在复合材料中产生超声波的时频域特性，并分析复合材料内部夹杂、分层缺陷导致的声波能量衰减变化，从而实现复合材料层压板夹杂、分层缺陷的C型成像检测.1 复合材料层压板材试样及检测系统制备碳纤维增强环氧树脂基复合材料层压板材试样，碳纤维材料牌号 HT3，环氧树脂材料牌号G827.层合板铺层代号［+45/-45/02/-45/+45/02］s，试样尺寸为80 mm×15 mm×5 mm(长×宽×厚度).预置聚四氟乙烯圆形薄片模拟夹杂、分层类缺陷，薄片直径6 mm，数量2.制备的复合材料层压板材试样及几何尺寸如图1所示.图1 含预置缺陷的复合材料层压板材试样激光超声检测实验装置由一台Nd:YAG脉冲激光器(脉冲宽度10 ns、脉冲能量0～200 mJ、激光焦斑直径0.7～2 mm)激发超声波，由精密激光干涉测量仪(响应带宽0～125 MHz、表面起伏灵敏度10-13m量级、测量激光焦斑直径100μm)接收超声波.激光干涉测量仪接收到的模拟信号经前置放大器、带通滤波器处理后，由一台数字示波器(Tektronix DPO7254C)实时跟踪显示，以分析检测过程中的信号特征变化情况，同时由NI-5114 DAQ板卡进行A/D转换，完成检测信号的数据采集过程，采集到的超声数字信号由检测控制程式读取以作为成像显示的A型数据.为实现复合材料层压板的逐点扫描成像检测，配置了二维机械扫描机构及控制系统，并开发了一套C型成像检测控制程序.已建立的激光超声检测实验装置原理如图2所示.图2 激光超声检测实验装置原理图2 激光超声的时频域特征研究脉冲激光在碳纤维增强环氧树脂基复合材料层压板中产生的超声波的波形、频谱特征，是利用激光超声检测复合材料内部夹杂、分层缺陷的基础.为使材料表层介质不被烧蚀损伤，激发用脉冲激光的性能参数精确控制为单脉冲能量0.5 mJ、激光焦斑直径2 mm，接收用连续激光的性能参数控制为输出功率0.2 mW、激光焦斑直径100 μm，满足激光超声的热弹性激发条件.图3为热弹性条件下脉冲激光在复合材料中激发超声波的时域信号及其频谱，激发、接收超声波的激光位于复合材料试样同侧且重合，时域信号由激光超声入射波、反射波组成.图4为异侧同轴激发、接收条件下激光超声的时域信号及其频谱，声波主要由透射波组成.图3 复合材料层压板中激光超声的时频域特征(同侧发收)由图3、图4中激光超声的频谱分布可以得出，短时脉冲激光在复合材料中激发的超声波具有宽频带特征，在0～500 kHz的低频范围内，声波能量随频率增加而迅速降低;在1～10 MHz频率范围内，声波能量随频率增加呈缓慢衰减规律.由于激光超声的宽频带特性，原始激光超声信号无法直接用于检测复合材料内部的夹杂、分层缺陷.采用巴特沃斯带通滤波器截取5～6 MHz频率范围内的激光超声信号，分析特定频率范围内激光超声入射波、反射波、透射波的能量幅值，评定其检测适用性，5～6 MHz频率范围内的激光超声时域信号如图5所示.图4 复合材料层压板中激光超声的时频域特征(异侧发收)图5 复合材料层压板中激光超声的时域信号(5～6 MHz)由图5(a)可以得出，经过带通滤波处理后的窄带激光超声信号具有良好的波形包络和纵向分辨率［2，6-7］，入射波与底面反射回波信号清晰可辨，但是在入射波与底面回波间的不同时间位置上存在多处能量幅值相对较低的波形包络，此特征可能与复合材料层压板的多层结构属性和激光超声的宽频带特性相关，这将对脉冲反射式激光超声检测的缺陷识别、定征准确度产生影响.由图5(b)可以得出，完整区域的激光超声透射波信号具有良好的波形包络和纵向分辨率［2，6-7］，利用其在传播过程中的能量衰减变化可以准确识别、定征复合材料的内部缺陷，且不易受到其它声波信号的干扰.因此，为获得准确、可靠、易于工程应用的激光超声检测方法，需要进一步研究复合材料夹杂、分层缺陷的激光超声响应特性及表征方法.3 复合材料内部缺陷的激光超声表征在复合材料激光超声的波形、频率特征研究基础上，研究复合材料夹杂、分层缺陷处激光超声的声学响应特征，是建立复合材料内部缺陷激光超声表征方法的基础和前提.复合材料中存在的层间夹杂、分层、脱粘等缺陷将导致复合材料介质的不连续并产生异质界面，因界面两侧材料性能不同而产生的声阻抗差会显著影响超声波的传播过程，导致声波的反射和能量衰减，通过测量声波在复合材料中传播过程中的反射和能量衰减变化，可以获得准确的材料内部完整性信息［4，8-11］.图6 预置缺陷区激光超声时域信号(5～6 MHz)图6(a)为同侧激发、接收条件下含预置缺陷处的激光超声时域信号(频率范围5～6 MHz)，与图5(a)中完整区域的激光超声时域信号相比，难以分辨入射声波在缺陷处产生的反射波信号，但是可以观测到显著的底面反射回波的能量衰减变化，这种现象与一定频率范围内激光超声与缺陷相互作用时能量的衰减变化相关，并受激发激光的额定性能参数影响.图6(b)为异侧激发、接收条件下含预置缺陷处的激光超声时域信号(频率范围5～6 MHz)，与图5(b)中完整区域的激光超声时域信号相比，可以观测到显著的由缺陷导致的透射声波的能量衰减特征，这是采用透射式激光超声检测方法识别、定征材料内部缺陷的基础.以上研究结果表明，基于声波能量衰减变化的透射式激光超声检测方法易于识别、定征复合材料内部的夹杂、分层缺陷［12-16］.4 透射式激光超声C型成像检测在复合材料内部缺陷激光超声表征方法的研究基础上，利用建立的激光超声实验平台，采用透射式激光超声检测方法对复合材料层压板材试样进行扫描检测［17-20］.复合材料层压板材试样的激光超声C型成像检测结果如图7所示.从图7中可以准确分辨出预置缺陷的形状轮廓及位置，同时可以观测到在试样的其它位置存在较大区域的夹杂、分层类缺陷.检测结果可以初步证明激光超声检测方法在复合材料内部夹杂、分层类缺陷检测中的可行性.图7 复合材料层压板材试样激光超声C型成像5 结语利用建立的激光超声实验平台，采用透射式激光超声检测方法准确识别出复合材料层压板试样内部的预置缺陷以及其它夹杂、分层缺陷，实现了复合材料层压板的激光超声C型成像检测;通过以上研究工作，初步证明了激光超声检测方法在复合材料层压板内部缺陷检测中的可行性，对激光超声检测技术在航天复合材料结构检测中的应用与发展具有积极作用.参考文献:【相关文献】［1］WHITE R M.Generation of Elastic Waves by Transient Surface Heating［J］.J.Appl.Phys.，1963，34(12):3559-3567.［2］MICHAEL Kalms，OLIVER Focke，CHRISTOPH V Kopylow.Applications of Laser Ultrasound NDT Methods on Composite Structures in Aerospace Industry［C］//Ninth International Symposium on Laser Metrology，2008.［3］PIERCE S G，CULSHAW B，PHILP W R，et al.Broadband Lamb wave Measurements in Aluminium and Carbon/glass Fibre Reinforced Composite Materials Using Non-contact Laser Generation and Detection［J］.Ultrasonics.1997，35:105-114.［4］IRENE Arias，JAN D.Achenbach.A Model for the Ultrasonic Detection of Surface-breaking Cracks by the Scanning Laser Source Technique［J］.Wave Motion，2004，39:61-75.［5］YASHIRO S，TAKATSUBO J，TOYAMA N.An NDT Technique for composite Structures Using Visualized Lamb-wave Propagation［J］.Composite Science and Technology，2007，67:3202-3208.［6］MARC Dubois，THOMAS E，DRAKE Jr.Evolution of Industrial laser-Ultrasonic Systems for the Inspection of Composites［J］.Nondestructive Testing and Evaluation，2011，26，213-228.［7］MUBOIS M，LORRAINE P W，FILKINS R J，et al.Experimental Verification of the Effects of Optical Wavelength on the Amplitude of laser Generated Ultrasound in Polymer-matrix Composites［J］.Ultrasonics，2002，40:809-812.［8］石林.复合材料构件的激光超声检测［J］.航空工程与维修，2002，(2):37-38.［9］AUDOIN B.Non-destructive Evaluation of Composite Materials with Ultrasonic Waves Generated and Detected by Lasers［J］.Ultrasonics，2002，40:735-740.［10］KIM Hongjoon，JHANG Kyungyoung，SHIN Minuea，et al.A Noncontact NDEMethod Using a Laser Generatedfocused-lambwavewithenhanceddefect-detection Ability and Spatial Resolution［J］.NDT＆E International，2006，39:312-319.［12］YASHIRO S，TAKATSUBO J，MIYAUCHI H，et al.A Novel Technique for Visualizing Ultrasonic Waves in General Solid Media by Pulsed Laser Scan［J］.NDT＆E International，2008，41:137-144.［13］LEVESQUE D，KRUGER S E，LAMOUCHE G，et al.Thickness and Grain Size Monitoring in Seamless Tube-making Process Using Laser Ultrasonics［J］.NDT＆E International，2006，39:622-626.［14］SANDRA Nowland Hopko，I Charles ser Generated ultrasound by Material Ablation Using Fiber Optic Delivery［J］.Ultrasonics，1999，37:1-7.［15］AHMED Amziane，MOHAMED Amari，DENIS Mounier，et ser Ultrasonics Detection of an Embedded Crack in a Composite Spherical Particle［J］.Ultrasonics，2011，49:15-21.［16］CLORENNEC D，ROYER D，WALASZEK H.Nondestructive Evaluation of Cylindrical Parts Using Laser Ultrasonics［J］.Ultrasonics，2002，40:783-789.［17］PLERCE R，UME C，JARZYNSKI J.Temporal Modulation of a laser Source for the Generation of Ultrasonic Waves［J］.Ultrasonics，1995，33:133-137.［18］GAELLE Rosa，PANDORA Psyllaki，Roland Oltra，et al.Simultaneous Laser Generation and Laser Ultrasonic Detection of the Mechanical Breakdown of a Coating-substrate Interface［J］.Ultrasonics，2001，39:355-365.［19］JOHNSON M A，BERTHELOT Y H，BRODEUR P H，et al.Investigation of Laser Generation of Lamb Waves in Copy Paper［J］.Ultrasonics，1996，34:703-710.［20］HROVATIN R，PETKOVSEK R，DIACI J，et al.The Applicability of a Material-treatment Laser Pulse in Non-destructive Evaluations［J］.Ultrasonics，2006，44:1199-1202.。
Laser Ultrasonic NDT 激光超声波无损检测
激光超声波是一种结合了超声波技术（UT）精度和光学系统灵活性的评估方法. 可运用在多种材料和环境下, 如钢管检测和复合材料检测.这种评估方法, 具有非接触性及无损伤的特点. 在激光超声波中, 激发激光的短激光脉冲在测试材料表面上被小区域范围吸收. 吸收的光能量在测试材料内触发被称为超声探测脉冲的高频声音脉冲. 同时, 被称为检测激光器的第二激光从测试材料的表面发生反射和接收. 然后由超声波探测脉冲引起的任何表面运动被记录在接收的激光中. 使用光学干涉方法, 从光信号提取表面运动, 发出与常规超声波相同的信号, 但并没有任何接触. 然后使用超声波波形分析方法来检测缺陷, 表征材料或用于尺寸测量. 激光超声波突破以往不能与常规超声波一起使用的环境限制, 扩展了超声波的应用范围.
灵活性
激光超声波可以在宽阔范围工作距离下及不同环净中（真空、粗糙、噪声）产生具有各种形状（点、环、阵列）的不同类型超声波.
准确性
激光超声波是能够轻松实现超声波高带宽的唯一方法
洞察性
激光超声波是一种可以“观察到”实时处理效应的方法, 从而更好地了解物理特征变化.。
一文了解工程陶瓷微缺陷七大无损检测技术
工程陶瓷材料具有高硬度、高耐磨性、抗腐蚀性和耐高温等物理和力学性能，已广泛应用于航空航天装备等尖端领域。
工程陶瓷制品加工工序复杂，每道工序都可能形成影响性能的缺陷，因此，有必要采用高灵敏度的测试手段对陶瓷材料微缺陷进行全面检测。
无损检测（NDT）在不改变被检对象使用性能的前提下评价材料的完整性和连续性，检出固有缺陷及其形状、位置和大小等信息，适于检测加工效率低而成本高的工程陶瓷材料的缺陷情况。
1液体渗透检测技术(P T)液体渗透检测利用液体毛细管作用原理，能够对多种材料及其制件表面开口缺陷进行非破坏性检查。
可检测出非多孔性、固相材料开口于表面的间断。
对均匀而致密的工程陶瓷材料，荧光或着色渗透方法能检出开度小至1 μm的气孔、裂纹等表面缺陷，但对材料表面粗糙度和整洁度要求高，未经预清洗或沾有污物的表面和空隙会产生附加背景，影响识别检测结果。
Si3N4陶瓷球表面缺陷渗透检测图像✦渗透检测的工作原理渗透检测是基于液体的毛细作用（或毛细现象）和固体染料在一定条件下的发光现象。
渗透剂在毛细管作用下，渗入表面开口缺陷内；在去除工件表面多余的渗透剂后，通过显像剂的毛细管作用将缺陷内的渗透剂吸附到工件表面形成痕迹而显示缺陷的存在。
✦渗透检测的流程2超声检测技术(UT)超声检测利用超声波在弹性介质中传播，在界面产生反射、折射等特性来探测材料内部或表面/亚表面缺陷。
目前，国外开始将人工智能、激光技术、数字信号处理、神经网络以及断裂力学知识与超声检测相结合，对陶瓷制品的强度和剩余寿命进行评估。
✦超声检测的工作原理主要是基于超声波在试件中的传播特性。
a. 声源产生超声波，采用一定的方式使超声波进入试件；b. 超声波在试件中传播并与试件材料以及其中的缺陷相互作用，使其传播方向或特征被改变；c. 改变后的超声波通过检测设备被接收，并可对其进行处理和分析；d. 根据接收的超声波的特征，评估试件本身及其内部是否存在缺陷及缺陷的特性。
激光超声检测技术原理
激光超声检测技术原理
嘿，朋友们！今天咱来唠唠激光超声检测技术原理。
你说这激光超声检测技术啊，就像是给物体做了一次特别的“体检”！想象一下，一道激光“嗖”地一下射过去，然后就能知道物体内部的情况啦，神奇不？
其实啊，它的原理就好像是我们和朋友之间的特殊“交流方式”。
激光就像是我们发出的一个信号，打到物体上，这个物体呢，就会因为激光的作用产生一些反应，就像朋友听到我们的话会有回应一样。
而这些反应呢，就是超声啦！这些超声就包含了物体内部的各种信息。
咱再打个比方，这就好比我们用手电筒照在一个物体上，然后物体表面会有光影的变化，我们通过观察这些变化就能了解物体的一些情况。
只不过激光超声检测技术要更高级、更精细得多呢！
它的好处可多啦！不用和物体直接接触，就能检测到里面的情况，多方便啊！而且检测速度还特别快，就像一阵风似的，“呼”地一下就完成了。
你想想看，要是没有这么厉害的技术，那我们要检查一些很精细的东西或者很难接触到的地方，那得多麻烦呀！可能得费好大的劲，还不一定能检查得清楚准确呢。
激光超声检测技术在很多领域都大显身手呢！比如在工业上，可以检测那些复杂的零部件有没有问题；在医学上，说不定也能帮医生们更好地了解病人身体内部的情况呢。
它就像是一个拥有神奇能力的小助手，默默地为我们服务着。
让我们能更清楚地了解周围的世界，发现那些隐藏起来的小秘密。
所以说啊，激光超声检测技术真的是太牛啦！它给我们的生活和工作带来了这么多的便利和帮助，我们可真得好好感谢那些研究出这项技术的科学家们呀！它让我们能更深入地探索这个世界，发现更多的精彩！怎么样，是不是觉得很厉害呀？。
激光焊接技术及其缺陷的超声检测
激光焊接技术及其缺陷的超声检测一、激光焊接加工方式介绍激光设备由光学震荡器及放在震荡器空穴两端镜间的介质所组成。
介质受到激发至高能量状态时，开始产生同相位光波且在两端镜间来回反射，形成光电的串结效应，将光波放大，并获得足够能量而开始发射出激光。
它属于熔融焊接，以激光束为能源，冲击在焊件接头上。
激光束可由平面光学元件（如镜子）导引，随后再以反射聚焦元件或镜片将光束投射在焊缝上。
激光焊接属非接触式焊接，作业过程不需加压，但需使用惰性气体以防熔池氧化，填料金属偶有使用激光焊可以与MIG焊组成激光MIG复合焊，实现大熔深焊接，同时热输入量比MIG 焊大为减小。
激光焊接有以下优点：（1）可将入热量降到最低的需要量，热影响区金相变化范围小，且因热传导所导致的变形亦最低。
（2）32mm板厚单道焊接的焊接工艺参数业经检定合格，可降低厚板焊接所需的时间甚至可省掉填料金属的使用。
（3）不需使用电极，没有电极污染或受损的顾虑。
且因不属于接触式焊接制程，机具的耗损及变形接可降至最低。
（4）激光束易于聚焦、对准及受光学仪器所导引，可放置在离工件适当之距离，且可在工件周围的机具或障碍间再导引，其他焊接法则因受到上述的空间限制而无法发挥。
（5）工件可放置在封闭的空间（经抽真空或内部气体环境在控制下）。
（6）激光束可聚焦在很小的区域，可焊接小型且间隔相近的部件，（7）可焊材质种类范围大，亦可相互接合各种异质材料。
（8）易于以自动化进行高速焊接，亦可以数位或电脑控制。
（9）焊接薄材或细径线材时，不会像电弧焊接般易有回熔的困扰。
（10）不受磁场所影响（电弧焊接及电子束焊接则容易），能精确的对准焊件。
（11）可焊接不同物性（如不同电阻）的两种金属（12）不需真空，亦不需做X射线防护。
（13）若以穿孔式焊接，焊道深一宽比可达10:1（14）可以切换装置将激光束传送至多个工作站。
二、激光焊接加工的工件可能产生的典型缺陷和特点以金刚石锯片激光焊接缺陷和断口为例进行分析，激光焊接的快速加热及快速冷却特性决定了焊缝的成分及组织的不均匀性，由此导致了产生各种焊接缺陷的可能性。
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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
T
3 2 T T 2
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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。
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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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
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 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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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 。
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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。
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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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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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