激光超声无损检测技术

第 12卷 第 1期 黑 龙 江 科 技 学 院 学 报 Vol I 2 No 1 2002年 3月 JOURNAL 0F HEILONGIIANG INST1TUTE OF SC1ENCE＆ TECHNOLOGY Mar．2002 文章编号：1671 0118(2002)01—0031—03 激光超声无损检测技术 张晓春 ‘， 于 全 (1．黑龙江科技学院 基础部，黑龙江 鸡西 l58105；2大庆石袖管理局 地质录井公司 黑龙江 大庆 16341I) 摘 要：根据电磁理论，推导了在固体中激光超声产生的热膨胀机理和电子机理 研究了激光超声信 号的光学检测方法。结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明，激光超声可以重复产生窄脉冲，在时间和空间具有极高的分辨率，适用于 材料的无损检测 关键词：激光：超声波；无损检测；激光超声 中图分类号：0426 3 文献标识码：A The N 0ndestructjVe Testing Technol ogy of Laser—generated Ultrasonic ZHANG Xiaochun ， YU Quart。 (1 Elementary D partrnem，Heilongjiang Institute of sicence and Technology，Jixi 158 105，China 2．Creo~ ing Company of Daqing Petroleum ．Administrative Bureau，Dqing 16341 I．China) Abstract：Based on the electromagnetic theory，thermal energy principle and electron princi— pie of laser exciting ultrasonic is deduced．Optical testing method of laser-generated ultrasonic signal is studied． The result indicams that laser excite uhrasonic can produce narrow pulse repeat，it possesses higher kite resolving power in time and space，laser exci~ ultrasonic applies to nondestructive testing of materia1． Key word word文档格式规范word作业纸小票打印word模板word简历模板免费word简历 s：laser；uhrasonic；nondestru ctive testing；laser-induced ultrasonic 0 引 言 1 激光超声波激发原理 超声波检测技术是研究物质结构及其特性的基 本方法之一，在许多领域已获得成功应用 特别是激 光超声技术的兴起，极大地促进了超声检测技术的 发展。激光超声技术是用强度调制的激光束射人闭 合介质空间时而产生声波的技术。利用激光脉冲来 激发超声脉冲，不仅是非接触的，而且可以重复产生 很窄的超声脉冲，在时间和空间都具有极高的分辨 率。它能以非接触方式对物体进行连续快速的自动 植测，能对形状十分复杂的物体进行全方位检测，可 以在高温、高压、有毒、放射性等各种恶劣环境下进行超 声检测。适合于超薄材料的检测和物质微结构的研究 收稿日％： l—lO—l9 激光超声是指用脉冲激光在介质中所产生的 超声波或指利用激光来产生超声这一物理过程， 有时又把利用激光来产生超声波和测量超声波统 称为激光超声 激光可以在固体中产生超声，也可 以在气体和液体中产生超声 笔者只限于讨论激 光超声在固体中的产生机理及应用研究 在固体中利用激光激发超声波，起困于光被列 与材料物质的相互作用 产生机理主要是热弹性膨 胀机理和电子机理 照射 到试样 表面的激光 能量不 足以使表面熔化时，试样内超声脉冲主要是由于试 样吸收光能发生热弹性膨胀而产生 照射到不透明 试样表面的激光脉冲，其能量一部分被浅表层吸收， 维普资讯 http://www.cqvip.com 32 黑 龙 江 科 技 学 院 学 报 第1 2卷 一 部分被反射 入射的激光束是相干电磁脉冲，利用 电磁理论可以计算出材料表层的反射率 尺，其值为 反射光能量E与入射光能量 之比，即 击一 ， f= 口c ， 、 1 0～ ． o'v 0 式中：6——表层深度，指激光辐射能量被走部分吸收 的材料表层； o-一一 材料的电导率； “ ——真空磁导率； — — 材料的磁导率； v——激光脉冲的频率； c——光速。 在可见光范围 》 1。 金属的电导率口大约为 10~(f2·nn一，若知^射激 光的波长，可计算 出相应金属的反射率 尺，从而知道 其吸收系数。激光束在金属表面的作用可视为一种 瞬时热源，由此，可以求出金属表面的温度变化△ 如图 1所示 图 1 热弹性膨胀激光超声波示意 rig．1 Laser excite ul~'asonic owing to hot elastic expansion 一 E 南 ， 式中：C——热容量 ； p——密度； — — 表面积； — — 体积 金属表层吸收热能其温度会突然上升，体积必然 产生热膨胀 若金属吸收能量前的体积为 吸收能 量膨胀后的体积为 +AV 金属的线性膨胀系数为 ，则 △V=3 VAT ． 从而得 (1_ 。a 由此可见，材料吸收激光能量产生的热膨胀形 变与人射光能量成正比 入射的光波是脉冲波，因 此浅表部分的形变也是周期性的．周期性的形变在 周围介质 中便激发 了超声波 为了提高光激超声的 效率，可在固体表面涂各种涂层，增加表面的光吸 收。采用脉冲宽度极窄的高能量密度光束照射介质 可获得较高的声波能量。 上述激光超声作 为介质 中新 型超 声波 源 的应 用，只是把脉冲激光能量作为瞬态的热源 在某些固 体如半导体中，激光的作用不仅直接作为热源产生 热膨胀，还会产生一些微观变化 特别是激光作用时 间很短时，如果激光的量子能量足够大，使共价晶体 中原子的价电子能够脱离原子，那么，在极短时间 内，这些自由电子还没有回复到平衡状态之前、部分 被吸啦的光能便转化为电子和离子之间的相互作 用，形成一种 电子应变源 电子的应变源 同样 可以激 励超声，这种机理称为电子机理或“微形变 机理。 2 光学法激光超声信号检测 固体中光激超声波信号检测的重要方法：换能 器检测法和光学检测法 常用的换能器有压电陶瓷 换能器、电磁声换能器l羽I电容声换能器 这些换能器 都有较宽的频带，可以非接触接收光激超声波信 号，但必须接 近试样表 面，并且橙 测灵敏度 较低，只 适用于导体材料的检测 压电陶瓷声换能器，使用时 必须直接紧贴在试样表面上才能检测，或在换能器 前表面上附一个 1／4声波长的匹配层 这种换能器检 测灵敏度较高，但是带宽有限，不适合检测宽频带的 光激超声信号 光学检测法则不存在上述问题 因 此，光激超声信 的检测主要采用光学检测法。 光学橙测法又分为干涉和非干涉两种。非干涉 法检测的原理是：当照射到试样表面的检测光束直 径小于光激超声波长时，反射检测光束由于表面超 声波动而发生偏转，偏转大小由位移检测器接收，这个 偏转值与声波的幅值及性质有关。应用这一技术，能 显现出表面波和体波的传播情况，检测出试样的内 部缺陷和微结构，如图 2所示 该方法装置简单，频 格测光束 橙测器 试 样 图 2 非干涉法光激超声检测 Fig．2 Non interference testing method of laser exelte uI打aSOniC 维普资讯 http://www.cqvip.com 第】期 张晓春等：激光超声无损检测技术 33 带宽，环境振动对测量结果影响较小，是对抛光表面 试样进行超声检测的有效工具 干涉法检测是将试 样表面直接作为迈克尔逊 干涉仪测量臂 中的反射镜，其原理如 图 3所示 聚 焦的激光束照射到试样表面，激光束被表面反射并 与由光源分离出来的参考光束发生干涉，两光束干 涉光强与试样表面位移 △∞有关，检测器接收到的 谜 圈 3 干涉法光激超声波检测 Fig．3 Interference testing method of laser excite ul~asonic 光强 为 =Lfs+P+2UsP~os[ △( )一 (rW} 斌 中：L——激光光强， 一 参考光束有效强度透过系数； P——试样表面反射的检测光束的有效强度 透过系数； ( )——相位 ； 卜一 时问。 相位 (t)由干涉仪的光程差决定，并受外界 振动影响 实际检测中，通过移动参考反射镜来调节 光程差使 (0=2k 土{ 是整数) 且当A(t)比光 波波长 小得多时有 J=j {s+P+2、／—i n【三丌一A【t)】} 1o(s+P+2√— [ △( )】。 可见，由干涉光的强度便可获得超声振动。 如果在参考臂中引入频移系统即构成外差干涉 检测仪，人射的激光束被试样表面夏射并与由光源 分离出的参考光束发生干涉，使光束发生频移，由检 测器检测出频移和干涉光强度，从而测量 l『试样振 动位移和试样表面振动速度 外差干涉检测系统具 有较宽的频带，能对粗糙表面进行检测，并对环境振 动有较强的抗干扰能力。激光超声以非接触方式对 物体进行无损检测，激光发射到被测物之问的距离 可 达到 10m。而且激光柬的发散很小，这样就可以 检测人们无法接近的物体，如高温、高压、有毒或放 射性等恶劣环境内的各种物体 由于激光超声不需 任何耦合剂，因此耦合剂的易变性和耦台的可靠性 及匹配问题也就不存在，对检测现场和被检测物体 的温度限制也随之取消。 3 结束语 激光可 在气体 、液体、和固体中产生超声波 在固体中，激光超声的最重要应用是材料的无损检 测和无损评价 常规的超声检测中，超声波是 由耵l 试样直接耦台的压电式或压磁式按能器产生的 由 于换能器 自身的带宽限制及换能器与试样耦台等的 影响，很难产生很窄的单个超声脉冲。而激光超声克 服了换能器超声检测 的弊端 激光超声 的脉 冲宽度 很窄，可达 1 m．这一数量级脉冲宽度的频率可达 lO ． 而相应的波长只有几微米，夫人提高了探测微小缺 陷的能力 激光超声对被测试件的要求降低了，可检 测表面粗糙、曲率较大、几何形状十分复杂的物体。 在固体 中，常规超声技术的绝对声速测量 精度约 为 O 2％，激光超声技术可将其测量精度提高 十儿 倍，可对超薄材料进行检测和测厚。另外，激光超声还 可用来研究固体中电子和声子的相互作用 如果由 激光能量到超声能量的转换效率以及光激超声信号 检测灵敏度进一步提高，激光超声技术的应用将更 加广泛。 参 考 文 献 【l】 撩善明 无损橙测的新拄术一 激光超声m 无损樘铡，1998(8)： 244--245 2 殷庶瑞，王 通，钱梦马i著．光声光热技术2乏萁应用lM】北京：科学 H{版社，199I 457～458 第一作者简介：张晓春 男，l967年 8月生，黑龙江省巴彦 县几 1989年毕业于黑龙江旷业学院，莸x-学学士学位，副教 授 主要从事无损检硪 计量测试 小波分析的应用研究工 作。完成省 自然科学基垒项 目一项，获黑龙江省优秀教学成果 一 等婪 二等 嬖各一项，发表学术论文 30余篇，主编著作 3 部 维普资讯 http://www.cqvip.com