激光超声检测原理与应用课件.演示教学.ppt
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1、激光超声检测原理与应用课件.1.1 热弹机制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1-11.2 烧蚀机制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
2、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0.3m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。烧蚀激发机理原理如图烧蚀激发机理原理如图1-2。1.3 其他激发机理其他激发机理1.3.1热栅激发热栅激发(简称简称LIPS)1.3.2热应变激发热应变激发1.3.3电子应变激发电子应变激发(非热激发非热激发)1.3.4非热机制非热机制-反压电效应激发反压电效应激发2 激光超声检测系统激光超声检测系统激光超声的接收主要有:激光超声的接收主
3、要有:传感器检测传感器检测光学法检测两类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。这些检测方换能器检测,电容声换能器检测。这些检测方法法,可以十分简便地接收到激光超声信号,但传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,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,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。对被测样品会产生影响。利用光学方法
4、探利用光学方法探测测材料表面的超声振材料表面的超声振动动是是种新型的种新型的无无损检测损检测手段,手段,该该方法具有非接触、灵敏度高等特点,方法具有非接触、灵敏度高等特点,能能够够克服克服传统传统超声波超声波检测检测需要耦合需要耦合剂剂的缺点,是真正的缺点,是真正意意义义上的非接触、上的非接触、宽带检测宽带检测技技术术。光学法。光学法检测检测技技术术又又可可细细分分为为非干涉非干涉检测检测技技术术和干涉和干涉检测检测技技术术两种。目前两种。目前广泛使用的是外插干涉广泛使用的是外插干涉仪仪、共焦、共焦F-P干涉干涉仪仪是是线线性干性干涉涉仪仪,而相位共,而相位共轭轭干涉干涉仪仪,双波混合干涉,双
5、波混合干涉仪仪以及光感以及光感生生电动势电动势干涉干涉仪则仪则属于非属于非线线性光学的。性光学的。2.1 非干涉检测技术非干涉检测技术2.1.1刀刃检测技术刀刃检测技术2.1.2表面栅格衍射技术表面栅格衍射技术2.1.3反射率检测技术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
6、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脉冲激光照射到脉冲激光照射到样样品的表面上所品的表面上所产产生的超声生的超声应应力能引力能引起起样样品光折射率的微小改品光折射率的微小改变变,这这种微小改种微小改变变又能引起又能引起样样品品镜镜式或弥散式反射率的式或弥散式反射率的变变化,通化,通过检测这过检测这种种变变化,化,即可得到脉冲激光在薄膜中即可得到脉冲激光在薄膜中产产生的超声回波。已在光生的超声回波。已在光热检测热检测中中获获得了成功的得了成功的应应用。用。当入射光斑的尺寸相当于几个声波的波当入射光斑的尺寸相当于几
7、个声波的波长时长时,由于,由于Bragg效效应应或或Raman-Nath效效应应,会,会产产生一生一级级或多或多级级衍射光,通衍射光,通过测过测量衍射光的量衍射光的强强度和偏度和偏转转角,可角,可测测定定超声波的特性。已在超声波的特性。已在连续连续声波声波测测量中量中获获得了广泛得了广泛应应用。用。刀刃检测技术其装置图2.2 干涉检测技术干涉检测技术2.2.1线性干涉检测技术线性干涉检测技术1自差干涉检测2外差干涉检测技术3共焦F-P干涉检测技术2.2.2 非线性干涉检测技术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1自差干涉检测自差干涉
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