2011激光超声检测技术解析
激光超声检测技术
脉冲激光照射到样品的表面上所产生的超声应力能引起样品光折射率的微 小改变， 这种微小改变又能引起样品镜式或弥散式反射率的变化，通过检测这种 变化，即可得到脉冲激光在薄膜中产生的超声回波。 1.2 干涉检测技术 根据是否使用非线性晶体， 干涉检测技术又可分为线性干涉检测技术和非线 性干涉检测技术。 1.2.1 线性干涉检测技术
i (t ) {ES cos(2f S t S ) E R cos(2f R t R )}2
1 2 1 2 1 1 ES E R ES cos(4f S t 2S ) E R cos(4f R t 2R ) 2 2 2 2
ES E R cos[2 ( f S f R )t R S ] ES E R cos(2f B t )
：
i (t ) k1ES E R (1 cos ) cos[ wt (S R )]
sin
D
2 2
D
（1.16） 式中， k1 为比例系数， 为光电探测器光量子效率， D 为光敏面的直径，
2 sin / 。
当光电器件的量子噪声很小时，可以只考虑参考光的散粒噪声，光外差系统 的 信 噪 比 为
激光超声检测技术
目前，激光超声的接收主要有传感器检测和光学法检测两类。 传感器检测 包括压电陶瓷换能器检测，电磁声换能器检测，电容声换能器检测。这些检测方 法,可以十分简便地接收到激光超声信号，但传感器必须与样品接触，或者非常 接近样品表面， 才能获得高的检测灵敏度。并且超声检测用压电换能器接收超声 信号这种方法需要用耦合剂，对被测样品会产生影响。 利用光学方法探测材料表面的超声振动是一种新型的无损检测手段，该方 法具有非接触、灵敏度高等特点，能够克服传统超声波检测需要耦合剂的缺点， 是真正意义上的非接触、宽带检测技术。光学法检测技术又可细分为非干涉检测 技术和干涉检测技术两种。目前广泛使用的是外插干涉仪、共焦 F - P 干涉仪 是线性干涉仪， 而相位共轭干涉仪，双波混合干涉仪以及光感生电动势干涉仪则 属于非线性光学的。 1.1 非干涉检测技术 非干涉检测技术包括刀刃检测技术，表面栅格衍射技术和反射率检测技术 等。 1.1.1 刀刃检测技术
激光超声技术及其应用
激光超声技术及其应用曾伟;杨先明;王海涛;田贵云;方凌【摘要】综述了激光超声技术的基本特点,介绍了激光超声产生机理及检测方法.概述了激光超声技术在工业无损检测技术中的应用.得出激光超声技术作为一种新兴技术,具有非接触、远距离、高时空分辨力等特点,将在工业无损检测中具有十分广泛的应用价值.【期刊名称】《无损检测》【年(卷),期】2013(035)012【总页数】4页(P49-52)【关键词】激光超声;无损检测;非接触;时空分辨力【作者】曾伟;杨先明;王海涛;田贵云;方凌【作者单位】南京航空航天大学自动化学院,南京210016;烟台富润实业有限公司,烟台264670;南京航空航天大学自动化学院,南京210016;南京航空航天大学自动化学院,南京210016;纽卡斯尔大学电子与计算机工程学院,纽卡斯尔EU1 7RU;南京航空航天大学自动化学院,南京210016【正文语种】中文【中图分类】TG115.28近年来，随着现代工业技术的飞速发展，在一些恶劣的环境中，如高温、高压、易腐蚀及放射性强的条件下，传统的无损检测方法无法完全满足检测要求，需要寻求一种更有效的无损检测方法对一些环境恶劣的工件进行检测。
激光超声技术作为一种非接触、远距离的新兴检测技术，将激光技术与超声技术进行了有机结合，与传统意义上的超声检测技术相比，激光超声技术的特点如下：（1）可实现与被检测材料表面非接触激发超声信号，因此，在材料表面无需添加任何耦合剂，避免耦合剂对检测精度的影响，同时也避免对试件表面产生各种化学污染。
（2）可实现大面积、快速扫描及超声成像等特点，能够实现在实际工业生产中对一些快速运动的试件进行在线检测的要求。
（3）可实现在一些绝缘体、陶瓷及有机材料中激发不同模式的超声波。
而传统的压电超声技术中一种换能器只能在材料表面产生一种超声信号。
（4）激光器产生激光声源，可大可小且易聚焦。
在实际检测中，可以自由选取点、线、环的激光声源。
激光超声无损检测技术讲解
➢ 常见的有光衍射技术、光偏转技术等。
➢ 发展较完善，但应用有局限性，故没有推广
光学检测法
干涉法
基于超声波在表面传播或到达表面时超声波的位移 引起光束相位或频率的改变来实现。实现这一手段 的方法和仪器主要有零差法、外差法、差分位移干 涉仪，速度或时延干涉仪等，以零差法为例：
在这种机制下可以获得大幅度的纵波和表面波， 激发效率比热弹机制高4个数量级。但由于它每次 对表面产生约0.3μm的损伤，所以只能用于某些 场合，且通常用来产生超声纵波。
烧蚀激发机理原理
技术方法
常用的检测方法有电学检测法和光学检 测法两大类：
➢ 电学检测法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）。
背景简介
内窥镜通过视频摄像头检测肉眼无法直接 观测的地方，可进行视觉定性检查和定量 测量。可用于叶片原位检测，但人工检查 效率低，不能发现材质内部缺陷。
背景简介
涡流检测灵敏度高，无需表面处理，无需 耦合剂。但对缺陷的估计困难，受集肤效 应的限制，只能用于近表面缺陷检测，对 检测位置有要求，只能用于可达部位检测。
背景简介
超声波脉冲回波法是把超声短脉冲射入物 体，如物体存在缺陷就会生产一个额外反 射回波， 从而判断缺陷及缺陷位置，但使 用中需逐点检测，费时，需要耦合剂，仅 能在可达部位使用。
背景简介
激光超声检测技术因其非接触式激发和探 测的特点，便于在高温、高压等恶劣环境 下进行，并且不受表面几何形状的限制， 因此广泛应用于无损检测和评估领域。
激光超声可视化检测技术研究及在管壁缺陷检测的应用
激光超声可视化检测技术研究及在管壁缺陷检测的应用激光超声可视化检测技术是一项应用于管道行业的新兴技术，它结合了激光和超声波技术，在管道的检测和维护中起到了重要的作用。
本文将详细介绍激光超声可视化检测技术的原理以及其在管壁缺陷检测中的应用。
激光超声可视化检测技术是通过将激光束聚焦在管道表面，利用超声波传播和反射的特性，实现对管壁缺陷的检测和分析。
激光束的聚焦能够提高超声波的能量密度，增强信号的强度和分辨率，从而更加准确地检测出管壁的缺陷。
在激光超声可视化检测技术中，激光束通过光纤传输到管道表面，并经过透镜聚焦成一个小点。
超声波发射器将超声波信号发送到激光束聚焦的位置，当超声波与管壁发生反射时，接收器将接收到的信号转换为电信号，并经过放大和滤波处理后传输给计算机进行分析和图像重建。
通过对接收到的信号进行处理和分析，可以得到管壁的缺陷位置、大小和形状等信息。
激光超声可视化检测技术在管壁缺陷检测中具有许多优势。
首先，它能够实现对管道的全面检测，包括内部和外部的缺陷。
其次，激光超声可视化检测技术能够实时监测管道的状态，及时发现和预防潜在的安全隐患。
此外，该技术具有高分辨率和高灵敏度的特点，能够精确地检测出微小的管壁缺陷，提高了管道的使用寿命和安全性。
激光超声可视化检测技术在管道行业中已经得到了广泛的应用。
它可以应用于石化、电力、煤矿等行业的管道检测和维护中，对于管道的安全运行和设备的正常工作具有重要的意义。
此外，激光超声可视化检测技术还可以应用于医学领域，用于人体组织的检测和诊断，为医学研究和临床诊断提供了新的手段。
总之，激光超声可视化检测技术是一项具有广阔应用前景的技术。
它的研究和应用将进一步提高管道的安全性和可靠性，为工业生产和人们的生活带来更多的便利和安全。
激光超声检测技术
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2 激光超声检测技术-超声波的激光激励
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热传导方程可解决给定热源的热学力学问题。采用hyperbolic热传导方程
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通过求解(3)式可得到温度T的分布
由于吸收光能产生的温度升高，引起的体积膨胀
电磁声换能器（EMAT）并配上适当的冷却系统，可以实现高温下的非接触式检测。 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。
工业CT技术作为一种无损检测手段具有很多优点，美国IDM公司曾采用工业CT技术 （辐射源为3个50的）实现对每秒数米延伸速度的热轧钢管作在线检测、监控。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。
（2）完整的检测系统复杂，体积庞大，造价也比传统压电传感系统昂贵。
（3）由于使用高能激光，因而工作场地需采取严格的激光防护措施。
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1 激光超声检测技术-基本原理
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传统的超声检测技术绝大多数耦合剂的使用温度都在100°C以下。常用的超声换能介 质PZT，其工作温度一般不能高于300°C，即使换成其它高温材料，如铌酸锂，工作 温度也不会超过700°C。
采用一定的空间结构光，利用CCD摄像机对摄取的工件图像进行处理，可对一些三维 尺寸作在线检测，该法已被证明经济方便且有效，缺点是摄像法无法测量像管子壁厚 这样的一些量，也无法检测工件的各种缺陷。
激光超声是对传统超声检测技术的一大发展，它利用高能激光脉冲来激发超声并用激 光来检测超声，具有非接触、可远距离探测等许多优点，尤其适合于一些恶劣环境场 合，比如存在高温、具有腐蚀性、辐射性以及被检件具有较快的运动速度等一些条件 下的使用 。
激光超声检测技术[1]
![激光超声检测技术[1]](https://img.taocdn.com/s3/m/82f2c4795acfa1c7aa00ccc6.png)
第35卷第5期2011年10月无损探伤N D TV ol.35N o.5Octo ber.2011综 述激光超声检测技术杜丽婷 刘松平(北京航空制造工程研究所101室,北京 100024)摘 要:激光超声检测技术是用激光激励出声波,它是基于多普勒效应的原理用光学方法接收产生的超声波的一种新型的无损检测方法,本文介绍了激光超声检测技术的特点、工作原理及其应用。
关键词:激光超声;激励;多普勒频移;F-P干涉仪中图分类号:TG115.28 文献标志码:A 文章编号:1671-4423(2011)05-01-04LASER ULTRASOUND TESTING TECHNOLOGYDu Liting Liu Songping(Beijing Aer onautical M anufacturing Technolog y research Institute101,100024) Abstract:Laser gener ation ultr asound is a new testing technique.It g enerates ultraso und by the laser, and using the light to receive the ultr asound by the Doppler theory.The paper dem onstrates the character-istic,thory and application of the technique.Keyword:Laser ultraso und;Excitated;Do ppler;F-P intermenery1 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。
南京理工大学科技成果——激光超声检测仪
南京理工大学科技成果——激光超声检测仪
成果简介：
工业产品和机械设备中经常使用各种金属、复合材料和焊接结构的部件，如何对这类材料和装备内部是否存在缺陷进行无损检测一直是困扰企业的问题。
相对于其它无损检测技术，由于超声波能有效地在这些材料和结构中传输，因此超声检测在复合材料和焊接结构的无损检测中得到广泛应用。
激光超声是在传统超声检测技术上的进一步发展，它利用高能激光束与被检测物体表面相互作用，在材料中激励产生宽频带超声波，并采用光学方法检测，具有非接触、可远距离探测等许多优点，尤其适合于一些恶劣环境场合，适合在高温、具有腐蚀性、辐射性以及被检件具有较快的运动速度等恶劣环境下使用。
而且激励光束与被检测物体表面无需保持严格的垂直等固定的角度关系，亦不需要复杂的扫查机构，因此，激光超声特别容易实现快速自动化扫描检测。
这一技术既具有超声检测缺陷定量定性准确、又具有非接触的特点，能实现构件的准确快速的无损检测。
项目水平：国内领先
成熟程度：样机
合作方式：合作开发、专利许可、技术转让、技术入股。
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3 激光超声检测技术-超声波的光学探测
1 超声波信息在光束上的编码 为采取光学方法探测超声波，就须用一束光作用在波传播方向， 一般采用激光束作为光源，这是由于激光可提供单色、线性极化、 平等光束等优点，其电场方程如下式
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2 激光超声检测技术-超声波的激光激励
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瑞利波的产生(点光源)
热弹性线源产生的单方向 瑞利波表面法向位移
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2 激光超声检测技术-超声波的激光激励
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在一个薄铝板上产生的热弹性Lamb波，表面 法向位移距热源不同距离上测的
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2 激光超声检测技术-超声波的激光激励
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超声波的激光产生 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，直接式利 用激光与被测物质的直接作用，通过热弹效应或烧蚀作用激发出超声波， 间接式则要利用被测材料周围的其它物质作为中介。 1 激励机理
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2 激光超声检测技术-超声波的激光激励
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热传导方程可解决给定热源的热学力学问题。采用hyperbolic热传导方程
k 2T T 2 C k T q 2 2 t Cth t
通过求解(3)式可得到温度T的分布 由于吸收光能产生的温度升高，引起的体积膨胀
产生窄带表面波的激光超声系统
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2 激光超声检测技术-超声波的激光激励
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热传导方程可解决给定热源的热学力学问题。采用hyperbolic热传导方程
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通过求解(3)式可得到温度T的分布 由于吸收光能产生的温度升高，引起的体积膨胀
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激光超声检测技术-特点
缺点
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（1）灵敏度低 尽管激光激励的超声波振幅与一般宽带压电换能器所激发的相当， 或者略小一些，但激光干涉仪的接收灵敏度要比传统的超声检测系统差许多。在超声 频率范围内，典型的压电传感器的探测极限在0.01pm到lpm之间。对多数实验室使用 的干涉仪，在理想条件（防震，试件表面抛光）和带宽10MHz情况下，一般最小可测 位移在100pm左右。 （2）完整的检测系统复杂，体积庞大，造价也比传统压电传感系统昂贵。 （3）由于使用高能激光，因而工作场地需采取严格的激光防护措施。
I ( x1 , x2 , x3 , t ) I 0 ( x1 , x2 , t )e
材料吸收光能在材料表面引起的热能分布
rx3
对金属，一般采用表面波模型；对其他材料采用体波模型。
q( x1 , x2 , x3 ) q0 ( x1 , x2 , t )e x3
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激光超声检测技术
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1 激光超声检测基本原理 2 超声波的激光激励 2.1 激励机理 2.2 热弹效应激励的超声波 体波激励的指向性、瑞利波的激励、Lamb波的激励、 多层介质中导波的激励、阵列激励 源 2.3 用于激励超声波的不同类型的激光 3 超声波的声学探测 3.1 光束上超声波信息的编码 强度调制、相位或频率调制 3.2 光学干涉仪 4 应用 4.1 激光超声缺陷检测 体波的激光超声缺陷成像、表面波的激光超声缺陷成像、Lamb的激光超声缺陷全显成像、 表面开口缺陷的扫描激光成像 4.2 激光超声过程监测 4.3 激光超声材料表征 薄膜的机械性能表征、材料各向异性表征
图1 激光超声的产生(a)热弹性机理(b)烧蚀机理
http://www.hust,edu,cn62来自激光超声检测技术-超声波的激光激励
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2 热弹性激励超声波 为简单起见，假设构件是均匀、各向同性介质，热弹性激励包括以下 三个步骤：(1)电磁能量被介质吸收。(2)热源的发散。(3)体积膨胀引起 的动力学问题，并且假设能量吸收、温度升高和机械变形各自独立， 互不关联。 光能被吸收取决于激光波长和材料特性，当光垂直入射到构 件表面时，光强随深度的变化
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1 激光超声检测技术-基本原理
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传统的超声检测技术绝大多数耦合剂的使用温度都在100°C以下。常用的超声换能介 质PZT，其工作温度一般不能高于300°C，即使换成其它高温材料，如铌酸锂，工作 温度也不会超过700°C。 电磁声换能器（EMAT）并配上适当的冷却系统，可以实现高温下的非接触式检测。 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。 工业CT技术作为一种无损检测手段具有很多优点，美国IDM公司曾采用工业CT技术 （辐射源为3个50的）实现对每秒数米延伸速度的热轧钢管作在线检测、监控。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。 采用一定的空间结构光，利用CCD摄像机对摄取的工件图像进行处理，可对一些三维 尺寸作在线检测，该法已被证明经济方便且有效，缺点是摄像法无法测量像管子壁厚 这样的一些量，也无法检测工件的各种缺陷。 激光超声是对传统超声检测技术的一大发展，它利用高能激光脉冲来激发超声并用激 光来检测超声，具有非接触、可远距离探测等许多优点，尤其适合于一些恶劣环境场 合，比如存在高温、具有腐蚀性、辐射性以及被检件具有较快的运动速度等一些条件 下的使用 。
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激光超声检测技术-特点
优点
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（1）非接触 避免了传统超声法中由于耦合层的变化而带来的对信号的各种干扰 以及由于耦合剂的使用而对一些材料的污染，同时也使得快速超声扫描成像的实现 变得更容易。另外激光探测法还可使被测超声波场不受任何干扰，这一特性对于其 它传感器的校准十分有利。 （2）能远距工作 远距操作可免去很多对传感系统的冷却要求，大大减少系统复 杂性，另外激光束可通过一玻璃窗口导入特定的密闭空间，因而激光超声可方便地 用于存在核辐射、强腐蚀性以及化学反应等这样一些恶劣的环境条件下。 （3）频带宽 在大多数金属中利用几十纳秒的短光脉冲所产生的超声脉冲宽度与 激励光脉冲宽度十分相近，利用超短的超声脉冲和宽带的超声传感器，可以更精确 地测量超声脉冲的渡越时间，该特性对于薄膜材料的定量分析及基于超声衍射方法 的缺陷检测技术尤其重要。 （4）高空间分辨率 这是指探测激光束可被聚成非常小的点，从理论上说，光点的 极限大小受光波衍射限制，因而对于常用的激光系统来说，可实现仅数微米的最高 空间分辨率。
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2 激光超声检测技术-超声波的激光激励
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超声波的激光产生 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，直接式利 用激光与被测物质的直接作用，通过热弹效应或烧蚀作用激发出超声波， 间接式则要利用被测材料周围的其它物质作为中介。 1 激励机理
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1 激光超声检测技术-基本原理
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激光超声主要利用激光作用在被测构件上，通过电离式作用或快速热膨胀引起 构件局部受力变形，进而在构件激发出声波，并且利用光学传感器束探测该声 波的变化。因此，该方法提供的是一种非接触的检测方法。
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