纳秒激光超声测试系统设计及其应用

目录1 引言11.1本文的研究的意义11.2国内外研究现状12激光超声理论22.1激光超声概述22.2激光器及产生超声机理32.2.1热弹机制32.2.2烧蚀激发机理43 激光测振技术的理论基本53.1 几种测振措施53.1.1 全息干涉法测量技术53.1.2 散斑法测量技术73.1.3 激光三角法83.1.4 激光多普勒技术93.2 小结154激光多普勒测量叶片振动频率154.1 多普勒频移效应154.2拟定测量叶片振动的措施164.2.1 激光干涉法测量叶片振动位移164.2.2激光多普勒测量叶片振动（频率混叠法）184.2.3激光多普勒测量叶片振动（直接测量法）214.3方案选用234.4器件的选择244.4.1 激光器244.4.2 光电探测器254.4.3 F-P腔274.5激光多普勒叶片振动频率实验数据275 激光超声技术在无损检测领域的具体应用及存在的问题305.1 应用概况305.1.1 高精度的无损检测305.1.2 恶劣环境下的材料特性测量305.1.3 材料特性的检测315.1.4 薄膜、复合材料检测，以及材料高温特性等的研究315.1.5 迅速超声扫描成像315.2 存在的问题325.2.1 光声能量转换效率低的问题325.2.2激光超声信号检测敏捷度问题325.3 小结32参 考 文 献33致 谢361 引言1.1 本文的研究的意义激光技术浮现于19世纪60年代，具有高亮度、单色性强和相干性好等长处，在诸多领域得到了广泛的应用，与其她学科的互相渗入也越来越广，带动其他学科焕发了新的活力，激光超声技术就是在这种条件下产生的一项新技术。激光超声学是运用激光来产生和检测超声,并开展超声传播研究和材料特性无损评估的新兴交叉学科。与老式的压电换能器技术相比, 激光超声最重要的长处是非接触检测, 它消除了压电换能器技术中的耦合剂的影响, 可用于多种较复杂形貌试样的特性检测, 加上它又是一种宽带的检测技术, 并能用光波波长为测量原则而精确测量超声位移, 因此是一种极有应用前景的新的无损检测技术。1振动是外力作用在弹性体后产生周期运动的一种自然现象，振动的研究与测试在工程应用和科学测量中占有非常重要的地位。现代工程中多种机械系统，如大型发电设备，重型机械，汽车，船舶，航空航天设备等，都不断向着高速度、高精度、高精确度方向发展。由于振动载荷加快了机械设备的失效，减少机器设备的使用寿命甚至导致损坏酿成事故，并且振动产生的噪音会污染环境危害健康，因此如何测量振动并采用措施减少成为目前理论研究的热点。目前对振动的测量可以分为两种方式：接触式和非接触式。接触式测量措施是指将传感器（粘贴、螺纹连接等方式）在被测物体表面从而完毕测量，但是由于多种因素使得这种测量措施在许多场合无法使用，例如，在对音响扬声器膜片的振动、高温物体的振动以及高速旋转光盘的跳动等的测量中。此外，接触式测量措施的附加质量也会变化实际构造的振动行为，使得测量成果失真。2目前，几种常用的非接触测量措施都是基于激光技术的。现代测试技术越来越注重测量成果的精度、效率等，非接触测量措施高精度、高效率等特点决定了它在将来的测试技术里面不可取代的地位。本文重要探讨纳秒激光测振系统的构成，并实现由纳秒脉冲激光激发特定材料的样品（例如铝板或PMMA板）的超声振动，并由探测激光测出超声振动的频率和强度分布。1.2 国内外研究现状近来，激光测振技术发展不久。目前激光干涉技术已经成为加速度计量的最基本溯源手段之一，激光测振仪、激光全息干涉测振仪、电子散斑干涉测量仪、电子散斑剪切干涉测量仪、激光风速仪等各类仪器的性能不断提高，广泛地应用于科学实验室和工程测量。自 1960年以来 ,激光多普勒技术由于在测量中具有高的空间和时间辨别率 ,不接触测量物体 ,不扰动测量对象 ,能测量原有测速技术难以测量的对象而引人注目。1964年 , YEH和 CUMM IUS刊登了第 1篇有关激光多普勒技术测速的论文后 ,此项技术立即受到各方面的注重并进行了大量的理论分析和实验研究 ,获得了明显的成果。70年代后 ,国外厂商已经开始向市场提供比较完备的产品并在不断更新。激光多普勒测振技术目前成为科学技术及许多行业中不可少的检测措施 ,己经从流体和固体的速度测量发展到了振动测量领域。3检测激光超声的技术有常用的措施有如下几种。第一种是压电换能器（PZT）检测法。这是比较典型的措施，敏捷度比较高，其响应频率也比较宽，多在实验室用。常用的换能器有电磁、电容、压电陶瓷换能器、电磁声换能器和电容声换能器。第二种是光学检测器。这是运用持续检测激光照射到样品表面，接受表面的反射光，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措施。2 激光超声理论2.1 激光超声概述激光超声是指用脉冲激光在物体中产生的超声波，或运用脉冲激光来产生超声波这物理过程。作为超声学新近发展起来的一种分支，激光超声学波及光学、声学、电学、材料学等学科。激光超声检测系统一般由发射系统和接受系统构成。发射系统重要由一台高能脉冲激光器构成，接受系统一般由检测激光、激光干涉仪、光电探测器、信号放大解决电路等构成。当检测激光照射到样品表面时，4超声振动会对它的反射光进行调制，使超声振动信息转变为光信息-干涉仪可以测量细微的光程或光频率变化它把光信号携带的超声振动信息解调出来。光电探测器是由光电二极管构成的，它的作用是将光信号中的超声信号转变成电信号。光电探测器的输出信号很小，并且有噪声，因此需要信号放大解决电路对电信号进行放大，提高信噪比。超声波是频率高于0赫兹的声波，它方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远，可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等。在医学、军事、工业、农业上有诸多的应用。超声波因其频率下限大概等于人的听觉上限而得名。2.2 激光器及产生超声机理激光激发超声应选择恰当的激光光源。由于工作在热弹性机制下的光声转换效率比压电换能器低得多，因此选择合适的激光器以提高信号强度非常重要。目前用于生成超声波的激光器有：Nd: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持续激光器，目前使用脉冲激光器的比较多。运用激光产生超声波的措施可分为直接式和间接式两大类。5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；间接式则是运用被测材料周边的其他物质作为中介来产生超声波。一般觉得，固体中激光鼓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变化。根据激光光束强度的不同，鼓励超声脉冲有两种机制：热弹机制和烧蚀机制。对于表面干净、无约束的固体，如果入射激光的光功率密度低于固体表面的损伤阈值(金属材料般为107Wcm2)，产生的热能局限性以使固体表面熔化，则在产生超声过程中，热弹效应激发起重要作用；当激光功率密度较高时，固体表面温度上升使局部融化，以至浮现烧蚀此时，尽管热弹激发效应仍然存在，但是烧蚀激发效应起决定性的作用。 随着激光技术的发展，激光脉冲宽度进一步压缩(压缩至ns量级，或fs量级)，在热弹激发和烧蚀激发机理的基本上，形成了某些新的激发超声波的措施。2.2.1 热弹机制当由具有Q开关的脉冲激光器发出的激光束照射到清洁的、自由的金属板表面上时，如果单个脉冲的光功率密度足够低(不不小于107Wcm2)，照射试样表面的激光光功率密度低于试样表面的损伤阈值，则金属表面不受损伤。这时在照射点附近的表面薄层内产生了急剧的热膨胀，正是这个热弹效应激发了偏振方向与表面平行的应力波，即超声剪切波。当脉冲激光投射到不透明固体表面上时，它的能量一部分被反射，另一部分被吸取，并转化为热能，使样品表面产生几十到几百度的温升。对于电导率很大的固体(如金属)。光的吸取只发生在表面下数微米的范畴内，吸取光能的浅表部分由温度上升而发生膨胀。只要激光脉冲很短(100ns)，则热扩散效应就很小6，热弹源位于很薄的表层内(约几)。当金属表面处在自由状态时，浅表层的体积膨胀引起的重要应力平行于材料表面，理论上它相称于时间上是阶跃函数H(t)的切向力源，可以激发横波、纵波和表面波。在热弹机制下，重要的应力是与表面平行的，虽然也有与表面垂直方向的应力，但很小。因此这种状况下，重要激发出超声横波和相对幅度很小的纵波。7由于固体浅表层的局部升温并没有导致材料的任何相变，因此热弹激发效应具有严格无损的特点，它是激发超声使用最广泛的措施。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，常在固体表面涂多种涂层(如水，油)，以增长表面的光吸取系数23。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。2.2.2 烧蚀激发机理汽化应力超声源激光脉冲图2.1 烧蚀激发机理示意图当入射激光的功率密度不小于样品表面的损伤闽时，表面材料汽化，对样品产生一法向冲力，从而激发超声波，称为烧蚀激发机理。烧蚀激发机理的原理如图2.1所示。对于金属，当入射激光脉冲功密度不小于107/cm2时，其表面因吸取光能导致温度急剧升高，当温度超过材料的熔点时，会有约几微米深的表层材料发生烧蚀，8部分原子脱离金属表面，并在表面附近形成等离子体。这一过程可产生很强的垂直于表面的反f作用力脉冲，相称于给表面施加个时间为冲击函数（t）的法向力。从而激发出幅值较大的超声波，这种波源形式也可激发出所有类型的超声波25。这种机制的超声激发效率比热弹机制高4个数量级，可以获得大幅度的纵波，横波和表面波。但由于它每次对表面产生约O3的损伤。因此只能用于某些场合，且一般用来产生纵波。随着激光技术的发展，激光脉冲宽度进一步压缩(压缩至ns 量级，或fs 量级)，在热弹激发和烧蚀激发机理的基本上，形成了某些新的激发超声波的措施。如热栅法激发、热应变激发、电子应变激发以及非热机制- 反压电效应激发等措施。9 用两束来自同一激光器的光脉冲，交叉(夹角为 )同步入射至样品，在样品中或表面形成光干涉图(光强峰- 谷交替)，受照射处的样品吸取此栅状光能而热致产生超声(声子) ，称为热栅激发机理。热栅法已能激发频率可变(3MHz -30G Hz)的超声。 热应变激发是指用一束超短光脉冲照射在基片上的吸取薄膜上，薄膜的受热升温部份会产生热应力，从而激发超声波，成为热应变激发。 与纳秒级激光相比，皮秒级(或飞秒级)激光的最大不同之处是它可以通过电子应变激发机理激发超声。当高强度、超短光脉冲照射半导体时，共价晶体中原子的价电子脱离原子，但电子来不及在如此短的时间内把过剩能量交给晶格，使电子和声子在非常短暂的期间会失去热平衡，从而使电子和声子各有明确的不同的温度。其中。电子的温度可以高达 500-600K或更高，电子将以超音速的速度扩散，通过电子- 声子的复合把能量传给晶格而自身冷却下来。而晶格的温度变化很小，不会超过几度。10在电子超音速传递期间，电子会对介质产生应力，从而会影响所产生的超声的波形，称为电子应变激发机理。电子对介质的应力将加宽波形，加宽的限度和电子- 声子复合限度有关。非热机制-反压电效应激发 指的是在压电半导体中光生非平衡态载流子，当有一瞬态电场作用时，电子与空穴产生瞬态分离而产生声波。目前,这些技术已能在频率为几百 G Hz(已达440GHz) 时成功地以 1-10nm的空间辨别率在室温测量超声衰减和速度，使得激光超声能测材料的微构造，并求出微构造中不同组份的力学性质和界面质量，这是其她措施不能与之比拟的。3 激光测振技术的理论基本3.1 几种测振措施3.1.1 全息干涉法测量技术早在1965年R.L.Powell和K.A.Stetson就将全息干涉测量技术应用于振动测试。全息干涉测量技术是将同一光束在不同步刻的波全纪录于同一张全息图上，当用原参照光再现时就会形成两个以上的三维像。如果再现像满足相干条件，这些再现光波叠加后会发生干涉，产生稳定的干涉条纹这些干涉条纹带有振幅的信息，称为振型图。激光具有良好的相干性，全息干涉测量技术不仅记录了物体的振幅变化，并且记录了物体的相位变化，用全息干涉测量技术还可以对物体振动进行非接触的全场同步测量。这使得全息干涉法测量振动时有诸多长处。例如叶片振动测量:在叶片的损坏中，有近90%是由于共振振裂或振断的。11而目前叶片的形状越来越复杂，此前的测量措施受到越来越多的限制，而全息干涉法克服了原有测量措施的缺陷和局限性，不仅可以测量低阶振型，并且可以测量出高阶复杂振型。图3.1 激光全息干涉法测量光路图图3.1是中国船舶科学研究中心将激光全息干涉法用于大侧斜螺旋桨模型及古乐磐的振型测量光路图。压电晶体使物体做稳定周期运动，对被激振物体进行全息照相，则叶片振动的所有信息都记录在全息干板H上;解决干板后，用参照光再现，便可得到叶片在某固有频率下的振型图。图上具有明暗相间的条纹，各点的光强是叶片上各点振幅函数，可用第一类零Bessel函数来表达。该系统成功地获得了桨叶在共振频率下一至五阶的轴向振型及磐的二个振型图。用全息干涉技术可以对物体振动进行非接触的全场同步测量，从而克服了老式逐点测量精度低、工作量大等缺陷，12但由于要用胶片做记录介质，需要冲洗等费时费力的化学过程，操作过程复杂，并且全息法在许多场合被觉得太敏捷，它记录信息过多，记录介质的辨别率规定过高，因此很难在实践中推广应用。3.1.2 散斑法测量技术激光散斑振动测量技术是运用激光的高相干性，激光照射到物体粗糙表面时将产生散斑场，该散斑场记录了被测物体表面的信息，并对该散斑场进行数字图像解决，就能以干涉条纹的形式得出被测信息的等高线，通过条纹判断使能得到振动物体的位移。散斑法测量技术可分为:散斑照相法、散斑干涉法和电子散斑干涉计量(ESPI)等。13散斑干涉技术具有非接触、高精度和全场等长处，始终为人们所注重，特别是被大量地应用于表面变形的测量。散斑照相法一般运用银盐干板做记录介质，不仅费时费力，操作过程复杂;并且干涉条纹图的解决极其费时，这导致了推广干涉技术的困难。为理解决记录措施和干涉条纹图自动解决等问题，提出了电子散斑干涉法(ESPI )。电子散斑干涉法(ESPI)又称电视全息(下V-holography )，是全息术的一种发展，最初是由Butters和Leendertz在1971年提出的。14图3.2 激光散斑测量光路图图3.2所示为一种激光散斑应用实例。由激光发生器发出的光经反射镜M，到分光镜M2，在M2处提成光强相等的两束相干光，两束光分别经反射镜M3和M4，扩束镜M8和M5扩束和准直镜M7和M6变为两束平行光入射到铝板背面，在铝板表面前方互相干涉形成散斑场。当铝板受热变形时，铝板前面的散斑场将发生变化。用CCD摄像机和图像卡持续采集散斑场的动态变化，采集的图像保存到计算机上，便于后续解决。3.1.3 激光三角法激光三角法的振动位移测量原理如图2-3所示。He-Ne激光器发出的光经发射透镜L1汇聚于被测物体表面的O点处形成入射光点，该光点在空间的部分散射，光通过接受透镜L2汇聚到光电探测器PSD(位置敏感器件)上形成像光点O。当入射点与该光学构造发生相对于入射光轴方向的振动位移z时，引起像光点在光电探测器感光面上发生位移z，从而引起PSD输出信号的变化。通过探测该信号的变化即可以求得z，则z为 Z=azsinbsin-zsin(+) (3-1)一般为了安装以便使PSD平面与透镜L2的光轴垂直。15则上式可化简为 Z=a-f2zf2sin (3-2)图3.3 激光三角法测量光路图f2为透镜L2的焦距，物体的振动状况通过PSD光电输出，经后续电路解决后，可得到与被测物体位移成正比的电压信号，激光三角法采用几何光学的措施测量，但该措施的测量范畴和辨别率受限于光点探测器PSD的尺寸和敏捷度，此外该措施的工作距离受限于发射透镜的焦距，因此该措施不适于测量远距离处的微小振动。3.1.4 激光多普勒技术1842年奥地利科学家doppler一方面发现，任何形式的波传播，由于波源、接受器、传播介质或散射体的运动，会使频率发生变化，即产生所谓的多普勒频移效应fuel。当传播物为光波时，就称为光的多普勒效应。16激光的多普勒效应最初用于流体的流速的测量，如今其应用已发展到诸多场合，如血液流速测量、风速测量、位移测量、振动测量等等。自从1964年YEH和CUMMIUS一方面观测了水流中粒子的散射光频移，证明可以用激光多普勒频移技术来拟定流体速度以来，激光多普勒技术以它精度高，动态响应快，测量范畴大，非接触测量等特点得到了长足的发展。七十年代集成光学单元有力进一步的发展，使得该系统的光路构造更为紧凑，调节也大为以便，多种近代光学技术在激光多普勒技术中的到了广泛的应用，这使得LDV测量应用更为广泛。70年代后，国外厂商已经开始向市场提供比较完备的产品并在不断更新。激光多普勒测振措施目前成为科学技术及许多行业中不可少的控测措施，已经从流体和固体的速度测量发展到了振动测量领域。振动测量由于能反映物体的动态特性，特别是高速运动的物体，因此在工程中具有十分重要的意义。自从1983年南安普敦大学的光振研究所发明第一台激光多普勒测振仪开始，激光多普勒测振仪从单光束、交叉光束测量发展到了多光束测量。国外某些出名的生产激光多普勒测振仪的厂家，如B&K公司、德国的Polytec公司，已经制造出了相应型号的激光多普勒测振仪。国内天津大学、西安交通大学等研究部门也进行了相应的研究。激光多普勒测振技术大概可分为如下几种。171参照光测量技术激光多普勒参照光测量技术的基本原理为:运用相干的激光来照射振动物体表面，从物体表面散射回来的反射光会发生频移。运用光学与电子学的措施测出散射光的频移，便可得到振动表面的振幅、振频、速度和加速度等各个振动参数。图3.4为出名的麦克耳孙干涉仪的基本原理图。氦氖激光器输出激光，通过半透半反镜(PBS)，将激光提成两束，透过的部分作为测量光束投射到测量反射镜片上，再由测量反射镜反射回来，经PBS反射进入光电倍增管。另一束作为参照光束，由PBS反射到固定的参照反射镜，再反射回来至PBS,并透过PBS照射到光电倍增管，与测量光束汇合，发生干涉，形成一定的干涉条纹图形。当被测物发生振动时，测量光束与参照光束的光程差发生变化，干涉条纹移动，光电倍增管接受到的光信号发生明暗交替的变化。图3.4 迈克尔逊干涉仪的基本原理图运用参照光原理设计的测量系统所需要的光电器件较少。因此，该系统便于调试，成本较其他系统低。同步由于光电器件的减少，也减少了干扰因素，提高了系统的稳定性和可靠性。18但是由于参照光和测量光是同一束激光经分光镜一分为二得来的，当测量光发生频移和参照光混频时，无论测量光的频率如何变，两束光的差频总是正的。因此参照光测量技术无法辨认振动方向。2 差动多普勒测振技术虽然参照光措施十分有用,但大多数使用的装置并不含参照光,而是将两束等强度的光聚焦并相交在测量点处。图3.5所示为差动多普勒测振仪提供的一种测量扭振的光路图。在该光学构造中,光电探测器输出的多普勒拍频fD为： fD=2vsin(2) (3-3)式中v是在光束交叉点处的切向表面速度,是激光波长,(2一3)是入射激光束的夹角。图3.5 差动多普勒测振仪光路图虽然由于差动技术的浮现,使得激光多普勒技术在诸多场合得到实用,但这种技术有两大缺陷。一是激光束的交叉域一般不不小于1mm,因此,被测体表面在测量过程中都必须在这个区域内。显然,被测对象或仪器的移动将会影响测量精度。二是在实际中,被测对象会浮现横振现象,该振动在切向上的分量将会混淆数据,差动构造不能把横振从扭振中辨别出来。193 激光扭振技术激光扭振技术具有新颖的光路设计,扭振测量不再受被测量对象横截面形状和横振的影响。图3.6所示为B&K公司推出的角振动测量仪TorsionalvibrationTransdueerMM0071中的扭转振动传感器MM0071的工作原理图。图3.6 角振动测量仪光路图传感器的发光元件是激光器。激光器产生的激光由分光镜提成等强度的两束平行光,其间距离为d。当光束达到转轴后被反射。返回光通过透镜及其光具组聚焦复合于光电探测器上,检出多普勒信号。图3.6中被测物体为旋转轴,轴的横截面形状可以是任意的。设旋转轴既有角运动,同步又有线运动,这正好与工程中一般遇到的问题相符,如船舶柴油机曲轴的运动是其基本运动和自身的运动复合。以VxVyVz表达被测轴的三个平动速度分量,以表达轴转动角速度。光束照射点A处的表面速度在X方向的分量可通过几何关系得到: VAX=VX+RAcosA （3-4）同理,光束照射点B处的轴表面速度在X方向上的分量 VBX=VX+RBcosB （3-5） 式中RA,A及RB, B的几何意义可在图3.6中找到，分别为矢径和夹角。两反射光经光具组会聚在批准光电二极管上，迭加后的合成光强为： I=21+cost2d （3-6）上式中2d/即为多普勒拍频。光强变化频率直正比于转轴角速度，并与轴的刚体平动速度毫无关系。这正好可以避免平动的干扰。3 外差多普勒测量技术为理解决参照光测量技术的特点,1976年起美国NASA(美国宇航局)发展了外差多普勒测量技术。其原理是通过光频调制器将参照光作一频移。如图3.7所示。由激光器发生频率为f0的激光束经分光镜入射到被测表面,由于测量表面的运动,反射光将产生多普勒频移fD: fD=2v （3-7）式中v为表面运动速度,为激光的波长。频率为f0+fs的参照光束和频率为f0+fD的反射光束混合并投射到光电探测器上产生拍频信号,经电子信号解决系统得到频率为fD-fs的拍频信号,对其进行分析和解决就可得到所需的振动信号。这种光路构造能辨别出被测表面的运动方向。图3.7 外差多普勒测量光路图对激光频率进行调制以产生两个频率稳定、带宽满足规定的相干双频的光频调制措施有诸多。比较常用的两种措施为:声光调制和磁光调制(塞曼效应)。20（1） 磁光调制法1986年塞曼发现了在外磁场的作用下光的频率有单薄的变化。光源发出的光在磁场的作用下,由于分裂成有一定频率差的左旋偏振光和右旋偏振光。运用塞曼效应制作的双频激光器加上轴向磁场,可以获得频率相差大概在1.5M-2M的两束相干光。图3.8所示为一双频激光干涉仪的光路图。在氦氖激光器上沿轴向施加磁场,由于塞曼效应激光被分裂成有一定频率差的左旋偏振光f1和右旋偏振光f2(常用的双频激光干涉仪把这一频差设计成1.5MHz)。通过1/4波片后,f1和f2变成互相垂直的线偏振光vl和v2,又被半透半反镜(PBS)Bl提成两束。其中一束光反射到通过偏振方向与两线偏振光偏振方向45的检偏镜Pl上,产生拍频信号。光电探测器Dl对两倍光频的和频信号没有响应,接受到的只是频率为v的参照差频信号。另一束光透过半透半反镜B1向前传播,进入偏振分光棱镜B2后,偏振方向垂直纸面的vl被完全反射,偏振方向在纸面内的v2完全透射。再经由参照反射镜M1和测量反射镜M2反射回来合束,通过功能类似检偏镜P1,的检偏镜P2,产生的拍频信号被广电探测器D2接受。由于测量反射镜M2以速度V运动,光的多普勒效应使由M2返回的光的频率产生多普勒频移v。(正负号取决于测量反射镜的运动方向),D2接受到的测量信号频率为vvD。将测量信号与参照信号进行同步相减,得到多普勒频移vD。多普勒频移对测量时间积分,也就是说进行合计计数就可以测出测量反射镜的位移量。图3.8 双频激光干涉仪的光路图（2） 声光调制法声光调制原理源于介质的声光效应。声波是弹性波,它会使介质发生弹性应变。于是介质的折射率相应发生变化,这就是当光波平行于声波波阵面入射时,即可观测到发生衍射产生的对称近似等间距排列的多极衍射光,从而实现对激光进行调制的目的。图3.9 声光调制测量系统光路图图3.9为运用声光调制测量系统进行位移测量的原理图。从稳频激光器输出的单频激光经声光调制器(AOM)产生0级及+1级衍射光。0级光经扩束准直镜扩束准直后进入棱镜M作为测量光;1级光经反射镜反射后,在合光棱镜处与测量光相遇形成拍频。当棱镜M移动时,由于多普勒效应而产生频率变化f。由光电探测器D接受并进行解决而获得位移信息。213.2 小结根据以上几种激光测振技术的比较,可以看出激光多普勒技术的优越性,因此在本文所研究的激光测振仪采用多普勒技术对电扇叶片振动进行检测。4 激光多普勒测量叶片振动频率4.1 多普勒频移效应多普勒频移效应是为了纪念克里斯琴多普勒约翰而命名的，她于 1842年提出这一理论，重要内容为：物体辐射的波长由于光源和观测者的相对运动而产生变化。在运动的波源前面，波被压缩，波长变得较短，频率变得较高。在运动的波源背面，波被拉长，波长变得较长，频率变得较低。波源的速度越高，产生的频移效应越大。多普勒效应是速度测量中所用到的最重要的物理效应。假设一种固定波源发出频率为fs的单频波，波的传播速度为c，波长为，观测者相对于波源的运动速度为v，观测者接受到的波频率为 f ，产生的频移量为 f。22下面我们做一种简朴的推导：如果波源和观测者都不动，那么时间t内观测者接受到tfs 个波长。如果观测者相对于波源以速度v 运动（向波源方向运动为正，相反为负），那么相称于在时间t内，观测者多接受到了vt/l个波长。 f=fs+v （4-1）由于fs=c，整顿后来得： f=fx(1vc) （4-2）多普勒频移f： f=v=fsvc （4-3）观测者相对于波源的运动，等同于波源相对于观测者的运动，于是我们可以得出一种常用的多普勒频移测速公式： ffs=vccos （4-4）式中为物体运动方向（观测者的运动方向）与波束之间的夹角。当=0时，即波束与物体运动方向平行，可以用来测量物体的运动速度，间接得到物体的振动频率。振动的测量可以通过测量物体相对于平衡位置（抱负稳定状态）的位移的幅度（位移量s ）、相对于固定参照系的振动速度（速度量v）以及物体由于振动而产生的加速度（加速度量a ）三种方式来实现。由数学关系：，,。三者又可以互相转换，通过测量物体振动的位移、速度、加速度中的一种参数，就可以得到物体的振动频率。因此，可以运用激光多普勒技术测量叶片的瞬时振动位移、速度来得到叶片的振动频率。目前基于多普勒频移原理的测速措施有：超声波多普勒测速、微波多普勒测速和激光多普勒测速。超声波多普勒测速在平常生活中常用的应用涉及：自动门开关、防盗报警、交警对超速车辆的监查、气象雷达等。23微波多普勒测速重要涉及：微波雷达枪、微波测速传感器控制自动门、防盗报警器、汽车防撞雷达等。激光多普勒测速重要涉及：激光测速枪、激光测振仪、激光多普勒测流速等。4.2 拟定测量叶片振动的措施4.2.1 激光干涉法测量叶片振动位移1 光路图如下图4.2 激光干涉法测位移光路图一图4.2 激光干涉法测位移光路图二2 测量原理（1）光的干涉：干涉现象是光的波动性独有的特性，两列或几列光波在空间相遇时互相叠加，在某些区域始终加强，在另某些区域始终削弱，形成稳定的强弱分布的现象，称之为光的干涉现象。明与暗的间隔为半个波长，即/2l。干涉产生的条件：只有两列光波的频率相似，相位差恒定，振动方向一致（光具有偏振现象）的相干光源，才干产生光的干涉。（2）运用光的干涉测量位移的原理：如图 4.1 和 4.2，如果被测物体位置变化时，反射光路的长度发生变化，干涉时相位会发生变化，反映在干涉条纹上的现象是，明暗交替的干涉条纹会沿着一种方向运动。通过光探测器来检测通过某个点的光强变化，可以“数”出条纹的移动距离，来推算出物体的移动距离。如图4.1，一种角锥反射镜紧紧固定在分光镜上，形成固定长度参照光束。 另一种角锥反射镜相对于分光镜移动，形成变化长度测量光线。从激光头射出的 激光光束具有稳定的单一频率，当此光束达到偏振分光镜时，被提成两束光 反射光束和透射光束。两束光被传送到各自的角锥反射镜中，然后反射回分光镜 中，在探测器中形成干涉光束。如果两光光程差不变化，探测器将在相长干涉和 相消干涉的两端之间的某个位置观测到一种稳定的信号（即干涉条纹不动）。如果两光程差发生变化，每次光路变化时探测器都能观测到相长干涉和相消干涉两 端之间的信号变化，这些条纹被数出来，用于计算光程差的变化，测量的长度等于条纹数乘以激光波长的一半，即。图4.2的光路，与图4.1类似，由于接受器的位置与激光器相差90度，因 此角锥反射镜可被反射镜替代，但系统占用空间较大。3.系统构成激光器、半透半反镀银分光镜PBS、反射镜（或角锥反射镜）、光敏二极管（或 光电倍增管）、示波器（或信号解决与采集系统）4.系统合用范畴低频大振幅或高频小振幅的振动状况。由于多普勒频移的存在，使得测量成果受到一定影响，如果振动速度不大，对于测量平均位移来说仍有较高的精度。4.2.2 激光多普勒测量叶片振动（频率混叠法）图4.3 激光多普勒振动速度测试原理1.测量光路：如图4.3，此种测试措施基于迈克尔逊干涉原理。2.测量原理由激光器发射出一束稳定的频率为fs的单频激光，通过一种半透半反分光镜 后被提成两束。其中一条光束作为测量光束通过另一种半透镜后射向被测物体表 面，另一束光线作为参照光束通过反射后射向图下方的半透镜，然后和测量光束 一起射向光电倍增管。测量光束通过测量物体的漫反射（或贴反光膜反射）后， 频率发生变化fs+ Df，与参照光束一起进入光电倍增管进行混频。反射光由于物体的振动而发生的多普勒频移即为： f=fsvc （4-5） 式中：v-物体的振动速度C-光速也就是说，如果振动速度v=3m/s，fs=51014HZ，那么多普勒频移f=5106HZ。3.信号采集与解决如何将多普勒频移量解调出来有两种措施，一种是运用光电倍增管测量光的差拍，间接解调出多普勒频移量。一种是运用光谱仪直接分析混合后的光谱，可运用法布里珀罗干涉仪来实现。（1） 光学差拍光学差拍技术是两个光束的外差或依赖于时间的干涉。外差是无线电中熟悉的技术，它由两个信号相加再通过一种非线性电路元件或“检测器”。“混合”后的输出涉及了和频、差频及谐波，而频率较低的差频可以用低通滤波器分离出来。图4.4 差拍示意图如图 4.4，输入频率为f1和f2的两个信号（a）和（b）相加后得到的成果为（c），这是由两个信号交替的相长和相消干涉（或差拍）形成的一种振幅以（f1-f2）调制的波形。将（c）整流或检测后产生输出（d），其中涉及了一种直流分量和以拍频（f1-f2）变化的输出。同样的原理可以应用于光学。将两束不同频率的光同步照射在光学检测器上，可以观测到差拍，光检测器的输出与入射光的光强成正比，因此这两个光场在检测器上相加产生了涉及差频的输出。（2）运用光电倍增管（或光敏二极管）测量多普勒频移由于测量光束在通过被测振动物体反射后，其频率和参照光束存在一种差频f，两束不同频率的光直接照射在光探测器上，产生了不稳定的干涉，即两束光由于干涉而产生的强度随时间的变化可以用相应的电场强度随时间的变化来描述。假设没有发生多普勒频移的光束所相应的电场强度随时间t的变化表达为： Is=Essin(2fst) （4-6）式中：Es-电场幅度Fx-激光频率发生多普勒频移后的广场强度为： I=Essin(2fsft) （4-7）式中：f-多普勒频移对一种系统来说，电场的幅度Es是一种常数，光电倍增管处测量的光的电场强度I（t）是两者的叠加，可以表达为： It=Essin2fst+sin2fsft （4-8）通过三角函数变换后： It=Escos(2ft)2sin2fsft （4-9）由于多普勒频移 f远远不不小于光波自身的频率fs ，事实上测量的得到电场强度的幅值被余弦函数cos(2ft)调制。光电倍增管（或光敏二极管）所测量的是正与比电场强度平方的光强度，光传感器的输出事实上是频率为 f的交流电信号，只要测量出交变信号的频率即可推算出物体的振动速度。由于交变信号的频率也可以精确测量，因此速度测量的精度很高，而激光多普勒振动测量的精度重要受系统的噪声所限制。244.2.3 激光多普勒测量叶片振动（直接测量法）本方案与方案二的区别在于用 F-P 腔直接分析测量光束的频率，不需要参照光束，几何光路用光纤替代，系统构造简朴，组建以便直观。1.测量光路图2.6 基于F-P腔的激光多普勒测振光路图2.测量原理F-P 腔（Fabry-perot Cavity）是基于法布里珀罗干涉原理的高精密光谱分析器件。一般多用于分析布拉格光栅的测量光束光频率。运用 F-P 腔可以将测量光束的频率直接解调出来（1） 反射光之间的干涉平行表面反射光之间的干涉是法布里珀罗干涉法的基本，如图 4.6 所示的一块玻璃板的两个面，光程差是2hucos，h是玻璃板的厚度，是玻璃种的射线对表面法线的倾角。调节板件厚度h，当两部分反射光之间满足关系式2hcos=(n+12),则会产生相长干涉。图4.6 法布里-珀罗干的多束光反射（2 ）法布里珀罗干涉仪法布里珀罗干涉仪是光谱辨别率极高的多光束干涉仪，其原理：平行表面反射所产生的多光束之间的干涉是法布里珀罗干涉仪的基本。，两个平行的楔形镜面，间距为h ，常数u 为几何光学中的折射率。当单频光源中的一束光通过透镜聚焦后，以垂直入射的角度射入楔形镜面。楔形镜面表面具有很高的光学质量及高的反射率，因此每当光线和其中任一表面遇届时仅有很少一部分光投射过去，大部分光线被反射回来。25这样通过多次反射后，每次反射的透射光线通过透镜的聚焦，在 一点发生干涉。这就有能使干涉大大锐化的效应。在这里，不加证明地给出法布里珀罗干涉条纹的间距公式：s=22h （4-10）式中：h-楔形镜面的距离 u-折射率 -入社光波长根据干涉条纹的间距，可以推算出入射光的波长，进而得到入射光的频率。4.3 方案选用方案一，测量振动位移参数来得到叶片的振动频率。由于叶片运动速度引起的多普勒频移会对测量成果有一定的干扰，系统合用于低频大振幅或高频小振幅的振动状况。几何光路需要精确地布设各透镜角度以及各光学器件的位置，系统组件不以便。方案二，以光电倍增管（或光敏二极管）为探测器解调光的频率的测试方案，成本低于方案三。本方案的缺陷是：系统组件较困难，适合实验室测试而非工业测试。长处是：由于采用光探测器来解调混合后的光信号，测试范畴较广，与滤波电路配合可以很灵活地解决数据。采用的是成熟的光路和较普遍的检测措施。方案三，用 F-B 腔来分析测量光束的频率。缺陷是：适合叶片的高频振动测试，对于叶片的低频振动，多普勒频移量很小，会超过 F-B 腔的最小辨别力。长处是：系统构造简朴，易于组建，可以反复使用，合用于工业测试。推荐方案三。工业测试规定系统简朴可靠，反复使用性好。方案三不需要组建复杂而精致的几何光路，只需用柔性的光纤连接各个光学器件即可，简朴可靠。具体实行如下：1架设光路。将反光膜粘贴至叶片合适的位置，光纤探头在叶片前方 10cm的距离固定。用光纤连接各器件，组件系统。最佳此系统可以在实验室进行预先标定。2准备一种接触式测量措施对系统进行标定。用老式的电阻应变片或其她接触式测量措施，对叶片的振动频率进行测量，以标定激光多普勒测振系统。 3.数据解决。图4.8 激光多普勒测叶片振动将叶片简化成一种如图 4.8 所示的平面，其水平运动速度为VX，垂直振动速度为VY ，反光膜水平投影距离为l ，垂直方向投影为h 。假设叶片转动角速度为，反光膜粘贴在叶片半径为r 处。当叶片转动至测量位置时，测量光束经反光膜反射至测量系统，此时刻记为t1，测量光束离开反光膜的时刻记为t2，没一周的测量时间为t=t2-t1，是一种标量。假设叶片转动速度是恒定的，此时 t=1wr （4-11）由于叶片的平面与测量方向有一定角度，当叶片转动时，光程是发生变化的，即在叶片不发生振动的状况下，产生一种运动速度Ve： ve=hwrl （4-12）速度ve是无法消除的，叶片形状不同，这个体现式也不同（4-12）式是将叶片简化后的体现式。Ve方向恒定，假设叶片相对于测试系统运动为正，那么ve恒为正，需要从测量成果中减掉。假设从光电倍增管或法布里泊罗解调处的测量光束频移量为f，那么叶片垂直方向振动总速度为： vy=cffs （4-13）4.4 器件的选择4.4.1 激光器产品一：日本hamamatsu公司，产品如下：表4.1日本hamamatsu公司可见光波长范畴内的激光器编号为L10209。其波长为685nm，输出功率为400mW，工作电流为800mA，误差范畴为100um。产品二：英国Thorlabs公司产品，见下表表4.2 英国Thorlabs公司选择编号为HNL225R-EC的激光器，波长为632.8nm，22.5mW，任意偏振态，220V交流电。4.4.2 光电探测器产品一：日本hamamatsu公司，Photosensor Model,H10723-20表4.3日本hamamatsu公司，Photosensor Model,H10723-20TypeVoltageoutputtypePhotocathodeAreaSizeDia.8mmWavelength(Short)230 nmWavelength(Long)920 nmWavelength(Peak)630 nmDimension(W xH xD)51.0 x24.0 x25.0mmInputVoltage+/-4.5to+/-5.5 VMax. InputVoltage+/-5.5VMax. InputCurrent+6.2 /-3.5 mAMax. OutputSignal+4V（Loadresistance10kohm）Max. ControlVoltage+1.1（Inputimpedance1Mohm）VRecommendedControlVoltageAdjustmentRange+0.5 to+1.1 VSensitivityAdjustmentRangeCathodeLuminousSensitivityMin.350 uA/lmCathodeLuminousSensitivityTyp.500 uA/lmCathodeRadiantSensitivityTyp.CathodeRed/WhiteRatio(R-68)Typ.0.45CathodeRadiantSensitivityTyp.78 mA/WAnodeLuminousSensitivityMin.Currentoutputtype产品二：日本hamamastu公司，Phototube R1328u-51表4.4 日本hamamastu公司，Phototube R1328u-51FeaturesFor Visible toNIRTypeBiplanarPhototubeSpectralResponse(Short)300 nmSpectralResponse(Long)1100 nmSpectralResponse(Peak)750 nmTube Diameter30 mmPhotocathodeEffectiveArea (Min.)10 mmPhotocathodeMaterialAg-O-CsInputWindowTypeHead-onWindowMaterialBorosilicateMaximumRatingsAnodeSupplyVoltage VdcMaximumRatingsPeakCathodeCurrent300000uAMaximumRatingsInputLightEnergyDensity0.125W/mm2MaximumRatingsAverageCathodeCurrentDensityMaximumRatingsAverageCathodeCurrent*a5 uAAmbientTemperature *b75 deg. CLuminousSensitivity(Typ.)*c20 uA/lmRadiantSensitivity(Typ.) at122nmRadiantSensitivity(Typ.) at254nmRadiantSensitivity(Typ.) atPeak产品三：英国thorlabs公司，型号PM02光电倍增模块表4.5 英国thorlabs公司，型号PM02光电倍增模块光谱范畴：280850纳米端窗型光电倍增管构造 静电和磁屏蔽 转换增益：阳极电流1伏/微安 外壳SM1螺纹外壳4个螺纹孔，用于ER系列笼式支杆附带120或230伏插接适配器电源产品四：英国thorlabs公司，型号FDS100-CAL,校准过的光电二极管表4.6 英国thorlabs公司，型号FDS100-CAL光电二极管4.4.3 F-P腔美国微光学公司，MOI(micron optics),网址：.com产品名称：FiberFabry-PerotScanningInterferometer(FFP-SI)，光纤法布里-珀罗扫描仪规格。表4.7 光纤法布里-珀罗扫描仪规格光学参数工作波长范畴800-1600nm光谱范畴0.01-5.5GHz3db 带宽1-550MHz插入损失3到5db输入功率100mW电学参数控制电压12V电容值3.0up转换速率10V/ms最大控制电压70V外观参数尺寸12.714.3152.5mm质量31g由于F-P腔一般都设计成通用模式，工作波长大都处在不可见光范畴内，因此，针对本系统可以单独定制。4.5 激光多普勒叶片振动频率实验数据运用基于激光多普勒效应的测量振动系统，对叶片的振动频率进行测量。系统涉及激光测振仪、示波器、信号分析仪和电扇，如图4.9。图4.9 激光多普勒测振系统构成实验环节如下，一方面，在叶片的测量点粘贴反光膜，调节激光测振仪的状态 使其射出的激光束垂直对准反光膜，另一方面，将激光测振仪的输出信号线连接至示波器，并调试好系统。实验措施，运用电扇的档位，调节叶片的转速，分别测量叶片的振动参数。 同步，将测量数据输入计算机进行有关的数据解决分析，得到了叶片低速状态下 的时域和频域特性曲线，见图4.104.11。图4.10 激光多普勒测振系统数据采集（a）低转速的有效时程（b）低转速时的傅里叶谱（c）低转速时的傅里叶谱去直流分量图4.11 叶片低转速状态下的时域和频域特性曲线实验结论表白，该技术适合测量叶片振动的高频成分。为了测量叶片振动的 低频成分，需要对叶片粘贴反光膜的尺寸和位置进行调节。5 激光超声技术在无损检测领域的具体应用及存在的问题5.1 应用概况5.1.1 高精度的无损检测极短的激光脉冲可以激发出极短的超声脉冲。通过对衍射超声波渡越时间差的分析，可以非常精确地拟定多种缺陷、涉及多种体缺陷和表面缺陷的位置，其精度可优于0.1mm 。在这种检测系统中，最引人注目的系统之一，就是LGAP与光探针相结合，所构成的全光学检测系统。实验表白，用这种全光学系统对亚表面缺陷进行检测，除可探知缺陷的存在，拟定缺陷的位置外，还可探知缺陷附近的脉冲模式转换，进而可弄清缺陷的具体状况。265.1.2 恶劣环境下的材料特性测量激光超声的非接触式激发与接受、以及无损、非侵入性等特点，使得其特别适合于在恶劣的环境下（如高温高压、高湿、有毒、酸、碱及检测环境或被测工件存在核辐射、强腐蚀性和化学反映等），对工件进行在线检测。 目前，激光超声技术酬叠成功地盔热轧无缝钢管（ 管长5.512m ，温度 1230 摄氏度，延伸速度2 m