激光超声检测系统设计

    0 引 言  

    随着工业技术的发展，越来越多的场合需要进行无损评价，在高温高辐射等恶劣环境下对物品进行检测或对复合材料进行评估等操作。目前应用的无损检测系统有很多，但是在性能、成本以及便携性等方面或多或少存在一些缺陷。

    激光超声技术是利用激光来激发和检测超声的一门新兴技术，是一种涉及光学、声学、热学、电学材料学、医学等多学科的科学和技术。与传统的压电超声技术相比，激光超声技术具有非接触、宽带、激发源高保真及点源/点接收等优点，因此，它更有利于材料的无损评估、材料表征和缺陷检测、加工过程监测，以及复杂形貌的工件或高温高压、辐射等恶劣环境下设备的监测等。文中研究设计了一种有效、便携、实用的激光超声无损检测系统。

    激光激发的表面波主要是由于材料表面吸收光能使表面温度升高并引起热膨胀而产生的。表面波沿材料表面传播且振幅随离表面深度迅速衰减。表面波在固体表面传播对该材料形成了扰动，且一般具有几十纳米的表面位移。从探测表面波引起的表面微位移出发，假设有一束光照射到材料表面，由于表面波引起的扰动是一个时间连续变量，则在特定方向上的反射光通量随时间发生变化，反过来该光通量变化刚好对表面波的传播。原理如图 1 所示。

    激光超声技术的优点[1]在于:(1)免去了常规超声换能器必需的耦合剂；(2)具有极强的抗干扰能力；(3)易于实现远距离的遥控激发和接收；(4)方便地应用于高温(特别是 700 ℃以上)、高压、高湿等恶劣的情况；(5)可以在非压电晶体中直接激发出超声，用于检测非压电晶体；（6）基于超声衍射方法的缺陷检测技术具有检测微小缺陷和裂纹的潜力；（7）可以进行缺陷的精确定位及尺寸量度，并可作为点声源应用于理论研究；（8）可用于表面几何形状复杂及受限制如焊缝根部、小直径管道等的检测；(9)可以用以检测界面缺陷以及表面缺陷。

    基于国内外的相关文献，运用反馈控制思想，在激光超声检测系统的超声检测子系统中引入两个稳定电路——He-Ne激光器稳定电路和共焦F-P干涉仪(CFPI)稳定电路，实现激光器的激光频率的稳定输出和在半峰值处 CFPI 的稳定工作，保证该检测系统良好工作。

    1 激光超声检测系统设计概述

    超声激光干涉探测有自差法、外差法和共焦Fabry-Perot 干涉法等，自差法和外差法的共同特点是对表面位移灵敏，但无法消除工业现场各种振动对探测的干扰，且在接收一个光斑时才有最佳探测效果[2-3]，因此，这两种方法通常只适用于实验室条件下光滑表面的超声振动探测。共焦 Fabry-Perot 干涉仪对固体表面的速度灵敏，对周围环境的位移不灵敏，而且可同时接收多个散射光斑，有强的集光能力，因此适合于工业现场对工件表面的超声振动探测。Fabry-Perot速度干涉仪早已应用于风力测定[4]和冲击波研究[5]。在超声波检测中，为了得到想要的带宽，则采用球面共焦 Fabry-Perot 干涉仪来代替平面的。这样做的同时还可以得到好的光通过量[6]，因为在相同的带宽下，平面 Fabry-Perot 干涉仪的集光效率与简单的迈克耳逊（Michelson）干涉仪的集光效率相比没有差别，但是改用两个共焦球面镜以后，其光通过量将大大加强，光通过量和带宽是相关的：2 2/ 2πvE ? v ≈R（R 是球面半径）。