【正文】 善傳統(tǒng)的干涉光路系統(tǒng)，設計出了檢測微弱振動信號的新型線偏振光外差干涉系統(tǒng)。該系統(tǒng)用壓電超聲代替激光超聲作為微弱振動信號源，實驗得到了較好的外差干涉信號，并得到了與壓電探頭振動激勵信號一致的探測信號，而且結構簡單，成本較低。 雖然超聲技術已獲得極大成功，但在應用過程中傳統(tǒng)超聲技術還是暴露出許多不足之處。 國內外發(fā)展狀況 激光超聲技術的研究始于 1962 年。當時， White 和 Askaryan 分別論證了用脈沖激光束在固體和液體 中激發(fā)聲波的方法。緊接著， Ramsden， Bunkiny 和Stegman 觀察到強激光在固體中產生的爆炸波和在大氣中產生的燃燒波，會隨時間和距離的增加而衰變成聲波。之后。對固體，液體和氣體媒質中激光超聲激發(fā)的研究均有了很大的發(fā)展。 1976 年， Bondarenko 等首先把激光超聲用于材料檢測。他們用調 Q 紅寶石激光 器激發(fā)超聲，用帶寬為 5kHz 至 150MHz，位移靈敏度為10 9nm 的干涉儀檢測激光 超聲，并對不銹鋼板的人工缺陷進行了檢測。之后，清華 大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 2 頁 共 38 頁 Hutehins 和 Nedeou 等用 Nd:YAG 和帶寬為 45MHz，位移 靈敏度為 1nm 的干涉儀進行了表面缺陷的實驗。 1979 年， Ledbetter 等最先同時撿測到一次激發(fā)產生的縱波，橫波和表面波。 1980 和 1982 年， Seruby 和 Dewhurst 等對激光在金屬中產生的超聲波形進行了 定量測量，并用面內正交力偶模型解釋了熱彈條件下的激發(fā)現(xiàn)象，用垂直力偶模型 解釋了燒蝕條件下的激發(fā)現(xiàn)象 [9],為激光超聲的應用技術打下了基礎。 20 世紀 80 年代中期，加拿大人 J． E Monehalin 提出了用球面共焦FabryPerot 干 涉儀探測超聲振動 —— 超聲測厚技術，首次實現(xiàn)了在 1m 遠處對未拋光的鋼 板進行激 光超聲的實驗，向實用化邁出了一大步 [10]。 20 世紀 90 年代中期， Y Dagata， J． Huang， J． D． Achenbach 和 Krishnaswamy 等進行了一系列的理論和應用研究工作 近幾年，激光超聲機理和技術的研究有了更大發(fā)展，在激光超聲信號的激發(fā)、接收、傳播理論，以及應用等方面取得很大進展 [11]。 超聲技術在工業(yè)測量、物質結構特性的研究等領域已獲得成功應用。在各種結構工程材料的生產過程中能實時檢測出產品的多種特性參數(shù)，引入閉環(huán)控制，對于保證產品質量，降低原材料損耗，是十分重要的。由于一般的金屬 材料對于電磁波是不透明的，對各種粒子射線也有較大的衰減，而對于超聲波能有效地傳輸，因此超聲方法很早已成為一系列材料元件和工程結構檢測，特別是金屬材料的首選方案。常規(guī)的超聲檢測中，超聲波是由壓電或壓磁換能器產生的，在檢測時必須通過耦合劑與試件耦合，由于換能器本身帶寬的限制及換能器與試件之間的耦合等因素影響，無法產生很窄的單個超聲脈沖。激光超聲技術白出現(xiàn)之日起便以諸多優(yōu)點吸引廣大研究人員的關注。利用激光激發(fā)可以重復產生很窄的超聲脈沖，在時間和空間均具有極高的分辨率，而且激光可以在不同形狀的試件中激發(fā)超聲并且是非 接觸的，易于在高溫、高壓、有毒和放射性等惡劣環(huán)境下進行超聲檢測，適合于超薄材料的檢測和物質微結構的研究 。 激光超聲是一種新型無損檢測方法，早期受激光器件與相關學科發(fā)展的限制，自 20世紀 70年代提出到 80年代中期成為熱點后，未達到人們預想的應用效果。 20世紀末至今，隨著激光、電子、計算機和相關學科的發(fā)展，經過近十年的技術積累，激光超聲已從方法探索步人技術研究與開發(fā)應用階段，是傳統(tǒng)超聲檢測技術的進一步發(fā)展。 傳統(tǒng)的超聲技術多采用接觸式換能器，為保證有高的靈敏度和可靠性，通常還應使用各種超聲耦合劑，這種方法的最大優(yōu) 點是檢測靈敏度高，設備簡單，便清華 大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 3 頁 共 38 頁 宜，因而使用得最廣泛。然而當溫度升高時，大多數(shù)耦合劑將汽化，失去粘性并產生化學變化，從而使得超聲檢測變得十分困難。日前絕大多數(shù)耦合劑的使用溫度都在 100℃以下，常用的超聲換能介質 PZT。其工作溫度一般不能高于 300℃，即使換成其它高溫材料，工作溫度也很難超過 700℃。對于像鋼鐵制造這樣的行業(yè)，工作溫度常在 1000℃以上 [12]，因此傳統(tǒng)的超聲檢測法無法實現(xiàn)在線檢測。采用電磁聲換能器 (既 AT)并配上適當?shù)睦鋮s系統(tǒng)，可以實現(xiàn)高溫下的非接觸式檢測 [13]。但是這種系統(tǒng)中電磁傳感頭與被 測件間的工作距離只有數(shù)毫米，且檢測信號的強弱受這一距離變化的影響很大，所以當用于實際的工業(yè)生產現(xiàn)場時也存在很多困難。工業(yè) CT技術作為一種無損檢側手段具有很多優(yōu)點，美國 IDM公司曾采用工業(yè) CT技術實現(xiàn)對每秒數(shù)米延伸速度的熱軋鋼管作在線檢測、監(jiān)控 [14]。但是該系統(tǒng)目前十分昂貴、復雜。被測件的最大允許尺寸也往往受到一定限制，因而還難于實現(xiàn)一般的工業(yè)使用。 激光超聲技術是對傳統(tǒng)超聲檢測技術的一大發(fā)展，它的出現(xiàn)彌補了許多電超聲的檢測盲區(qū)，為超聲檢測技術的發(fā)展起到很強了的推進作用 [15]。激光超聲技術利用高能激光脈沖來 激發(fā)超聲，與傳統(tǒng)超聲技術相比，具有許多得天獨厚的優(yōu)點。 課題意義 隨著科學技術，尤其是激光技術的發(fā)展，激光超聲學將在理論、技術和應用研究等各方面取得新的突破 ,它的應用前景也會更加廣闊。目前，激光超聲技術已被廣泛應用于材料的缺陷探測和定位，內部損傷過程監(jiān)測和斷裂機理研究等工程領域中。特別是對固體材料的力學和熱學性質研究，以及對具有生物活性的化學和生物物質的光化學反應動力學和熱力學的研究，更顯示出激光超聲技術具有其它檢測技術難以替代的優(yōu)越性 [16]。因此。研究激光超聲無損檢測技術不僅有理論方面的意義， 還有實際應用上的意義。 課題內容 通過對 激光激勵超聲波的 基本概念、 Nd:YAG 激光器激勵超聲波的工作 原理、光外差干涉的原理和測量方法、 聲光調制器的工作原理及使用方法等的掌握， 以此為基礎構成光外差干涉檢測激光超聲波的裝置，從而達到利用光外差干涉技術對 激光超聲無損檢測技術來進行研究的目的。 本論文的主要內容包括： 清華 大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 4 頁 共 38 頁 第一章為引言，主要介紹了課題的研究背景和意義以及相關技術國內外的研究情況，由此引出課題的研究內容，確定了本文的研究方向。 第二章對 光外差干涉檢測激光超聲波 工作過程中所需用到的關鍵技術及原理說明 ，為論文的研究提供了相關的理論基礎。首先簡單地介紹 超聲波的定義與其相關性質。 然后 激光 介紹了 產生超聲波的方法 技術，重點介紹了 利用 Nd:YAG 激光器激勵超聲波的工作 原理 如 熱彈機 理 、燒蝕機 理 及其特點 。 第三章主要針對激光外差干涉測試研究來討論。首先，介紹了 光電檢測系統(tǒng)中的激光超聲檢測 ，然后光外差干涉原理光外差探測系統(tǒng)，最后激光外差干涉 系統(tǒng)中的 測長的工作原理。 第四章首先介紹了 聲光調制器的工作原理、使用方法 ，然后 設計了基于 光外差干涉法檢測激光超聲 的裝置 。主要由頻移裝置，連續(xù)激光器，分光鏡，反光鏡，激光超聲源 ，光電探測器，信號處理器，示波器等部分組成。最后使用 由 Nd:YAG線偏振激光器， PBS，光電探測器等部分 ，實現(xiàn)了 線偏振光外差干涉系統(tǒng) 的 組成 。 第五章對論文主要工作的總結和展望。 清華 大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 5 頁 共 38 頁 2 激光超聲激勵技術研究 超聲波的性質 超聲波的分類 超聲波的類型很多，有縱波、橫波、表面波和平面波等?？v波傳導時，每個粒子都在平行于波動前進方向上振動，呈現(xiàn)交替密集或稀疏的變化，在超聲波探傷中最常用。橫波也在超聲波探傷中有廣泛的應用，它的傳播有點類似于在繩子一端有規(guī)律地抖動 所形成的繩子的振動形式，分子和原子在一個平面上垂直于波浪傳播方向上下振動；表面波只是有時才用在超聲波探傷中，它沿著平面或相對較厚的曲面?zhèn)鞑?；平面波只是應用于超聲波探傷的某些場合，僅在厚度只有幾個波長大小的材料表面?zhèn)鞑?[17]。界面處超聲波的反射與材料的物理狀態(tài)關聯(lián)較大，而與材料本身的物理性能關聯(lián)較小。 聲波、次聲波、超聲波都是機械波，有聲速、頻率、波長、聲壓、聲強等參數(shù)，在界面也會發(fā)生反射 、折射。我們能夠聽到聲音是因為聲波傳到了我們的耳內，聲波的頻率在 20HZ～ 20200HZ，頻率低于或超過上述范圍時人們 無法聽到聲音，頻率低于 20HZ的聲波稱為次聲波，頻率超過 20200HZ的聲波稱為超聲波。工業(yè)上常用的超聲波范圍是： ～ 20MHz 。其中金屬最常用的頻率是： 1～ 5MHz；探水泥構建用的頻率是： ,如 100KHz,200KHz。 探測玻璃陶瓷中μ m級用的頻率是 100MHz～ 200MHz,甚至更高。 超聲波的特點 （ 1）有良好的指向性； （ 2）能量高； I1/I2=1MHz2/1KHz2=100萬倍。 () 由上式 ()，我們 可以發(fā)現(xiàn)由于能量（聲強）與頻率的平方成正比關系，因此超聲波的能量 I1遠大于聲波的能量 I2。 （ 3）傳播路徑與光線相同呈直線傳播，并在界面上產生反射、折射和波型轉換，在傳播過程中還有干涉、疊加、繞射現(xiàn)象，故可以充分利用這些幾何、物理特征清華 大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 6 頁 共 38 頁 進行檢測。 （ 4）在金屬材料中的傳播速度很快， 穿透能力強、衰減小，如對某些金屬的穿透能力可達數(shù)米，其他檢測手段無法相比。 超聲波的波型與聲速 （ 1） 縱波 （ L） 縱波定義為質點的振動方向與波的傳播在水平方向上的超聲波?？v波在固、液、氣三種介質中均能傳播。 （ 2）橫波（ S） 質點的振動方向與傳播垂直方向上的超聲波，當質點受到的是交變剪切應力的作用，因此也稱作切變波。液體和氣體不能夠承受剪切應力，所以無橫波傳播。 （ 3）表面波在不同固體的介質表面?zhèn)鞑サ穆曀俨煌? 超聲波的反射折射及波型轉換 （ 1） 超聲波與介質形成的入射反射折射圖如下圖 。入射縱波反射折射波型轉換縱波傾斜入射到不同介質的表面時會產生反射縱波、反射橫波、折射縱波、折射橫波，反射、折射角度符合一般的反射折射定律。 其公式如下式 ()所示： SSLLSSL cccc 1221s ins ins ins in ???? ???? () 圖 超聲波的反射折射圖 ?S? ?L? ? L? S? 介質 1 介質 2 清華 大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 7 頁 共 38 頁 （ 2）第一臨界角 當在第二介質中的折射縱波角等于 90度時，稱這時的縱波入射角為第一臨界角 α 1。這時在第二介質中已沒有 縱波，只有橫波。焊縫探傷用的橫波就是，經過界面波型轉換得到的。 （ 3）第二臨界角 當縱波入射角繼續(xù)增大時，在第二介質中的橫波折射角也增大，當 β S達 90度時，第二介質中沒有超聲波，超聲波都在表面，為表面波。 在有機介面用于檢測的超聲波斜探頭的入射角必須大于第一臨界角而小于第二臨界角。一般設定的橫波折射角用橫波折射角度的正切值表示，如 K=2（ K值根據(jù)厚度和寬度選擇）。探頭發(fā)射和接收超聲波，發(fā)射的超聲波是脈沖波，脈沖超聲在工件中遇界面反射超聲波，超聲再在探頭中換成電信號經放大后顯示，顯示屏上橫座標表示超聲波在工件 中傳播的時間，縱座標表示反射的超聲波聲壓，與反射面積大小對應。 超聲波檢測主要包括三個特點： 1）面積型缺陷檢出率高，體積型缺陷檢出率低； 2）適合較大厚度工件的檢驗； 3）材質晶粒度對檢測結果有影響。 超聲波的檢測 （ 1）超聲波反射法 超聲波反射法是利用材料中的不連續(xù)性對超聲波的反射回波進行檢測。這種方法通常對其平面垂直于聲束的不連續(xù)性尤其敏感，因此特別適合于檢測復合材料中平行于試件表面的層狀不連續(xù)性。對于圓管類試件，可使聲束沿管子的軸向和周向兩個方向傾斜入射，此時超聲橫波在管壁內沿鋸齒形路線傳播，可 以檢測出管子中多種方向的不連續(xù)性。用顆?；蚓ы氃鰪姷膹秃喜牧吓髁霞坝门髁现瞥傻臄D壓件、鍛件和板材，特別適合于采用超聲波反射法進行檢驗，目前已在生產中應用，如美國 ACMC公司等。而用纖維增強的材料，因厚度一般較薄且表面不平整，用反射法檢測較困難。通常對薄壁金屬管材都采用超聲反射法檢