基于光外差干涉检测激光超射波技术研究-学位论文.doc
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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
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