激光超声检测原理与应用课件.

利用光学方法探测材料表面的超声振动是—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 。
2.1 非干涉检测技术
2.1.1刀刃检测技术 2.1.2表面栅格衍射技术 2.1.3反射率检测技术

当照射到样品表面的检测光束直径小于激光超声波长时， 检测光的反射光由于样品表面超声振动而发生偏转，偏转 大小由刀刃切割的光通量和位移检测器测定。反射光的偏 转值与声波的幅值及性质有关，它反映了表面波和体波的 传播情况，以及样品的内部缺陷和微结构。其检测极限为 103nm；对于抛光的非吸收面，检测带宽可达到MHz 量 级。已在商用的扫描激光声显微镜（SLAM）及原子力显 微镜（AFM）中获得应用。该方法具有结构简单，频带宽 ，环境振动影响小等优点，是对抛光表面样品进行超声检 测的有效工具
致局部升温，引起热膨胀而产生表面切向压 力，同时激发出横波、纵波和表面波。在这 种机制下，声信号的幅度随着激发功率的增 加而线性增加。由于激发功率的密度较低， 表层的局部升温没有导致材料的任何相变， 因而具有严格无损检测的特点。但热弹激发 超声过程中，光能转化为热能的效率很低。
热弹激发机理原理如图1-1

谢谢！！！


(4)内部和表面的应力状态及分布。

激光超声的非接触式激发与接收、以及无损、非侵 入性等特点，使得其特别适合于在恶劣的环境下（ 如高温高压、高湿、有毒、酸、碱及检测环境或被 测工件存在核辐射、强腐蚀性和化学反应等），对 工件进行在线检测。
现在，激光超声技术酬叠成功地盔热轧无缝钢管（ 管长5.5～12m，温度1230 摄氏度，延伸速度2m/s）生产 线上进行管坯壁厚均匀性的在线检测；对核反应堆 中的石墨特性进行分析：对铝、陶瓷和钢在高温下( 温度达1400摄氏度）的材料特性进行测定：在线监测 陶瓷的烧结过程(温度700～1100摄氏度）和金属浇铸过 程中的固化等。

自差干涉检测是将样品表面直接作为迈克尔逊干涉 仪测量臂中的反射镜。激光器发射的脉冲激光被分 束镜分成两路，一路经透镜聚焦后入射到样品表面， 反射光再经分束镜后进入探测器；另一路经反射镜 和分束镜后也进入探测器，二者发生干涉。
2．外差干涉检测技术

如果在迈克尔逊干涉仪的参考臂中引入频移系统， 使参考光产生射频范围内的频移，即构成外差干涉 检测仪。脉冲激光器发出的光束，经分束镜分成两 束，其中的一束经移频装置后有fB的频移，经反射镜 反射后与样品表面反射的信号光发生干涉。由探测 器检测出频移和干涉光强度，从而得到样品超声振 动的位移信息。

刀刃检测技术其装置图
2.2 干涉检测技术

2.2.1线性干涉检测技术
1．自差干涉检测 2．外差干涉检测技术

2.2.2 非线性干涉检测技术
1．相位共轭干涉检测 2．双波混合干涉检测 3．光感生电动势（Photo-EMF）干涉检测
3．共焦F-P干涉检测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。已在光热检测中获得了成功的应用。 当入射光斑的尺寸相当于几个声波的波长时，由于 Bragg效应或Raman-Nath效应，会产生一级或多级衍射光 ，通过测量衍射光的强度和偏转角，可测定超声波 的特性。已在连续声波测量中获得了广泛应用。
3 激光超声技术在无损检测领域的应用概况
3.1 高精度的无损检测 3.2 恶劣环境下的材料特性测量 3.3 材料特性的检测 3.4 薄膜、复合材料检测，以及材料高温特性等的研究 3.5 快速超声扫描成像

极短的激光脉冲可以激发出极短的超声脉冲。通过 对衍射超声波渡越时间差的分析，可以非常准确地 确定各种缺陷、包括各种体缺陷和表面缺陷的位置 ，其精度可优于0.1mm。在这种检测系统中，最引 人注目的系统之一，就是LGAP与光探针相结合， 所构成的全光学检测系统。实验表明，用这种全光 学系统对亚表面缺陷进行检测，除可探知缺陷的存 在，确定缺陷的位置外，还可探知缺陷附近的脉冲 模式转换，进而可弄清缺陷的详细情况。
激光超声检测原理与应用
1 激光产生超声的机理
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。直接式是使激光与 被测材料直接作用，通过热弹性效应或 烧蚀作用等激发出超声波；间接式则是 利用被测材料周围的其它物质作为中介 来产生超声波。
1.1 热弹机制
当入射光的功率密度较低（金属材料的典型 值是106W/cm2）时，材料表层由于吸收光能导
由于超声能透入金属内部，大多数需要测量的材料 特性参数不是影响超声速度，就是影响超声衰减， 或者对二者都有影响。再加上激光超声的特点，它 就能够测量材料的以下各项特性： (1)尺寸特性，如厚度、高度等。用激光超声可提高测 量薄片的能力，几微米厚的金属片．测量误差约2％ ，并且可以进行高温在线测厚。 (2)力学特性，如测量残余应力、弹性模量等。 (3)缺陷检测。因为激光超声检测技术对包括纵波、横 波和表面波在内的整个超声波都是灵敏的，所以它 可以通过选择不同的波形，来探测体内，表面和亚 表面的缺陷。
烧蚀激发机理原理如图1-2。
1.3 其他激发机理
1.3.1热栅激发(简称LIPS) 1.3.2热应变激发 1.3.3电子应变激发(非热激发)
1.3.4非热机制-反压电效应激发
2 激光超声检测系统

激光超声的接收主要有：
传感器检测 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。
1.2 烧蚀机制
当入射光的功率密度逐渐升高时，材料表层的瞬
态升温将逐步导致材料的熔化、汽化和形成等离 子体。这时将有一小部分表面物质被喷射出来， 从而给样品表面施加了一个非常高的反作用力， 导致声波的产生。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。 热弹机制由于对表面无损伤，且能产生各种波形， 所以现在用得最多。
3．共焦F-P干涉检测技术

共焦法布里一珀罗干涉仪属于速度型干涉仪，基于振动 表面反射光和散射光的多普勒频移，使光的频率受到超 声波信号的调制，再由共焦球面法布里．珀罗干涉仪解 调，将频率调制变为光强调制，从而检测超声振动信号。 这种干涉仪具有带宽、灵敏及较大入射孔径的特点，只 对固体表面的振动速度灵敏，对周围环境振动较不敏感， 有很强的聚光能力，且结构紧凑，适用于对光学粗糙表 面的检测，但其频率响应不够平坦，呈带通型，在需精 密测量超声波形的场合这将引入一定的误差。