【正文】 些液體對(duì)狹窄縫隙的滲透性來(lái)探測(cè)表面缺陷。通過(guò)接收和分析材料的聲發(fā)射信號(hào)來(lái)評(píng)定材料的性能或結(jié)構(gòu)完整性。利用物體自身或缺陷的聲學(xué)特性對(duì)超聲波傳播的影響，來(lái)檢測(cè)物體的缺陷或某些物理特性。利用 X 射線或 γ射線在穿透被檢物各部分時(shí)強(qiáng)度衰減的不同，檢測(cè)被檢物的缺陷。而不同的寫(xiě)法，僅僅是由于語(yǔ)言習(xí)慣不同而已。如日本習(xí)慣寫(xiě)作 inspection，歐洲不少國(guó)家過(guò)去曾寫(xiě)作 flaw detection、現(xiàn)在則統(tǒng)一使用 testing，美國(guó)除了也使用 testing 外，似乎更喜歡寫(xiě)作 examination 和 evaluation。 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 13 頁(yè) 共 38 頁(yè) 3 激光外差干涉概述 光電檢測(cè) 系統(tǒng)分類 光電檢測(cè)系統(tǒng)的分類有五個(gè)主要的方向：①按信息光源分為主動(dòng)系統(tǒng)和被動(dòng)系統(tǒng)； ② 按接受系統(tǒng)分為點(diǎn)探測(cè)和面探測(cè)系統(tǒng)； ③ 按調(diào)制和信號(hào)處理方式分為模擬系統(tǒng)和數(shù)字系統(tǒng)； ④ 按光波對(duì)信號(hào)的攜帶方式分為直接檢測(cè)系統(tǒng)和光外差檢測(cè)系統(tǒng)； ⑤ 按光源波長(zhǎng) 分為紅外系統(tǒng)和可見(jiàn)光系統(tǒng) 。根據(jù)入射到物體表面激光能量的不同，激光脈沖在物體表面產(chǎn)生的這種熱效應(yīng)可分為熱彈效應(yīng)和熱蝕效應(yīng)兩種。影響超聲波傳播特性的因素很多，主要有材料對(duì)激光光能量的吸收程度、材料的熱傳導(dǎo)特性、激勵(lì)激光的頻率、材料表面的光滑程度等。由于激勵(lì)的脈沖激光器與被檢物體表面之間無(wú)需機(jī)械連接和接觸、無(wú)需耦合劑且檢測(cè)能量可調(diào)等特點(diǎn)，使得激光超聲技術(shù)在工程上有較大的應(yīng)用前景。通常所說(shuō)激光超聲是指熱彈效應(yīng)。激光器中常見(jiàn)的組成部分還有諧振腔，但諧振腔（ 見(jiàn)光學(xué)諧振腔）并非必不可少的組成部分，諧振腔可使腔內(nèi)的光子有一致的頻率、相位和運(yùn)行方向，從而使激光具有良好的方向性和相干性。 Nd:YAG 激光 器 工作原理 除自由電子激光器外，各種激光器的基本工作原理均相同，產(chǎn)生激光的必不可少的條件是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和增益大過(guò)損耗，所以裝置中必不可少的組成部分有激勵(lì)（或抽運(yùn)）源、具有亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)的工作介質(zhì)兩個(gè)部分。在激光功率密度較高的情況下，溫度上升將使固體局部融化，以至出現(xiàn)燒蝕，此時(shí)，盡管熱彈機(jī)制仍然存在，但是燒蝕效應(yīng)起決定性的作用。但由于它每次對(duì)表面產(chǎn)生約 m 的損傷，所以只能用于某些場(chǎng)合，且通常用來(lái)產(chǎn)生超聲縱波。同樣，采用脈沖 寬度極窄的高能量密度光束照射，也可以獲得較高的聲波能量。在這種機(jī)制下，聲信號(hào)的幅度隨著激發(fā)功率的增加而線性增加。為此，在拉伸強(qiáng)度驗(yàn)收試驗(yàn)中進(jìn)行聲發(fā)射監(jiān)控是十分必要的和有效的。 （ 6）聲發(fā)射檢測(cè)法 聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)也是無(wú)損檢測(cè)中的一項(xiàng)重點(diǎn)研 究項(xiàng)目。這種方法對(duì)分層缺陷的檢測(cè)很困難，對(duì)裂紋一般只有當(dāng)裂紋平面與射線束大致平行時(shí)方能檢出，所以通常只能檢測(cè)與試件表面垂直的裂紋，可與超聲反射法起互補(bǔ)作用。敲擊器兼作接收器，將管子的振蕩變成電信號(hào)輸入到頻譜分析儀，并用 XY記錄儀記錄振蕩的頻譜。 （ 4）聲學(xué)振動(dòng)檢測(cè)法 聲學(xué)振動(dòng)檢測(cè)法是一種新穎的檢測(cè)技術(shù)，它是為檢測(cè)復(fù)合材料而發(fā)展起來(lái)的。 （ 3）超聲波衰減法 超聲波衰減法利用超聲波穿透試件后衰減值的相對(duì)變化來(lái)判斷試件質(zhì)量。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。 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)。 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。 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(shuō)明書(shū) 第 7 頁(yè) 共 38 頁(yè) （ 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。液體和氣體不能夠承受剪切應(yīng)力，所以無(wú)橫波傳播。 （ 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(wú)法相比。 探測(cè)玻璃陶瓷中μ m級(jí)用的頻率是 100MHz～ 200MHz,甚至更高。 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。 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 5 頁(yè) 共 38 頁(yè) 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。 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 。首先簡(jiǎn)單地介紹 超聲波的定義與其相關(guān)性質(zhì)。研究激光超聲無(wú)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。但是該系統(tǒng)目前十分昂貴、復(fù)雜。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(wú)法實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)。 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(shuō)明書(shū) 第 3 頁(yè) 共 38 頁(yè) 宜，因而使用得最廣泛。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。 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。 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。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。 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。 通常的外差干涉系統(tǒng)，因使用的光學(xué)器件較多，會(huì)出現(xiàn)很多雜光如回授光 [8]，光學(xué)噪 聲大，信噪比低，并不適合微弱激光超聲信號(hào)的檢測(cè)。但激光超聲振動(dòng)信號(hào)非常微弱，位移幅值一般在數(shù)微米量級(jí)，且激發(fā)超聲的激光源所需強(qiáng) 度特別大 [35]，因 此，目前多用光學(xué)方法檢測(cè)。 光電檢測(cè) ................................................................................................................. 13 系統(tǒng)分類 ................................................................................................................ 13 激光超聲檢測(cè) ...................................................................................................... 14 光外差干涉測(cè)試技術(shù) ............................................................................................. 15 概述 ...................................................................................................................... 15 光 外差干涉 原理 .................................................................................................. 15 光外差探測(cè)系統(tǒng) .................................................................................................. 16 激光外差干涉測(cè)試系統(tǒng) ......................................................................................... 18 測(cè)試系統(tǒng)的原理 .................................................................................................. 18 激光外差干涉測(cè)長(zhǎng) .............................................................................................. 19 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) II 光外差檢測(cè)優(yōu)勢(shì) ..................................................................................................... 21 本章 小結(jié) ................................................................................................................... 22 4 光外差干涉法檢測(cè)激光超聲的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn) .............................................................. 24 聲光調(diào)制 ................................................................................................................. 24 聲光調(diào)制器原理 ................................................................................................. 24 聲光調(diào)制 分類 ..................................................................................................... 27 系統(tǒng)設(shè)計(jì) ................................................................................................................. 28 外差干涉系統(tǒng)構(gòu)成 .............................................................................................. 28 超聲信號(hào)檢測(cè)原理 .............................................................................................. 30 光外差干涉法檢測(cè)激光超聲原理 ...................................................................... 31 光路調(diào)試結(jié)果 ......................................................................................................... 33 本章小結(jié) ................................................................................................................. 34 5 總結(jié) ............................................................................................................................ 35 主要工作 ................................................................................................................. 35 系統(tǒng)存在問(wèn)題 .................