基于光外差干涉检测激光超射波技术研究

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1、清华大学2012届毕业设计说明书目录1 引言11.1 课题背景11.2 国内外发展状况11.3 课题意义31.4 课题内容32 激光超声激励技术研究52.1 超声波的性质52.1.1 超声波的分类52.1.2 超声波的特点52.1.3 超声波的波型与声速62.1.4 超声波的反射折射及波型转换62.2 超声波的检测72.3 激光产生超声的原理92.4 Nd:YAG激光器激励超声波102.4.1 Nd:YAG激光介绍102.4.2 Nd:YAG激光器工作原理102.5 本章小结113 激光外差干涉概述133.1 光电检测133.1.1 系统分类133.1.2 激光超声检测163.2 光外差干涉测

2、试技术173.2.1 概述173.2.2 光外差干涉原理173.2.3 光外差探测系统183.3 激光外差干涉测试系统193.3.1 测试系统的原理193.3.2 激光外差干涉测长21 II 清华大学2012届毕业设计说明书3.4 光外差检测优势233.5 本章小结244 光外差干涉法检测激光超声的设计和实现254.1 声光调制254.1.1 声光调制器原理254.1.2 声光调制分类274.2 系统设计284.2.1 外差干涉系统构成294.2.1 超声信号检测原理304.2.2 光外差干涉法检测激光超声原理314.3 光路调试结果324.4 本章小结335 总结345.1 主要工作345.

3、2 系统存在问题34参 考 文 献35致 谢371 引言1.1 课题背景随自20世纪70年代以来，激光超声技术因其频带较宽、模式多样、具有很高的时间和空间分辨率等特性，在无损探伤领域得到了越来越广泛的关注和应用，已发展成为超声学的一个重要分支1-2。但激光超声振动信号非常微弱，位移幅值一般在数微米量级，且激发超声的激光源所需强度特别大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，还有使用法布里-珀罗干涉仪(Fairy-Perot Interferometer)和光折变干

4、涉仪的方法，但前者性能不稳定，后者价格十分昂贵。较常用的当属外差干涉法7，该方法最大的特点是将微弱的激光超声信号加载到高频范围内进行处理，从而避开了低频1噪声的干扰。通常的外差干涉系统，因使用的光学器件较多，会出现很多杂光如回授光8，光学噪声大，信噪比低，并不适合微弱激光超声信号的检测。因此，本文采用线偏振光作为光源来改善传统的干涉光路系统，设计出了检测微弱振动信号的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微弱振动信号源，实验得到了较好的外差干涉信号，并得到了与压电探头振动激励信号一致的探测信号，而且结构简单，成本较低。虽然超声技术已获得极大成功，但在应用过程中传统超声技术还

5、是暴露出许多不足之处。1.2 国内外发展状况激光超声技术的研究始于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的方法。紧接着，Ramsden，Bunkiny和Stegman观察到强激光在固体中产生的爆炸波和在大气中产生的燃烧波，会随时间和距离的增加而衰变成声波。之后。对固体，液体和气体媒质中激光超声激发的研究均有了很大的发展。1976年，Bondarenko等首先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150MHz，位移灵敏度为10- 9nm的干涉仪检测激光超声，并对不锈钢板的人工缺陷进行了检测。之后，Hutehi

6、ns和Nedeou等用Nd:YAG和带宽为45MHz，位移灵敏度为1nm的干涉仪进行了表面缺陷的实验。1979年，Ledbetter等最先同时捡测到一次激发产生的纵波，横波和表面波。1980和1982年，Seruby和Dewhurst等对激光在金属中产生的超声波形进行了定量测量，并用面内正交力偶模型解释了热弹条件下的激发现象，用垂直力偶模型解释了烧蚀条件下的激发现象9,为激光超声的应用技术打下了基础。20世纪80年代中期，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远处对未抛光的钢板进行激光超声的实验，向实用化迈出了一大

7、步10。20世纪90年代中期，Y Dagata，JHuang，JDAchenbach和Krishnaswamy等进行了一系列的理论和应用研究工作近几年，激光超声机理和技术的研究有了更大发展，在激光超声信号的激发、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、物质结构特性的研究等领域已获得成功应用。在各种结构工程材料的生产过程中能实时检测出产品的多种特性参数，引入闭环控制，对于保证产品质量，降低原材料损耗，是十分重要的。由于一般的金属材料对于电磁波是不透明的，对各种粒子射线也有较大的衰减，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，特别是金

8、属材料的首选方案。常规的超声检测中，超声波是由压电或压磁换能器产生的，在检测时必须通过耦合剂与试件耦合，由于换能器本身带宽的限制及换能器与试件之间的耦合等因素影响，无法产生很窄的单个超声脉冲。激光超声技术白出现之日起便以诸多优点吸引广大研究人员的关注。利用激光激发可以重复产生很窄的超声脉冲，在时间和空间均具有极高的分辨率，而且激光可以在不同形状的试件中激发超声并且是非接触的，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，适合于超薄材料的检测和物质微结构的研究。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发展的限制，自20世纪70年代提出到80年代中期成为热点后，未达到人们

9、预想的应用效果。20世纪末至今，随着激光、电子、计算机和相关学科的发展，经过近十年的技术积累，激光超声已从方法探索步人技术研究与开发应用阶段，是传统超声检测技术的进一步发展。传统的超声技术多采用接触式换能器，为保证有高的灵敏度和可靠性，通常还应使用各种超声耦合剂，这种方法的最大优点是检测灵敏度高，设备简单，便宜，因而使用得最广泛。然而当温度升高时，大多数耦合剂将汽化，失去粘性并产生化学变化，从而使得超声检测变得十分困难。日前绝大多数耦合剂的使用温度都在100以下，常用的超声换能介质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的行业，工

10、作温度常在1000以上12，因此传统的超声检测法无法实现在线检测。采用电磁声换能器(既AT)并配上适当的冷却系统，可以实现高温下的非接触式检测13。但是这种系统中电磁传感头与被测件间的工作距离只有数毫米，且检测信号的强弱受这一距离变化的影响很大，所以当用于实际的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公司曾采用工业CT技术实现对每秒数米延伸速度的热轧钢管作在线检测、监控14。但是该系统目前十分昂贵、复杂。被测件的最大允许尺寸也往往受到一定限制，因而还难于实现一般的工业使用。激光超声技术是对传统超声检测技术的一大发展，它的出现弥补了许多电超声的检测盲

11、区，为超声检测技术的发展起到很强了的推进作用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，具有许多得天独厚的优点。1.3 课题意义随着科学技术，尤其是激光技术的发展，激光超声学将在理论、技术和应用研究等各方面取得新的突破,它的应用前景也会更加广阔。目前，激光超声技术已被广泛应用于材料的缺陷探测和定位，内部损伤过程监测和断裂机理研究等工程领域中。特别是对固体材料的力学和热学性质研究，以及对具有生物活性的化学和生物物质的光化学反应动力学和热力学的研究，更显示出激光超声技术具有其它检测技术难以替代的优越性16。因此。研究激光超声无损检测技术不仅有理论方面的意义，还有实际应用上的意

12、义。1.4 课题内容通过对激光激励超声波的基本概念、Nd:YAG激光器激励超声波的工作原理、光外差干涉的原理和测量方法、声光调制器的工作原理及使用方法等的掌握，以此为基础构成光外差干涉检测激光超声波的装置，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研究的目的。本论文的主要内容包括：第一章为引言，主要介绍了课题的研究背景和意义以及相关技术国内外的研究情况，由此引出课题的研究内容，确定了本文的研究方向。第二章对光外差干涉检测激光超声波工作过程中所需用到的关键技术及原理说明，为论文的研究提供了相关的理论基础。首先简单地介绍超声波的定义与其相关性质。然后激光介绍了产生超声波的方法技术，重点

13、介绍了利用Nd:YAG激光器激励超声波的工作原理如热弹机理、烧蚀机理及其特点。第三章主要针对激光外差干涉测试研究来讨论。首先，介绍了光电检测系统中的激光超声检测，然后光外差干涉原理光外差探测系统，最后激光外差干涉系统中的测长的工作原理。 第四章首先介绍了声光调制器的工作原理、使用方法，然后设计了基于光外差干涉法检测激光超声的装置。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。最后使用由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的组成。 第五章对论文主要工作的总结和展望。2 激光超声激励技术研究2.1 超声波

14、的性质2.1.1 超声波的分类超声波的类型很多，有纵波、横波、表面波和平面波等。纵波传导时，每个粒子都在平行于波动前进方向上振动，呈现交替密集或稀疏的变化，在超声波探伤中最常用。横波也在超声波探伤中有广泛的应用，它的传播有点类似于在绳子一端有规律地抖动所形成的绳子的振动形式，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的曲面传播；平面波只是应用于超声波探伤的某些场合，仅在厚度只有几个波长大小的材料表面传播17。界面处超声波的反射与材料的物理状态关联较大，而与材料本身的物理性能关联较小。声波、次声波、超声波都是机械波，有声速、频率、波长

15、、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因为声波传到了我们的耳内，声波的频率在20HZ20000HZ，频率低于或超过上述范围时人们无法听到声音，频率低于20HZ的声波称为次声波，频率超过20000HZ的声波称为超声波。工业上常用的超声波范围是：0.520MHz ;其中金属最常用的频率是：15MHz；探水泥构建用的频率是： 0.5MHz,如100KHz,200KHz; 探测玻璃陶瓷中m级用的频率是100MHz200MHz,甚至更高。2.1.2 超声波的特点（1）有良好的指向性；（2）能量高； I1/I2=1MHz2/1KHz2=100万倍。 (2.1)由上式(2.1)，

16、我们可以发现由于能量（声强）与频率的平方成正比关系，因此超声波的能量I1远大于声波的能量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，在传播过程中还有干涉、叠加、绕射现象，故可以充分利用这些几何、物理特征进行检测。（4）在金属材料中的传播速度很快， 穿透能力强、衰减小，如对某些金属的穿透能力可达数米，其他检测手段无法相比。 2.1.3 超声波的波型与声速（1）纵波（L） 纵波定义为质点的振动方向与波的传播在水平方向上的超声波。纵波在固、液、气三种介质中均能传播。（2）横波（S）质点的振动方向与传播垂直方向上的超声波，当质点受到的是交变剪切应力的作用，因此也称作切

17、变波。液体和气体不能够承受剪切应力，所以无横波传播。（3）表面波在不同固体的介质表面传播的声速不同。 2.1.4 超声波的反射折射及波型转换（1） 超声波与介质形成的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的表面时会产生反射纵波、反射横波、折射纵波、折射横波，反射、折射角度符合一般的反射折射定律。其公式如下式(2.2)所示： (2.2)介质1 介质2 图2.1 超声波的反射折射图（2）第一临界角当在第二介质中的折射纵波角等于90度时，称这时的纵波入射角为第一临界角1。这时在第二介质中已没有纵波，只有横波。焊缝探伤用的横波就是，经过界面波型转换得到的。（3）

18、第二临界角当纵波入射角继续增大时，在第二介质中的横波折射角也增大，当S达90度时，第二介质中没有超声波，超声波都在表面，为表面波。在有机介面用于检测的超声波斜探头的入射角必须大于第一临界角而小于第二临界角。一般设定的横波折射角用横波折射角度的正切值表示，如K=2（K值根据厚度和宽度选择）。探头发射和接收超声波，发射的超声波是脉冲波，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的时间，纵座标表示反射的超声波声压，与反射面积大小对应。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）适合较大厚度工件的检验；3

19、）材质晶粒度对检测结果有影响。2.2 超声波的检测（1）超声波反射法超声波反射法是利用材料中的不连续性对超声波的反射回波进行检测。这种方法通常对其平面垂直于声束的不连续性尤其敏感，因此特别适合于检测复合材料中平行于试件表面的层状不连续性。对于圆管类试件，可使声束沿管子的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的不连续性。用颗粒或晶须增强的复合材料坯料及用坯料制成的挤压件、锻件和板材，特别适合于采用超声波反射法进行检验，目前已在生产中应用，如美国ACMC公司等。而用纤维增强的材料，因厚度一般较薄且表面不平整，用反射法检测较困难。通常对薄壁金属管材

20、都采用超声反射法检验，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

21、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X-Y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

22、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

23、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。2.3 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

24、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

25、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。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。2.4 Nd

26、:YAG激光器激励超声波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 1.064m。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

27、转换成热能，所以能量的使用率偏低。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

28、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2.2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

29、是指热弹效应。在热弹效应区内，激光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。应力 (2.2)式中为弹性常数。热应力产生的应变 (2.3)式中为泊松比；为线性膨胀系数；为被材料表面吸收的激光能量；为材料密度；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。超声源 固体 图2.2 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 m

30、J，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。2.5 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

31、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。3 激光外差干涉概述3.1 光

32、电检测3.1.1 系统分类光电检测系统的分类有五个主要的方向：按信息光源分为主动系统和被动系统；按接受系统分为点探测和面探测系统；按调制和信号处理方式分为模拟系统和数字系统；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；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。

33、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

34、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： 1、射线探伤(radiographictesting)。利用X射线或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。如用荧光屏代替胶片，可直接观察被检物体的内部情况。2、超声检测(ultrasonictest

35、ing)。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0.55兆赫(MHz)。最常用的超声检测是脉冲探伤。3、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，被声传感器接收转换成电信号，经放大后送至信号处理器，从而测量出声发射信号的各种特征参数。4、渗透探伤(penetranttesting)。利用某些液体对狭窄缝隙的渗透性来探测表面缺陷。常用

36、的渗透液为含有有色染料或荧光的液体。5、磁粉探伤(magnetictesting)。通过磁粉在物体缺陷附近漏磁场中的堆积来检测物体表面或近表面处的缺陷，被检测物体必须具有铁磁性。航空航天材料和工艺的发展与无损检测有密切的关系。20世纪30年代初磁粉探伤用以检验航空钢零件。1935年，X射线开始用于检查飞机木质螺旋桨。在第二次世界大战期间，飞机已经大量使用铝合金和镁合金，为了检查这些非铁磁性材料的表面缺陷，开始使用荧光渗透检验法。3.1.2 激光超声检测激光超声利用高能激光脉冲来激发超声波并用激光来检测超声回波(穿透波或发射波)，具有非接触、远距离探测、频带宽及检测可达性好等优点，尤其适用于一些

37、恶劣环境，如高温、腐蚀、辐射及具有较快运动速度的被检件。激光超声的接收主要有传感器检测和光学法检测两类。 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20。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。利用光学方法探测材料表面的超声振动是一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

38、两种。直接检测(非相干检测)是利用光源发射的光强携带信息，直接把接受到的光强变化转换为电信号的变化。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。激光超声技术是利用开关脉冲激光器发出的激光束照射被测物体，激发出超声波，采用干涉仪显示该超声波的干涉条纹。与常规超声检测相比，激光超声检测的主要优越性是： (1)能实现一定距离之外的非接触检测，不存在耦合与匹配问题。 (2)利用超短激光脉冲可以得到超短声脉冲和高时间分辨率，可以在宽带范围内提取信息，实现宽带检测。 (3)易于聚焦，实现快速扫描和成像。3.2

39、光外差干涉测试技术3.2.1 概述由于单频激光干涉仪的光强信号及光电转换器件输出的电信号都是直流量，直流漂移是影响测量准确度的重要原因，信号处理及细分都比较困难。为了提高光学干涉测量的准确度，七十年代起有人将电通讯的外差技术移植到光干涉测量领域，发展了一种新型的光外差干涉技术21。光外差干涉是指两只相干光束的光波频率产生一个小的频率差，引起干涉场中干涉条纹的不断扫描，经光电探测器将干涉场中的光信号转换为电信号，由电路和计算机检出干涉场的相位差。光外差干涉所具备的特点：克服单频干涉仪的漂移问题；细分变得容易；提高了抗干扰性能。3.2.2 光外差干涉原理光外差探测在激光通信、雷达、测长、测速、测振

40、、光谱学等方面都很有用。其探测原理与微波及无线电外差探测原理相似。光外差探测与光直接探测比较，其测量精度要高78个数量级。激光受大气湍流效应影响严重，破坏了激光的相干性，因而目前远距离外差探测在大气中应用受到限制，但在外层空间特别是卫星之间通信联系已达到实用阶段。光外差探测与直接探测相比较有许多优点，在直接探测中由于光的振动频率高达210137.51014Hz，振动周期T为510-14 1.310 -15 s (可见光到中近红外)，而探测器响应时间最短1-10 s, 它只能响应其平均能量或平均功率。在直接探测中，设光波动的圆频率为，振幅为A，则光波 f(t)= Acost (3.1)平均功率

41、(3.2) (3.3)探测器 放大器 fs-fL 信号光源f1 f2 本振 光束 图3.1外差探测原理示意图fs为信号光波，fL为本机振荡(本振)光波，这两束平面平行的相干光，经过分光镜和可变光阑入射到探测器表面进行混频，形成相干光场。经探测器变换后，输出信号中包含fc fs fL的差频信号。故又称相干探测。3.2.3 光外差探测系统光学外差探测利用一个频率与被测相干辐射的频率相近的参考激光辐射在探测元件（通常由光电导材料、光生伏打材料或光电发射材料制成）中与被测辐射混频而产生差频。光学外差探测只受到散粒噪声的限制，因而探测率比直接探测或零差探测高几个数量级。零差探测的本振信号经分光器从发射光

42、源分离出来,与调制后的接收信号混频产生外差信号, 本振信号的频率相同,差频为零, 主要优点:省去了本振器,比外差探测简单,可靠;发射光频的稳定性可以放宽;光频移速率可经接收频差除以光往返时间测定,距离大于l0km。光外差干涉系统又称双频干涉系统或交流干涉系统。该系统使用两种不同频率的单色光作为测量光束和参考光束。通过光电探测器的混频，输出差频信号（受光电探测器频响的限制，频差一般在 100兆赫以内）。被测物体的变化如位移、振动、转动、大气扰动等引起的光波相位变化或多普勒频移载于此差频上，经解调即可获得被测数据的系统。系统工作原理图如3.1所示。光外差干涉系统的突出优点是：(1)由于物体变化所产

43、生的多普勒频移信息是载于稳定的差频上，且其频率较高（几兆至100兆赫）,因此，光电探测时避过了激光器的低频噪声和半导体器件的1/噪声区;又利用频率跟踪等外差解调技术大量滤除了宽带噪声，因此提高了光电信号的信噪比。例如零差干涉测长系统中，当测量光束受外界干扰光强衰减50时，就不易正常工作，而外差干涉测长系统则可在光强衰减90时仍能正常工作，因此能用于生产现场，并能测量较长距离（大于60米）。(2)可以直接从输出频率相对于差频的增减判别运动的方向，因此可以测量物体的连续变化过程如随机振动波形，气流扰动随时间变化过程，而零差干涉系统较难实现。扫描输出坐标（xi, yi） 基准坐标（x0, y0） （

44、a） t 1/ t i(x, y, t) （b） 探测器 图3.2 外差干涉图样和电信号图3.2为非相干检测，利用光源发射的光强携带信息如(a)图所示，直接把接受到的光强变化转换为电信号的变化如(b)所示。光外差干涉系统现已广泛应用于测速、测长、测角、测振、测表面光洁度、测激光束通过湍流时光束的扰动、提高望远镜的视轴瞄准精度以及作自适应光学中的鉴相器等领域，获得了比零差干涉系统更高的精度。光外差干涉系统中两种不同频率的光束可由两只稳频的激光器提供，也可以利用磁光、电光、声光效应或旋转光栅盘的衍射效应提供。光外差干涉系统现已广泛应用于测速、测长、测角、测振、测表面光洁度、测激光束通过湍流时光束的

45、扰动、提高望远镜的视轴瞄准精度以及作自适应光学中的鉴相器等领域，获得了比零差干涉系统更高的精度。光外差干涉系统中两种不同频率的光束可由两只稳频的激光器提供，也可以利用磁光、电光、声光效应或旋转光栅盘的衍射效应提供。3.3 激光外差干涉测试系统3.3.1 测试系统的原理在干涉场中，放入两个探测器，一个放在基准点(x0, y0)处，称之为基准探测器，其输出基准信号i(x0, y0, t)，另一个放在干涉场某探测点(xi, yi)处，称之为扫描探测器，输出信号为i(xi, yi, t) 。将两信号相比，测出信号的过零时间差t，便可知道二者的光学位相差 (3.4)由控制系统控制扫描探测器对整个干涉场扫

46、描，就可以测出干涉场各点的位相差。外差干涉需要双频光源。其频差根据需要选定。1） 塞曼效应Nd:YAG激光器可得到12MHz的频差；2） 双纵模Nd:YAG激光器频差约600MHz（较大）；3） 光学机械移频a) 当干涉仪中的参考镜以匀速v 沿光轴方向移动时，则垂直入射的反射光将产生的频移为。b) 如果圆偏振光通过一个旋转中的半波片，则透射光将产生两倍于半波片旋转频率f 的频移，即。c) 在参考光路中放入一个固定的1/4波片和一旋转的1/4波片，如果固定1/4波片的主方向定位合适，它可以把入射的线偏振光转变为圆偏振光。该圆偏振光两次穿过旋转的1/4波片，使其产生2f的频移。圆偏振光再次穿过固定

47、1/4波片后又恢复为线偏振光，但频率已发生偏移d) 垂直于入射光束方向移动（匀速）光栅的方法也可以使通过光栅的第n级衍射光产生频移，此处f 是光栅的空间频率，V是光栅移动速度。4） 声光调制器利用布拉格盒（BraggCell）声光调制器可以起到与移动光栅同样的移频效果。这时超声波的传播就相当于移动光栅，其一级衍射光的频移量就等于布拉格盒的驱动频率f，而与光的波长无关。激光干涉测长的基本原理图如下图3.3所示。显示装置 光电计数器 Nd:YAG 激 光器 待测物 可移动台 光电显微镜 激光束 光束2 光束1 迈克尔逊干涉仪 BS 图3.3激光干涉测长的基本原理图3.3.2 激光外差干涉测长激光散

48、斑无损检测技术是通过被检物体在加载前后的激光散斑图的叠加，从而在有缺陷部位形成干涉条纹。使用角锥棱镜代替了平面反射镜作为反射器，一方面避免了反射光束反馈回激光器而对激光器带来的不利影响，另一方面由于角锥棱镜的特点，使得出射光束与入射光束平行，而棱镜绕任一转轴的转动均不影响出射光束的方向，当它绕光学中心转动的角度不大时，它对光程的影响也是产生效果中不能忽视的。角锥棱镜的形状相当于立方体切下来的一个角，它的三个内表面作为光学反射面并相互垂直。当光从基面入射，可在三个直角面上依次反射，仍从基面出射。出射光线与入射光线总保持平行。软件取值法主要是通过直接采样干涉信号，然后通过计算机数据处理获得相位信息

49、。在实验中发现，软件取值法要求设计的外差干涉系统、激光器的输出功率与频率均需要有相当高的稳定性，AD转换器的转换速率应大于系统外差频率(即调制频率1T)的三倍，而且它一般采用CCD线阵或面阵作为光电探测器。因此，造价高且频响低，适用于调制频率较低(lkHz)的场合。应用受到一定程度的限制。所以，设计研制了硬件取值法来实现相位的高精度测量。硬件取值法主要是通过把光电探测器探测到的信号经过放大处理后，再整形成方波信号。在信号输入到相位检测器之前，需经隔直流、自动增益放大、波形整形使之变成方波信号供相位检测器件使用。而方波信号经鉴相器、电荷泵、滤波电路、信号抬高放大电路后就得到了与相位差成正比的电压

50、信号。光外差干涉技术可以用于测量象平面上每一点的光程差 (OPD)值，这就是说，当探测器位于象平面上一点时就可获得正比于该点OPD的电压，这种系统不记录条纹，而是把象面上每点OPD值直接输给计算机处理。图3.3表示一个简单系统，以说明外差相位测量原理。设测试光路和参考光路的光波频率分别为和+，则干涉场的瞬时光强为由于光电探测器的频率响应范围远远低于光频，它不能跟随光频变化，所以式中含有2的交变项对探测器的输出响应无贡献。干涉场中某点（x，y）处光强以低频随时间呈余弦变化。频带宽度的光电探测器上合成，探测器响应是电场强度和的平方，表示为： (3.5) (3.6) (3.7) (3.8)激光器数据

51、处理1/4波片准直系统可动角隅棱镜检偏器v探测器 前置放大器f2 f1f1ff2f1f2f1f图3.4 双频激光器外差干涉测长原理图偏振分光镜f2f1f2（f1f）由于是利用物体表面反射的光通过棱镜后产生的微小剪切量形成散斑干涉图，不需要参考光路，因此外界干扰的影响小，检测时不需要防震工作台，便于在现场使用。随着激光散斑测量技术的发展，采用CCD摄像机输出干涉图像信号，省去了显影、定影等繁杂的湿处理程序，大大提高了检测效率，同时可直接将输出的数字化信号与计算机连接，自动处理，并可在计算机屏幕上实时观察到干涉图形，现场应用十分方便。是将激光超声加载到高频范围内处理, 避开低频1/f 噪声的干扰。

52、但激光超声信号的幅值强度很小(其位移幅值一般在微米量级), 通常的外差干涉系统, 因使用的光学器件较多, 会出现很多杂光, 光路噪声大, 信噪比低。差频信号是由具有恒定频率（近于单频）和恒定相位的相干光混频得到的，只有激光才能实现外差探测。3.4 光外差检测优势（一）光外差检测不仅可检测振幅和强度调制的光信号，还可检测频率调制及相位调制的光信号。（二）光外差检测器输出电流振幅为 (3.9)式中，分别为信号光功率和本振光功率。在直接检测中，输出信号电流的振幅为 (3.10)外差转换增益为 (3.11)由上述推到我们可以发现在光外差检测中，本机振荡光功率比信号光功率大几个数量级，所以，外差转换增益

53、可以高达107 10 8 。由此看出，外差检测灵敏度比直接检测灵敏度高107 10 8 倍。（三）光外差检测对背景光有强抑制作用。如果取差频信号宽度c / 2 =L-s /2为信息处理器的通频带f，那么只有与本机振荡光束混频后在此频带内的杂光可以进入系统，其他杂光所形成的噪声均被信号处理器滤掉。因此，光外差检测系统中不需要加光谱滤光片，其效果甚至比加滤光片的直接检测系统还好得多。（四）外差检测抗干扰性强如果入射到探测器上的光场不仅存在信号光波Ps，还存在背景光波Pb，输出信噪比为 (3.12)上述说明外差探测的输出信噪比等于信号光波和背景光波振幅的比值，输人信噪比等于输出信噪比，输出信躁比没有

54、任何损失。但是，当本振光功率足够大时，本振光产生的散粒噪声远大于其他噪声。本振光功率继续增大时，由本振光所产生的散粒噪声随之增大，从而使光外差探测系统的倍噪比降低。所以，在实际的光外差探测系统中要合理选择本振光功率的大小，以便得到最佳信噪比和较大的中频转换增益。（五）稳定性和可靠性较高即使被测参量为0，载波信号仍保持稳定的幅度。3.5 本章小结综上所述，外差干涉技术具有很高的空间分辨力，理论值达1000。因此，必须设计一套与之相匹配的高精度相位检测系统，根据采用的数据处理方法及所需的光电器件不同，可采用软件取值法与硬件取值法来获得高精度相位信息。研究结果表明，该电路是成功的，其相位检测精度优于

55、1000。需指出的是利用该套电路的相位检测范围为士2若要扩大量程可采用分频的方法来实现，在信号进行检相器之前先进行N次分频，则可扩大量程至士2N。4 光外差干涉法检测激光超声的设计和实现 在常规超声检测中，超声波是由压电或压磁换能器产生的, 其带宽有限, 只能在固体或液体中传播，检测时通常必须用耦合剂与被测样品耦合。而自20世纪70年代发展起来的激光超声技术，因其频带较宽，模式多样，具有很高的时间空间分辨率，在无损探伤领域得到了越来越广泛的关注和应用，已发展成为超声学的一个重要分支。对于激光超声的检测, 目前多用光学方法检测。通常把光学法检测超声分为两大类; 一类是光学非干涉法, 如狭缝法、刀

56、刃法等; 另一类为光学干涉法, 主要包括外差干涉法、差分干涉法和多光束干涉法等。比较常用的是外差干涉的方法, 其最大的特点是将激光超声加载到高频范围内处理, 避开低频1/f 噪声的干扰。但激光超声信号的幅值强度很小(其位移幅值一般在微米量级)，通常的外差干涉系统, 因使用的光学器件较多，会出现很多杂光, 光路噪声大，信噪比低。基于此，本文中采用了线偏振光作为光源，改善了传统的干涉光路系统，实验得到了较好的外差干涉信号，很大程度上提高了信噪比，改善了系统整体性能，而且结构简单，成本较低，适合于实验室内进行激光超声探测方面的研究。4.1 声光调制4.1.1 声光调制器原理声光调制(AOM, Aco

57、usto-optical Modulators)是一种外调制技术，通常把控制激光束强度变化的声光器件称作声光调制器。 声光调制技术比光源的直接调制技术有高得多的调制频率；与电光调制技术相比，它有更高的消光比（一般大于1000:1），更低的驱动功率，更优良的温度稳定性和更好的光点质量以及低的价格；与机械调制方式相比，它有更小的体积、重量和更好的输出波形。 声光调制器由声光介质和压电换能器构成。当驱动源的某种特定载波频率驱动换能器时，换能器即产生同一频率的超声波并传入声光介质，在节奏内形成折射率变化，光束通过介质时即发生相互作用而改变光的传播方向即产生衍射。声波的应变场也能改变某些类型晶体的折射率

58、，由于声波的周期性，会引起折射率的周期性变化，产生类似于光栅的光学结构，从而对入射的光波产生调制，这种调制称为声光调制。其工作原理简述如下图所示。压电换能器 入射光 驱动电源 一级衍射光 零级光 0 0 d 图4.1声光调制工作原理图从上原理图分析可知,激光光束射入有光调制器后如果入射角满足布拉格衍射条件,即入射角等于布拉格角时,通过声光调制器后的激光束将产生一级光衍射。但是这里有一个前提,此时必须在换能器上加入超高频电压,使声光介质内产生超声波,否则,衍射是不存在的,当然也就不存在一级光了。因此,可利用换能器上超声波电压来控制一级衍射光。这样就成为电-声-光的转换。即由声光调制器的开关进行调

59、制。总之,声光转换及激光本身的特点,可以用于各种测试、控制、输出设备及仪器中。这里谈及的超高频电压的大小与换能器上发出的超声功率 是对应的。在一定范围内,超声功率随加入超高频电压的增加而增大,从而,衍射效率也随之提高。因此,利用这一特性,可以使声光调制器用作强度调制。衍射模式有布拉格衍射和拉曼-奈斯型衍射。上原理图中激光腔外采用的声光调制器为布拉格型。布拉格衍射时,一级光衍射强度至关重要,其强度主要取决于衍射效率。衍射效率是一级光强度与入射光强度之比,其值由下式决定。一级光衍射效率 (4.1)衍射角 sindd=（0/）f1 (4.2)其中f1为超声波衍射一级的频率；0为光波长；V为声光介质中

60、的声速；I1为一级光衍射强度；h为声光互作用宽（高）度；l/h为为长宽比；介质密度；M2为声光品质因数；P为介质的光弹常数；Pa为换能器发出的超声功率；n为介质的折射率。当外加信号通过驱动电源作用到声光器件时，超声强度随此信号变化，衍射光强也随之变化，从而实现了对激光的振幅或强度调制；当外加信号仅为载波频率且不随时间变化时，衍射光的频率发生变化而达到移频。下图4.2是以入射角qi与超声波产生的衍射光，衍射角为的qd，实现了对激光的振幅或强度调制的原理图。qi qd ks 入射光 衍射光 L 声表面波 转换器 图4.2 声光调制器调制带宽是声光调制器的另一个重要参量，它是衡量能否无畸变地传输信息的一个重要指标，它受布喇格带宽的限制。对于给定入射角和波长的光波，只有一个确定的频率和波矢的声波才能满足布拉格条件。当采用有限的发散光束和声波场时，波束的有限角将会扩展，因此，在一个有限的声频范围内才能产生布拉格衍射。允许的声频带宽与布喇格角B的可能变化量之间的关系为: