现代设备管理论文

南京理工大学泰州科技学院

现代设备管理

课程论文

学生姓名：胡友林学号：1101020133 专业：11工业工程

论文题目:光电检测技术在无损探伤中的应用

指导教师:周建中

教师评价：

论文选题符合工业工程专业课程考核要求，具有一定的理论意义和实用价值,作者阅读较广泛,参考文献较充

足。很好□较好□一般□尚可□差□

论文观点正确，结构较合理，层次较清晰，逻辑性强，论述较全面，工作量较充实，结论具有一定的现实指导

意义。很好□较好□一般□尚可□差□

该生平时学习较认真，善于思考，到课率高，不迟到早退。文章语言表达较好，格式符合规范要求，体现了较

好的学风。很好□较好□一般□尚可□差□

签名：

20 年月

目录

1 引言 (1)

2 光电检测技术简介 (2)

3 光电检测技术与无损检测 (2)

3.1 光电检测技术原理 (2)

3.2 光电检测技术的现状 (3)

3.3 无损检测技术概述 (4)

3.4 光电检测技术的发展趋势 (5)

4 红外成像无损检测技术 (6)

4.1 红外成像原理 (6)

4.2 焊接缺陷的检测 (7)

5 机器视觉技术与无损检测 (8)

5.1 机器视觉技术概述 (8)

5.2 机器视觉技术在钢板缺陷监测中的应用 (9)

6 X射线无损检测 (10)

6.1 X射线检测原理 (10)

6.2 X射线检测在铸件缺陷检测中的应用 (11)

7 激光超声检测 (12)

7.1 激光超声检测的原理 (12)

7.1.1 灼烧区 (13)

7.1.2 热弹区 (13)

7.2 激光超声检测技术 (14)

7.2.1 激励用激光器 (14)

7.2.2 光学接受技术 (14)

结束语 (17)

参考文献 (18)

1 引言

无损检测技术（Non-destructive testing），是利用声、光、磁和电等特性，在不损害或不影响被检对象使用性能的前提下，检测被检对象中是否存在缺陷或不均匀性，并给出缺陷的大小、位置、性质和数量的所有技术手段的总称。由于并不影响被检对象的使用性能，无损检测技术在这些年得到了飞速的发展。光电检测技术是光电信息技术的主要技术之一它是以激光红外光纤等现代光电子器件作为基础通过对被检测物体的光辐射经光电检测器接受光辐射并转换为电信号，再经过后续的处理，获取有用信息的技术。光电检测技术与无损检测技术的结合，可以取两者的优点，得到越来越广泛的应用，在本文中将对常用的基于光电技术的无损检测技术进行概述。主要论述红外检测技术、机器视觉检测技术、X射线检测技术等几种无损检测技术。对他们的原理和适用范围都做了详细的论述，并举例说明了每一种技术在实际生活中的应用。

关键词：光电检测，无损检测，红外成像，机器视觉，X射线检测

2 光电检测技术简介

随着现代科学技术以及复杂自动控制系统和信息处理与技术的提高，光电检测技术作为一门研究光与物质相互作用发展起来的新兴学科，已成为现代信息科学的一个极为重要的组成部分。光电检测技术具测量精度高、速度快、非接触、频宽与信息容量极大、信息效率极高、以及自动化程度高等突出特点，令其发展十分迅速，并推动着信息科学技术的发展。它将光学技术与现代电子技术相结合，广泛应用于工业、农业、家庭、医学、军事和空间科学技术等领域。

无损检测技术是随着高科技发展应运而生的一门新技术,该技术不同于传统的物理化学分析方法，它主要运用物理学方法如光学、电学和声学等手段对产品进行分析，且不破坏样品，在获取了样品信息时保证了样品的完整性，无损检测技术检测速度较传统的物理化学方法迅速，又能有效地判断出从外观无法得出的样品内部品质信息。随着计算机技术的迅速发展，带动了化学计量学的发展，极大地促进了无损检测技术在工农业生产中的广泛应用。

光电检测技术也是一种非接触的检测技术，它的实施过程也不会对样品造成伤害，能够很好的获取样品的信息，所以说它也是一种无损检测技术。光电检测技术在机器零部件的探伤方面得到了广泛的应用，在机械零部件的无损检测中常用的光电检测技术有红外成像技术、机器视觉技术和X射线无损检测技术，在本文中将对这几种技术以及他们在无损检测中的应用作详细的介绍。

3 光电检测技术与无损检测

3.1 光电检测技术原理

光电检测技术是光电信息技术的主要技术之一，它是以激光、红外、光纤等现代光电子器件作为基础，通过对被检测物体的光辐射，经光电检测器接受光辐射并转换为电信号，由输入电路、放大滤波等检测电路提取有用信息，再经模/数转换接口输入计算机运算处理，最后显示输出所需要的检测物理量等参数，其工作原理如图3.1所示。

图3.1 光电检测系统工作原理

光电检测技术主要包括光电变换技术、光信息获取与光测量技术以及测量信息的光电处理技术等。主要有如下特点：

1.精度高。激光干涉法测量长度的精度可达0.05um/m；用激光测距法测量地球与月球之间距离的分辨力可以达到1m。

2.高速度。光电检测技术以光为媒介，而光的传播速度非常快，无疑用光学方法获取和传递信息是最快的。

3.距离远、大量程。光是最便于远距离传输的介质，尤其适用于遥控和遥测，如光电跟踪等。

4.非接触测量。光照到被测物体上可以认为是没有测量力的，因此也无摩擦，可以实现动态测量，是各种测量方法中效率最高的。

3.2 光电检测技术的现状

随着科技发展的日新月异，光电检测技术已经发展出纳米、亚纳米高精度的光电测量新技术；小型、快速的微型光、机、电检测系统在各个领域应用越来越广泛。非接触、快速在线测量已经取代原始的接触式，较缓慢的检测技术，并向微空间三维测量技术和大空间三维测量技术方向发展；闭环控制的光电检测系统，实现光电测量与光电控制一体化。向人们无法触及的领域发展。光电跟踪与光电扫描测量技术等先进的光电检测技术的进步和广泛应用将对人们生活，工业生产甚至国防科技产生巨大影响和改革。随着光纤传感技术的飞速发展，光纤气体传感器也得到了广泛的研究和应用。它具有灵敏度高、响应速度快、防燃防爆、不受电磁干扰、可以实现光信号的长距离传输和现场实时遥测等优点，所以对光电检测方法研究的关注也一直在增加。

随着光纤光栅传感器的广泛应用，光纤光栅传感信号的检测系统也有了很大的发展。相比于传统采用单色仪、光谱仪扫描等方式来检测光纤光栅传感信号的方式，采用光电转

换方式，即把对光强信号的测量转变为对电压信号的测量方式有它的优越性，它具有检测设备制造成本低、方便携带、可以实现对实时变化信号高速检测和拥有更广的工程应用等优点。

光电检测技术在人类基因工程方面也有着广泛的发展，如利用可见光信号强弱的变化检测DNA杂交信号。这种新型的DNA光电检测系统同样是由兼容探针DNA自组装的硅集成电路构成。而在该系统中目标DNA序列与磁珠连接，目标DNA序列与探针DNA分子杂交后，磁珠就会覆盖在载体表面形成暗区。而载体下方的光电二极管阵列此时便可以检测出DNA杂交反应前后的光信号变化，输出DNA杂交信号。

新型抗干扰式光电检测头通过优化红外发射管工作参数和采用脉冲选通门控检波电路，有效地抑制了电气干扰噪声，提高了检测头的抗干扰性能和工作可靠性。实验数据表明了其有效性。同时，该种光电检测头已经在多个大型机电设备制造厂家应用，工厂实际应用结果表明：新型的光电检测头误动作率不到老产品的千分之一，抗电气干扰能力显著提高，具备了工业级的高可靠性能。

3.3 无损检测技术概述

无损检测NDT（Non-destructive testing），就是利用声、光、磁和电等特性，在不损害或不影响被检对象使用性能的前提下，检测被检对象中是否在缺陷或不均匀性，给出缺陷的大小、位置、性质和数量的所有技术手段的总称。NDT是指对材料或工件实施一种不损害信息，进而判定被检对象所处技术状态，如合格与否、剩余寿命等或不影响其未来使用性能或用途的检测手段。

通过使用NDT，能发现材料或工件内部和表面所存在的缺陷，能测量工件的几何特征和尺寸，能测量材料或工件的内部组成、结构、物理性能和状态等。无损检测方法可以分为常规无损检测方法和非常规无损检测方法。常规无损检测方法有超声检测Ultrasonic Testing，射线检测 Radiographic Testing，磁粉检测 Magnetic particle Testing，渗透检测 Penetrate Testing，涡流检测 Eddy current Testing；非常规无损检测技术有声发射 Acoustic Emission，泄露检测 Leak Testing，光全息照相 Optical Holography，红外热成像，微波检测 Microwave Testing。

随着这些年的飞速发展，无损检测技术逐渐由定性检测向定量检测方向发展，在检测过程中，不仅要探测出缺陷的有无及位置，还要测定出缺陷的类型、尺寸、形状和取向。

通过上面的分析，可以发现光电检测技术和无损检测技术的本质都是通过传感器获取物件的状态信息。通过传感器检测到的电信号，经过后续的处理，从而得到物件的状态信

息，确定物件的运行状态。从这个层面上判断，二者应该有很大的交集，事实也是这样的，光电检测技术在无损检测领域得到了广泛的应用，主要包括红外成像技术、机器视觉技术和X射线等技术。

3.4 光电检测技术的发展趋势

随着世界各国的激烈竞争正以日新月异的速度突飞猛进及科研技术的提高，检测技术在国民经济的各个行业中，起着举足轻重的作用，无论科学研究、产品质量及自动控制都需要检测，利用现代光电子技术作为检测手段，具有无接触、无损、远距离、抗干扰能力强、受环境影响小、检测速度快、测量精度高等优越性，是当今检测技术发展的主要方向。光电检测技术将向着高精度、智能化、数字化、多元化、微型化、自动化方向发展。所谓高精度是指检测精度向高精度方向发展，纳米、亚纳米高精度的光电测量新技术是今后的发展热点；智能化是指检测系统向智能化方向发展，如光电跟踪与光电扫描测量技术；数字化是指检测结果向数字化，实现光电测量与光电控制一体化方向发展；多元化是指光电检测仪器的检测功能向综合性、多参数、多维测量等多元化方向发展，并向人们无法触及的领域发展，如微空间三维测量技术和大空间三维测量技术；微型化是指光电检测仪器所用电子元件及电路向集成化方向发展；微型化是指光电检测系统朝着小型、快速的微型光、机、电检测系统发展；自动化是指检测技术向自动化，非接触、快速在线测量方向发展，检测状态向动态测量方向发展。

以激光器为基础的光电检测系统已经成为最主要的发展方向。随着精密度和功能特性的提高, 它将不断取代那些昂贵且复杂的检测方案。由于激光技术的不断提高和成本的稳定下降, 可以肯定, 激光光电检测技术将日益成为光电用户的首选方案。激光超声检测技术是光电检测技术的另一重要的发展方向。这一技术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。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100微米，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。

智能光电检测系统也成为了另一个很重要的发展方向。智能光电检测系统由智能信号

处理系统、光电传感系统、测控系统、输出系统和接口单元等组成。它以智能信号处理系统为核心，集成了光学采集、光学变换、光电转换、电路调理、外围接口及信息输出等技术，可以实现光信息采集、光电信号转换、信号探测、逻辑运算与推理、记忆存储及信息传输等功能，并自动完成自检自校和自我诊断与调整等功能。智能光电检测系统由于环境适应能力强，测量范围广，测量精确度高，尤其是强化了人工智能系统，可以自动对噪声、温度、电压波动及光源的变化进行修正，加上良好的人机交互界面，大大简化了操作程序，提高了数值处理和分析的效率。

4 红外成像无损检测技术

4.1 红外成像原理

红外线是介于可见光和微波之间的电磁波，它的波长范围在0.77-1000um，频率为

。图4.1表示整个电磁辐射光谱图以及红外线在光谱图中的位置。

在自然界中,任何高于绝对温度的物体都是红外辐射源，具有辐射现象。斯蒂芬-玻尔兹曼定律告诉我们，发射的红外线强度为：

其中是灰体发射系数，为斯蒂芬-玻尔兹曼常数，T是物体的绝对温度。

红外无损检测是测量通过物体的热量和热流的传递，当物体内部存在裂缝或其它缺陷时，它将改变物体的热传导，使物体表面温度分布出现差异或不均匀变化，利用这些差异或不均匀的变化图像，可直观地查出物体的缺陷位置。当然具体的热量输入方式会有多种。图4.2说明了热量在在无缺陷和有缺陷物体中的分布情况。

图4.1 电磁辐射光谱图

图4.2 热量在物体中的分布

通过图4.2可以发现，当物体中存在缺陷时，热量穿过物体的量和被物体反射的量都不再是均匀分布的，而从被测物某一点辐射的红外人射垂直和水平的光学扫描镜上，通过垂直及水平扫描镜聚集到红外线探测器上，把红外线能量信号转换成电信号，经过放大器放大及信号处理器处理。经过处理的信号反映出被测体表面温度场的分布的红外图像信号，这个红外图像可以直接反映被测物体是否存在质量缺陷等问题。

红外成像技术通常用于检测金属或非金属材料质量、探测内部缺陷，尤其是对焊接缺陷的检测，存在其他检测方法无法比拟的优点。

4.2 焊接缺陷的检测

机械设备中，有些金属结构件由于焊接等原因质量不合格，从而影响了机械强度和使用寿命，甚至酿成事故。对焊口缺陷的检测，是保证焊接质量的关键，但焊口表面起伏不平，采用射线、超声波、涡流等方法都难于发现内部的缺陷；而红外热成像技术不受物体表面形状的限制，能快速、准确地检测出焊接区的各种缺陷。具体的原理已经在前面进行了详细的论述，只是这里的热源采用的电流发热。实际的焊接区剖视图如图4.3所示，（a）焊接区无缺陷，（b）焊接区有缺陷。若将一交流电压加在焊接区的两端，在焊口上会有交流电通过，由于电流的集肤效应，靠近表面的电流会比下层大。由于电流的作用，焊口将

产生一定的热量，热量的大小正比于材料的电阻率和电流密度的平方。在没有缺陷的焊接

区内，电流分布是均匀的，各处产生的热量大致相等，焊接区的表面温度分布是均匀的。而存在缺陷的焊接区，由于缺陷的电阻很大，使这一区域损耗增加，温度升高。通过红外成像设备，可以很好的得到红外图像，从而准确地判断热点，进而断定存在的焊接缺陷。

图4.3零件焊接区剖视图

在检测焊接缺陷时通常采用交流电加热，这样做的好处是可以通过改变电源的频率来控制电流的透入深度。低频电流透入较深，对发现内部缺陷有利；高频电流集肤效应强，表面温度特性比较明显。

5 机器视觉技术与无损检测

5.1 机器视觉技术概述

机器视觉是就是用机器代替人眼来做测量和判断，它在半导体生产、汽车制造、医药包装等工业生产过程中得到了广泛应用。在机器视觉系统中，机器视觉产品将被摄取目标转换成图像信号，传输给图像处理系统，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数字化信号，图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标特征，从而得到感兴趣的目标信息。

人眼视觉系统的组成如图5.1所示。机器视觉系统与人眼视觉系统的原理相类似，也由信号采集、信号传输、信号处理等部分组成，由于机器视觉系统通常在工业中得到应用，所以在工业机器视觉系统中，通常会包含一个执行机构，可以得到常用的机器视觉系统组成如图5.2所示。

图 5.1人眼视觉系统

图5.2 机器视觉系统

机器视觉系统最重要的一个部分是图像处理与决策模块，从逻辑上可分为三阶段：图像的预处理、特征提取、模式识别和理解。图像的预处理是将由成像设备获得的低质量数字图像(反差小、模糊、变形等)经过噪声过滤、平滑处理、图像增强等处理变成易于进行特征提取等后续操作的过程。图像特征提取就是从经过底层处理的图像中提取有利于图像识别和理解的主要特征量，用有限的特征来描述原始图像中的目标, 图像的特征包括形状特征、纹理特征、结构特征、颜色特征和分形特征等。特征提取主要方法有区域分割、边缘检测和纹理分析等。

5.2 机器视觉技术在钢板缺陷监测中的应用

机器视觉技术应用于钢板表面缺陷的在线无损检测起源于80年代初。进入90 年代后，基于线阵CCD器件的机器视觉技术无疑已成为钢板表面缺陷在线检测的主流技术，其应用研究工作方兴未艾。

图5.3是一个实际的钢板表面机器视觉检测系统的结构框图，也是目前应用比较广泛的钢板缺陷检测系统，主要包括光源及图像传感器子系统、数字信号预处理子系统、缺陷自动分类子系统、图形显示子系统、质量分析数据统计与数据库管理子系统、人机接口管理子系统等。具体的实现过程中有如下特点：

1.采用标准数字CCD摄像机及照明光源部件,并在具体技术指标的选择上留有余量。目前，普遍采用像素为2 048～4 096的线阵CCD传感单元，照明光源根据具体待检钢板的表面形态，可采用高强度荧光灯、阵列钨灯或光纤光源等。

2.通过采用标准化总线结构和模块化设计技术，使系统硬件结构通用、功能灵活、运行稳定可靠、改进和升级十分方便。

3.低层视觉计算任务如平滑、增强、分割和描述等交由专用处理部件完成，目前的研究趋势是采用高速 DSP器件作为处理部件，来完成图像的简单处理。

4.人们尝试了各种基于符号系统模仿人类智能的传统人工智能方法(如机器学习)和

从生物系统底层模拟智能的方法，以解决复杂的钢板表面缺陷的自动分类和识别问题。但现有的缺陷自动分类器仅仅对某些具体的应用背景及特定类型的缺陷显示出其有效性。

图5.3 钢板表面机器视觉检测系统的结构框图

1、图像传感器

2、操作员监视器

3、数字信号预处理

4、缺陷自动分类器

5、图形显示子系统

6、系统主控模块

7、数据分析模块

8、图像管理子系统

9、人机接口部件 10、网络接口部件 11、存储数据库系统 12、质量控制计算机

总体上说，钢板表面缺陷机器视觉检测系统是一个典型的机器视觉系统，它收集钢板表面的图像信息，通过对这些图像信息进行处理，提取出这些图像中包含的具体信息，通过这些具体信息来判断钢板表面的缺陷状况，这是光电检测技术在无损检测中又一应用。

6 X射线无损检测

6.1 X射线检测原理

X射线是一种类似于光、热和无线电波的电磁辐射波，它的特点是波长短(工业X射线探伤中常用的波长范围约在0.1-0.001 nm之间)。由于辐射物质的波长越短，它穿透物质的能力也愈大，所以X射线具有极大的穿透物质的能力，正是利用这一特性进行X射线检测。

图6.1是一种常见的X射线检测系统的系统构造图，X射线照射到物件上，由于它有极强的穿透能力，所以在下方的探测器可以检测到穿过物件的X射线，通常会形成一幅图像，其图像灰度值与材料、厚度和内部结构密切相关。正是由于通过图像分析可以得到缺

陷的具体形式，从而X射线在物价的内部探伤中得到了广泛的应用。

图6.1 X射线检测

6.2 X射线检测在铸件缺陷检测中的应用

由于铸造方法具有成本低廉、一次成形以及可以制造复杂结构大型件等优点，被广泛应用于工业生产的众多领域，特别是汽车制造业。在航空航天制造业中，很多部件也是铸件。为保证产品质量及节省成本，在生产流程的早期阶段及时检测出缺陷是很必要的。无损检测由于可避免材料浪费和提高生产效率，成为铸件缺陷检测的首选方法。到目前为止，研究最多且比较有效的方法包括超声波探伤法、X射线透照法和射线层析摄影法。

随着生产规模的扩大和质量检测标准的提高，对射线检测设备及相关技术的要求也越来越高。对于 X 射线检测，新的研究重点在于不断提高X 射线图像的获取技术，以及发展现代计算机软硬件技术，以使检测过程在高速和真正完全自动化的模式下进行。

一种常用的X射线检测技术在铸件缺陷检测中的应用是X射线图像自动缺陷检测系统。该系统由四个部分组成：试件支撑系统；X射线产生装置；将X射线能量转换为电信号的传感器和图像处理器。由于X射线得到的图像的特殊性，相应的获取图像的传感器也有所不同，主要有两种：一种是基于非定晶硅或硒传感器阵列的平栅格；另一种则是基于线性二极管的阵列。

图6.2 通过X射线检测技术获取的铸件图片

通过图6.2中的图片，经过后续的图像处理，就可以得到铸件中缺陷类型、位置和大小。

X射线检测系统也是一种机器视觉系统，只是成像的方式发生了改变，不再是通过简单的光学成像来获取缺陷的图像，而是选择新的成像方式，让一些隐藏在物件内部的缺陷也暴露出来。

7 激光超声检测

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100微米，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。

7.1 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。

7.1.1 灼烧区

图7.1 大功率激光器产生的超声波

如图7.1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。

7.1.2 热弹区

图7.2 小功率激光器产生的超声波

如图7.2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。

7.2 激光超声检测技术

7.2.1 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，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6.5mm，该激光器激

激光器，该激光器的光脉冲持续时间为70ns，根据制造励出的超声波的脉宽是5ns；b）CO

2

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，激励出的脉宽是40ns，XeCL激光器与CO

激光器有相似的光束形状，光斑直径大约是3mm。

2

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，选用Nd：YAG激光器比较常见。

7.2.2 光学接受技术

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；ESAT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：（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7.3是外差干涉仪的原理图。

图7.3 外差干涉仪示意图

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。

（2）速度干涉仪

速度干涉仪也叫做时间延迟干涉仪，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7.4所示。

图7.4 激光接收系统原理图

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。

图7.5 工作原理及输出信号的光强与光频率的关系

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，图7.5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。

图7.6 产生和接收超声的试验装置图

采用图7.6所示的工作系统，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，信号的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。

结束语

在本文中简单介绍了光电检测技术在机械零部件无损检测中的应用，包括红外成像技术、机器视觉技术、X射线无损检测技术和激光超声检测技术。四者之间有很多的相似之处，比如四种方法都是获取被检样品的“图像”，通过对获得的图像进行处理分析，获取图像中包含的信息，而这些信息就是样品的缺陷信息，四者用到的图像处理技术有许多的相似之处。

X射线检测技术主要是获取部件的内部缺陷，机器视觉技术更多的是获取物品的表面的缺陷情形，而红外成像技术不仅可以获取内部缺陷，也可以获取表面缺陷。四者之间的获取图像的方式有一些区别，X射线是通过射线的穿透能力的高低来获取图像，机器视觉技术通过光传感器来获取物件的光特性，红外成像技术通过物件的红外辐射特性来获取图像。

正是由于光电检测技术具有非接触性、高精度、高速度等特点，所以在现代无损检测技术中得到广泛的应用，而且应用范围在逐渐扩大。

参考文献

[1]郭陪源等.光电检测技术与应用[M].北京航空航天大学,2006.

[2]钟丽云.光电检测技术的发展与应用[J].激光杂志,2000.

[3]周金龙.新型光纤光栅技术及其在光通信与光纤传感方面应用的研究[D].厦门大

学,200.

[4]王诣等. 新型光电检测电路的研究与设计[J].光电子技术，2012，32(2)：131–136.

[5]朱仁盛，曲波.光电传感器及其应用[J].电气时代，2010(4)：111–113.

[6]李志全等.光纤光栅传感系统信号解调技术的研究[J].应用光学,2005,26(4):36-41.

[7]冯梦云,黄霞青.基于智能光电检测的电路设计[J].科协论坛，2012,(7)

[8]李菲,许近.一种新型DNA自组装磁珠光电检测系统及其在DNA计算机研制中的应用[J].计算机学报.2013,36(9)

[9]杜丽婷，刘松平.激光超声检测技术[J].无损探伤.2011.35(5):1-4.

[10]杨立峰，王亚非.激光在超声检测中的应用[J].激光与光电子学进

展.2006.43(2):29-32.

[11]孙丽娜,原培新.X射线安检设备中探测技术研究[J].中国测试技

术,2006,32(3):20-23.