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当入射激光功率密度逐渐增大甚至达到工件表面的损伤阈值,此时工件表面材料融化、汽化甚至形成等离子体快速离开材料表面而产生一种垂直于材料表面的作用力从而产生应力波,即超声波。
虽然烧蚀机制光声的转换效率较高,甚至可以达到热弹性机制激发效率的4倍,但会对工件表面造成0.3μm的损伤。
这样就限制了烧蚀机制的应用,而且通常烧蚀机制主要是用来产生纵波。
图2.烧蚀机制示意图
1.2激光超声检测机制
通常使用的激光超声检测方法主要包括:
电学与光学。
电学主要以借助换能器接受超声波信号,其中有接触的压电陶瓷换能器(PZT),以及非接触的电容换能器(ESAT)、电磁换能器(EMAT)。
光学都是非接触的,主要包括:
干涉和非干涉法。
2.2.1电学方法
常规超声主要采用的压电陶瓷换能器(PZT)接受超声波信号。
它的原理是利用压电陶瓷的压电、逆压电效应来激发、接受超声波信号。
激光超声早期的研究也多以采用接收灵敏度高的PZT接收超声波信号。
但是PZT必须与检测工件接触,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,无法实现远距离的非接触检测,这没有充分发挥激光超声技术的优势,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。
加拿大NRC的挤注模具填充料测量传感器采用是压电陶瓷的检测机制。
电磁换能器法(EMAT),工作原理可以分为洛仑磁力和磁致伸缩力两种形式来激发和接收超声波信号的。
主要是应用于高温环境下的材料非接触检测。
缺点是被检测工件需要是导体,并且转换效率低。
电容换能器法(ESAT),是基于电容效应的一种换能器。
是由两平行板中间隔一空气隙组成,把待检测工件抛光作为其中的一平板,另一板加电压。
由于声波的作用使工件表面产生振荡而造成换能器电容C的变化,通过检测电容的变化,从而检测出工件的表面平整度和内部缺陷。
电容换能器法在研究激光超声特性时广泛使用。
这种技术的特点是频带宽,其缺点是被检测作为平行板电容器的一个极板需要抛光,对于实际操作安装时不容易。
2.2.2光学方法
电学方法虽然可以实现非接触,但是这些方法要求与试样表面的距离不超过几百微米。
不能称为真正意义的非接触检测。
而光学方法却可以实现远距离检测,实现真正意义上的非接触检测。
光学方法又可以分为干涉法和非干涉法。
非干涉法目前以及发展较完善,但应用有局限性,故没有推广。
而干涉技术更具有发展的前景。
其中加拿大NRC的金属缺陷检测和1000℃钢管厚度在线测量采用的就是干涉技术。
干涉法是根据超声在工件表面或到达表面时位移引起光束的相位或频率调制来实现的。
如图3所示。
零差干涉技术是基于迈克尔逊干涉仪原理建立起来的。
工作原理为:
光束经分束镜(BS)分成两束,一束经透镜(L)聚焦照射在工件表面,被工件表面反射后经分束镜(BS)反射进入光电接收器(Detector);
另一束经反射镜(M)反射后也进入光电接收器(Detector)。
这两束激光束在光电接收器中形成干涉,通过对干涉光的相位解调,就可以检测出工件中超声波的传播情况。
相位的变化可以反应在光强的变化中,即通过检测光强的变化就可知道超声波在工件中传播情况。
若在参考光路中加入声光调制器(Bragg),使其参考光在射频范围内产生频移,就可以构成光外差干涉技术了。
与零差干涉技术相比,外差干涉技术的频带较宽,能对抗环境振动干扰能力较强,而且信躁比也较高。
图3.干涉法接收信号示意图
2.技术比较
激光超声检测技术是一门新兴超声无损检测技术,它涉及了光学、声学、热学以及材料学等多个学科。
激光超声检测技术的基本原理是利用高能量的脉冲激光轰击材料表面,与材料的相互作用产生弹性应力波(超声波),然后把应力波的频率或相位调制在连续光束中,最后把应力波的信息解调出来。
与常规超声检测技术相比,激光超声检测技术具有如下优点:
1)非接触:
激光超声可以实现全光的检测,激发是直接使用高能量脉冲直接照射工件,而接收可以使用非接触式的激光干涉仪。
这样就可以实现非接触检测。
不仅可以避免使用耦合剂而不污染工件,而且还可以在高温、高压、有毒、高辐射等恶劣环境下进行遥发遥收的无损检测;
2)波型丰富:
常规超声如果需要产生特定波型(纵波、横波、表面波等)需要特定的换能器,并且中心波长也单一,这样给检测带来了不便。
激光超声只要控制好脉冲激光功率密度,就可以产生多种波型[1];
3)超声波频率宽:
由于激光器技术的发展,现在使用的激光器的脉冲宽度可以很容易达到ns甚至更小。
而激光激发的超声波脉宽和激光束的脉宽是在同一个数量级上,这样激光激发的超声波频率可到达GHz量级,而相应的波长只有μm量级。
这样可以提高检测微小缺陷的能力和检测的精度[2]。
不同激发方式激发的超声波脉宽如图4所示。
a)压电陶瓷材料产生的超声波b)激光超声系统产生的超声波
图4.不同超声波系统产生的超声波脉宽
3.国内外应用研究概况
3.1国外研究情况
1980年,斯坦福大学Calder等人用Nd:
Glass激光器,在25mm厚铝板中心检测到了人工圆柱缺陷的散射波;
Wellman等人用高能量的红宝石激光器激发超声波,并用干涉仪分辨出了两个直径为2mm的平行人工孔缺陷。
1986年,J.P.Michelin用球面共焦法布里-珀罗(Fabry-Perot)干涉仪实现了对1m远处未抛光的钢板的检测。
1987年,Keck等人用准分子激光器激发超声波,实现了热轧钢管的在线测厚,厚度范围为15~25mm。
1991年,J.B.Hoyes等人用激光超声实现了对铝板人工缺陷的快速超声扫描成像,并且效果挺好的。
20世纪末开始,激光超声进入了一个快速发展的世纪。
1992年M.H.O’Brien等人成功的把激光超声检测技术运用在核反应堆中石墨特性的检测中。
1993年,M.Paul等人实现了在高温条件下对陶瓷、钢和铝的材料特性的检测。
1994年,M.R.Scanlon使用激光超声检测技术对金属纳米陶瓷复合薄膜的弹性特性的测量。
1999年,C.M.Flannery等人用激光超声检测系统实现了对氧化硅、碳化硅、三氧化二铝等陶瓷材料特性的研究。
3.2国内研究情况
近几年来,激光超声检测技术无论在无损检测的工程运用方面,还是相关的理论方面都取得了一定的研究成果。
在国内,同济大学的钱梦騄教授、潘永东教授,南京理工大学沈中华教授、电子科技大学的徐学才教授都在激光超声检测技术在工程上的运用上做了不少的工作,并取得了一定的成果。
虽然激光超声检测技术具有广阔的发展前景,但也仍然存在一些急需解决的问题。
4.技术难题
(1)光声能量转换效率的提高。
热弹性机制的转换效率太低,而烧蚀机制转化效率虽较热弹性机制高,但会损伤材料的表面。
近些年通过光束空间、时间调制可以在不损伤材料表面而提高光声能量转换效率。
最简单的方法就是使用柱面镜把点光源转换成线光源。
(2)检测超声波的灵敏度不够理想。
可以提高脉冲激光光功率和提高进入干涉仪的光通量。
但脉冲激光光功率又不能太高,否则会损伤材料表面。
从材料表面进入干涉仪的光通量越多,检测的灵敏度也就越高。
在实验中,在允许的前提下对材料表面进行抛光处理,或使用具有更高聚光能力的干涉仪。
从目前的发展趋势来看,激光超声检测技术将向两个方面发展:
(1)超快速激发机制理论研究;
(2)工业实践中在线快速定位、无损检测。
虽然现在激光超声在无损检测领域的广泛的工业应用还有一定的距离,但是随着激光技术的发展,激光超声检测技术应用前景是很乐观的。
5.国内企业应用实例
国内该技术的产业化应用较少,目前市场化的产品可查到的有西安金波检测仪器有限公司的产品。
2012年11月28日,位于西安航空基地的西安金波检测仪器有限责任公司自主研发的激光超声波可视化检测仪正式通过了陕西省科技成果鉴定。
该公司研制的“激光超声波可视化检测仪”是利用激光产生超声波并通过其传播过程的可视化,直观地检查物体内部的损伤或缺陷。
它使无损检测技术产生了革命性飞跃。
它适用于金属、陶瓷,树脂、碳纤维、复合材料及其制品等的裂纹,腐蚀及内、外部缺陷或损伤的可视化无损检测.能广泛应用于航空、航天、核电、铁道、汽车、石油、天然气、机械、冶金、化工等领域内仪器、设备以及零部件的无损检测。
”激光超声波可视化检测仪”其原理是通过计算机对激光和电动扫描镜进行同步控制.激光光束在被检查物体表面以格子状进行扫描.从固定设置的超声波传感器上检测出超声波信号波形,放大后进行A/D变换,而后将数据存入计算机硬盘.通过图像解析软件再现超声波传播过程,进而根据静态或动态图像直观地检测缺陷并给出缺陷位置。
目前该公司的产品主要应用于金属及非金属材料探伤,由于其不是采用激光垂直入射的方法,因为目前无法检测钢管的壁厚。
其金属裂纹的探测精度为0.1mm,但对被测材料有要求,一般材料不能太疏松,且金属对激光的分散度不能太高,如铜和银的材质不太适合。
主要的检测材料对象有钢、铝、玻璃、碳、陶瓷、橡胶等。
图5.金波传感器公司激光超声波检测机
激光相干断层扫描技术调研
1.光学相干断层扫描原理
光学相干断层扫描是一种光学信号获取与处理的方式。
它可以对光学散射介质如生物组织等进行扫描,获得的三维图像分辨率可以达到微米级。
光学相干断层扫描技术利用了光的干涉原理,通常采用近红外光进行拍照。
它可以认为是一种类似超声成像的光学技术,通过组织对光线的反射来提供截面图像。
由于选取的光线波长较长,所以可以穿过扫描介质的一定深度。
光学相干断层扫描使用的光源包括超辐射发光二极管与超短脉冲激光。
根据光源性质的不同,这种扫描方式甚至可以达到亚微米级的分辨率,这时需要光源的频谱非常宽,波长的变化范围在100纳米左右。
NRC使用的是激光光源。
2.国内外光学相干断层扫描研究概况
在全世界范围内,有数个研究组织从采用白光干涉对活体内人眼进行测量开始对人体组织,尤其是眼睛的成像进行研究。
1990年的ICO-15SAT会议上,首先展示了一张基于白光干涉深度扫描原理的对活体内人眼眼底沿眼水平子午线的二维图像。
1990年,丹野直弘对这个方案进行了进一步的研究,随后日本山形大学的一位教授也对此展开了研究。
这些研究使得光学相干断层扫描技术拥有了微米级的分辨率和毫米级的穿透深度,还拥有产生截面图像的能力,因此它成为一种重要的生物组织成像技术。
1993年,首次采用光学相干断层扫描技术对活体内的视网膜结构成像。
光学相干断层扫描也被应用于许多艺术品保护的项目中,它被用来分析绘画作品的不同层次。
与其他医学图像系统相比,光学相干断层扫描有很大的优势。
医用超声成像和核磁共振成像由于分辨率不够,无法用于形态组织成像,而共焦显微技术则缺少毫米级的穿透能力。
3.技术应用
光学相干断层扫描是一种已经成熟的医学成像技术。
它被广泛的应用于获得视网膜和眼前段的高分辨率图像,可以提供直接评估多发性硬化中的轴突完整性的手段。
研究人员还试图寻找一种利用频域光学相干断层扫描技术来拍摄冠状动脉的方法,以检测脆弱的富脂斑块。
光学相干断层扫描技术的信噪比较高,获得信号的速度也比较快。
商用的光学相干断层扫描系统有多种应用,包括艺术品保存和诊断设备,尤其是在眼科中,这种断层扫描系统可以获取视网膜的细节图像。
最近,这种技术也被用于心脏病学的研究,以对冠状动脉的疾病进行诊断。
光学相干断层扫描可以获得透明或者不透明物质的表面以及次表面图像,图像的分辨率与小型显微镜相同。
与其它成像技术相比,光学相干断层扫描可以提供拥有微米级分辨率的活体组织形态图像,因此,在医学界,它是一种非常具有吸引力的技术。
图1.一个肉瘤的光学相干断层扫描图像
光学相干断层扫描也被广泛的应用于工业界,如无损检测、材料厚度测量、表面粗糙度测量、表面和截面成像以及体积损耗测量。
带有反馈的光学相干断层扫描系统可以用于控制制造过程。
由于获取速度高和其微米级的分辨率,光学断层扫描可以在线上或者离线运行。
基于光纤的光学断层扫描更加适用于工业环境。
它们可以进入并扫描通常手段难于进入的空间内部,也可以在有害的环境中进行操作,例如放射性环境、低温高温环境等场合。
图2.断层扫描洞体
激光等离子传感器调研
1.激光等离子体光谱分析传感器原理
物质是由不同元素的原子组成的,原子具有一个结构紧密的原子核,核外有绕核高速运动的电子。
每个电子占据在一定的能级上,并且由于每个原子的核电荷数不同,核外电子数不同,核外电子占据的能级也不同,因此,每个原子激发后都会产生具有特征的谱线。
在通常情况下,物质中的原子或离子都是以能量最低的稳定状态存在,称之为基态原子或离子,其能量用E0表示。
如果原子或离子通过电、热或光等激发作用下,使原子或离子获得能量,外层电子从基态跃迁到较高的能级,这时的原子或离子处在激发状态,称为激发态原子或离子,用Ej表示。
激发态的原子或离子能量高,不稳定,受到微扰时,可在10-8s内跃迁回基态或其它较低的能级,从而将多余的能量释放出来,如果释放出的能量以一定波长电磁波的形式辐射,则形成发射光谱。
辐射波长的大小取决于电子跃迁前后的能级差。
由于相同能级差之间的电子跃迁所辐射出的光量子能量相同,波长一致,经色散、聚焦后在同一焦面上形成谱线(光斑)。
同时,由于原子中的电子能级很多,原子中的价电子也不止一个,就会有许多不同波长的辐射线产生。
因此,对激光等离子体发射光谱分析包括了三个主要的过程,即:
(1)由激光提供能量使样品蒸发、形成气态原子、并进一步使气态原子电离或激发而产生光辐射;
(2)将光源发出的复合光经分光后分解成按波长顺序排列的谱线,形成光谱;
用光谱仪和探测器检测光谱中谱线的波长和强度;
(3)由于待测元素原子的能级结构不同,因此发射谱线的特征不同,据此可对样品进行定性分析;
而发射谱线的强度与待测元素原子的浓度成比例,可实现元素的定量测定。
图1.等离子激发原理
图2.激光激发等离子检测材料组成成分原理图
2.技术优点
(1)既可用于定量分析又可用于定性分析:
每种元素的原子被激发后,都能发射出各自的特征谱线,所以,根据通过特征谱线就可以准确无误的判断元素的种类,而特征谱线的强度又跟元素的含量相关;
(2)分析速度快:
固体、液体试样均可直接分析,且样品不需经过化学处理就可分析,可同时对一个样品中的多种元素进行分析;
(3)选择性好:
由于强激光可以击穿任何物质,不论固体、液体或气体,因此几乎可以分析元素周期表中的所有元素,尤其分析硬度高、难溶的物质,如陶瓷、一些超导体等;
(4)使用LIP光源,准确度高,标准曲线的线性范围宽,可同时测定高、中、低含量的不同元素;
(5)样品消耗少,研究分析对象所需的量很小;
并且由于激光本身良好的光束质量,激光诱导击穿光谱可以使分析对象表面破坏只有微米量级,在工业中可以认为无破坏。
3.国内外研究现状
自激光器诞生以来,国外科学工作者研究工作集中在高功率激光与物质相互作用方面,主要是对于脉冲激光对靶材的冲击效应的理论研究。
80年以后,强激光所引起材料热学和力学效应在基础理论、大型数值程序计算、演示实验、实验测试等领域都取得了很大的进展。
Routhenbery等人使用准分子激光器烧蚀Al靶,解释了激光等离子体的相对阈值;
Sdorra等人研究认为激光烧蚀溅出的物质颗粒或团簇在等离子体中会被电子汽化并且激发等从而导致了原子的辐射;
Timmere等人认为原子和离子的激发机制主要是由于电子与离子三体复合的过程所造成的;
Capitelli等人利用含时的玻尔兹曼方程和碰撞辐射模型详细地分析了激光等离子体内部的平衡与非平衡问题。
随着研究的发展,激光等离子体光谱在定性或定量分析物质元素方面的应用,使得大多数工作集中在了激光等离子体发射光谱的研究。
Drogoff等人利用超短脉冲激光烧蚀铝合金靶产生等离子体,观察了Al、Mg和Fe的原子和离子发射谱线的时间演化行为;
Hwang等人使用ArF准分子激光器对Cu、Zn、Ni合金进行了研究,认为实验测得的谱线发射强度与元素的含量密切相关;
M.Kuzuya等人分析了特征谱线选取与等离子体的吸收效应的相关联系;
Fichet等人对水和油中的Pb、Si、Ca、Na、Zn、Sn、Al、、Fe、Mg和Cr这12种元素进行了定量分析;
Akhomov等人对不同含量的铅凝土进行了定量分析;
Caneve等人利用LIBS作为工具研究了薄膜的元素构成;
Owens等人研究了高压情况下激光等离子体的发射光谱规律;
L.Burgio等人利用激光诱导击穿光谱技术分析了油画、壁画、插画等。
国内物理学家也因激光等离子体有着广泛的应用背景,积极的开展了与之相关的理论与实验工作。
祁兰英等人在“神光Ⅰ”和“星光Ⅱ”上分别进行了二倍频、三倍频激光照射金盘靶、腔靶和碳氢有机膜平面靶的实验;
林兆祥等人利用YAG激光器从光谱学时间演化角度,对激光和大气以及氮气的作用产生等离子体进行了研究;
黄庆举等人测定了XeCl紫外激光烧蚀金属Cu和Al消融粒子的发射光谱时间与空间分布;
上海激光等离子体研究所在该领域有较多的研究。
总体而言,该技术的研究,国内主要在理论实验研究方面做了一些工作,鲜有产业化应用技术,国外研究较为深入,主要用来进行材料的组成元素分析。
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