【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 始用于檢查飛機(jī)木質(zhì)螺旋槳。在第二次世界大戰(zhàn)期間，飛機(jī)已經(jīng)大量使用鋁合金和鎂合金，為了檢查這些非鐵磁性材料的表面缺陷，開(kāi)始使用熒光滲透檢驗(yàn)法。 激光超聲檢測(cè)激光超聲利用高能激光脈沖來(lái)激發(fā)超聲波并用激光來(lái)檢測(cè)超聲回波(穿透波或發(fā)射波)，具有非接觸、遠(yuǎn)距離探測(cè)、頻帶寬及檢測(cè)可達(dá)性好等優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于一些惡劣環(huán)境，如高溫、腐蝕、輻射及具有較快運(yùn)動(dòng)速度的被檢件。激光超聲的接收主要有傳感器檢測(cè)和光學(xué)法檢測(cè)兩類(lèi)。 傳感器檢測(cè)包括壓電陶瓷換能器檢測(cè)，電磁聲換能器檢測(cè)，電容聲換能器檢測(cè)。這些檢測(cè)方法,可以十分簡(jiǎn)便地接收到激光超聲信號(hào)，但傳感器必須與樣品接觸，或者非常接近樣品表面，才能獲得高的檢測(cè)靈敏度[20]。并且超聲檢測(cè)用壓電換能器接收超聲信號(hào)這種方法需要用耦合劑，對(duì)被測(cè)樣品會(huì)產(chǎn)生影響。利用光學(xué)方法探測(cè)材料表面的超聲振動(dòng)是一種新型的無(wú)損檢測(cè)手段，該方法具有非接觸、靈敏度高等特點(diǎn)，能夠克服傳統(tǒng)超聲波檢測(cè)需要耦合劑的缺點(diǎn)，是真正意義上的非接觸、寬帶檢測(cè)技術(shù)。光學(xué)法檢測(cè)技術(shù)又可細(xì)分為非干涉檢測(cè)技術(shù)和干涉檢測(cè)技術(shù)兩種。直接檢測(cè)(非相干檢測(cè))是利用光源發(fā)射的光強(qiáng)攜帶信息，直接把接受到的光強(qiáng)變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的變化。目前廣泛使用的是外插干涉儀、共焦 F P 干涉儀是線性干涉儀，而相位共軛干涉儀，雙波混合干涉儀以及光感生電動(dòng)勢(shì)干涉儀則屬于非線性光學(xué)的。激光超聲技術(shù)是利用開(kāi)關(guān)脈沖激光器發(fā)出的激光束照射被測(cè)物體，激發(fā)出超聲波，采用干涉儀顯示該超聲波的干涉條紋。與常規(guī)超聲檢測(cè)相比，激光超聲檢測(cè)的主要優(yōu)越性是： (1)能實(shí)現(xiàn)一定距離之外的非接觸檢測(cè)，不存在耦合與匹配問(wèn)題。 (2)利用超短激光脈沖可以得到超短聲脈沖和高時(shí)間分辨率，可以在寬帶范圍內(nèi)提取信息，實(shí)現(xiàn)寬帶檢測(cè)。 (3)易于聚焦，實(shí)現(xiàn)快速掃描和成像。 光外差干涉測(cè)試技術(shù) 概述由于單頻激光干涉儀的光強(qiáng)信號(hào)及光電轉(zhuǎn)換器件輸出的電信號(hào)都是直流量，直流漂移是影響測(cè)量準(zhǔn)確度的重要原因，信號(hào)處理及細(xì)分都比較困難。為了提高光學(xué)干涉測(cè)量的準(zhǔn)確度，七十年代起有人將電通訊的外差技術(shù)移植到光干涉測(cè)量領(lǐng)域，發(fā)展了一種新型的光外差干涉技術(shù)[21]。光外差干涉是指兩只相干光束的光波頻率產(chǎn)生一個(gè)小的頻率差，引起干涉場(chǎng)中干涉條紋的不斷掃描，經(jīng)光電探測(cè)器將干涉場(chǎng)中的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，由電路和計(jì)算機(jī)檢出干涉場(chǎng)的相位差。光外差干涉所具備的特點(diǎn)：克服單頻干涉儀的漂移問(wèn)題；細(xì)分變得容易；提高了抗干擾性能。 光外差干涉原理光外差探測(cè)在激光通信、雷達(dá)、測(cè)長(zhǎng)、測(cè)速、測(cè)振、光譜學(xué)等方面都很有用。其探測(cè)原理與微波及無(wú)線電外差探測(cè)原理相似。光外差探測(cè)與光直接探測(cè)比較，其測(cè)量精度要高7~8個(gè)數(shù)量級(jí)。激光受大氣湍流效應(yīng)影響嚴(yán)重，破壞了激光的相干性，因而目前遠(yuǎn)距離外差探測(cè)在大氣中應(yīng)用受到限制，但在外層空間特別是衛(wèi)星之間通信聯(lián)系已達(dá)到實(shí)用階段。光外差探測(cè)與直接探測(cè)相比較有許多優(yōu)點(diǎn)，在直接探測(cè)中由于光的振動(dòng)頻率高達(dá)21013~1014Hz，振動(dòng)周期T為51014 ~ 10 15 s (可見(jiàn)光到中近紅外)，而探測(cè)器響應(yīng)時(shí)間最短110 s, 它只能響應(yīng)其平均能量或平均功率。在直接探測(cè)中，設(shè)光波動(dòng)的圓頻率為ω，振幅為A，則光波 f(t)= Acosωt ()平均功率 () ()探測(cè)器 放大器 fsfL 信號(hào)光源f1 f2 本振 光束 fs為信號(hào)光波，fL為本機(jī)振蕩(本振)光波，這兩束平面平行的相干光，經(jīng)過(guò)分光鏡和可變光闌入射到探測(cè)器表面進(jìn)行混頻，形成相干光場(chǎng)。經(jīng)探測(cè)器變換后，輸出信號(hào)中包含fc＝ fs –fL的差頻信號(hào)。故又稱(chēng)相干探測(cè)。 光外差探測(cè)系統(tǒng)光學(xué)外差探測(cè)利用一個(gè)頻率與被測(cè)相干輻射的頻率相近的參考激光輻射在探測(cè)元件（通常由光電導(dǎo)材料、光生伏打材料或光電發(fā)射材料制成）中與被測(cè)輻射混頻而產(chǎn)生差頻。光學(xué)外差探測(cè)只受到散粒噪聲的限制，因而探測(cè)率比直接探測(cè)或零差探測(cè)高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。零差探測(cè)的本振信號(hào)經(jīng)分光器從發(fā)射光源分離出來(lái),與調(diào)制后的接收信號(hào)混頻產(chǎn)生外差信號(hào), 本振信號(hào)的頻率相同,差頻為零, 主要優(yōu)點(diǎn):省去了本振器,比外差探測(cè)簡(jiǎn)單,可靠。發(fā)射光頻的穩(wěn)定性可以放寬。光頻移速率可經(jīng)接收頻差除以光往返時(shí)間測(cè)定,距離大于l0km。光外差干涉系統(tǒng)又稱(chēng)雙頻干涉系統(tǒng)或交流干涉系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用兩種不同頻率的單色光作為測(cè)量光束和參考光束。通過(guò)光電探測(cè)器的混頻，輸出差頻信號(hào)（受光電探測(cè)器頻響的限制，頻差一般在 100兆赫以?xún)?nèi)）。被測(cè)物體的變化如位移、振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、大氣擾動(dòng)等引起的光波相位變化或多普勒頻移載于此差頻上，經(jīng)解調(diào)即可獲得被測(cè)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。光外差干涉系統(tǒng)的突出優(yōu)點(diǎn)是：(1)由于物體變化所產(chǎn)生的多普勒頻移信息是載于穩(wěn)定的差頻上，且其頻率較高（幾兆至100兆赫）,因此，光電探測(cè)時(shí)避過(guò)了激光器的低頻噪聲和半導(dǎo)體器件的1/噪聲區(qū)。又利用頻率跟蹤等外差解調(diào)技術(shù)大量濾除了寬帶噪聲，因此提高了光電信號(hào)的信噪比。例如零差干涉測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)中，當(dāng)測(cè)量光束受外界干擾光強(qiáng)衰減50％時(shí)，就不易正常工作，而外差干涉測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)則可在光強(qiáng)衰減90％時(shí)仍能正常工作，因此能用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，并能測(cè)量較長(zhǎng)距離（大于60米）。(2)可以直接從輸出頻率相對(duì)于差頻的增減判別運(yùn)動(dòng)的方向，因此可以測(cè)量物體的連續(xù)變化過(guò)程如隨機(jī)振動(dòng)波形，氣流擾動(dòng)隨時(shí)間變化過(guò)程，而零差干涉系統(tǒng)較難實(shí)現(xiàn)。掃描輸出坐標(biāo)（xi, yi） 基準(zhǔn)坐標(biāo)（x0, y0） （a） Δt 1/Δν t i(x, y, t) （b） 探測(cè)器 外差干涉圖樣和電信號(hào)，利用光源發(fā)射的光強(qiáng)攜帶信息如(a)圖所示，直接把接受到的光強(qiáng)變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的變化如(b)所示。光外差干涉系統(tǒng)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于測(cè)速、測(cè)長(zhǎng)、測(cè)角、測(cè)振、測(cè)表面光潔度、測(cè)激光束通過(guò)湍流時(shí)光束的擾動(dòng)、提高望遠(yuǎn)鏡的視軸瞄準(zhǔn)精度以及作自適應(yīng)光學(xué)中的鑒相器等領(lǐng)域，獲得了比零差干涉系統(tǒng)更高的精度。光外差干涉系統(tǒng)中兩種不同頻率的光束可由兩只穩(wěn)頻的激光器提供，也可以利用磁光、電光、聲光效應(yīng)或旋轉(zhuǎn)光柵盤(pán)的衍射效應(yīng)提供。光外差干涉系統(tǒng)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于測(cè)速、測(cè)長(zhǎng)、測(cè)角、測(cè)振、測(cè)表面光潔度、測(cè)激光束通過(guò)湍流時(shí)光束的擾動(dòng)、提高望遠(yuǎn)鏡的視軸瞄準(zhǔn)精度以及作自適應(yīng)光學(xué)中的鑒相器等領(lǐng)域，獲得了比零差干涉系統(tǒng)更高的精度。光外差干涉系統(tǒng)中兩種不同頻率的光束可由兩只穩(wěn)頻的激光器提供，也可以利用磁光、電光、聲光效應(yīng)或旋轉(zhuǎn)光柵盤(pán)的衍射效應(yīng)提供。 激光外差干涉測(cè)試系統(tǒng) 測(cè)試系統(tǒng)的原理在干涉場(chǎng)中，放入兩個(gè)探測(cè)器，一個(gè)放在基準(zhǔn)點(diǎn)(x0, y0)處，稱(chēng)之為基準(zhǔn)探測(cè)器，其輸出基準(zhǔn)信號(hào)i(x0, y0, t)，另一個(gè)放在干涉場(chǎng)某探測(cè)點(diǎn)(xi, yi)處，稱(chēng)之為掃描探測(cè)器，輸出信號(hào)為i(xi, yi, t) 。將兩信號(hào)相比，測(cè)出信號(hào)的過(guò)零時(shí)間差Δt，便可知道二者的光學(xué)位相差 ()由控制系統(tǒng)控制掃描探測(cè)器對(duì)整個(gè)干涉場(chǎng)掃描，就可以測(cè)出干涉場(chǎng)各點(diǎn)的位相差。外差干涉需要雙頻光源。其頻差根據(jù)需要選定。1） 塞曼效應(yīng)Nd:YAG激光器——可得到1~2MHz的頻差；2） 雙縱模Nd:YAG激光器——頻差約600MHz（較大）；3） 光學(xué)機(jī)械移頻a) 當(dāng)干涉儀中的參考鏡以勻速v 沿光軸方向移動(dòng)時(shí)，則垂直入射的反射光將產(chǎn)生的頻移為。b) 如果圓偏振光通過(guò)一個(gè)旋轉(zhuǎn)中的半波片，則透射光將產(chǎn)生兩倍于半波片旋轉(zhuǎn)頻率f 的頻移，即。c) 在參考光路中放入一個(gè)固定的1/4波片和一旋轉(zhuǎn)的1/4波片，如果固定1/4波片的主方向定位合適，它可以把入射的線偏振光轉(zhuǎn)變?yōu)閳A偏振光。該圓偏振光兩次穿過(guò)旋轉(zhuǎn)的1/4波片，使其產(chǎn)生2f的頻移。圓偏振光再次穿過(guò)固定1/4波片后又恢復(fù)為線偏振光，但頻率已發(fā)生偏移d) 垂直于入射光束方向移動(dòng)（勻速）光柵的方法也可以使通過(guò)光柵的第n級(jí)衍射光產(chǎn)生頻移，此處f 是光柵的空間頻率，V是光柵移動(dòng)速度。4） 聲光調(diào)制器利用布拉格盒（BraggCell）聲光調(diào)制器可以起到與移動(dòng)光柵同樣的移頻效果。這時(shí)超聲波的傳播就相當(dāng)于移動(dòng)光柵，其一級(jí)衍射光的頻移量就等于布拉格盒的驅(qū)動(dòng)頻率f，而與光的波長(zhǎng)無(wú)關(guān)。顯示裝置 光電計(jì)數(shù)器 Nd:YAG 激 光器 待測(cè)物 可移動(dòng)臺(tái) 光電顯微鏡 激光束 光束2 光束1 邁克爾遜干涉儀 BS 激光外差干涉測(cè)長(zhǎng)激光散斑無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是通過(guò)被檢物體在加載前后的激光散斑圖的疊加，從而在有缺陷部位形成干涉條紋。使用角錐棱鏡代替了平面反射鏡作為反射器，一方面避免了反射光束反饋回激光器而對(duì)激光器帶來(lái)的不利影響，另一方面由于角錐棱鏡的特點(diǎn)，使得出射光束與入射光束平行，而棱鏡繞任一轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)均不影響出射光束的方向，當(dāng)它繞光學(xué)中心轉(zhuǎn)動(dòng)的角度不大時(shí)，它對(duì)光程的影響也是產(chǎn)生效果中不能忽視的。角錐棱鏡的形狀相當(dāng)于立方體切下來(lái)的一個(gè)角，它的三個(gè)內(nèi)表面作為光學(xué)反射面并相互垂直。當(dāng)光從基面入射，可在三個(gè)直角面上依次反射，仍從基面出射。出射光線與入射光線總保持平行。軟件取值法主要是通過(guò)直接采樣干涉信號(hào)，然后通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理獲得相位信息。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，軟件取值法要求設(shè)計(jì)的外差干涉系統(tǒng)、激光器的輸出功率與頻率均需要有相當(dāng)高的穩(wěn)定性，A／D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率應(yīng)大于系統(tǒng)外差頻率(即調(diào)制頻率1／T)的三倍，而且它一般采用CCD線陣或面陣作為光電探測(cè)器。因此，造價(jià)高且頻響低，適用于調(diào)制頻率較低(lkHz)的場(chǎng)合。應(yīng)用受到一定程度的限制。所以，設(shè)計(jì)研制了硬件取值法來(lái)實(shí)現(xiàn)相位的高精度測(cè)量。硬件取值法主要是通過(guò)把光電探測(cè)器探測(cè)到的信號(hào)經(jīng)過(guò)放大處理后，再整形成方波信號(hào)。在信號(hào)輸入到相位檢測(cè)器之前，需經(jīng)隔直流、自動(dòng)增益放大、波形整形使之變成方波信號(hào)供相位檢測(cè)器件使用。而方波信號(hào)經(jīng)鑒相器、電荷泵、濾波電路、信號(hào)抬高放大電路后就得到了與相位差成正比的電壓信號(hào)。光外差干涉技術(shù)可以用于測(cè)量象平面上每一點(diǎn)的光程差 (OPD)值，這就是說(shuō)，當(dāng)探測(cè)器位于象平面上一點(diǎn)時(shí)就可獲得正比于該點(diǎn)OPD的電壓，這種系統(tǒng)不記錄條紋，而是把象面上每點(diǎn)OPD值直接輸給計(jì)算機(jī)處理。，以說(shuō)明外差相位測(cè)量原理。設(shè)測(cè)試光路和參考光路的光波頻率分別為ω和ω+Δω，則干涉場(chǎng)的瞬時(shí)光強(qiáng)為由于光電探測(cè)器的頻率響應(yīng)范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于光頻ω，它不能跟隨光頻變化，所以式中含有2ω的交變項(xiàng)對(duì)探測(cè)器的輸出響應(yīng)無(wú)貢獻(xiàn)。干涉場(chǎng)中某點(diǎn)（x，y）處光強(qiáng)以低頻Δω隨時(shí)間呈余弦變化。頻帶寬度的光電探測(cè)器上合成，探測(cè)器響應(yīng)是電場(chǎng)強(qiáng)度和的平方，表示為： () () () ()激光器數(shù)據(jù)處理1/4波片準(zhǔn)直系統(tǒng)可動(dòng)角隅棱鏡檢偏器v探測(cè)器 前置放大器f2 f1f1177。Δff2f1f2f1177。Δf 雙頻激光器外差干涉測(cè)長(zhǎng)原理圖偏振分光鏡f2－f1f2－（f1177。Δf）由于是利用物體表面反射的光通過(guò)棱鏡后產(chǎn)生的微小剪切量形成散斑干涉圖，不需要參考光路，因此外界干擾的影響小，檢測(cè)時(shí)不需要防震工作臺(tái)，便于在現(xiàn)場(chǎng)使用。隨著激光散斑測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，采用CCD攝像機(jī)輸出干涉圖像信號(hào)，省去了顯影、定影等繁雜的濕處理程序，大大提高了檢測(cè)效率，同時(shí)可直接將輸出的數(shù)字化信號(hào)與計(jì)算機(jī)連接，自動(dòng)處理，并可在計(jì)算機(jī)屏幕上實(shí)時(shí)觀察到干涉圖形，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用十分方便。是將激光超聲加載到高頻范圍內(nèi)處理, 避開(kāi)低頻1/f 噪聲的干擾。但激光超聲信號(hào)的幅值強(qiáng)度很小(其位移幅值一般在微米量級(jí)), 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, 光路噪聲大, 信噪比低。差頻信號(hào)是由具有恒定頻率（近于單頻）和恒定相位的相干光混頻得到的，只有激光才能實(shí)現(xiàn)外差探測(cè)。 光外差檢測(cè)優(yōu)勢(shì)（一）光外差檢測(cè)不僅可檢測(cè)振幅和強(qiáng)度調(diào)制的光信號(hào)，還可檢測(cè)頻率調(diào)制及相位調(diào)制的光信號(hào)。（二）光外差檢測(cè)器輸出電流振幅為 ()式中，分別為信號(hào)光功率和本振光功率。在直接檢測(cè)中，輸出信號(hào)電流的振幅為