激光超声波

激光超声波传感器调研

1. 激光超声波传感器的原理：

激光超声波传感器主要由两部分组成：通过激光产生超声波的超声波发生器和超声波接收检测器。下面将分别就激光超声激发机制和超声波接收检测器进行原理分析。

1.1 激光超声激发机制

激光光束与材料的相互作用的基本过程为：高能量的激光光束能量转换成热能，从而产生局部温度的变化，由于热膨胀的作用就在材料中形成了弹性应力波，即超声波。根据入射激光光功率密度和材料表面的条件，可以把激光超声激发机制主要分为两种：热弹性机制和烧蚀机制。

1.1.1 热弹性机制

当激光光束照射到工件表面的强度不高，激光功率密度不足以使工件表面融化，激光的一部分能量被固体的浅表面吸收，另外一部分被表面反射。固体的浅表面由于吸收了激光的能量温度迅速上升，同时材料内部的晶格动能也增加，但还在弹性限度范围之内，由于热胀冷缩而产生热弹性膨胀，固体发生形变。由于入射的激光是脉冲的，所以热弹性膨胀也是周期性的，即产生了周期变化的脉冲超声波。

热弹性机制，激发的激光能量比较低，还没有对工件表面造成损伤，因此热弹性机制下的激光超声检测技术可以认为是一种无损检测技术。另外，由热弹性机制激发超声波的效率较低，利用表面修饰的技术、光束的时间调制、光束的空间调制，可以提高激发效率而不损坏工件表面。最简单的方法是光束的空间调制的方法，即用柱面镜把点光源转换成线光源。

图1. 热弹性机制示意图

1.1.2 烧蚀机制

当入射激光功率密度逐渐增大甚至达到工件表面的损伤阈值，此时工件表面材料融化、汽化甚至形成等离子体快速离开材料表面而产生一种垂直于材料表面的作用力从而产生应力波，即超声波。

虽然烧蚀机制光声的转换效率较高，甚至可以达到热弹性机制激发效率的4倍，但会对工件表面造成0.3μm的损伤。这样就限制了烧蚀机制的应用，而且通常烧蚀机制主要是用来产生纵波。

图2. 烧蚀机制示意图

1.2 激光超声检测机制

通常使用的激光超声检测方法主要包括：电学与光学。电学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）。光学都是非接触的，主要包括：干涉和非干涉法。

2.2.1电学方法

常规超声主要采用的压电陶瓷换能器（PZT）接受超声波信号。它的原理是利用压电陶瓷的压电、逆压电效应来激发、接受超声波信号。激光超声早期的研究也多以采用接收灵敏度高的PZT接收超声波信号。但是PZT必须与检测工件接触，或在换能器前表面上附一个1／4声波长的匹配层。这类换能器灵敏度较高，无法实现远距离的非接触检测，这没有充分发挥激光超声技术的优势，这类换能器灵敏度较高，但带宽有限，不适合检测宽频带的光激超声信号。加拿大NRC的挤注模具填充料测量传感器采用是压电陶瓷的检测机制。

电磁换能器法（EMAT），工作原理可以分为洛仑磁力和磁致伸缩力两种形式来激发和接收超声波信号的。主要是应用于高温环境下的材料非接触检测。缺点是被检测工件需要是导体，并且转换效率低。

电容换能器法（ESAT），是基于电容效应的一种换能器。是由两平行板中间隔一空气隙组成，把待检测工件抛光作为其中的一平板，另一板加电压。由于声波的作用使工件表面产生振荡而造成换能器电容C的变化，通过检测电容的变化，从而检测出工件的表面平整度和内部缺陷。电容换能器法在研究激光超声特性时广泛使用。这种技术的特点是频带宽，其缺点是被检测作为平行板电容器的一个极板需要抛光，对于实际操作安装时不容易。

2.2.2 光学方法

电学方法虽然可以实现非接触，但是这些方法要求与试样表面的距离不超过几百微米。不能称为真正意义的非接触检测。而光学方法却可以实现远距离检测，实现真正意义上的非接触检测。光学方法又可以分为干涉法和非干涉法。非干涉法目前以及发展较完善，但应用有局限性，故没有推广。而干涉技术更具有发展的前景。其中加拿大NRC的金属缺陷检测和1000℃钢管厚度在线测量采用的就是干涉技术。

干涉法是根据超声在工件表面或到达表面时位移引起光束的相位或频率调制来实现的。如图3所示。零差干涉技术是基于迈克尔逊干涉仪原理建立起来的。工作原理为：光束经分束镜（BS）分成两束，一束经透镜（L）聚焦照射在工件表面，被工件表面反射后经分束镜（BS）反射进入光电接收器（Detector）；另一束经反射镜（M）反射后也进入光电接收器（Detector）。这两束激光束在光电接收器中形成干涉，通过对干涉光的相位解调，就可以检测出工件中超声波的传

播情况。相位的变化可以反应在光强的变化中，即通过检测光强的变化就可知道超声波在工件中传播情况。

若在参考光路中加入声光调制器（Bragg），使其参考光在射频范围内产生频移，就可以构成光外差干涉技术了。与零差干涉技术相比，外差干涉技术的频带较宽，能对抗环境振动干扰能力较强，而且信躁比也较高。

图3. 干涉法接收信号示意图

2.技术比较

激光超声检测技术是一门新兴超声无损检测技术，它涉及了光学、声学、热学以及材料学等多个学科。激光超声检测技术的基本原理是利用高能量的脉冲激光轰击材料表面，与材料的相互作用产生弹性应力波（超声波），然后把应力波的频率或相位调制在连续光束中，最后把应力波的信息解调出来。与常规超声检测技术相比，激光超声检测技术具有如下优点：

1）非接触：激光超声可以实现全光的检测，激发是直接使用高能量脉冲直接照射工件，而接收可以使用非接触式的激光干涉仪。这样就可以实现非接触检测。不仅可以避免使用耦合剂而不污染工件，而且还可以在高温、高压、有毒、高辐射等恶劣环境下进行遥发遥收的无损检测；

2）波型丰富：常规超声如果需要产生特定波型(纵波、横波、表面波等)需要特定的换能器，并且中心波长也单一，这样给检测带来了不便。激光超声只要控制好脉冲激光功率密度，就可以产生多种波型[1]；

3)超声波频率宽：由于激光器技术的发展，现在使用的激光器的脉冲宽度可以很容易达到ns甚至更小。而激光激发的超声波脉宽和激光束的脉宽是在同一个数量级上，这样激光激发的超声波频率可到达GHz量级，而相应的波长只有μm量级。这样可以提高检测微小缺陷的能力和检测的精度[2]。不同激发方式激发的超声波脉宽如图4所示。

a）压电陶瓷材料产生的超声波 b）激光超声系统产生的超声波

图4. 不同超声波系统产生的超声波脉宽