基于光外差干涉检测激光超射波技术研究(编辑修改稿)

基于光外差干涉检测激光超射波技术研究(编辑修改稿)内容摘要：

验，以水浸聚焦的方式进行，需要昂贵的传动装置。 （ 2）超声波速度测量法 一些研究工作表明，超声波的传播速度与材料的孔隙率，碳化硅增强剂含量清华 大学 2020 届毕业设计说明书 第 8 页 共 38 页 和各向异性等因素有关，也与材料的杨氏模量有关。 目前国外已发展了速度扫描技术，该技术可将试件各部 位的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的相对变化来判断试件质量。 测量超声衰减的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。 试样的超声衰减与材料断裂韧性的关系为，试件背面反射回波的次数代表了材料声衰减的大小，反射次数愈少说明衰减愈大。 该中心根据反射次数的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颖的检测技术，它是为检测复合材料而发展起来的。 在检测时将管子装在一个有两个支点的支架上，用一个低频敲击 器周期性地敲击管子。 支点和敲击点的位置符合管子弯曲振动基频谐振的激发条件。 通过敲击器中的敲击头对管子的敲击激发管子作自由衰减弹性振荡。 敲击器兼作接收器，将管子的振荡变成电信号输入到频谱分析仪，并用 XY记录仪记录振荡的频谱。 声学振动检测法可以检测出管子身部的严重疏松 (对一般疏松的检测能力还有待进一步试验 )，但对裂纹缺陷很不敏感。 由于超声反射法不能检查出管子中的疏松缺陷，因此声学振动法有可能与超声反射法起互补作用。 （ 5） X射线检测法 X射线照相法是检查复合材料中孔隙、夹杂等体积型缺陷的优良方法， 对增强剂分布不匀也有一定的检出能力，因此是一种不可缺少的检测手段。 这种方法对分层缺陷的检测很困难，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的裂纹，可与超声反射法起互补作用。 早在 80年代，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密度分辨率和空间分辨率比射线照相法要高一个数量级以上，因此它对各种缺陷的检出能力大大优于射线照相法。 CT检测的主要缺点是价格昂贵，使其在生产中的应用受到了一定的限制。 （ 6）声发射检测法 声发射检测技术也是无损检测中的一项重点研 究项目。 有研究指出，振铃计数、高幅度和长持续时间信号，费利西蒂比和恒载声发射特性可作为评价材料中清华 大学 2020 届毕业设计说明书 第 9 页 共 38 页 损伤的判据。 在生产中，通常要求对管子进行 100%的拉伸强度验收试验。 但是在拉伸试验中通过了考核载荷的管子并不意味着绝对不存在潜在的损伤 (纤维断裂、界面分离等 )，这些损伤有可能在使用过程中发生扩展而造成产品的破坏。 为此，在拉伸强度验收试验中进行声发射监控是十分必要的和有效的。 激光产生超声的原理 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）热弹机制 当入射光的功率密度较低时，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。 为了提高热弹激发超声的效率，常在固体表面涂各种涂层 (如水，油 )，以增加表面的光吸收系数。 同样，采用脉冲 宽度极窄的高能量密度光束照射，也可以获得较高的声波能量。 （ 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 m 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。 一般认为，固体中激光激 励超声波的机理随入射激光的功率密度和固体表面条件的不同而改变。 对于表面干净的、无约束的固体来说，如果入射激光的功率密度较低，激光能量不足以使固体熔化，则在产生过程中，热弹机制将起主要作用。 在激光功率密度较高的情况下，温度上升将使固体局部融化，以至出现烧蚀，此时，尽管热弹机制仍然存在，但是烧蚀效应起决定性的作用。 清华 大学 2020 届毕业设计说明书 第 10 页 共 38 页 Nd:YAG 激光器激励超声波 Nd:YAG 激光介绍 Nd:YAG 为其英文简化名称，来自 (Neodymiumdoped Yttrium Aluminium Gar。 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 ～ ％，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。 Nd: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，泵浦灯的发射光谱是一个宽带连续浦，但仅少数固定的光谱峰被 Nd 离子吸收 [18]，所以泵浦灯仅利用了很少部份的光谱能量，大部份没被吸收的光谱能量转换成热能，所以能量的使用率偏低。 Nd:YAG 激光 器 工作原理 除自由电子激光器外，各种激光器的基本工作原理均相同，产生激光的必不可少的条件是粒子数反转和增益大过损耗，所以装置中必不可少的组成部分有激励（或抽运）源、具有亚稳态能级的工作介质两个部分。 激励是工作介质吸收外来能量后激发到激发态，为实现并维持粒子数反转创造条件。 激励方式有光学激励、电激励、化学激励和核能激励等 [19]。 工作介质具有亚稳能级是使受激辐射占主导地位，从而实现光放大。 激光器中常见的组成部分还有谐振腔，但谐振腔（ 见光学谐振腔）并非必不可少的组成部分，谐振腔可使腔内的光子有一致的频率、相位和运行方向，从而使激光具有良好的方向性和相干性。 而且，它可以很好地缩短工作物质的长度，还能通过改变谐振腔长度来调节所产生激光的模式（即选模），所以一般激光器都具有谐振腔。 Nd:YAG 激光超声利用高能激光脉冲与物质表面的瞬时热作用，在固体表面产生热应力区，从而在物体内部 产生应力波 (即超声波 )。 如图 所示，在较低的吸收率下，表面吸收的热量不超过其融化温度，产生的是短时膨胀过程，与该膨胀相关的应力波绝大部分在弹性范围内，该模式称为热弹效应；在高能作用下，物体的温度升高，超过了其蒸发温度，产生烧蚀现象，使材料表面汽化，形成等离子体，于是有一垂直表面的反作用力作用在表面，形成弹性波源，该产生超声的模式称为热蚀效应。 通常所说激光超声是指热弹效应。 在热弹效应区内，激光清华 大学 2020 届毕业设计说明书 第 11 页 共 38 页 产生的应力波大小与吸收光的能量成正比，在能量分布均匀的情况下，可用一维模型来描述激光在材料表面产生的应力σ。 应力  () 式中  为弹性常数。 热应力产生的应变    CE   11 () 式中  为泊松比；  为 线性膨胀系数； E 为被材料表面吸收的激光能量； 为材料密度； C 为材料的特征热。 由于激励的脉冲激光器与被检物体表面之间无需机械连接和接触、无需耦合剂且检测能量可调等特点，使得激光超声技术在工程上有较大的应用前景。 图 激光激励方式 试验结果表明，采用上述课题研究的激光激励方法可以较好地在复合材料中激发出超声波。 调 Q 的 Nd:YAG 固体激光器，作为激光源可调的最大能量是 300 mJ，重复频率为 10Hz，可发出直径为 5 mm 的激光光斑。 当激光入射到材料上时，所产生的超声波以不同的类型传播出去，主要有纵波、横波和表面波。 影响超声波传播特性的因素很多，主要有材料对激光光能量的吸收程度、材料的热传导特性、激励激光的频率、材料表面的光滑程度等。 本章小结 当激光的能量聚焦照射到弹性材料表面时，部分会转移到材料本身并以热能和超声源 固体 清华 大学 2020 届毕业设计说明书 第 12 页 共 38 页 应力波动能的形式表现出来。 通过改变激发激光的几何形状可以控制能量在材料中的分布以及对材料的影响。 激光超声就是 利用高能激光脉冲与物质表面的瞬时热作用，通过热弹效应（少数情况是热蚀效应）在固体表面产生应变和应力场，使粒子产生波动，进而在物体内部产生超声波。 根据入射到物体表面激光能量的不同，激光脉冲在物体表面产生的这种热效应可分为热弹效应和热蚀效应两种。 在较低的吸收率下，表面吸收的热量不超过其融化温度，产生的是短时膨胀过程，与该膨胀相关的应力波绝大部分在弹性范围内，该方式称为热弹效应。 在高能作用下，物体的温度升高，超过了其蒸发温度，产生烧蚀现象，使材料表面气化，形成等离子体，于是有一垂直表面的反作用力作用在表面，形成弹 性波源，该方式称为热蚀效应。 在热弹性区，激光产生的应力波大小与吸收光的能量呈正比，对于均匀能量分布，可用一维模型描述激光束在材料表面产生的应力，其在材料表面产生的应力 应变与材料表面吸收的激光能量呈正比统。 清华 大学 2020 届毕业设计说明书 第 13 页 共 38 页 3 激光外差干涉概述 光电检测 系统分类 光电检测系统的分类有五个主要的方向：①按信息光源分为主动系统和被动系统； ② 按接受系统分为点探测和面探测系统； ③ 按调制和信号处理方式分为模拟系统和数字系统； ④ 按光波对信号的携带方式分为直接检测系统和光外差检测系统； ⑤ 按光源波长 分为红外系统和可见光系统。 在我国，无损检测一词最早被称之为探伤或无损探伤，其不同的方法也同样被称之为探伤，如射线探伤、超声波探伤、磁粉探伤、渗透探伤等等。 这一称法或写法广为流传，并一直沿用至今，其使用率并不亚于无损检测一词。 在国外，无损检测一词相对应的英文词，除了该词的前半部分 ——即 non destructive 的写法大多相同外，其后半部分的写法就各异了。 如日本习惯写作 inspection，欧洲不少国家过去曾写作 flaw detection、现在则统一使用 testing，美国除了也使用 testing 外，似乎更喜欢写作 examination 和 evaluation。 这些词与前半部分结合后，形成的缩略语则分别是 NDI、 NDT 和 NDE，翻译成中文就出现了无损探伤、无损检查 (非破坏检查 )、无损检验、无损检测、无损评价等不同术语形式和写法。 实际上，这些不同的英文及其相应的中文术语，它们具有的意相同，都是同义词。 为此，国际标准化组织无损检测技术委员会制定并发布了一项新的国际标准，旨在将这些不同形式和写法的术语统一起来，明确它们是有一个相同定义的术语、都是同义词，即等同于无损检测 (non destryctive testing)。 而不同的写法，仅仅是由于语言习惯不同而已。 目前用于无损检测的方法很多。 除了 5种常规 (射线、超声、磁粉、渗透和涡流 )方法外，还有红外、激光、声发射、微波，工业 CT 等。 下面是一些常见的无损检测的方法： 射线探伤 (radiographictesting)。 利用 X 射线或 γ射线在穿透被检物各部分时强度衰减的不同，检测被检物的缺陷。 若将受到不同程度吸收的射线投射到 X射线胶片上，经显影后可得到显示物体厚度变化和内部缺陷情况的照片。 如用荧清华 大学 2020 届毕业设计说明书 第 14 页 共 38 页 光屏代替胶片，可直接观察被检物体的内部情况。 超声检测 (ultrasonictesting)。 利用物体自身或缺陷的声学特性对超声波传播的影响，来检测物体的缺陷或某些物理特性。 在超声检测中常用的超声频率为～ 5兆赫 (MHz)。 最常用的超声检测是脉冲探伤。 声发射检测 (acousticemissiontesting)。 通过接收和分析材料的声发射信号来评定材料的性能或结构完整性。 材料中因裂缝扩展、塑性变形或相变等引起应变能快速释放而产生应力波的现象称为声发射。 材料在外部因素作用下产生的声发射，被声传感器。