激光超声波可视化检测仪

.激光超声波可视化检测仪及其应用罗朝莉 王波 陈林（西安金波检测仪器有限责任公司 luozhaolijinbotesting.com）摘 要：激光超声检测是超声检测发展起来的新分支，属于光、声、电等的交叉科学。与传统的超声检测技术相比,激光超声波可视化技术以其非接触地高速扫描检测，消除了传统超声检测技术中的耦合剂影响，用于各种较复杂形状工件的无损检测。加之可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，使之成为极具应用前景的无损检测新技术。本公司在日本筑波科技株式会社的大力协助下，成功研发了激光超声波可视化检测仪。应用该仪器对各种难检样件进行实际检测，其效果甚佳。关键词：激光超声；可视化；检测技术1.激光超声波可视化检测仪简介激光超声检测技术是用强度调制激光束射入物体时发生热弹效应产生声波,通过检测该声波对金属、非金属及复合材料等表面和内部进行无损检测。目前，多数激光超声技术采用脉冲激光照射试样表面产生超声波，利用传感器或光学系统接收。采用压电传感器与试样耦合接收激光超声产生的宽带信号。如图1所示，传感器必须与试件接触，才能获得较高的灵敏度；或者利用空气超声传感器接近试件表面（距离试件不超过5mm）接收激光超声信号，一但距离加大，接收信号的灵敏度衰减甚快。图1 激光激励产生超声波 图2 激光超声波可视化检测仪可视化技术是图形学的新领域，它运用图形学和图像处理技术，将计算机中的数据及计算结果转化成图像，呈现在计算机屏幕上，用图像直观地表达抽象数据所蕴含的内容，从而使人们加深对数据的理解和利用，更好地分析和洞察内在联系，可视一些以前不能被看见的奥秘。激光超声波可视化检测仪是将激光超声检测技术与可视化技术相结合，采用脉冲激光扫描产生超声波信号，通过对接收信号进行高度同步处理来实现超声波传播过程可视化，进而实现“一目了然”地发现工件的内部损伤。在检测时，用脉冲激光照射物体表面，由局部瞬间热膨胀而产生超声波并在该物体内部传播，当它到达异常部位时返回到物体表面的反射波被观察到。以此，可实时观察到物体构造及物理性能的变化对超声信号的影响，也可动态地观察超声波在物体中的实际传播过程，从而直观地检测出物体内部的损伤。激光超声波可视化检测仪如图2所示。2.可视化检测实例2.1薄板检测图3为检测样件照片。如图4样件尺寸为300150t2mm的薄铝板，铝板中间部位制作一个人工缺陷，缺陷长度8mm、宽度0.2mm、深度0.2mm。将激光超声波可视化检测仪的激光发射器能量调节到15A，中心频率2MHz，且将晶片尺寸为55mm的表面波传感器置于该薄板的背面。用激光对于薄板进行正面扫描，同时位于背面的传感器接收激光所产生的超声信号。将人工缺陷置于激光扫描范围之内，且位于背面（图中红色标记为缺陷位置）。设置好检测条件，对其进行检测。图5表示各扫描点的信号波形最大值的空间分布，从该图可看出超声波在传播时的强度分布。图6是波形处理前传播图像，图像由原始接收波形重建而成，反应了超声波在薄板传播时各扫描点处的振动随时间的变化状态。在t=30s，出现与前进波反方向的回波。图7是将图6中的超声波传播图像经单方向同步差分处理（前进波消除）后的不同时刻传播图像。该方法将具有干扰的前进波消除，从而提高了缺陷回波的相对强度，使得缺陷回波更加清晰。图7中箭头所指出的回波为缺陷产生的回波，由此可知缺陷的位置所在。2.2两薄板间点焊检测图8所示，检测样件是厚度为5mm的薄铝板与0.1mm薄铝板经点焊粘接而成。用激光扫描的方式对中间部位的三个点焊区域进行可视化检测。结合最大振幅图及波形传播图像可看出点焊焊接的情况。用这种方法可以对点焊焊斑大小、形状及质量进行初步评价。2.3 复杂形状检测图11是汽车变速箱，为一次性铸成的复杂形状样件。采用激光扫描的方式对其内部进行可视化检测。从超声波传播的动态图像（图12及13）上可看到用红色箭头所标示的位置即损伤所在。3.结论激光超声波可视化检测仪不仅能够用于金属薄板焊接、 复杂形状样件等的无损检测，而且适用于非金属材料、金属与非金属结合材料的检测与评估。它还可用于高温、剧毒等特殊环境下的检测。它解决了许多用传统超声波检测方法无法解决的难题，为无损检测领域提供了崭新的检测手段。目前，该仪器及其检测技术在国内外的重点领域、研究机构和大型企业已发挥其作用。随着激光超声技术的不断发展，该仪器及其检测方法将不断地改进和完善。在不久的将来，它会在航空航天、石油化工、核电、铁路、汽车等众多领域彰显出更大的威力。参考文献：1孟振庭.激光超声的热弹机理研究J.西安交通大学学报,2002 ,36 (5) :548 - 550.2张晓春.激光超声技术及其应用J.大学物理,1998,17(2):40 - 42.3R Earnshaw，N wiseman. An Introduction auide to Scientific VisualizationSpringer-Verlag，1992.4王小同，杜芳等可视化仿真及其应用综述计算机工程,1998，24(8)5 Junji Takatsubo, Bo Wang, et al. Generation Laser Scanning Method for the Visualization of Ultrasounds Propagating on a 3-D Object with an Arbitrary ShapeJ.Journal of Solid Mechanics and Materials Engineering, 2007, 12: 1405-1411.6王波，高坪纯治.激光超声波可视化检测仪使用说明书M.筑波：日本筑波科技株式会社，2010.激光超声检测技术1前言激光可以实现非接触式的高灵敏度测量,但不能通过非透明材料的内部,而超声波的检测方法可以实现内部质量的检测,因此,用激光激发超声波使之通过被检测试件的内部,再用激光技术来接收这种超声波的信号,把两者结合起来,发展出一种新的检测方法-激光超声检测方法,解决常规超声检测难以解决的问题。与常规超声检测方法比较,激光超声技术具有下列优点:激光超声不需要耦合剂,避免了耦合剂对测量范围和精度的影响;激光超声可实现远距离操作,可用于高温环境及腐蚀性强、有放射性等恶劣条件,并可以实现快速扫描,对生产现场快速运动的工件的在线检测;激光超声的盲区小于100m,可用于测量薄工件。激光超声的频率带宽较常规的换能器宽,具有测量微小缺陷裂纹的能力;激光超声可用于表面几何形状复杂及受限制的空间,如焊缝根部小直径管道等;空间分辨率高,有利于缺陷的精确定位及尺寸量度,并可作为声源应用于理论研究。早期受到激光器件与相关学科发展的影响,激光超声自20世纪70年代提出到80年代中期成为热点之后,尚未达到人们预想的应用效果。20世纪末21世纪初,随着激光、电子、计算机和相关学科的发展,经过近10来年的技术积累,激光超声已经从方法探索步入技术研究与开发应用阶段,特别是国外一些新型的航空装备上已经开始采用这一检测新技术。我国则错过了这一个关键时期的技术积累。2激光超声检测的原理激光超声是利用高能量的激光脉冲与物质表面的瞬时热作用,在固体表面产生热特性区,然后利用这种小热层在材料内部向四周热膨胀扩散产生热应力,从而通过这种热应力产生超声波。激光作用在材料上产生两个热特性区:灼烧区、热弹区。2.1灼烧区如图1所示,在高的能量作用下,物体的温度升高超过了其蒸发温度,原子以高速离开物体表面,产生一个动量,这种产生超声的模式称为热蚀效应。2.2热弹区如图2所示,当激光器的能量不足在表面上形成腐蚀现象时,在固体表面产生热特性区,从而在物体内部产生应力波即超声波,较低的吸收率下,表面吸收的热量没有超过其融化温度,产生源是一个短暂的膨胀过程,与这个膨胀相关的压力波绝大部分低于弹性范围内,这种模式称为热弹效应。通常所说的激光超声指的是热弹区,由于用于激励的脉冲激光器与被检测物体表面之间不需要任何机械连接和接触,因此,这种方法具有很好的工程应用潜力和前景。当采用光学方法接收激光束在被检测材料中产生的超声波时,这种方法可以完全实现非接触的超声检测。3激光超声检测技术3.1激励用激光器激光超声系统是一个集光、机、电、算的复杂的检测系统,主要由两部分组成,即超声波的产生与接收。产生超声波的激光器目前主要有a)Nd:YAG激光器1,该激光器产生的激光波长是1064nm,激光器的能量为300mJ,发出的激光光斑直径是65mm,该激光器激励出的超声波的脉宽是5ns;b)CO2激光器2,该激光器的光脉冲持续时间为70ns,根据制造需要,CO2激光束的形状是长方形的,光斑直径大约5mm左右; c)XeCL(308nm)激光器3,激励出的脉宽是40ns,XeCL激光器与CO2激光器有相似的光束形状,光斑直径大约是3mm。在对碳纤维树脂基复合材料检测时,复合材料对这几种波长的激光器有不同的吸收特性和烧蚀阈值3,选用Nd:YAG激光器比较常见。3.2光学接收技术非接触的超声波接收技术较多,常用的方法有电磁声换能器(EMAT),电容换能器(MSAT)及空气换能器等,但是这些非接触光学探测方法的应用除了各自的局限性(如EMAT要求被检测样品为导体;ES2AT要求样品表面抛光;空气换能器带宽较窄等)之外,其共同的特点是虽然是非接触式的,但相隔距离不能很远(几毫米到几十个毫米),探测灵敏度随样品及换能器间的距离增大而降低。要真正实现远距离的非接触式检测只能采用光学检测技术。非干涉的刀口技术要求样品表面非常光洁,难以用于粗糙表面。所以要想实现远距离的检测,常用光学干涉技术,常用下面两种干涉方法来实现超声波的接收:3.2.1光外差技术光外差方法通常用的是迈克逊干涉仪,探测的表面是镜面,图3是外差干涉仪的原理图。光外差方法对频率的响应受探测器截止频率影响,因此大于探测器截止频率的超声振动应该有补偿措施,用一个机电反馈回路来实现这种补偿效果。外差干涉法对表面的位移敏感,但是却无法消除工业现场各种振动对探测的干扰,此外,这种方法对光点的尺寸大小有非常苛刻的限制,只有光点尺寸达到一个散斑大小时才能达到最佳的检测效果,因此光外差方法只能用于实验室条件下光滑表面的超声振动的检测,在外现场检测中常用的是速度干涉仪。3.2.2速度干涉仪速度干涉仪也叫作时间延迟干涉仪,它是基于多普勒频移原理而应用的一种光学检测方法,如图4所示。当激光照射在振动物体表面时,根据多普勒频移的原理,发射或散射光的频率发生了变化,变化的频率里加载了超声波的振动频率,干涉仪把频率的变化转变成光的强度的变化,经过一系列的处理手段,转变成电信号在示波器上显示出来,分析信号的特征就可以得到对被检测试件内部的情况。速度干涉仪对检测物体表面的速度特别敏感,对微振动有较好的检测能力。这种干涉仪有双光束干涉和多光束干涉,用的较多的是共焦的多光束干涉仪,也就是F-P干涉仪,它有突出的优于其他干涉仪的特点4,图5所示是光线在干涉仪的传播路线及输出信号的光强与频率的关系。采用图6所示的工作系统5,用一个调Q Nd:YAG激光器,打在被检测的试件上面,用一个He-Ne激光器在试样另一面来接收产生的超声波,信号检测取决于携带超声的激光束频率的频移,利用多光束干涉的特点,频率的变化转变成输出光强的变化,从而实现光学方法的超声检测。L1 L3透镜的焦距分别是2cm、-5cm、5.5cm;BS:分光镜;PBS:偏振分光镜;G1:电子放大器; QW:1/4波片;PD1、PD2:灵敏光电二极管。4在航空工业中的应用由于激光超声检测技术有突出的优点,常用于复杂的几何形状如:楔形结构、拐角结构、V型结构、T型结构、蜂窝夹层结构等,国外在航空工业及其他领域都有较好的应用效果。a)高温大曲面的复合材料平板的检测6图7是激光超声检测曲面复合材料平板的原理图。被检测材料的表面温度是1400,厚2.24mm,大小254mm254mm,生成C-Scan扫描图像,可以直观分析内部的缺陷,用这种方法使曲面物体的检测变得容易得多。b)复合材料构件涂层的监测和控制系统6。能够对涂层的变化进行监测,及时发现影响飞行的一些变化,使事故防范于未然(图8)。c)用于环氧树脂机身平板、机舱平板、方向舵、尾翼7等其他飞机结构件的检测(图9)。此外在其他领域也有广泛的应用:可以对产品的生产过程进行监控,如利用激光脉冲的时间间隔可以在线对钢管的厚度进行测量7,这样可以明显提高生产速度,提高钢材的产量;还可以对材料的弹性应力进行在线测量8,便于监控产品的质量和性能,降低生产成本。目前在我国这项技术还处于试验室研究阶段,在工业生产方面还没有大规模的投入使用。摘自：中国计量测控网.