激光超声技术及其在无损检测中的应用

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1、激光超声技术及其在无损检测中的应用第42卷,第4期2005年4月激光与光电子学进展V01.42.NO.4hpr.2005激光超声技术及其在无损检测中的应用陈清明1.2蔡虎程祖海,华中科技大学激光技术国家重点实验室,武汉430074武汉理工大学理学院,武汉430070/提要系统介绍了激光超声技术的研究情况,就其激发原理和检测技术作了全面的回顾与展望.综述了激光超声技术在高精度缺陷检测,高速材料表面扫描成像和恶劣环境中的检测应用.关键词激光超声超声激发超声检测LaserUltrasonicTechnologyanditsApplicationsCHENQingmingCAIHuCHENGZuhai

2、fStateKeyLaboratoryofLaserTechnology,HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074SchoolofScience,WuhanUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430070AbstractThedevelopmentoflasertfltrasonictechnologyisdescribed,theprincipleoflaserultrasonicgenerationanddetectionarepresented,applicationsoflaseru

3、ltrasoundinhighresolutiontesting,quicklyscanningandmappingofsurfaceandtotallydetectingobjectsinharmfulcircumstancesarereviewed,andproblemsanddevelopingtrendsofthetechnologyarediscussed.Keywordslaserultrasonicgenerationoflaserultrasoundlaserultrasoundtesting1引言激光超声技术是利用激光来激发和检测超声的一门新兴的技术是一种涉及光学,声学,热学

4、,电学,材料学,医学等多学科的科学和技术.与传统的压电超声技术相比.激光超声技术具有非接触,宽带,激发源高保真及点源/点接收等优点.因此.它更有利于材料的无损评估和其它学科的应用,像材料表征,缺陷检测,加工过程监测,以及复杂形貌的工件或高温高压,辐射等恶劣环境下设备的监测等.此外.激光超声源能同时激发纵波,横波,表面波以及各种导波,是实验上验证各种复杂媒质中声传播理论的有效手段.因此,在20世纪90年代形成的激光超声学,近年来已发展成超声学中的重要分支.并在激光超声信号的激发与接收,传播以及应用等方面取得很大进展.2激光超声技术的研究现状2.1激发技术利用激光产生超声波的方法可分为直接式和间接

5、式【I两大类.直接式是使激光与被测材料直接作用,通过热弹性效应或融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.激光激发超声首先应选择恰当的激光光源.由于_T作在热弹性机制下的光声转换效率比压电换能器低得多,所以选择合适的激光器以提高信号强度显得非常重要.现在用于生成超声波的激光器有:收稿日期:20041020;收到修改稿日期:20041203Nd:YAG激光器,CO2激光器,氮激光器,染料激光器等,其中Nd:YAG激光器使用得最多.激光器可分脉冲激光器和连续激光器,现在使用脉冲激光器的比较多.如TEACO.脉冲激光器被用于在液体中产生声脉冲【2I.脉冲激光产

6、生的超声脉冲的宽度与激光脉冲的宽度近似相等.因此不同激光脉冲所产生的声脉冲宽度和频谱不同,一般宽激光脉冲如十几微秒的TEACO脉冲激光,产生的声脉冲宽且中心频率较低,而窄激光脉冲如纳秒量级的Nd:YAG脉冲产生的声脉冲窄而中心频率高.可以根据不同的应用背景选择激光脉冲的宽度获得所需的声脉冲.其次,单个激光脉冲能激发出宽带超声脉冲,但容易受到宽带噪国第42卷.第4期2005年4月激光与光电子学进展Vo1.42.NO.4Apr.2005换能器都有较宽的频带,可非接触接收激光超声信号,但必须很接近试样表面,同时检测灵敏度较低,只适用于导体材料的检测.压电陶瓷等常规超声换能器,使用时必须直接紧贴在试样

7、上才能柃测,或在换能器前表面上附一个1/4声波长的匹配层.这类换能器灵敏度较高,但带宽有限,不适合检测宽频带的光激超声信号.2)光学检测法.这是利用连续检测激光照射到样品表面,接收表面的反射光,并从反射光的相位,振幅,频率等的变化中得出光激超声信号的方法.光学榆测法又分为非干涉和干涉两种.非干涉法检测的原理是:当照射到试样表面的检测光束直径小于超声波长时,反射检测光束由于表面超声波动而发生偏转,偏转大小由位移检测器接收,偏转值直接与声波的幅值及性质有关.这一方法能显示表面波和体波的传播情况.检测出试样的内部缺陷和微结构(如图l所示).该方法装置简单,频带宽,环境振动对测量结果影响小.是对抛光表

8、声干扰,故近年来又开展了激光超声源在时间或空间分布调制技术的研究,使激发的超声信号成为窄带或线性调频信号,以便采用窄带滤波技术或信号处理技术来提高检测的信噪比【3】,改善超声波形.光束调制方法有种,即:时问调制,空间调制以及空间和时问的双重调制.时问调制可采用激光器腔内锁模,激光器阵列的定时激发,Bragg声光调制等技术.经Bragg调制激光所激发的1.32MHz超声信号,比没经调制所激发的超声信号增强了1520dBl.空间调制最常用的方法是用柱面镜将激光光点变为线光源,可以在不破坏表面的前提下输入更多的能量,从而提高信噪比:将点光源比较平缓的双极性波形变为陡峭的单极性波形,提高了超声波的方向

9、性分布.更复杂的空间调制方法可以利用布托格光栅将单线变成多线倒,在试样表面形成热栅,或用掩模板等在表面形成有规则排列的激光超声阵,实现对超声的聚集和频率控制【l.空间和时间的双重调制是在改变光束形状的同时,也让光源或其照射到样品上的光线随时问变化.2.2检测技术检测激光超声的技术有多种,从理论上说,凡是能检测振动的方法均可用于榆测超声波,但受频率响应,分辨率,灵敏度,对被测表面和使用环境要求等的局限,常用的方法有如下几种.1)压电换能器(PZT)检测法.这是比较经典的方法.灵敏度比较高,其响应频率也比较宽.但这是接触式方法,使用时要用耦合剂,对样品表面也有比较严格的要求,因此多在实验室用.常用

10、的换能器有电磁,电容,压电陶瓷换能器,电磁声换能器和电容声换能器.这些置榆测比求枪测器图1非干涉法检测激光超声面试样进行超声检测的有效I具.干涉法榆洲是将试样表面直接用作迈克尔逊干涉仪测量臂中的反射镜.I作原理如图2所示.聚焦的激光束照射到试样表面,从表面反射光jF1光源分离m的参考光束发生干涉,使光束发生频移.南检测器柃测出频移,从而测量了试样振动位移.若在参考臂中引入频移系统即构成外差干涉检测仪,它具有较宽的频带,能对粗糙表面进行榆测,并对环境振动有较强的抗干扰能力.气体和液体中的激光超声信号检测主要采用光学柃测法,体中光激超声波信号的榆测主要采用换能器法柃洲和光学法榆测2.3理论研究现在

11、关于激光超声的生成机理巳基本明确.主要有热膨胀机制(热弹机制),汽化机制和光击穿机制等,其他如电致伸缩,辐射压力,光化学等激励机制产生的声波很弱或只在某些特殊情况下起明显作用.热弹性激励是激光脉冲投射到样品表面l=.时,部分激光能量被材料吸收引起局部温度升高,南材料热膨胀带动和单位面积动量变化引起压力变化产生表面运动.汽化和光击穿激励是光功率密度超过某一闽值时,表面温度升高,图2外差干涉法检测激光超声激光趟浙第42卷,第4期2005年4月部分样品被蒸发形成气体或被电离成为等离子体,以很高的速度离开样品表面,同时对表面有一个反作用压力,产生超声波9,l0l.由光声能量转换效率分析可知,热膨胀机理

12、最低(低于l%),光击穿机理最高(可达30%)l.但光击穿时每次约对表面产生0.3mm的损伤,所以只能用于样品表面镀膜或不考虑材料损伤等情况,且通常用来产生超声纵波.热弹机理由于对表面无损伤,且产生的波形较易控制,重复性好.因此在检测技术中得到广泛应用.激光超声的特点主要由激光脉冲的能量的时间分布(脉冲波形)和空间分布(能量密度,光斑大小)以及样品的光吸收及热力学性质决定.对于给定的样品,当激光的能量密度低于汽化阈值时.声脉冲主要由热弹机制激发,激光能量密度高于汽化阈值时声脉冲南热弹与汽化机制共同激发:当激光脉冲的功率密度高于样品的光击穿阈值时,可获得较强的光击穿机制激发的声脉冲信号半空间各向

13、同性媒质中激光超声生成机理的定量研究是一个非常复杂的问题.必须考虑光源情况如点状还是线状(单线,多线),样品的情况如表面是否钳紧和是_甭各向同性以及激光与物质作用机制等,目前理论研究还没有得出完善的激光超声的波动方程,必须结合具体情况进行近似分析,才能给出超声波形的数值解112,t313激光超声检测术特点及应用3.1特点这种技术的突出优点是:(1)激光超声免去了常规超声换能器必需的耦合剂,从而避免了耦合剂对测量范围和精度的严重影响以及南于耦合剂的使用而对检测材料激光与光电子学进展Vo1.42,NO.4Apr.2005产生的各种污染;(2)超声波场可以不受任何干扰,或者受到的干扰很小,具有极强的

14、抗干扰能力;(3)易于实现远距离的遥控激发和接收_l4l,并可实现快速扫描以及在生产现场对快速运动的工件进行在线检测;(4)可以通过一透射窗口将激光束导人特定的空问,从而使其能方便地应用于高温(特别是700C以上),高压,高湿,有毒,酸,碱的检测环境或被测J件存在核辐射,强腐蚀性和化学反应等恶劣的情况;(5)可以在非压电晶体中直接激发出超声,用于检测非压电晶体;(6)利用锁模激光器很容易获得与激光脉冲的宽度相近的超声脉冲_l41.频带远宽于常规换能器所产生的超声,从而使得基于超声衍射方法的缺陷检测技术具有检测微小缺陷和裂纹的潜力;(7)探测激光束可被聚焦成非常小的点(10pm),因而即使是常用

15、的激光系统.也能实现数微米的空间分辨率.有利于缺陷的精确定位及尺寸量度【l5】,并可作为点声源应用于理论研究:(8)激光超声可用于表面几何形状复杂及受限制如焊缝根部,小直径管道等的柃测:(9)由于激光脉冲作用到同体表面,可时产生纵波,横波及表面波,因此激光超声技术不仪百丁以用来检测体缺陷,还可以用以检测界面缺陷以及表面缺陷.3.2应用激光超声检测技术因其众多突出的优越特性而获得广泛的应用,归纳起来主要有以下几个方面.用于高精度的缺陷检测.激光超声的脉冲宽度很窄,可达lns秒,频率可达几千兆赫,相应的波长只有几微米,大大提高了探测微小缺陷的能力,广泛应用于高精度的无损榆测_l6?.如测量复合材料

16、,纳米材料】的声学和力学性质,研究复合材料表面涂层的影响;检测同体中数卜微米量级的缺陷,微裂纹与扫描探针显微镜相结合,还可开展纳水尺度I二材料物性的研究.通过开发研制可以检测微米级微裂纹的非接触式的测量仪器,可以用于飞机的引擎,进气管道,机翼和电站的主轴等主要零部件,以及为核设施中的关键零部件的早期失效所产生的微裂纹的实时检测提供有效的检验手段.用于快速超声扫捕成像.由英国的HoyesJB,ShanQ等l利用波长为1.061xm的Q开关Nd:YAG激光器作为激光光源(s2率2MW.脉宽20ns).在样品表面产生超声波.用共焦的法郁里一珀罗标准具接收.对铝板中的人T缺陷进行了检测,得到了令人满意

17、的缺陷图像:MonChalinJP等I把激FP系统安装住机维修仓库中对飞机I的各个部件进行了定位检测和成像,一次扫捕面积为674mmx390mm等等.内也有对汽车喷漆质量,大坝裂纹等大面积同体材料的结构性质的快速扫描榆洲,用于恶劣环境下的材料特性测量.1987年德Keck等人利用准分子激光器作为超声波激发源,利用Nd:YAG激光器接收.对热轧钢管(温度约为1200,管子延伸速度2m/s)作壁厚的在线检测,可测厚范同在1525mm1.1992年美OBrienMH等人利用激光超声对核反应堆中的石墨特性进行分析,1993年德PaulM等人利用激光超声实现了对铝,陶瓷和钢在高温下(1400%)的材料特

18、性测量.激光超声检测技术也可用于化学汽卡H沉积,物理汽相沉积,等离子体溅射等高温镀膜_厂艺过程中膜层厚度的实时检测:测置第42卷,第4期2005年4月激光与光电子学进展量固体材料(钢板等)的厚度,分析材料表面的硬度,检测铝合金及金属材料的疲劳损伤及残余应力分布.4存在的问题和发展趋势激光超声具有很多优异特性,其发展和应用前景是相当乐观的,但也存在光声能量转换效率低j蓦信号弱等问题.首先,光声能量的转换效率较低.无损检测中利用的主要是激光热弹超声.能量转换效率低于1%,产生的超声信号很弱,导致检测分辨率较低.提高光声能量转换效率可采用如下方法:加大激光辐射能量,但不能太大.否则会损伤被测件表面;

19、提高样品光学吸收效率,这可以在试样表面涂上各种不同的液体涂层.如湿表面技术是一种最简单而有效的表面修饰技术1291:在试样表面涂一层油,放一滴水或喷涂一层吸光膜,不仅可以在较低的光功率密度下产生满意的超声脉冲,而且可以防止表面损伤;Vo1.42.NO.4Apr.2005采用光滑的样品表面,减少光的散射:采用更高功率的激光器以提高实际可利用的激光能量3Ol;其次,激光超声信号微弱,需要提高检测灵敏度.激光超声无损检测技术中一般采用干涉法检测超声信号,提高从样品表面进入干涉仪的光通量,可以提高检测的信噪比.在实验室里,检测样品表面被高度抛光,以尽可能加大干涉仪的反射光接收量:而在实际检测中样品表面

20、因受污染或变形而发生漫反射.必须采用检测灵敏度特别高的光学检测系统,如采用更强集光能力的干涉仪f如共焦的法布里一珀罗标准具等);改善信号处理方法,采用信号平均技术,通过对多次信号统计平均来抑制噪声,也可以提高检测灵敏度近年来激光超声检测技术的应用呈现下列趋势:高精度测量和高温条件下的测量明显增多:检测向定量化和图像化方向发展:激光超声检测与断裂力学相结合,对重要工程构件进行寿命评价【3lI;激光超声检测与材料科学相结合,对新材料进行物性评价;在多种激光超声检测技术中非接触检测技术将获得更大发展;检测系统将进一步自动化,智能化I.揭发激光发声机理,提高光声转换效率及其检测灵敏度是激光超声研究的三

21、个主要方向.国内外的科学工作者们对此进行了大量的实验和应用研究.实验室设备更新较快,开展了一些以新技术为主的研究方向并取得应用.我国在光声效应理论及分层成像方面有一定优势,在用于材料和器件的无损评价方面达到国际先进水平.虽然由于激光超声技术的一些缺点而使其在无损检测领域中距大规模的工业应用还有相当长的一段路要走,但随着科学技术尤其是激光技术的发展,激光超声必将获得更为广泛的应用.l罗森威格_A着.光声学和光声谱学【M】.王耀俊等泽.北京:科学版社,19862EgerevSV.OptoacousticsofOceans【M】.SPIEOpticalEngineeringPss,19973Wagn

22、erJW,SpicerJB,MurrayTeta1.Fundamentalissuesforoptimizationofultrasound【J.J.Acoust.Soc.Am.,1996,100(4):26224SandersonT,UmeC,JarzynskiJ.ExperimentalandnumericalresultsforintensitymodulatedlaserultrasonicsJ.J.Acoust.Soc.Am.,1998,104(4):220722125Jinhuang.Laserbasedultrasonicsforflawdetection.IEEEUltraso

23、nicsSymposium,1994,120512096ClarkM,LinnaneF,SherplesSDeta1.FrequencycontrolinlaserultrasoundwithcomputergeneratedholographyJ1.App1.Phys.Lett.,1998,72(6):l963l9657ClarkM,SherplesSD,SomekhMG.Noncontactcontinuouswavefront/diffractiveacousticelementsforRayleighwavecontrolJ.App1.Phys.Lett.,1999,74(24):36

24、0436068Mun-yTW,BaldwinKC,WagnerJW.LaserultrasonicshupsourcesforlowdamageandhighdetectabilitywithoutlossoftemporalresolutionJ】.Acoust.Soc.Am.,1997,102(5):274227469TamACeta1.OpticalGenerationandDetectionofAcousticPulseProfilesinGasesforNovelUltrasonicAbsorptionSpectroscopy.Phys.Rev.Lett.,1984,53(6):56

25、056310ZweigADeta1.ShockwavesgeneratedbyconfinedXeC1excimerlaserablationofpolyimide.AppliedPhysicsB,1992,B54:7682儿SigristMW.LaserGenerationofAcousticWavesinIqnidsandGases.J.App1.Phys.,1986,60(:7):83121l2钱梦碌等.激光热弹激发超声脉冲的特性研究.声学,1995,20(1):ll0国第42卷,第4期2005年4月激光与光电子学进展Vo1.42.No.4Apr.2005l3耿森林.尚志远.单脉冲激光热

26、弹超声脉冲特性理沦研究.陕西师范大学(自然科学版),2003,31(1):434714ScrubyCB,SomeappficationsoflaserultrasoundJ.Ultrasonics,1989,127:19520915CooperJ,DowhurstR,PalmerS.Characterizationofsurfacebreakingdefectsinmaterialswiththeuseoflasergeneratedultrasound.记Trans.R.Soc.Lond.A,1986,32O(1553):3l932816NeubrandAHessP.Lasergenerat

27、ionanddetectionofsurfaceacousticwaves:elasticpropertiesofsurfacelayersJ】.J.App1.Phys.,1992,71(1):22723817KnightB.BrausteinJ,CoxJFeta1.Laserultrasoniccharacterizationofelectrodepositedchromiumcoatings.RevofPQNDE,1999,18:365372l8钱梦碌,李志淳等.激光超声技术研究纳米材料的力学性质J.应用声学,1993,13(1):512l9苏琨,任大海等.基于激光超声的微裂纹检测技术的研

28、究.光学技术,2002,28(6):51852220HoyesJ,DewhurstSQ.Anoncontactsystemforlaserultrasonicdefectimaging.J,MeasSci.Techno1.,1991,2:628-63421AndrewDM,RobertCAJr.Practicalconsiderationsfortherapidinspectionofcompositematerialsusinglaserbasedultrasound.Ultrasonics,1994,32(5):33334522MonchalinJP,AusselJD,BouchardPe

29、ta1.LaserultrasonicsforindustrialappficationsJ.Rev.Pm.Quant.D,7B:1607171423KeckR,KrugerB,CoenGetalWanddickenmessungan1230heidenRohrluppenmiteinemneuartigenLaserUltraschallSystem.Stab/undEisen,1987,1O7(22):636624OBrienM,TelschowKKnibloeJAnalysisofas-machinednucleargraphitepartsusingconventionalandlas

30、erultrasonictechniques.J.NeclearScienceandTechnology,1992,29(4):37838725PaulM,HabererB,ArnoldWMaterialscharacterizationathightemperaturesusinglaserultrasound.MaterialsScienceandEngineering,1993,A168:87-9226HarryILaserultrasonicsfortheevaluationofcompositesandcoatings【J1.MatemalsEvaluation,1995,(12):

31、1356136127潘永东等.激光超声检测铝合金材料的残余应力分布J.声学,2004,29(3):25425728殷庆瑞等.光声光热技术及其应用【M】.北京:科学出版社,199129WochSC,ZhouQ.Behavioroflaserinducedultrasonicwavesradiatedfromawetsurface.PartI:Theory.PartII:ExperimentalworkJ.App1.PJs.,2001,89(6):34693477,3478348530CoufalH,GrygierR,HessPeta1.Broadbanddetectionoflaserexcit

32、edsurfaceacousticwavesbynoveltransduceremployingferro-electricpolymersJJ.Acoust.SCc.Am.,1992,92(5):2890298331ShanQeto2一SurfacebreakingfatiguecrackeddetectionusinglaserultrasoundJ.AppliedP,sitsLetters,1993,62(21):26492651,32MonchalinJP.Laserultrasonicdevelopmentstowardsindustrialappfications【A】.IEEEU

33、ltrasonicsSymposiumC,1988,.,jjj妇,jjijjjjjjjjjj(上接第41页)l7UmJH,LeeKS,KimJCeta1.TunablefibergratingsfabricatedinphotoniccrystalfiberbyuseofmechanicalpressureJlOpticsLetters,2004,29(4):331333,l8AlbertJ,MaloB,BilodeauFeta1.PhotosensitivityinGedopedsilicaopticalwaveguidesandfiberswith193ninlightfromanFexc

34、imerlaserJ.OpticsLetters,1994.19(6):387-38919AlbertJ,MaloB,HillK0eta1.ComparisonofonephotonandtwophotoneffectsinthephotosensitivityofgermaniumdopedsilicaopticalfibersexposedtointenseFexcimerlaserpulsesJ.App1.P,s.Lett.,1995,67(24):3529353120AlbertJ,FokineM,MargulisWGratingformationinpuresilicacorefib

35、ersJOpticsLetters.2002.27(10):80981l21GroothoffN,CanningJ,EBuckleyEeta1.BragggratingsinairsilicastructuredfibersJ】OpticsLetters,2003,28(4):23323522ZhangWeigang,KaiGaiyun,ZhaoQidaeta1.NovelSensingDeviceofFiberBraggGratingwithTemperatureActiveCompensationJ】ActaOpt钯aSinica(光学),2002,22(8):999100323Westb

36、rookPS,EggletonBJ,WindelerRSeta1.CladdingModeResonancesinHybridPolymerSilicaMicrostructuredOpticalFiberGratingsJ.IEEEPhotonicsTechnologyLetters.200012(5):49549724LirnJH,JangHS,LeeKSeta1.MachZehnderinterferometerformedinaphotoniccrystalfiberbasedonapairoflo一periodfibergratingsJ1.OpticsLetters,2004,29(4):346348置