2022年基于光外差干涉检测激光超射波技术研究.docx

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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 目录1 引言 . 11.1 课题背景 . 1 1.2 国内外进展状况 . 1 1.3 课题意义 3 1.4 课题内容 . 3 2 激光超声勉励技术争论. 52.1 超声波地性质 . 5 2.1.1 超声波地分类 . 52.1.2 超声波地特点 . 52.1.3 超声波地波型与声速. 62.1.4 超声波地反射折射及波型转换 . 6 2.2 超声波地检测 . 7 2.3 激光产生超声地原理 9 2.4 Nd:YAG 激光器勉励超声波 . 92.4.1 Nd:YAG 激光介绍 . 92.4.2 Nd:YAG 激光器工作原理. 92.5 本章小结 .

2、 113 激光外差干涉概述 错误！未定义书签；3.1 光电检测 . 12 3.1.1 系统分类 . 123.1.2 激光超声检测 . 13 3.2 光外差干涉测试技术 . 14 3.2.1 概述 . 143.2.2 光外差干涉原理 3.2.3 光外差探测系统. 14 . 153.3 激光外差干涉测试系统 . 183.3.1 测试系统地原理. 18名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 40 页精选学习资料 - - - - - - - - - 3.3.2 激光外差干涉测长. 19名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 40 页精选学习资料 - - - - - -

3、- - - 3.4 光外差检测优势 . 213.5 本章小结 . 224 光外差干涉法检测激光超声地设计和实现 234.1 声光调制 . 234.1.1 声光调制器原理. 234.1.2 声光调制分类 . 264.2 系统设计 . 274.2.1 外差干涉系统构成 4.2.1 超声信号检测原理. 27 . 284.2.2 光外差干涉法检测激光超声原理 . 294.3 光路调试结果 . 314.4 本章小结 . 335 总结 . 335.1 主要工作 . 335.2 系统存在问题 . 34参 考 文 献 . 35名师归纳总结 致谢 . 36第 3 页,共 40 页- - - - - - -精选学

4、习资料 - - - - - - - - - 1 引言1.1 课题背景随自 20 世纪 70 岁月以来,激光超声技术因其频带较宽、模式多样、具有很高地时间和空间辨论率等特性,在无损探伤领域得到了越来越广泛地关注和应用,已进展成为超声学地一个重要分支 1-2. 但激光超声振动信号特别柔弱,位移幅值一般在数微 M 量级,且激发超声地激光源所需强度特殊大 3-5 ,因此,目前多用光学方法检测. 光学法检测超声可分为两大类：一类是非干涉法,如狭缝法、刀刃法等；另一类为干涉法,主要包括外差干涉法、差分干涉法和多光束 干涉法等 6. 此外,仍有使用法布里 - 珀罗干涉仪 Fairy-Perot Interf

5、erometer 和光折变干涉仪地方法,但前者性能不稳固,后者价格特别昂贵 . 较常用地当属 外差干涉法 7 ,该方法最大地特点是将柔弱地激光超声信号加载到高频范畴内 进行处理,从而躲开了低频 1. 噪声地干扰 .通常地外差干涉系统,因使用地光学器件较多,会显现很多杂光如回授光 8 ,光学噪声大,信噪比低,并不适合柔弱激光超声信号地检测 . 因此,本文采 用线偏振光作为光源来改善传统地干涉光路系统,设计出了检测柔弱振动信号地新型线偏振光外差干涉系统. 该系统用压电超声代替激光超声作为柔弱振动信号源,试验得到了较好地外差干涉信号,并得到了与压电探头振动勉励信号一样地探测信号,而且结构简洁,成本较

6、低. 虽然超声技术已获得极大胜利,但在应用过程中传统超声技术仍是暴露出很多不足之处 .1.2 国内外进展状况激光超声技术地争论始于1962 年.当时, White 和 Askaryan 分别论证了用脉冲激光束在固体和液体中激发声波地方法. 紧接着, Ramsden, Bunkiny 和Stegman 观看到强激光在固体中产生地爆炸波和在大气中产生地燃烧波,会随时间和距离地增加而衰变成声波.之后 .对固体,液体和气体媒质中激光超声激发地争论均有了很大地进展 .1976 年, Bondarenko 等第一把激光超声用于材料检测 .他们用调 Q 红宝石激光器激发超声,用带宽为5kHz 至 150MH

7、z ,位移灵敏度为名师归纳总结 10- 9nm 地干涉仪检测激光超声,并对不锈钢板地人工缺陷进行了检测.之后,第 4 页,共 40 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - Hutehins 和 Nedeou等用 Nd:YAG 和带宽为 45MHz,位移灵敏度为 1nm地干涉仪 进行了表面缺陷地试验 .1979 年, Ledbetter 等最先同时捡测到一次激发产生地纵 波,横波和表面波 .1980 和 1982 年, Seruby 和 Dewhurst 等对激光在金属中产生地超声波形进行了定量测量,并用面内正交力偶模型说明了热弹条件下地激发觉象,用垂直力偶

8、模型说明了烧蚀条件下地激发觉象9, 为激光超声地应用技术打下了基础 .20 世纪 80 岁月中期,加拿大人 JE Monehalin 提出了用球面共焦Fabry-Perot干涉仪探测超声振动 超声测厚技术,首次实现了在 1m 远处对未抛光地钢板进行激光超声地试验,向有用化迈出了一大步 10.20 世纪 90 岁月中期, Y Dagata,JHuang,JDAchenbach 和 Krishnaswamy 等进行了一系列地理论和应用争论工作近几年,激光超声机理和技术地争论有了更大进展,在激光超声信号地激发、接收、传播理论,以及应用等方面取得很大进展 11.超声技术在工业测量、物质结构特性地争论等

9、领域已获得胜利应用 .在各种结构工程材料地生产过程中能实时检测出产品地多种特性参数,引入闭环掌握,对于保证产品质量,降低原材料损耗,是特别重要地.由于一般地金属材料对于电磁波是不透亮地,对各种粒子射线也有较大地衰减,而对于超声波能有效地传输,因此超 声方法很早已成为一系列材料元件和工程结构检测,特殊是金属材料地首选方案 .常规地超声检测中,超声波是由压电或压磁换能器产生地,在检测时必需通过耦 合剂与试件耦合,由于换能器本身带宽地限制及换能器与试件之间地耦合等因素影响,无法产生很窄地单个超声脉冲.激光超声技术白显现之日起便以诸多优点吸引广大争论人员地关注 .利用激光激发可以重复产生很窄地超声脉冲

10、,在时间和空间均具有极高地辨论率,而且激光可以在不同外形地试件中激发超声并且是非接触地,易于在高温、高压、有毒和放射性等恶劣环境下进行超声检测,适合于超薄材料地检测和物质微结构地争论 .激光超声是一种新型无损检测方法,早期受激光器件与相关学科进展地限制,自 20世纪70岁月提出到 80岁月中期成为热点后,未达到人们预想地应用成效 .20世纪末至今,随着激光、电子、运算机和相关学科地进展,经过近十年地技术积存,激光超声已从方法探究步人技术争论与开发应用阶段,是传统超声检测技术地进一步进展.传统地超声技术多采纳接触式换能器,为保证有高地灵敏度和牢靠性,通常仍应使用各种超声耦合剂,这种方法地最大优点

11、是检测灵敏度高,设备简洁,廉价,因而使用得最广泛.然而当温度上升时,大多数耦合剂名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 40 页精选学习资料 - - - - - - - - - 将汽化,失去粘性并产生化学变化,从而使得超声检测变得特别困难 .日前绝大多数耦合剂地使用温度都在100以下,常用地超声换能介质PZT.其工作温度一般不能高于300,即使换成其它高温材料,工作温度也很难超过700.对于像钢铁制造这样地行业,工作温度常在1000以上 12 ,因此传统地超声检测法无法实现在线检测.采纳电磁声换能器既AT 并配上适当地冷却系统,可以实现高温下地非接触式检测13. 但是这种系统中

12、电磁传感头与被测件间地工作距离只有数毫 M ,且检测信号地强弱受这一距离变化地影响很大,所以当用于实际地工业生产现场时也存在很多困难.工业 CT技术作为一种无损检侧手段具有很多优点,美国IDM 公司曾采纳工业CT技术实现对每秒数M 延长速度地热轧钢管作在线检测、监控14. 但是该系统目前特别昂贵、复杂.被测件地最大答应尺寸也往往受到肯定限制,因而仍难于实现一般地工业使用 .激光超声技术是对传统超声检测技术地一大进展,它地显现补偿了很多电超声地检测盲区,为超声检测技术地进展起到很强了地推动作用15. 激光超声技术利用高能激光脉冲来激发超声,与传统超声技术相比,具有很多得天独厚地优点 .1.3 课

13、题意义随着科学技术,特殊是激光技术地进展,激光超声学将在理论、技术和应用争论等各方面取得新地突破,它地应用前景也会更加宽阔.目前,激光超声技术已被广泛应用于材料地缺陷探测和定位,内部损耗过程监测和断裂机理争论等工程领域中 .特殊是对固体材料地力学和热学性质争论,以及对具有生物活性地化学和生物物质地光化学反应动力学和热力学地争论,更显示出激光超声技术具有其它检测技术难以替代地优越性16. 因此 .争论激光超声无损检测技术不仅有理论方面地意义,仍有实际应用上地意义 .1.4 课题内容通过对激光勉励超声波地基本概念、Nd:Y AG 激光器勉励超声波地工作原理、光外差干涉地原理和测量方法、声光调制器地

14、工作原理及使用方法等地把握,以此为基础构成光外差 干涉检测激光超声波地装置,从而达到利用光外差干涉技术对激光超声无损检测技术来进行 争论地目地 .本论文地主要内容包括：第一章为引言,主要介绍了课题地争论背景和意义以及相关技术国内外地争论情形,由 此引出课题地争论内容,确定了本文地争论方向 .其次章对光外差干涉检测激光超声波工作过程中所需用到地关键技术及原理说明,为论名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 40 页精选学习资料 - - - - - - - - - 文地争论供应了相关地理论基础.第一简洁地介绍超声波地定义与其相关性质.然后激光介绍了产生超声波地方法技术,重点介绍了利

15、用 机理、烧蚀机理及其特点 .Nd:Y AG 激光器勉励超声波地工作原理如热弹第三章主要针对激光外差干涉测试争论来争论 .第一,介绍了光电检测系统中地激光超声检测,然后光外差干涉原理光外差探测系统,最终激光外差干涉系统中地测长地工作原理 .第四章第一介绍了声光调制器地工作原理、使用方法,然后设计了基于光外差干涉法检测激光超声地装置 .主要由频移装置,连续激光器,分光镜,反光镜,激光超声源,光电探测器,信号处理器,示波器等部分组成 .最终使用由 Nd:YAG 线偏振激光器,PBS,光电探测器等部分,实现了线偏振光外差干涉系统地组成 .第五章对论文主要工作地总结和展望 .2 激光超声勉励技术争论2

16、.1 超声波地性质2.1.1 超声波地分类超声波地类型很多,有纵波、横波、表面波和平面波等.纵波传导时,每个粒子都在平名师归纳总结 行于波动前进方向上振动,出现交替密集或稀疏地变化,在超声波探伤中最常用.横波也在第 7 页,共 40 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 超声波探伤中有广泛地应用,它地传播有点类似于在绳子一端有规律地抖动所形成地绳子地 振动形式,分子和原子在一个平面上垂直于波浪传播方向上下振动；表面波只是有时才用在 超声波探伤中,它沿着平面或相对较厚地曲面传播；平面波只是应用于超声波探伤地某些场合,仅在厚度只有几个波长大小地材料表面传播1

17、7. 界面处超声波地反射与材料地物理状态关联较大,而与材料本身地物理性能关联较小 .声波、次声波、超声波都是机械波,有声速、频率、波长、声压、声强等参数,在界面也会发生反射、折射 .我们能够听到声音是由于声波传到了我们地耳内,声波地频率在20HZ 20000HZ ,频率低于或超过上述范畴时人们无法听到声音,频率低于 20HZ 地声波称为次声波,频率超过 20000HZ 地声波称为超声波 .工业上常用地超声波范畴是：0.520MHz ；其中金属最常用地频率是：1 5MHz ；探水泥构建用地频率是： 0.5MHz, 如100KHz,200KHz ； 探测玻璃陶瓷中 2.1.2 超声波地特点（1）有

18、良好地指向性；（2）能量高； m级用地频率是 100MHz 200MHz, 甚至更高 .I1/I2=1MHz2/1KHz2=100 万倍 . 2.1由上式 2.1 ,我们可以发觉由于能量（声强）与频率地平方成正比关系,因此超声波地能量 I1远大于声波地能量 I2.（3）传播路径与光线相同呈直线传播,并在界面上产生反射、折射和波型转换,在传播过程中仍有干涉、叠加、绕射现象,故可以充分利用这些几何、物理特点进行检测 .（4）在金属材料中地传播速度很快,数M ,其他检测手段无法相比 . 2.1.3 超声波地波型与声速（1）纵波（ L）穿透才能强、衰减小,如对某些金属地穿透才能可达纵波定义为质点地振动

19、方向与波地传播在水平方向上地超声波 .纵波在固、液、气三种介质中均能传播 .（2）横波（ S）质点地振动方向与传播垂直方向上地超声波,当质点受到地是交变剪切应力地作用,因名师归纳总结 此也称作切变波.液体和气体不能够承担剪切应力,所以无横波传播.第 8 页,共 40 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - （3）表面波在不同固体地介质表面传播地声速不同 . 2.1.4 超声波地反射折射及波型转换（1） 超声波与介质形成地入射反射折射图如下图2.1所示 .入射纵波反射折射波型转换纵波倾斜入射到不同介质地表面时会产生反射纵波、反射横波、折射纵波、折射横波,反射

20、、折射角度符合一般地反射折射定律 .其公式如下式 2.2所示：sinLsinSSsinLLsinSS 2.2c2c 2c 1c 1SL介质 1 介质 2 LS图2.1 超声波地反射折射图（2）第一临界角当在其次介质中地折射纵波角等于90度时,称这时地纵波入射角为第一临界角 1.这时在其次介质中已没有纵波,只有横波.焊缝探伤用地横波就是,经过界面波型转换得到地.（3）其次临界角当纵波入射角连续增大时,在其次介质中地横波折射角也增大,当 S达90度时,其次介质中没有超声波,超声波都在表面,为表面波 .在有机介面用于检测地超声波斜探头地入射角必需大于第一临界角而小于其次临界角 .一般设定地横波折射角

21、用横波折射角度地正切值表示,如 K=2 （ K值依据厚度和宽度挑选）.探头发射和接收超声波,发射地超声波是脉冲波,脉冲超声在工件中遇界面反射超声波,超声再在探头中换成电信号经放大后显示,显示屏上横座标表示超声波在工件中传播地时间,名师归纳总结 纵座标表示反射地超声波声压,与反射面积大小对应.第 9 页,共 40 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 超声波检测主要包括三个特点：1）面积型缺陷检出率高,体积型缺陷检出率低；2）适合较大厚度工件地检验；3）材质晶粒度对检测结果有影响.2.2 超声波地检测（1）超声波反射法 超声波反射法是利用材料中地不连续性对

22、超声波地反射回波进行检测 .这种方法通常对 其平面垂直于声束地不连续性特殊敏锐,因此特殊适合于检测复合材料中平行于试件表面地 层状不连续性 .对于圆管类试件,可使声束沿管子地轴向和周向两个方向倾斜入射,此时超 声横波在管壁内沿锯齿形路线传播,可以检测出管子中多种方向地不连续性 .用颗粒或晶须 增强地复合材料坯料及用坯料制成地挤压件、锻件和板材,特殊适合于采纳超声波反射法进行检验,目前已在生产中应用,如美国 薄且表面不平整,用反射法检测较困难ACMC 公司等 .而用纤维增强地材料,因厚度一般较 .通常对薄壁金属管材都采纳超声反射法检验,以水浸聚焦地方式进行,需要昂贵地传动装置 .（2）超声波速度

23、测量法一些争论工作说明,超声波地传播速度与材料地孔隙率,碳化硅增强剂含量和各向异性等因素有关,也与材料地杨氏模量有关.目前国外已进展了速度扫描技术,该技术可将试件各部位地声速用图像方式直观地显示出来 .（3）超声波衰减法超声波衰减法利用超声波穿透试件后衰减值地相对变化来判定试件质量 .测量超声衰减地技术通常有试件背面回波法、穿透法和反射板法两次穿透法 等 .试样地超声衰减与材料断裂韧性地关系为,试件背面反射回波地次数代表了材料声衰减地大小,反射次数愈少说明 衰减愈大 .该中心依据反射次数地多少对材料确定了优、良、差三个等级 .（4）声学振动检测法 声学振动检测法是一种新奇地检测技术,它是为检测

24、复合材料而进展起来地 .在检测时将管子装在一个有两个支点地支架上,用一个低频敲击器周期性地敲击管子 .支点和敲击点位置置符合管子弯曲振动基频谐振地激发条件.通过敲击器中地敲击头对管子地敲击激发管名师归纳总结 子作自由衰减弹性振荡.敲击器兼作接收器,将管子地振荡变成电信号输入到频谱分析仪,第 10 页,共 40 页并用 X-Y 记录仪记录振荡地频谱.声学振动检测法可以检测出管子身部地严峻疏松对一般疏松地检测才能仍有待进一步试验,但对裂纹缺陷很不敏锐.由于超声反射法不能检查出管子- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 中地疏松缺陷,因此声学振动法有可能与超声反射

25、法起互补作用 .（5）X射线检测法 X射线照相法是检查复合材料中孔隙、夹杂等体积型缺陷地优良方法,对增强剂分布不匀也有肯定地检出才能,因此是一种不行缺少地检测手段.这种方法对分层缺陷地检测很困难,对裂纹一般只有当裂纹平面与射线束大致平行时方能检出,所以通常只能检测与试件表面垂直地裂纹,可与超声反射法起互补作用 .早在 80岁月,杜邦公司就已应用工业 CT检测金属基复合材料 .由于工业 CT密度辨论率和空间辨论率比射线照相法要高一个数量级以上,因此它对各种缺陷地检出才能大大优于射线照相法 产中地应用受到了肯定地限制 .（6）声发射检测法.CT检测地主要缺点是价格昂贵,使其在生声发射检测技术也是无

26、损检测中地一项重点争论工程 .有争论指出,振铃计数、高幅度和长连续时间信号,费利西蒂比和恒载声发射特性可作为评判材料中损耗地判据 .在生产中,通常要求对管子进行 100%地拉伸强度验收试验 .但是在拉伸试验中通过了考核载荷地管子并不意味着肯定不存在潜在地损耗 纤维断裂、界面分别等 ,这些损耗有可能在使用过程中发生扩展而造成产品地破坏 和有效地 .为此,在拉伸强度验收试验中进行声发射监控是特别必要地2.3 激光产生超声地原理利用激光产生超声波地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；间接式就是利用被测材料四周地其 它物质作为中介来

27、产生超声波 . （1）热弹机制 当入射光地功率密度较低时,材料表层由于吸取光能导致局部升温,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,声信号地幅度随着激发功率地增加而线性增加 .由于激发功率地密度较低,表层地局部升温没有导致材料地任何相变,因而具有严格无损检测地特点 .但热弹激发超声过程中,光能转化为热能地效率很低 .为了提高热弹激发超声地效率,常在固体表面涂各种涂层如水,油 ,以增加表面地光吸取系数.同样,采纳脉冲宽度极窄地高能量密度光束照耀,也可以获得较高地声波能量 .（2）烧蚀机制名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 40 页精选学习资

28、料 - - - - - - - - - 当入射光地功率密度逐步上升时,材料表层地瞬态升温将逐步导致材料地熔化、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特别高地反作用力,导致声波地产生.在这种机制下可以获得大幅度地纵波和表面波,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0.3 m 地损耗,所以只能用于某些场合,且通常用来产生超声纵波 用得最多 .热弹机制由于对表面无损耗,且能产生各种波形,所以现在一般认为,固体中激光勉励超声波地机理随入射激光地功率密度和固体表面条件地不同 而转变 .对于表面洁净地、无约束地固体来说,假如入射激光地功率密

29、度较低,激光能量不足以使固体熔化,就在产生过程中,热弹机制将起主要作用.在激光功率密度较高地情形下,温度上升将使固体局部融解,以至显现烧蚀,此时,尽管热弹机制仍旧存在,但是烧蚀效应起打算性地作用 .2.4 Nd:YAG 激光器勉励超声波2.4.1 Nd:YAG 激光介绍Nd:YAG 为其英文简化名称,来自 Neodymium-doped Yttrium Aluminium Garnet； Nd:Y3Al5O12 或中文称之为钇铝石榴石晶体,钇铝石榴石晶体为其激活物质,体晶体内之 Nd 原子含量为 0.61.1,属固体激光,可激发脉冲激光或连续式激光,发射之激光为红外线波长 1.064 m.Nd

30、:YAG 激活物质晶体使用之泵浦灯管主要为氪气krypton 或氙气 Xenon 灯管,泵浦灯地发射光谱是一个宽带连续浦,但仅少数固定地光谱峰被 Nd 离子吸取 18 ,所以泵 浦灯仅利用了很少部份地光谱能量,大部份没被吸取地光谱能量转换成热能,所以能量地使 用率偏低 .2.4.2 Nd:YAG 激光器工作原理除自由电子激光器外,各种激光器地基本工作原理均相同,产生激光地必不 可少地条件是粒子数反转和增益大过损耗,所以装置中必不行少地组成部分有激 励（或抽运）源、具有亚稳态能级地工作介质两个部分 . 勉励是工作介质吸取外 来能量后激发到激发态,为实现并维护粒子数反转制造条件 . 勉励方式有光学激励、电勉励、化学勉励和核能勉励等19. 工作介质具有亚稳能级是使受激辐射名师归纳总结 占主导位置,从而实现光放大. 激光器中常见地组成部分仍有谐振腔,但谐振腔第 12 页,共 40 页- - - - - - -精选学习资料 - - - -