激光超聲檢測技術
發布時間：2017-09-01
1前言
激光可以實現非接觸式的高靈敏度測量,但不能通過非透明材料的內部,而超聲波的檢測方法可以實現內部質量的檢測,因此,用激光激發超聲波使之通過被檢測試件的內部,再用激光技術來接收這種超聲波的信號,把兩者結合起來,發展出一種新的檢測方法-激光超聲檢測方法,解決常規超聲檢測難以解決的問題。
與常規超聲檢測方法比較,激光超聲技術具有下列優點:激光超聲不需要耦合劑,避免了耦合劑對測量范圍和精度的影響;激光超聲可實現遠距離操作,可用于高溫環境及腐蝕性強、有放射性等惡劣條件,并可以實現快速掃描,對生產現場快速運動的工件的在線檢測;激光超聲的盲區小于100μm,可用于測量薄工件。激光超聲的頻率帶寬較常規的換能器寬,具有測量微小缺陷裂紋的能力;激光超聲可用于表面幾何形狀復雜及受限制的空間,如焊縫根部小直徑管道等;空間分辨率高,有利于缺陷的精確定位及尺寸量度,并可作為聲源應用于理論研究。早期受到激光器件與相關學科發展的影響,激光超聲自20世紀70年代提出到80年代中期成為熱點之后,尚未達到人們預想的應用效果。20世紀末21世紀初,隨著激光、電子、計算機和相關學科的發展,經過近10來年的技術積累,激光超聲已經從方法探索步入技術研究與開發應用階段,特別是國外一些新型的航空裝備上已經開始采用這一檢測新技術。我國則錯過了這一個關鍵時期的技術積累。
2激光超聲檢測的原理
激光超聲是利用高能量的激光脈沖與物質表面的瞬時熱作用,在固體表面產生熱特性區,然后利用這種小熱層在材料內部向四周熱膨脹擴散產生熱應力,從而通過這種熱應力產生超聲波。激光作用在材料上產生兩個熱特性區:灼燒區、熱彈區。
2.1灼燒區
如圖1所示,在高的能量作用下,物體的溫度升高超過了其蒸發溫度,原子以高速離開物體表面,產生一個動量,這種產生超聲的模式稱為熱蝕效應。
2.2熱彈區
如圖2所示,當激光器的能量不足在表面上形成腐蝕現象時,在固體表面產生熱特性區,從而在物體內部產生應力波即超聲波,較低的吸收率下,表面吸收的熱量沒有超過其融化溫度,產生源是一個短暫的膨脹過程,與這個膨脹相關的壓力波絕大部分低于彈性范圍內,這種模式稱為熱彈效應。
通常所說的激光超聲指的是熱彈區,由于用于激勵的脈沖激光器與被檢測物體表面之間不需要任何機械連接和接觸,因此,這種方法具有很好的工程應用潛力和前景。當采用光學方法接收激光束在被檢測材料中產生的超聲波時,這種方法可以完全實現非接觸的超聲檢測。
3激光超聲檢測技術
3.1激勵用激光器
激光超聲系統是一個集光、機、電、算的復雜的檢測系統,主要由兩部分組成,即超聲波的產生與接收。產生超聲波的激光器目前主要有a)Nd:YAG激光器[1],該激光器產生的激光波長是1064nm,激光器的能量為300mJ,發出的激光光斑直徑是6?5mm,該激光器激勵出的超聲波的脈寬是5ns;b)CO2激光器[2],該激光器的光脈沖持續時間為70ns,根據制造需要,CO2激光束的形狀是長方形的,光斑直徑大約5mm左右; c)XeCL(308nm)激光器[3],激勵出的脈寬是40ns,XeCL激光器與CO2激光器有相似的光束形狀,光斑直徑大約是3mm。在對碳纖維樹脂基復合材料檢測時,復合材料對這幾種波長的激光器有不同的吸收特性和燒蝕閾值[3],選用Nd:YAG激光器比較常見。
3.2光學接收技術
非接觸的超聲波接收技術較多,常用的方法有電磁聲換能器(EMAT),電容換能器(MSAT)及空氣換能器等,但是這些非接觸光學探測方法的應用除了各自的局限性(如EMAT要求被檢測樣品為導體;ES2AT要求樣品表面拋光;空氣換能器帶寬較窄等)之外,其共同的特點是雖然是非接觸式的,但相隔距離不能很遠(幾毫米到幾十個毫米),探測靈敏度隨樣品及換能器間的距離增大而降低。要真正實現遠距離的非接觸式檢測只能采用光學檢測技術。非干涉的刀口技術要求樣品表面非常光潔,難以用于粗糙表面。所以要想實現遠距離的檢測,常用光學干涉技術,常用下面兩種干涉方法來實現超聲波的接收:
3.2.1光外差技術
光外差方法通常用的是邁克遜干涉儀,探測的表面是鏡面,圖3是外差干涉儀的原理圖。
光外差方法對頻率的響應受探測器截止頻率影響,因此大于探測器截止頻率的超聲振動應該有補償措施,用一個機電反饋回路來實現這種補償效果。外差干涉法對表面的位移敏感,但是卻無法消除工業現場各種振動對探測的干擾,此外,這種方法對光點的尺寸大小有非常苛刻的限制,只有光點尺寸達到一個散斑大小時才能達到最佳的檢測效果,因此光外差方法只能用于實驗室條件下光滑表面的超聲振動的檢測,在外現場檢測中常用的是速度干涉儀。
3.2.2速度干涉儀
速度干涉儀也叫作時間延遲干涉儀,它是基于多普勒頻移原理而應用的一種光學檢測方法,如圖4所示。
當激光照射在振動物體表面時,根據多普勒頻移的原理,發射或散射光的頻率發生了變化,變化的頻率里加載了超聲波的振動頻率,干涉儀把頻率的變化轉變成光的強度的變化,經過一系列的處理手段,轉變成電信號在示波器上顯示出來,分析信號的特征就可以得到對被檢測試件內部的情況。速度干涉儀對檢測物體表面的速度特別敏感,對微振動有較好的檢測能力。這種干涉儀有雙光束干涉和多光束干涉,用的較多的是共焦的多光束干涉儀,也就是F-P干涉儀,它有突出的優于其他干涉儀的特點[4],圖5所示是光線在干涉儀的傳播路線及輸出信號的光強與頻率的關系。
采用圖6所示的工作系統[5],用一個調Q Nd:YAG激光器,打在被檢測的試件上面,用一個He-Ne激光器在試樣另一面來接收產生的超聲波,信號檢測取決于攜帶超聲的激光束頻率的頻移,利用多光束干涉的特點,頻率的變化轉變成輸出光強的變化,從而實現光學方法的超聲檢測。L1~ L3透鏡的焦距分別是2cm、-5cm、5.5cm;BS:分光鏡;PBS:偏振分光鏡;G1:電子放大器; QW:1/4波片;PD1、PD2:靈敏光電二極管。
4在航空工業中的應用
由于激光超聲檢測技術有突出的優點,常用于復雜的幾何形狀如:楔形結構、拐角結構、V型結構、T型結構、蜂窩夾層結構等,國外在航空工業及其他領域都有較好的應用效果。
a)高溫大曲面的復合材料平板的檢測[6]圖7是激光超聲檢測曲面復合材料平板的原理圖。被檢測材料的表面溫度是1400℃,厚2.24mm,大小254mm×254mm,生成C-Scan掃描圖像,可以直觀分析內部的缺陷,用這種方法使曲面物體的檢測變得容易得多。
b)復合材料構件涂層的監測和控制系統[6]。能夠對涂層的變化進行監測,及時發現影響飛行的一些變化,使事故防范于未然(圖8)。
c)用于環氧樹脂機身平板、機艙平板、方向舵、尾翼[7]等其他飛機結構件的檢測(圖9)。
此外在其他領域也有廣泛的應用:可以對產品的生產過程進行監控,如利用激光脈沖的時間間隔可以在線對鋼管的厚度進行測量[7],這樣可以明顯提高生產速度,提高鋼材的產量;還可以對材料的彈性應力進行在線測量[8],便于監控產品的質量和性能,降低生產成本。目前在我國這項技術還處于試驗室研究階段,在工業生產方面還沒有大規模的投入使用。
摘自：中國計量測控網
