【正文】 善傳統(tǒng)的干涉光路系統(tǒng)，設(shè)計(jì)出了檢測(cè)微弱振動(dòng)信號(hào)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(dòng)信號(hào)源，實(shí)驗(yàn)得到了較好的外差干涉信號(hào)，并得到了與壓電探頭振動(dòng)激勵(lì)信號(hào)一致的探測(cè)信號(hào)，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低。 雖然超聲技術(shù)已獲得極大成功，但在應(yīng)用過程中傳統(tǒng)超聲技術(shù)還是暴露出許多不足之處。 國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 激光超聲技術(shù)的研究始于 1962 年。當(dāng)時(shí)， 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(qiáng)激光在固體中產(chǎn)生的爆炸波和在大氣中產(chǎn)生的燃燒波，會(huì)隨時(shí)間和距離的增加而衰變成聲波。之后。對(duì)固體，液體和氣體媒質(zhì)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(cè)。他們用調(diào) 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(cè)激光 超聲，并對(duì)不銹鋼板的人工缺陷進(jìn)行了檢測(cè)。之后，清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)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(jìn)行了表面缺陷的實(shí)驗(yàn)。 1979 年， Ledbetter 等最先同時(shí)撿測(cè)到一次激發(fā)產(chǎn)生的縱波，橫波和表面波。 1980 和 1982 年， Seruby 和 Dewhurst 等對(duì)激光在金屬中產(chǎn)生的超聲波形進(jìn)行了 定量測(cè)量，并用面內(nèi)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(yīng)用技術(shù)打下了基礎(chǔ)。 20 世紀(jì) 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(cè)超聲振動(dòng) —— 超聲測(cè)厚技術(shù)，首次實(shí)現(xiàn)了在 1m 遠(yuǎn)處對(duì)未拋光的鋼 板進(jìn)行激 光超聲的實(shí)驗(yàn)，向?qū)嵱没~出了一大步 [10]。 20 世紀(jì) 90 年代中期， Y Dagata， J． Huang， J． D． Achenbach 和 Krishnaswamy 等進(jìn)行了一系列的理論和應(yīng)用研究工作 近幾年，激光超聲機(jī)理和技術(shù)的研究有了更大發(fā)展，在激光超聲信號(hào)的激發(fā)、接收、傳播理論，以及應(yīng)用等方面取得很大進(jìn)展 [11]。 超聲技術(shù)在工業(yè)測(cè)量、物質(zhì)結(jié)構(gòu)特性的研究等領(lǐng)域已獲得成功應(yīng)用。在各種結(jié)構(gòu)工程材料的生產(chǎn)過程中能實(shí)時(shí)檢測(cè)出產(chǎn)品的多種特性參數(shù)，引入閉環(huán)控制，對(duì)于保證產(chǎn)品質(zhì)量，降低原材料損耗，是十分重要的。由于一般的金屬 材料對(duì)于電磁波是不透明的，對(duì)各種粒子射線也有較大的衰減，而對(duì)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(jié)構(gòu)檢測(cè)，特別是金屬材料的首選方案。常規(guī)的超聲檢測(cè)中，超聲波是由壓電或壓磁換能器產(chǎn)生的，在檢測(cè)時(shí)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(chǎn)生很窄的單個(gè)超聲脈沖。激光超聲技術(shù)白出現(xiàn)之日起便以諸多優(yōu)點(diǎn)吸引廣大研究人員的關(guān)注。利用激光激發(fā)可以重復(fù)產(chǎn)生很窄的超聲脈沖，在時(shí)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(jìn)行超聲檢測(cè)，適合于超薄材料的檢測(cè)和物質(zhì)微結(jié)構(gòu)的研究 。 激光超聲是一種新型無損檢測(cè)方法，早期受激光器件與相關(guān)學(xué)科發(fā)展的限制，自 20世紀(jì) 70年代提出到 80年代中期成為熱點(diǎn)后，未達(dá)到人們預(yù)想的應(yīng)用效果。 20世紀(jì)末至今，隨著激光、電子、計(jì)算機(jī)和相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，經(jīng)過近十年的技術(shù)積累，激光超聲已從方法探索步人技術(shù)研究與開發(fā)應(yīng)用階段，是傳統(tǒng)超聲檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。 傳統(tǒng)的超聲技術(shù)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(yīng)使用各種超聲耦合劑，這種方法的最大優(yōu) 點(diǎn)是檢測(cè)靈敏度高，設(shè)備簡(jiǎn)單，便清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 3 頁 共 38 頁 宜，因而使用得最廣泛。然而當(dāng)溫度升高時(shí)，大多數(shù)耦合劑將汽化，失去粘性并產(chǎn)生化學(xué)變化，從而使得超聲檢測(cè)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(zhì) 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(duì)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(cè)法無法實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)。采用電磁聲換能器 (既 AT)并配上適當(dāng)?shù)睦鋮s系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)高溫下的非接觸式檢測(cè) [13]。但是這種系統(tǒng)中電磁傳感頭與被 測(cè)件間的工作距離只有數(shù)毫米，且檢測(cè)信號(hào)的強(qiáng)弱受這一距離變化的影響很大，所以當(dāng)用于實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)時(shí)也存在很多困難。工業(yè) CT技術(shù)作為一種無損檢側(cè)手段具有很多優(yōu)點(diǎn)，美國(guó) IDM公司曾采用工業(yè) CT技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)每秒數(shù)米延伸速度的熱軋鋼管作在線檢測(cè)、監(jiān)控 [14]。但是該系統(tǒng)目前十分昂貴、復(fù)雜。被測(cè)件的最大允許尺寸也往往受到一定限制，因而還難于實(shí)現(xiàn)一般的工業(yè)使用。 激光超聲技術(shù)是對(duì)傳統(tǒng)超聲檢測(cè)技術(shù)的一大發(fā)展，它的出現(xiàn)彌補(bǔ)了許多電超聲的檢測(cè)盲區(qū)，為超聲檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展起到很強(qiáng)了的推進(jìn)作用 [15]。激光超聲技術(shù)利用高能激光脈沖來 激發(fā)超聲，與傳統(tǒng)超聲技術(shù)相比，具有許多得天獨(dú)厚的優(yōu)點(diǎn)。 課題意義 隨著科學(xué)技術(shù)，尤其是激光技術(shù)的發(fā)展，激光超聲學(xué)將在理論、技術(shù)和應(yīng)用研究等各方面取得新的突破 ,它的應(yīng)用前景也會(huì)更加廣闊。目前，激光超聲技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于材料的缺陷探測(cè)和定位，內(nèi)部損傷過程監(jiān)測(cè)和斷裂機(jī)理研究等工程領(lǐng)域中。特別是對(duì)固體材料的力學(xué)和熱學(xué)性質(zhì)研究，以及對(duì)具有生物活性的化學(xué)和生物物質(zhì)的光化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)的研究，更顯示出激光超聲技術(shù)具有其它檢測(cè)技術(shù)難以替代的優(yōu)越性 [16]。因此。研究激光超聲無損檢測(cè)技術(shù)不僅有理論方面的意義， 還有實(shí)際應(yīng)用上的意義。 課題內(nèi)容 通過對(duì) 激光激勵(lì)超聲波的 基本概念、 Nd:YAG 激光器激勵(lì)超聲波的工作 原理、光外差干涉的原理和測(cè)量方法、 聲光調(diào)制器的工作原理及使用方法等的掌握， 以此為基礎(chǔ)構(gòu)成光外差干涉檢測(cè)激光超聲波的裝置，從而達(dá)到利用光外差干涉技術(shù)對(duì) 激光超聲無損檢測(cè)技術(shù)來進(jìn)行研究的目的。 本論文的主要內(nèi)容包括： 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)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(guān)技術(shù)國(guó)內(nèi)外的研究情況，由此引出課題的研究?jī)?nèi)容，確定了本文的研究方向。 第二章對(duì) 光外差干涉檢測(cè)激光超聲波 工作過程中所需用到的關(guān)鍵技術(shù)及原理說明 ，為論文的研究提供了相關(guān)的理論基礎(chǔ)。首先簡(jiǎn)單地介紹 超聲波的定義與其相關(guān)性質(zhì)。 然后 激光 介紹了 產(chǎn)生超聲波的方法 技術(shù)，重點(diǎn)介紹了 利用 Nd:YAG 激光器激勵(lì)超聲波的工作 原理 如 熱彈機(jī) 理 、燒蝕機(jī) 理 及其特點(diǎn) 。 第三章主要針對(duì)激光外差干涉測(cè)試研究來討論。首先，介紹了 光電檢測(cè)系統(tǒng)中的激光超聲檢測(cè) ，然后光外差干涉原理光外差探測(cè)系統(tǒng)，最后激光外差干涉 系統(tǒng)中的 測(cè)長(zhǎng)的工作原理。 第四章首先介紹了 聲光調(diào)制器的工作原理、使用方法 ，然后 設(shè)計(jì)了基于 光外差干涉法檢測(cè)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(cè)器，信號(hào)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(cè)器等部分 ，實(shí)現(xiàn)了 線偏振光外差干涉系統(tǒng) 的 組成 。 第五章對(duì)論文主要工作的總結(jié)和展望。 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 5 頁 共 38 頁 2 激光超聲激勵(lì)技術(shù)研究 超聲波的性質(zhì) 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。縱波傳導(dǎo)時(shí)，每個(gè)粒子都在平行于波動(dòng)前進(jìn)方向上振動(dòng)，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(yīng)用，它的傳播有點(diǎn)類似于在繩子一端有規(guī)律地抖動(dòng) 所形成的繩子的振動(dòng)形式，分子和原子在一個(gè)平面上垂直于波浪傳播方向上下振動(dòng)；表面波只是有時(shí)才用在超聲波探傷中，它沿著平面或相對(duì)較厚的曲面?zhèn)鞑?；平面波只是?yīng)用于超聲波探傷的某些場(chǎng)合，僅在厚度只有幾個(gè)波長(zhǎng)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(guān)聯(lián)較大，而與材料本身的物理性能關(guān)聯(lián)較小。 聲波、次聲波、超聲波都是機(jī)械波，有聲速、頻率、波長(zhǎng)、聲壓、聲強(qiáng)等參數(shù)，在界面也會(huì)發(fā)生反射 、折射。我們能夠聽到聲音是因?yàn)槁暡▊鞯搅宋覀兊亩鷥?nèi)，聲波的頻率在 20HZ～ 20200HZ，頻率低于或超過上述范圍時(shí)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(gòu)建用的頻率是： ,如 100KHz,200KHz。 探測(cè)玻璃陶瓷中μ m級(jí)用的頻率是 100MHz～ 200MHz,甚至更高。 超聲波的特點(diǎn) （ 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(qiáng)）與頻率的平方成正比關(guān)系，因此超聲波的能量 I1遠(yuǎn)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(chǎn)生反射、折射和波型轉(zhuǎn)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(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 6 頁 共 38 頁 進(jìn)行檢測(cè)。 （ 4）在金屬材料中的傳播速度很快， 穿透能力強(qiáng)、衰減小，如對(duì)某些金屬的穿透能力可達(dá)數(shù)米，其他檢測(cè)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(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)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(zhì)中均能傳播。 （ 2）橫波（ S） 質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與傳播垂直方向上的超聲波，當(dāng)質(zhì)點(diǎn)受到的是交變剪切應(yīng)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(yīng)力，所以無橫波傳播。 （ 3）表面波在不同固體的介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ穆曀俨煌? 超聲波的反射折射及波型轉(zhuǎn)換 （ 1） 超聲波與介質(zhì)形成的入射反射折射圖如下圖 。入射縱波反射折射波型轉(zhuǎn)換縱波傾斜入射到不同介質(zhì)的表面時(shí)會(huì)產(chǎn)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(zhì) 1 介質(zhì) 2 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 7 頁 共 38 頁 （ 2）第一臨界角 當(dāng)在第二介質(zhì)中的折射縱波角等于 90度時(shí)，稱這時(shí)的縱波入射角為第一臨界角 α 1。這時(shí)在第二介質(zhì)中已沒有 縱波，只有橫波。焊縫探傷用的橫波就是，經(jīng)過界面波型轉(zhuǎn)換得到的。 （ 3）第二臨界角 當(dāng)縱波入射角繼續(xù)增大時(shí)，在第二介質(zhì)中的橫波折射角也增大，當(dāng) β S達(dá) 90度時(shí)，第二介質(zhì)中沒有超聲波，超聲波都在表面，為表面波。 在有機(jī)介面用于檢測(cè)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(shè)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(hào)經(jīng)放大后顯示，顯示屏上橫座標(biāo)表示超聲波在工件 中傳播的時(shí)間，縱座標(biāo)表示反射的超聲波聲壓，與反射面積大小對(duì)應(yīng)。 超聲波檢測(cè)主要包括三個(gè)特點(diǎn)： 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(yàn)； 3）材質(zhì)晶粒度對(duì)檢測(cè)結(jié)果有影響。 超聲波的檢測(cè) （ 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(duì)超聲波的反射回波進(jìn)行檢測(cè)。這種方法通常對(duì)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(cè)復(fù)合材料中平行于試件表面的層狀不連續(xù)性。對(duì)于圓管類試件，可使聲束沿管子的軸向和周向兩個(gè)方向傾斜入射，此時(shí)超聲橫波在管壁內(nèi)沿鋸齒形路線傳播，可 以檢測(cè)出管子中多種方向的不連續(xù)性。用顆?；蚓ы氃鰪?qiáng)的復(fù)合材料坯料及用坯料制成的擠壓件、鍛件和板材，特別適合于采用超聲波反射法進(jìn)行檢驗(yàn)，目前已在生產(chǎn)中應(yīng)用，如美國(guó) ACMC公司等。而用纖維增強(qiáng)的材料，因厚度一般較薄且表面不平整，用反射法檢測(cè)較困難。通常對(duì)薄壁金屬管材都采用超聲反射法檢