【正文】 畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） H e2 s 2 s 1 s5 S4 S6 2 3 . 8 納 米3 . 3 9 微 米4 P3 P1 8 . 7 e V1 6 . 7 0 e V3 P3 S1 . 1 5 微 米碰 撞 轉(zhuǎn) 移電 子 轉(zhuǎn) 移1 9 . 7 8 e V 圖 氦氖激光器 能級(jí)簡(jiǎn) 圖 氦氖激光器 有如下 特性 ： HeNe 激光器在可見(jiàn)區(qū)和紅外區(qū)可產(chǎn)生多種波長(zhǎng)的激光譜線(xiàn)；它具有一般的氣體激光器所固有的方向性好，單色性好， 相干性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。 4s、 5s 能級(jí)也是兩個(gè)亞穩(wěn)態(tài)，原子處于 4s、 5s 能級(jí)壽命較處于 3P、 4P 能級(jí)的壽命長(zhǎng)；又因?yàn)楹ぴ用芏缺饶试用芏雀?，這樣就有較多的亞穩(wěn)態(tài)氦原子和氖原子碰撞，使較多的氖原子處于 4s、 5s 能態(tài)，不僅如此，從 4s、 5s自發(fā)輻射的概率很小，這樣就實(shí)現(xiàn)了氖原子的 4s、 5s 能態(tài)相對(duì) 3P、 4P 能態(tài)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，當(dāng)適當(dāng)頻率的光子入射時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)能級(jí)間受激輻射放大，分別發(fā)出 微米、 納米、 微米波長(zhǎng)的激光。 目前最小的氦氖激光器的長(zhǎng)度長(zhǎng)僅 25 厘米，直徑 厘米。氦氖激光器通常是由工作物質(zhì)（ He、 Ne 氣體）、諧振腔以及激發(fā)電源三部分構(gòu)成。 氦氖激光器 氦氖激光器是在 1960 年成功運(yùn)轉(zhuǎn)的第一臺(tái)氣體激光器，也是繼紅寶石激光器后出現(xiàn)的第二臺(tái)激光器，由于它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、工作可靠、壽命長(zhǎng)、頻率穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，作為一種新型光源，應(yīng)用比較廣泛。 ⑸ 利用現(xiàn)有的電子組件，如光電二極管等，光的信號(hào)很容易轉(zhuǎn)換成電的信號(hào)，且容易在后級(jí)中作處理與放大，并可由數(shù)字技術(shù)作數(shù)值分析統(tǒng)計(jì)等工作。 ⑶ 較不易受工作環(huán)境影響，如熱的影響、電磁干擾。 激光在工業(yè) 的應(yīng)用中的優(yōu)點(diǎn) 由于激光具有高度方向性和高強(qiáng)度性，應(yīng)用在工業(yè)檢測(cè)及控制系統(tǒng)上有很多優(yōu)點(diǎn)，諸如： ⑴ 待測(cè)工件與測(cè)量?jī)x器之間為非接觸性測(cè)量，所以不易傷及待測(cè)工件的表面。這就是激光振蕩器或簡(jiǎn)稱(chēng)激光器的基本原理。這便激光放大器的基本原理。只要使發(fā)光物質(zhì)處在粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的狀態(tài)，受激輻射就會(huì)大于受激吸收。 此時(shí)當(dāng)有頻率等于 hEE 12 ??? 的一束光通過(guò)發(fā)光物質(zhì)時(shí)，受激吸收將大于受激輻射，故光強(qiáng)減弱。當(dāng)一束光通過(guò)發(fā)光物質(zhì)后，究竟是光強(qiáng)增大還是減弱，要看這兩種躍遷過(guò)程哪個(gè)占優(yōu)勢(shì)。由于受激輻射產(chǎn)生的光子都屬于同一光子態(tài)，因此它們是相干的。 激光產(chǎn)生的基本原理 在受激輻射躍遷的過(guò)程中 ， 一個(gè)誘發(fā)光子可以使處在上能級(jí)上的發(fā)光粒子產(chǎn)生一個(gè)與該光子狀態(tài)完全相同的光子，這兩個(gè)光子又可以去誘發(fā)其它發(fā)光粒子，產(chǎn)生更多狀態(tài)內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 相同 的光子。 當(dāng)然，就某一臺(tái)具體的激光器而言，它所發(fā)射的激光并不一定具有上述全部特性，更不一定具有那些特性的最佳指標(biāo)。 上述幾 點(diǎn)是激光的主要特性，它和激光的另外幾條特性也是相互聯(lián)系的。 現(xiàn)在亮度最高的普通光源是高壓脈沖氙燈，其亮度可達(dá)太陽(yáng)亮度的幾十倍。 ⑷ 亮度 由于激光束的方向性好，光能可集中到達(dá)某一區(qū)域從而形成極高的亮度。當(dāng)然受種種因素的限制，激 光的相干長(zhǎng)度不可能這么大。由于激光的單色性好，其相干時(shí)間就長(zhǎng)，相干長(zhǎng)度也就越長(zhǎng)。激光的空間相干性還表現(xiàn)在兩個(gè)相互獨(dú)立的同類(lèi)型激光器發(fā)出的光是相干光，而兩個(gè)普通光源所發(fā)出的光絕不會(huì)是相干光。理想的平行光束是完全相干的，即在光束截面上處處相干。由此可見(jiàn)，激光器的單色性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)任何一種單色光源。與此同時(shí)，氦氖激光器輸出的光， 波長(zhǎng)分布范圍非常窄 ， 因此顏色極純。在普通光源中，氪同位素 86 燈發(fā)出的波長(zhǎng) λ =6957 埃的光譜線(xiàn)的單色性最好。通常 , 單色性系表示激光具有一種顏色或一種波長(zhǎng) ，一條有一定寬度的譜線(xiàn)對(duì)應(yīng)著波長(zhǎng)在一定范圍內(nèi)變化的一系列的單色 光， 一般光 的 波長(zhǎng)或頻率都有一定的譜寬和頻寬 ，人們便用該波長(zhǎng)的變化范圍 ?? 來(lái)表示這條譜線(xiàn)的寬度。 ⑵ 單色性 通俗地說(shuō)，單色性好，就是顏色純。 普通光源是向著三維空間的所有可能的方向發(fā)光的，即使經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)把光能流進(jìn)行集中，其發(fā)射度亦較激光大得多。另外，激光還具有聚焦性質(zhì)、調(diào)諧性和超短脈沖等特性，下面對(duì)其作簡(jiǎn)單介紹。實(shí)際上，它們的量子性根源相同。正因?yàn)?如此，激光才具有普通光束所不具備的特點(diǎn)。但是就光的產(chǎn)生機(jī)制與產(chǎn)生方式而言，兩者卻有很大區(qū)別。在此主要對(duì)激光產(chǎn)生的基本的特性、原理、應(yīng)用和氦氖激光器的基本結(jié)構(gòu)、工作原理及其特性等的基本知識(shí)作以下簡(jiǎn)單介紹。激光的出現(xiàn)是對(duì)傳統(tǒng)光源的一次革命，它應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、交通、科研以至日常生活等幾乎所有的國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域。直至 1960 年，第一臺(tái)紅寶石激光器才面世，它標(biāo)志了激光技術(shù)的誕生。 激光 及激光 全息檢測(cè)技術(shù) 激光基本知識(shí)的介紹 激光在我國(guó)最初被稱(chēng)為“萊塞”，即英語(yǔ)“ Laser”的譯音，而“ Laser”是“ Light Amplification by Stimutated Emission of radiation”的縮寫(xiě)，意思是“輻射的受激發(fā)射光放大” 。通過(guò)設(shè)備內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 驅(qū)動(dòng)程序，數(shù)字信號(hào)進(jìn)入計(jì)算機(jī)。 信號(hào)處理電路將激光探頭輸出的 電壓 信號(hào)進(jìn)行整形、轉(zhuǎn)換、 濾波和隔離等處理，變成標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)。利用激光全息照相技術(shù)，激光全息干涉光路圖如圖 所示， 產(chǎn)生的激光由分光鏡產(chǎn)生兩束光，一束用來(lái)照射需檢測(cè)的重軌斷面，再由重軌表面漫反射到光電 轉(zhuǎn)換 元件上，這束光稱(chēng)為物光束；另一束光經(jīng)過(guò)反射鏡反射照射到光電 轉(zhuǎn)換 元件上，這束光稱(chēng)為參考光束。檢測(cè) 系統(tǒng)主要由光電傳感器（激光探頭）、信號(hào)處理電路、數(shù)據(jù)采集卡（ PCI6221）和計(jì)算機(jī)四部分組成。此檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用并不僅僅限于鐵路運(yùn)輸業(yè)，而且也可以 推廣其他各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展中。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和人工智能等高新技術(shù)的飛速發(fā)展，鋼軌探傷技術(shù) 也在向高速度、自動(dòng)化、智能化的方向發(fā)展。由于鋼軌是鐵路系統(tǒng)中一個(gè)極其重要的組成部分，在使用過(guò)程中被暴露于野外，要在各種環(huán)境條件下工作，要內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 承受各 種不同類(lèi)型、頻率及方向的高強(qiáng)度應(yīng)力的作用而產(chǎn)生各種疲勞缺陷。多年來(lái)，激光全息無(wú)損檢測(cè)的理論、技術(shù)、照相系統(tǒng)和圖像處理系統(tǒng)都有了很大發(fā)展，在航空航天工業(yè)中 ， 對(duì)復(fù)合材料 、 蜂窩夾層結(jié)構(gòu)、疊層結(jié)構(gòu)、航空輪胎和高壓管道容器的檢測(cè)具有某些獨(dú)到之處，解決了用其他方法無(wú)法解決的問(wèn)題 ，因此 激光全息無(wú)損檢測(cè)由于具有諸多優(yōu)點(diǎn)而使其得到了迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用 。有政府和企業(yè)撥款專(zhuān)門(mén)從事無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)，大家都爭(zhēng)先把物理學(xué)方面的新成就應(yīng)用于無(wú)損檢測(cè)，以提高產(chǎn)品質(zhì)量、競(jìng)爭(zhēng)力以及使用過(guò)程中的安全性等?？梢灶A(yù)計(jì) ， 測(cè)試儀器的變革，虛擬儀器的普及已為期不遠(yuǎn)。這一方面使虛擬儀器的種類(lèi)更加完善、技術(shù)更加成熟；另一方面，也使虛擬儀器的競(jìng)爭(zhēng)更趨激烈，技術(shù)的發(fā)展與競(jìng)爭(zhēng)的激烈將使虛擬儀器的性能越來(lái)越好，價(jià)格越來(lái)越低，因而其普及率也將會(huì)越高。 科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的今天，無(wú)論是計(jì)算機(jī)還是組建虛擬儀器用的板卡的性能和價(jià)格都將發(fā)生更大的變化。它除了必要的硬件接口支持 ， 虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)使用戶(hù)可以借助于 Windows 系統(tǒng)的遠(yuǎn)程桌面 、 LabVIEW 的網(wǎng)絡(luò)通信功能 、 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等 ， 用戶(hù)能很快在 Web 上發(fā)布虛擬儀器的面板 ， 直接在本地打開(kāi)并操控虛擬儀器 ， 以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程測(cè)試 、 診斷和維修。使用虛擬儀器技術(shù) ， 可以使用以太網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)大 功能遠(yuǎn)程控制儀器設(shè)備 ， 或是與遠(yuǎn)在其他辦公地點(diǎn)甚至其它國(guó)家的同事合作處理一個(gè)項(xiàng)目。 虛擬儀 器技術(shù) 是 將 儀器儀表技術(shù)與 計(jì)算機(jī) 技術(shù)及以太網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合 ， 利用實(shí)時(shí)控制與嵌入式控制器技術(shù)革新 ， 促進(jìn)測(cè)量和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展。標(biāo)準(zhǔn)化的結(jié)果將使不同廠(chǎng)商生產(chǎn)的產(chǎn)品或不同體系結(jié)構(gòu) （ 如 GPIB、 VXI、USB、 PCI 等 ） 的產(chǎn)品相互兼容 ， 開(kāi)放性進(jìn)一步增強(qiáng)。 為了便于用戶(hù)使用 ， 儀器制造商同時(shí)對(duì)硬件和軟件標(biāo)準(zhǔn)化 ， 將虛擬儀器 、 虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)細(xì)分為硬件模塊 、 驅(qū)動(dòng)程序和軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)等若干層 ， 對(duì)各層與相鄰層之間的接口都加以規(guī)范 。購(gòu)置工程應(yīng)用開(kāi)發(fā)平臺(tái)并擁有其最佳性能 ， 可以使企業(yè)大大縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間并提高每個(gè)工程師的工作效率。隨著測(cè)量和控制應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ο?統(tǒng)性能和靈活性要求的不斷提高 ， 軟件的設(shè)計(jì)功能也日漸重要。這是就全球虛擬儀器市場(chǎng)而言 ， 就國(guó)內(nèi)市場(chǎng) ， 我們可以大力發(fā)展 PXI總線(xiàn)。目前 ， 整個(gè)虛擬儀器市場(chǎng)都在增長(zhǎng) ， PXI 總線(xiàn)市場(chǎng)增長(zhǎng)的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了 VXI 總線(xiàn) ， 平均年增長(zhǎng)率為 %。發(fā)達(dá)國(guó)家在傳統(tǒng)儀器市場(chǎng)已有相當(dāng)規(guī)模 ，如果退出太快 ， 就會(huì)造成巨大的退出成本。 虛擬儀器技術(shù)采用通用計(jì)算機(jī)平臺(tái) ， 用軟件算法代替硬件實(shí)現(xiàn)儀器功能 ， 這可以繞過(guò)復(fù)雜的工藝問(wèn)題和傳統(tǒng)儀器的知識(shí)產(chǎn)權(quán) ， 與國(guó)外公司在一個(gè)全新的領(lǐng)域 ， 展開(kāi)競(jìng)爭(zhēng) ，大力發(fā)展虛擬儀器。 同時(shí)又具有進(jìn)一步擴(kuò)展其功能 。這種新型的 、 可直接編程的儀器 ， 隨著計(jì)算機(jī)的功能與靈活性的不斷改進(jìn)而進(jìn)步 。不過(guò) ， 近年來(lái)已有多家儀器廠(chǎng)商正在研制 、 開(kāi)發(fā)面向測(cè)試高端領(lǐng)域的寬帶 、 高速 、 復(fù)雜的模塊化儀器 。 虛擬儀器 技術(shù)的前景展望 目前 ， 虛擬儀器的應(yīng)用受到了一定的限制?！皞鹘y(tǒng)的獨(dú)立儀器由制造商來(lái)定義它的功能，而虛擬儀器完全由用戶(hù)自己內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 來(lái)定義儀器的功能”，透徹地說(shuō)明了虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的根本區(qū)別。但是虛擬儀器的“面板”顯示在 計(jì)算機(jī) 的屏幕上，儀器的操作是通過(guò)鼠標(biāo)選中不同的按鍵和旋鈕來(lái)完成的。同時(shí)，“處理結(jié)果的最終顯示”原 本就是計(jì)算機(jī)的“長(zhǎng)項(xiàng)”。它的全部功能都是以硬件的形式存在，并通過(guò)鍵盤(pán)和鼠標(biāo)來(lái)實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)儀器經(jīng)歷了從模擬儀器到數(shù)字化儀器的變革，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)的不斷發(fā)展，測(cè)試項(xiàng)目日益增多，測(cè)量范圍日漸擴(kuò)大，對(duì)測(cè)試系統(tǒng)在精度、速度及功能 方面有了更高的要求，這就促使 需要 不斷地改進(jìn)和完善測(cè)量?jī)x器和測(cè)試方法，組建自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，使測(cè)試儀器逐步向智能化、自動(dòng)化和虛擬化發(fā)展演變。因此激光全息無(wú)損檢測(cè)方法能解決常規(guī)檢測(cè)手段難以解決的問(wèn)題具有不可替代的獨(dú)特地位 [6]。 激光全息檢測(cè)卸載后 ，可重新加載進(jìn)行重復(fù)性檢測(cè) ， 為準(zhǔn)確 、 可靠地檢測(cè)提供了條件 。 對(duì)不允許接觸溶劑類(lèi)的產(chǎn)品固體火藥柱超聲波法檢測(cè)受到限制 ， 而激光全息非接觸檢測(cè)發(fā)揮了其優(yōu)勢(shì) 。 而且射線(xiàn)照相法還必須要求 射線(xiàn)與裂紋平行 ， 這樣對(duì)復(fù)雜形狀的構(gòu)件檢測(cè)困難較大 ， 容易造成漏檢 。 激光全息無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的地位和優(yōu)勢(shì) 激光全息 檢測(cè) 技術(shù)具有靈敏度高 、 檢測(cè)速度快 、 不用探頭接觸零件表面 、 不需要 耦合劑 、 對(duì)構(gòu)件的形狀和表面狀態(tài)無(wú)特殊要求 、 能全場(chǎng)直觀(guān)顯示缺陷情況等優(yōu)點(diǎn) ， 而且檢測(cè)結(jié)果易于保存 。因此，每一種檢測(cè)方法都還不能百分之百地對(duì)檢測(cè)結(jié)果絕對(duì)保證無(wú)誤， 各種方法都有其各自的優(yōu)點(diǎn)和不完善的地方，在生產(chǎn)應(yīng)用中要結(jié)合實(shí)際情況來(lái)選擇。另外，還有各種新技術(shù)，如激光全息照相技術(shù)、聲振檢測(cè)、紅外檢測(cè)和聲發(fā)射檢測(cè)等 [3]。與此同時(shí)，我國(guó)已有一批生產(chǎn)無(wú)損檢測(cè)儀器設(shè)備的專(zhuān)業(yè)廠(chǎng)，主要生產(chǎn)常規(guī)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)所需的儀器和設(shè)備。隨著現(xiàn)代化水平的提高，我國(guó)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)已取得了很大的進(jìn)步。 無(wú)損檢測(cè)技術(shù)經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段，即無(wú)損檢查（ Nondestructive Inspection， NDT）、無(wú)損檢測(cè) ( Nondestructive Testing， NDT)和無(wú)損評(píng)估 ( Nondestructive Evaluation， NDE)，目前統(tǒng)稱(chēng)無(wú)損檢測(cè)（ NDT）。 無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的特點(diǎn) ： 無(wú)損檢測(cè)不會(huì)對(duì)構(gòu)件造成任何傷害 ； 無(wú)損檢測(cè)技術(shù)為查找缺陷提供了一種有效方法 ； 無(wú)損檢測(cè)技術(shù)能夠?qū)Ξa(chǎn)品質(zhì)量實(shí)施監(jiān)控 ； 無(wú)損檢測(cè)診斷技術(shù)能夠防止因產(chǎn)品失效引起的災(zāi)難性后果 ； 無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用范圍廣闊。 Virtual Instrument 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 目 錄 摘 要 ........................................................................................................................................ II Abstract .....................................................................................................................................III 第一章 引 言 ............................................................................................................................ 1 無(wú)損檢測(cè)技術(shù) ............................................................................................................. 1 無(wú)損檢測(cè)技術(shù)概述 ..............................................................................