（光学工程专业论文）单模光纤超声传感系统的设计与应用.pdf

一一 y 3 9 81 3 3 摘要 本文从光纤传感的基本原理出发，对基于双折射效应的光纤传感原理进行 了较深入的研究，并在此基础上设计和制作了适用于金属中激光超声纵波检测 的单模光纤超声传感系统。 本文简要阐述了激光超声的激发机制以及探测方法，总结了目前广泛使用 的几种光纤超声传感器的工作原理。深入地探讨了基于双折射效应的光纤传感 器的原理，并在此基础上提出了两种光纤探头的绕制方法：螺旋型和平行型。 采取体波透射法，对铜片中的激光超声纵波进行了测量，可以实现金属厚度的 测量。 7 弋本文还结合设计制作过程中出现的实际问题，采用张紧光纤自由端的方法 解决了光纤的偏振状态和温度漂移等问题。实验结果表明，我们所设计的单模 光纤超声传感系统成本低、制作容易。易于小型化，具有较宽的频响( 几十k h z 到几十m h z ) 和较高的灵敏度，对于激光超声纵波的检测十分有效。丫 1 关键词：单模光纤，超声传感器，激光超声，双折射效应 南京理工大学硕士学位论文 墓塞塑墼 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , w es t u d i e dt h eb a s i ct h e o r yo fo p t i c a lf i b e rs e n s i n ga n dd i s c u s s e d t h ep r i n c i p l eo f s i n g l e m o d ef i b e rb i r e f r i n g e n c ei nd e t a i l s an o v e ls i n g l e m o d ef i b e r s e n s i n gs y s t e mw a sd e s i g n e d f o rt h ed e t e c t i o no fl a s e r i n d u c e du l t r a s o n i ci n t h e m e t a l b a s e do nt h ee x c i t i n gm e c h a n i s ma n dt h ed e t e c t i o nm e t h o do fl a s e r i n d u c e d u l t r a s o n i c ，w ep r e s e n t e dt h eo u t l i n e so fs e v e r a lm o s tw i d e l yu s e df i b e r u l t r a s o n i c s e n s o r s t w od i f f e r e n ts h a p e so ff i b e ru n i t s - - s p i r a la n dp a r a l l e lc o n f i g u r a t i o nw e r e d e s i g n e d b ya p p l y i n gt h em e t h o do f t h ep e n e t r a t i o no ft h eb u l kw a v e ，w ed e t e c t e d t h el o n g i t u d i n a lw a v e si nt h ec o p p e rp l a t e f i n a l l yt h et h i c k n e s so ft h es a m p l ew a s c a l c u l a t e d c o m b i n i n gw i t h t h e p r a c t i c a lp r o b l e m o fo u re x p e r i m e n t ，w es o l v e d t h e c o n t r o l l i n go f t h ef l o a t so f p o l a r i z i n gs t a t e sa n dt e m p e r a t u r e f r o mt h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t s ，w ef o u n dt h a to u rs e n s i n gs y s t e mh a dt h ep r i o r i t i e so fl o w - c o s t ，c o m p a c t ， h i g h l ys e n s i t i v ea n d a l s oh a db r o a df r e q u e n c yb a n d ，w h i c hw a sv e r ye f f e c t i v ef o rt h e d e t e c t i o no fl a s e r - i n d u c e dl o n g i t u d i n a lw a v e s k e y w o r d s ：s i n g l e m o d eo p t i c a lf i b e r ，u l t r a s o n i cs e n s o r , l a s e r i n d u c e d u l t r a s o n i c b i r e f r i g e n c e 南京理工大学硕士学位论文 一、绪论 l 绪论 1 1 研究背景 声学方法是研究物质特性的基本方法之一。由于声波与物质的相互作用， 所以通过对物质声速和声速衰减等的测定，就可以确定物质的一些基本物理参 量。自从脉冲激光在固体中产生大振幅、窄脉宽的声脉冲技术获得成功以来， 人们便采用持续时间极短的超声脉冲，并结合快速傅里叶变换( f f t ) 数字信 号处理技术，可以在很宽的频率范围内对物质进行光声研究，因此，在试样内 通过激光产生一个非常窄的超声脉冲，利用超声检测对物质特性的研究是十分 有利的。 1 2 激光超声的发展概况 最早是w h i te 和a s k a r y a n 于1 9 6 3 年各自独立地提出了用脉冲激光激发超 声，前者考虑固体，后者考虑液体。接着r a m s d e l l 和b u n k i ny 以及s t e g m an 观 察到强激光在固体中产生的爆炸波和大气中产生的点火和燃烧波( 称l sc 渤。 实际上这两者均是激波，由介质破裂引起的，都会随时间和距离增加而衰变为 声波。至此以后激光激发应力脉冲( 声脉冲) 的研究就不断的发展起来，在三 种媒质中的激发研究均有很大进展。 在1 9 6 2 、1 9 63 年，w h i te 演示了固体靶由于吸收激光、微波、电子束等辐 射脉冲而产生弹性波的实验，也提出了由瞬态表面热化而产生弹性波的一维理 论。不久又演示了用红宝石激光器激发，用梳状换能器接收声表面波的实验追 溯起来，这就是激光超声技术的开始。 1 9 76 年b o n d a r e n ko 等首先将激光超声技术用于材料试验。用调q 红宝石 激光器激发，用带宽为5 k h z 至1 5 0 m h z ，位移灵敏度为1 0 9 m 的干涉仪检测有 由层抛光的不锈钢板钳在一起的人工缺陷。1 9 80 年c a l d er 等用相似的方法 ( n d ：g l a ss 激光激发) 检测来自1 5 6 m m 人工援助缺陷的散射波。这人工缺陷 是制作在2 5 m m 厚的铝板中心。w e l l m an 等用能量为l j 的红宝石激光器激发， 干涉仪检测，分辨出两个直径为2 n u n 的平行的人工钻孔缺陷。之后h u t c m n s 和n e d e o u 等用n d ：y a g ， 0 8 j 和带宽为4 0 m h z ，灵敏度为i n m 和具有低频稳定 南京理工大学硕士学位论文 一、绪论 系统的干涉仪进行表面缺陷的检测。m o n c h a l in 建成共焦法卜利一伯罗( f a b r y p e r ot 简称f p ) 干涉仪，首次实现了在1 m 远处对未抛光的钢板进行激光超声 的检测试验。b o u r k o ff 等采用f = 6 n s ，e 。= 1 0 2 1 的染料激光器来激发超声， 是使用低能量激光( 比以前用的低几个数量级) 激发超声的开始。 与激光超声技术应用相平行的研究是激光超声激发机制、模式和方法等。 1 9 79 年l e d b e t t er 等最先检测到一次激发同时产生的纵、横波和s a w 。只是激 光的e = 0 3 1 j ，检测时样品表面有损。值得提出的是1 9 8 0 、1 9 82 年s c r u b y ， d e w h u r st 等人对激光在金属中产生超声波形作了定量的测量，并用面内正交力 偶模型解释了热弹条件下的激发现象，用垂直力模型解释了融蚀条件下的激发 现象，为激光超声的应用技术打下了基础。从60 年代开始至80 年代中期，脉 冲激光超声的快速进展可在若干综述文章和书中看出。自此以后，激光超声向 更深入更实际的方向发展。 激光超声的探测对于描述金属材料的内部特征有着十分重要的意义。目前 广泛使用的超声探测装置有压电换能器，高分子聚合物p v d f 薄膜等。光纤传 感器因具有灵敏度高，抗电磁干扰，可绕性，以及可实现不带电的全光型探头 等独特的优点在激光超声检测领域中有着广阔的应用前景。 光纤传感器如此引人注目，主要是因为光纤传感器是以光学技术为基础， 将被敏感的状态以光信号的形式取出。光信号不仅人能直接感知，而且利用半 导体二极管诸如光电二极管、雪崩光电二极管、p i n 管和发光二极管、激光二 极管之类的小型而简单的元件很容易进行光电、电光转换，所以易与高度发展 的电子装置匹配，这是光纤传感器的突出优点。 目前，光纤传感器已用于测量温度、压力、振动、位移、速度、磁场、电 流、电压、液位、水深、流量、旋转以及辐射等物理量。各种类型的光纤传感 器达百余种。 1 3 光纤传感器的发展概况 光纤与激光、半导体光探测器一样，是一种新兴的光学技术，即形成光电 子学新的领域是20 世纪后半期重大发明之一。在70 年代中期，人们开始意识 到光纤本身可以构成一种新的直接交换信息的基础，无需任何中间级就能把待 南京理工大学硕士学位论文 一、绪论 测的量和光纤内得到光联系起来。自1 9 77 年美国海军研究所( n r l ) 开始执 行光纤传感系统( f o s s ) 计划以来，光纤传感器的概念在全世界的许多实验室 里变为现实。 光纤传感器的发展与光纤通信的发展密切相关，因为光纤通信的许多基础 技术和元器件如光源、光纤、耦合器、连接器和接收器等都可以用到光纤传感 器上。但是，光纤传感器有许多与光纤通信不同的特殊问题，这些问题的研究 和解决推动着光纤传感器的发展。 目前，从光纤传感器的发展就有如下的动向： 1 继续深入研究传感器的理论和技术，解决实用化问题，发展新原理的光 纤传感器。 光纤传感器基本原理的研究日益深入。强度、相位调制的传感器更加完善 而对波长调制和时间分辨信息的传感器亦有深入的研究。 传感器用于实际测量的主要问题是长时间漂移效应，人们对此进行了深入 研究，提出了许多解决办法。漂移效应来自光纤传输线的衰减、耦合器和分束 器特性不完善、光源输出不稳定及探测器的响应等。为了从技术上解决温漂问 题，国外对光纤传感头的固有调制形式进行了研究。例如，采用参考光路引入 参考信号可解决由于光学结构的漂移特性对测量的影响。对于不同调制方法的 传感器有着不同的参考光路。采用参考通道和信号通道的波长多路传输和空间 多路传输的先进技术，通过必要的调节，可以确保光纤传感器系统达到完全平 衡。无论采用何种方式，在传感头上使用“比较”技术。使光纤传感器获得长 时间的稳定，这样，就可以使光纤传感器实用化。 2 从单一传感器进入传感器系统的研究，并与微机处理相结合形成光纤 遥测系统。 单一光纤传感器的研究已进入到实用化阶段，但它无法适用于多参数、多 变量的测量，国外对传感器系统进行了大量的研究。 光纤传感系统的一种形式是采用多路传输的光学无源传感系统，其核心问 题是如何节省光路，寻求可能更有效利用的信息通道，使其能不畸变地传输由 各个光纤传感器取得的信息。利用光纤之间、几个无源传感之间、数据遥测通 南京理工大学硕士学位论文 一、绪论 道之间的多路传输可达到此目的。 光纤传感器具有与光纤遥测技术的内在相容性的优点，它可以与现有的光 纤数据传输组成光纤遥测系统。如用一组光纤液面或流量传感器装置相结合对 易燃、易爆等液面和流量进行检测与控制。 3 基础技术和元器件的研究取得了很大进展，可靠性和稳定性有了很大 提高。 ( 1 )开发光纤传感器用的特殊光纤。光纤传感器的种类繁多，应用范围 极广泛，因此所要求的光纤的种类不是单一的，而是具有多种不同特性。 ( 2 )提高有源和无源器件的稳定性、可靠性。由于近几年来特殊光纤的 不断发展，光纤传感器应用的有源、无源器件发展十分迅速，这包括偏振器、 耦合器、探测器、光源、连接器以及各种光学器件。 总之。国外用于光纤传感器的基础元器件大部分都已商品化，其稳定性和 可靠性大都能满足光纤传感器的要求。 ( 3 )深入研究检测系统。检测系统的目的是把光纤传感器的信号输出转 换为正比于信号场变化的一个电信号，一般说来，振幅型传感器的检测系统比 干涉型传感器的检测系统简单。由于干涉型传感器输出的是光的相位信息，这 一信息可以变化为干涉条纹或与相位有一定关系的振幅，因此带来检测系统的 复杂性。 综上所述，光纤传感器与传统传感器相比具有以下优点： 1 灵敏度高。 2 是无源元件。 3 光纤是电介质，耐高压，耐腐蚀，在易燃、易爆环境下安全可靠。 4 频带宽，动态范围大。 5 几何形状具有多方面的适应性，可以做成任意形状的传感器和传感器阵列 6 在共同的技术基础上可以制成传感不同物理量的传感器。 7 可以与光纤遥测技术相配合，实现远距离测量和控制。 8 由光纤传感器组成的光纤传感器系统便于与计算机连接，实现多功能、智 能化的要求。 南京理工丈学硕士学位论文 9 传感器体积小重量轻。 正是由于具有以上这些优点，光纤传感器在激光超声检测领域中有着广阔 的应用前景。 1 4 本文所做的工作介绍 本文从光纤传感原理和激光超声原理出发，对基于双折射效应的光纤传感 原理进行了较深入的研究。在此基础上设计并制作了基于双折射效应的单模光 纤超声传感系统。在对前人的工作总结基础上提出了两种光纤探头的绕制方 法，对不同厚度的金属铜片中的激光超声纵波进行了测量，并与他人的实验结 果进行了比较。 在完成本论文期间，参加了第八届国际声学会议，送交大会论文一篇并作 英文口头汇报： a s i n g l e - m o d e f i b e rs e n s o rf o r t h ed e t e c t i o no fl a s e r - i n d u c e du l t r a s o n i ci nt h em e t a l 南京理工大学硕士学位论文 二、激光超声 2 激光超声 激光超声技术发展迅速，涉及面十分广泛。本章在概述了激光超声的概念 及特点的基础上，着重阐述了固体中激光超声的激发机制和检测方法，并对当 前广泛应用的几种超声检测技术的原理进行了详尽的描述。 2 1 激光超声概述 当液体、固体或气体受到强的激光束( 脉冲的或连续调制的) 照射时会产 生激波和声波。激光激发的超声波有伴随激光激发激波而后产生的超声波，也 有没有激波伴随直接由激光激发的超声波两种。不管属于哪一种，凡遇激光导 致的超声都叫激光超声。研究激光激发超声的机理、方法和技术，激光超声在 媒质中的传播特性，激光超声的接收原理、方法以及激光超声检测技术的应用 等的学科称为激光超声学和激光超声技术。它是新发展起来的涉及光学、声学、 电学、材料科学、生物学、医学等多学科交叉的学科和技术，有着非常诱人的 科学和应用前景。 激光超声有各种不同的分类方式： 1 连续调制激光超声和脉冲激光超声。前者是一束强度被射频频率的声光 或电光调制器调制的连续激光激发超声、后者是用单次或重复频率= 1 几k h z 的调q ( q s w i t c h ) 脉冲激光激发超声、光脉冲的持续时间( 即半高度的全宽 度f w h m ) t 为微秒( 脚= 1 0 6 s ) 或纳秒( 珊= 1 0 - g s ) 量级，以及重复频率 为7 6 m h z 或8 0 m h z 以至更高的锁模( m o d e 1 0 c k e d ) 或锁模调q 激光激发超 声脉冲。激光的子脉冲宽度一为几十皮秒( p s = 1 0 - 1 2s ) 或亚皮秒( l p s ) 量 级。 2 纳秒或皮秒激光超声。前者激发用光脉冲的，为纳秒量级，后者为皮秒 或亚皮秒，这两者激发机制和接收方法以及检测均不相同。 3 全激光超声和非全激光超声。前者是用激光探针法接收，后者用非激光 探针法接收。 4 非接触式和接触式激光超声。前者用光探针、电容、电磁和空气换能器 接收，后者用压电换能器( 石英、铌酸锂、压电陶瓷及薄膜等) 接收。 南京理工大学硕士学位论文6 二、激光超声 5 直接激发和非直接激发的激光超声。后者指在样品表面覆盖一层液体或 吸收膜，光被液体或吸收膜吸收( 有时亦有一部分光透入样品) 激发声。 2 1 1 激光超声的特点 用脉冲激光激发超声是一种既方便又灵活的方法。它与用电脉冲压电激发 和电弧放电激发超声的粗略比较见下表： 表21 1 1 三种激励的比较 与传播媒质 方法激发所需材料产生声脉冲的机理目前得到的声脉从宽度 接触方式 电脉冲压电激励压电材料粘结耦合压电效应 5 一1 0 ，勰 电弧放电局部表面等离子加热 1 用2l a s e r ( = 0 5 n s ) 无接触地直得压力脉冲l n s 压电体、非压 脉冲激光( 或其 接产生与传 热弹或熔融等离子体 2 用锁模激光器 电体均可 他能量粒子) 激 播 参与+ 热弹、化学反 t = 7 0 p s o 2 p s ，得压 励应、介质破损等 力脉冲面0 0 p s - 2 3 p s 激光激发与压电激发相比时激光超声的特点如下： ( 1 ) 激光激发超声是光直接照射样品产生，光与样品之间无需耦合剂，也 不必用水浸法作检测，是非接触式的。可消除因祸合剂引起的附加影响。 ( 2 ) 激光源和激光接收系统可放在远离样品( 如已实现的有1 5 5 m 远) 的地方。它有远距离遥控激发和接收的特点，能在酸、碱、高温高压、及 辐射等恶劣环境下进行检测，具有向工业上在线检测和质量监控发展的潜 力。 ( 3 ) 可以在非压电体( 金属、绝缘体、陶瓷、有机材料等) 中直接激发超 声，不须借助于压电换能器。 ( 4 ) 激光激发超声，能一次同时在样品中激发出纵波、横波、头波和声表 面波( s a w ) 。在板中激发出板波。而在电超声技术中一种换能器只能激发一 种波型，不同模式波须用不同换能器。 ( 5 ) 用宽带接收器作非接触式对心( 即在样品激发点的中心垂直正对面 南京理工大学硕士学位论文 7 二、激光超声 称之为e p i c e n t e r 点) 接受激光超声时，可同时接收到纵波和横波。若样 品厚度已知，则可由一次试验求出该样品的纵波和横波声速，进而求出弹 性模量和泊松比。这是一般电超声方法做不到的。 ( 6 ) 当激光脉冲的宽度为时，激发出超声脉冲的脉宽与相近而录略宽些， 的加宽程度与材料特性有关。一般调q 脉冲激光器的f 为4 0 n $ ( 红宝石激 光器) ，8 珊( n d ：y a g 激光器) 。锁模调q 激光器子脉冲的f 3 5 瑚和锁模 染料激光器r 棚2 p 或f s o o - 1 5 曲。所以激发出的声脉冲亦很窄，具有频 带宽的特点，而压电换能器却不可能达到。因而，激光超声技术检测材料 特性的时间和空间分辨率可大大地高于电超声的分辨率。 ( 7 ) 激光声源十分灵活，声源的形状、大小取决于光学元件、系统和调节。 小的为几十微米大的用扩柬实现。有点、盘、线、环及栅状源等等。微小 点源或细线源具有很好的局域性，可对点超声法难以实现的薄样品或有固 定形状( 如航空构件) 的试样表面实现检测，包括缺陷、声速、声衰减和 各向异性等特性的检测。 激光超声的缺点是建立系统的价格比电超声的贵、激发效率比较低，声源 性质与激光功率密度有关，在实行监检测时要针对使用全过程的需求调节激光 器的工作状态及光学系统，使其在整个试验过程中相对稳定。对强激光要注意 安全防护。 2 2 激光超声原理 2 2 1 固体中超声的光激发 利用激光在固体内激发各种模式的超声，不仅简便、灵活，而且又是一种 宽带和非接触的激发方法c 1 _ 2 1 。因此，它已经应用于显微镜、超声谱和材料弹 性常数的测量以及试样缺陷的无损检测等领域中。 固体中超声的激发机理，主要有热弹性膨胀及试样表面材料熔化和蒸发形 成的冲击力两种。 当照射到试样表面的激光脉冲能量还不足以使表面熔化时，试样内的超声 脉冲主要是由于试样吸收光能发生热弹性膨胀而产生。然而，许多固体表面的 光反射系数很高，例如：铝对1 0 6 , w n 光的反射系数达9 3 ，因此只有很少部 南京理工大学硕士学位论文、 二、激光超声 分光能被固体吸收而激发声波。为了提高激光超声的焦虑，可在固体表面蒸上 各种涂层，增加表面的光吸收。 对于一个给定波长的激光脉冲，它激发的热应力的幅值是与入射的激光能 量成正比的。此外，主应力是径向的，沿平行于表面的方向，这是由于边界条 件规定不应有垂直于表面的法向应力。但是，对于不透明试样，由于热扩散长 度和吸光长度都是有限的，所以在固体试样内声源的深度也是有限的，这将产 生一个小的垂直于表面的力偶矩分量。如果假定声源有上述的特性，利用声波 的传播理论，就能在理论上的计算得到在固体试样另一边的位移波形。图2 2 1l ( a ) 示出的是对泊松比p = 1 3 的试样所计算得到的热膨胀波形；而图2 2 1 1 r b ) 示出的是用3 0 n s 的紫外激光脉冲在厚度为2 5 4 r a m 铝板的一面进行激发、用电 熔换能器在另一面检测得到的热弹波形引。 1 丑一亿时 - ”八一”； ! v 馔滋誊 图2 2 1 2 ( a ) 熔化激发位移波形( b ) 试样表面有o 1 衄厚的油蒸发激发 南京理工大学硕士学位论文 二、激光超声 许多材料性能检测中，希望在不损坏材料表面的情况下能有高的声激发效 率，这时可以在试样表面涂上一层对光有较强吸收的涂层，当光脉冲照射时， 涂层因吸收光能而迅速蒸发，这时同样也是纵波得到增强。图2 2 1 2 ( b ) 是与图 2 21 2 ( a ) 相似的光源照射表面涂有0 1 m m 厚的油膜时的实验结果。 2 2 2 光声光热检测的基本原理 早在1 9 8 0 年，b e l l 等人就发现了光声效应。然而，将近一个世纪以后，应 用这一效应的技术才与现代激光技术、微弱信号检测技术相结合而开始迅速发 展起来【”。 光声光热效应是由于物质吸收一强度随时间变化的光( 能) 束或其它能量 束而被时变加热( 即指加热随时间而变化) 所引起的一系列热效应和声效应。 人们通过检测声波就可以对物质的光学、热学、力学等各种特性进行检测。由 于光声检测具有灵敏度高、可检测的波谱范围宽( 1 ，4 至几毫米波长) 等优点， 因而这种检测几乎能适用于所有类型的试样，甚至还能试样表面的亚表面无损 检测和成像。 试样在光照加热后，其内部及其相邻媒质中便产生了一系列相应的效应。 这些效应( 图2 2 2 1 ) 为我们提供了进行光声光热检测的各种信息，并己各自 形成了相应的检测理论。 -i i 入射蠢t 囊 l 图2 2 2 1 试样加热后所产生的各种效应 测量试样光加热的最直接方法就是检测试样的温升。根据这种方法所研制 的仪器称为“光热量计”或“激光热量计”。人们可用热电偶、热敏电阻及高 灵敏的热释电检测器来检测试样的温升。这种方法的优点是可以进行绝对校 南京理工大学硬士学位论文1 0 二、激光超声 准，所得的温升值与一些物理参量是直接相对应的。这种方法的缺点是响应较 慢，灵敏度一般也低于其它方法的。 试样温升引起的一个直接效应是光能红外辐射，根据斯特藩玻耳兹曼 定律，一个绝对温度为t ，发射率为占的黑体，向外辐射的总能量为 e = 俄汀4 ( 2 2 2 1 ) 式中盯是斯特藩玻耳兹曼常量。当试样被波长为五、能量为e 的能量束照 射时，吸收系数为0 ) 的试样由于吸收能量而产生一个小的温升，e ，j ， 则中的辐射能量的增量为 a f 口，) = 4 0 - 富t 3 r ，)( 2 2 22 ) 所以，若测定了a e ，便可确定温升值a t 。当a t ( e ，) 随，e 发生线性变化 时，我们定义一个归一化光热辐射信号j ( ) ，即 s ( f 1 ) = a 取e 。，f 1 ) e ( 2 2 2 3 ) 这个参量在谱应用中是十分有用的。 光热红外辐射监测器可以放在与光束同一侧，以接受试样反向发射的红外 辐射，这有时称为“背散射光热辐射”；也可以放在试样的另一侧来接收试样 的红外辐射，这有时称为“透射光热辐射”。光热红外辐射检测方法的主要优 点是，这种方法属于非接触的遥感检测。因此，它可用于在高温、强放射等恶 劣或危险的环境下进行的检测。 试样光加热产生另一个效应就是试样的热膨胀，而热膨胀必然导致试样表 面的变形。利用电容换能器或光干涉计检测试样表面的位移，便可测定试样的 光吸收系数或对分层材料进行无损检测，这就是人们常说的光热位移谱。光热 位移谱的优点是，它是非接触式测量，这种测量甚至可以在真空环境中进行， 其检测灵敏度很高，可检测到1 0 一一1 0 4 a 的位移。这种测量方法的缺点是， 试样表面必须具有较高的反射率，以及光束准直比较麻烦。 由于试样加热是时变的，所以时变的热胀冷缩必然导致产生时变的热应变 和热应力，故在试样内存在声波的激发和传播，这通常称为直接的光声信号。 若用一压电换能器直接与试样耦合，就可以检测到这些光声信号，这就是所谓 的压电光声检测。压电光声检测系统的优点是结果简单、紧凑，而且灵敏。 南京理工大学硕士学位论文 二、激光超声 由于压电换能器有较宽的频率响应，因此可用于固体、液体试样的脉冲光 声检测。压电光声检测的缺点是换能器必须与试样具有良好的耦合，而这种耦 合的好坏将直接影响检测的信噪比。 此外，当试样因吸收辐射能而被加热时，通过热传导也使与试样相接触的 相邻媒质( 通常是气体或液体) 受到时变的加热，从而在这相邻媒质中也激发 出声信号，这种声信号通常称为间接的光声信号。若媒质为液体时，则可用压 电换能器进行检测；若媒质为气体时，则可用传声器来进行检测，这通常称为 传声器检测系统。传声器检测系统不仅装置简单，易于准直光束，而且可用于 固体、液体和气体等各种试样的光声检测。因此，它也是目前使用最广泛的检 测系统之一。由于传声器的频响较窄，故很少用于固体、液体试样脉冲光声检 测。 另一种灵敏的光声检测系统是光热光偏转检测系统。众所周知，物质的折 射率是温度的函数。因此，如果试样本身是透光的，那么在与用来加热试样的 泵光束路径相垂直的方向上，将形成折射率的梯度。若我们用另一束光束作为 检测光束，并令其沿泵光束路径行进，由于在试样内存在折射率的梯度( 这犹 如一变焦距透镜) ，它将使检测光束发散或偏转。利用光电检测器可以检测出 其发散的程度，或用光位移检测器检测出光束偏转的程度，便可以检测出试样 的光吸收等参数，对前者，检测散焦的方法通常称为热透镜技术，而后者，则 称为平行光热光偏转技术。 显然，由于部分热能从加热试样传到相邻的媒质内，其结果也将在试样一 媒质的媒质界面层内形成折射率梯度。当检测光束平行于界面掠射过这一媒质 薄层时，它也将发生光热偏转。由于检测光束是在相邻媒质内垂直于泵光束传 播，因此，这种称为垂直光热光偏转的检测技术不仅可用于透光试样检测，也 可用于不透光试样的检测。 热透镜及光热光偏转技术都具有很高的检测灵敏度，但光束的准直比较困 难。 表2 2 2 1 列出了上述几种光声检测技术的主要特性。 南京理工大学硬士学位论文 二、激光超声 羹墼藿孱 羹鼍嫠剿 誉啦 ”羼舷蚕”嚣镪 蛭 | 鲞曩 辅四 娄 卫rq 婪醛 靛馆 g 皋删期赫豁 蕞 肇帮 i 戚联 菱墓 联i 世 癸悟kkj ；c辎 靛 丑 嚣藿娶鬟春器鎏 泉 矧誉 蓑券嫠 萎蕞 羹霎 嚣 藁饕镩 翼裁，豢荫奏 靛恨靛帮靛靛 卜 望6 蛙o 苯拉 拿菩 扩 h 粤鑫学 羁屯 、一 i q 圹 t o 呷1 r彳 矗o 一 oo 一 呷、 o 。 i 蓉甓拿 亭窭莘 、o 毛善遁 一 h 嗽窖罂 r 。邑。 暑拿 f 2 巴 下? 蓬 吁 o h 硼埘 翼 埘 翼契魁 崤 世 娄 弛磐 世饿 箔 吣吣 窭蝗 簧 垃 矿 怡罨 联 艘 矩 雾 粤藿 髓 米暖越糍暗 霹 妖扯 蠢 蔷垂 砌 * 墨 韫 羹 蒌罄翟謦 彗一 端 蚕蠡 米幂 蓁霸 母 垒 础 米嚣米寒霹 累 南京理工大学硬士学位论文 袋掣s螺峨藤掣耀絮敏皋霉懈 2 2 3 脉冲激光超声的检测 常用的检测( 或接收) 脉冲激光超声的方法有接触式和非接触式的两大类。 接触式的是采用压电换能器如：用压电陶瓷p z t ，压电晶体一石英，铌酸锂， 压电薄膜p ) f 和z n o 薄膜等等制成。换能器必须直接紧贴在样品上才能进 行检测。这类检测器的灵敏度较高，但带宽有限。 非接触式的有光学法和电学法，电学法包括用电容( 电荷) 、电磁声( e m a t ) 和空气换能器等，这类换能器有较宽的频带，虽不和试样接触，但必须放的很 接近于试样表面。 采用光学方法来检测光激发的声脉冲，不仅非接触，试样还可放在距离任 何光学元件1 m 以外的地方，因此，非常适合于运动试样的检测。光学法分干 涉仪法和非干涉仪法。 非干涉仪法是利用到达样品表面或沿样品表面传播时，样品表面的形状或 反射率的改变，导致反射光的位置或强度变化来实现。有光偏转技术( 又称刀 刃技术或位置敏感器技术) ，光反射技术和光衍射( 光栅) 技术等。 干涉法的测量是基于声表面波在表面传播或到达表面时声波的位移引起光 束的相位或频率调制来实现，有零拍法、外差法，差分位移干涉仪，速度或时 延干涉仪等技术。这些光学法分别可以测量声波引起的表面位移( 垂直于表面、 或平行于表面的分量) 、表面梯度、表面曲率和表面速度( 对声表面波而言) 或表面密度( 对体声波而言) 的变化。光检测可以在相当远的距离外遥控进行， 而且可以作窄带接收或宽带接收，取决于其解调电路。现在干涉仪法带宽已达 1 5 0 m h z ，刀刃法接近g h z 。激光激发超声通常是宽带激发，如要充分反映激 光激发超声的技术优点，也自然需要带宽很大的接收系统。非接触式加上大带 宽的检测系统，有相当广泛的应用前景。 下面简单介绍几种常用的光声检测方法的原理。 ( 1 ) 光偏转技术( 刀刃或位置敏感器技术) 光偏转技术是非干涉光检测方法的一种，由于它简单、对环境振动不敏感， 在超声的检测中用的很多。刀刃技术的简单原理如图2 2 3 1 所示。一束直径为 d 的激光束被焦距为e 的透镜厶聚焦至一受声扰动的表面上。受声扰动的表面 南京理工大学硕士学位论文 二、激光超声 上有因连续波传播引起的波纹，或因脉冲波影响而引起的局部倾斜( 隆起) 。 当入射于表面的探测光斑的尺寸比要检测的最短声波长小时，由声扰动导致的 表面倾斜会使反射光偏转。偏转了的反射光束携带着声脉冲的讯息，通过焦距 为e 的聚焦透镜厶，一半被刀刃挡住，另一半被透镜厶聚焦至光电二极管上， 或者由透镜厶聚焦至四象限的位置敏感器上进行测定。 图2 2 3 1 ( a ) 刀刃技术原理图，( b ) 刀刃和坐标 设样品受声扰动后表面的倾斜度为q ，波以垂直于刀刃的方向传到刀刃， 坐标x ，y 分别垂直和平行于刀刃( 见图2 2 3 1 ( b ) ) 。设投射到传感器上的激 光光斑强度是按高斯分布的， 酬= 活4 0 层2e x p i 孚l 眨z 3 ， 式中4 是光电磁场的振幅，d 是反射光束直径。d = c e f , ) d ，当偏转0 很小 时，光电二极管的输出电流为 厅f 2 叩、2 口芳 ( 2 2 3 2 ) 式中，7 是光电检测器的转换效率，单位为a w 。只是入射光束的能量，只= 彳 设频率见为的声表面波沿方向传播，其位移为 = ”oc o s 伍1 。t 一七。x )( 2 2 33 ) 式中屯为声传播常数，是声振幅，当表面倾斜度很小即0 很小时 口= 等= 后。s i n ( f ! 。t - k 。f ) ( 2 2 3 4 ) 平均角度= 乞，压= - 删。，屯，则光电管输出的电流与声波的关系为 南京理工大学硕士学位论文 二、激光超声 ，2 犯4 硝t , 墨d j t ) t ： ( 2 2 3 5 ) 这种技术已用来检测激光超声波的位移梯度，此方法的缺点是低频灵敏度 低，要求样品表面是镜面反射。如样品表面不是镜面反射，就须在表面上粘上 一片镜面反射的玻璃镜。 ( 2 ) 零差干涉技术 彳健 图2 2 ，3 2 ( a ) 干涉仪的原理图( b ) 零拍干涉仪测表面振幅的实际系统 图2 2 3 2 ( a ) 描述了零拍干涉仪的基本结构。图2 2 3 2 ( b ) 是实际使用 的零拍干涉仪。一束h e - n e 激光被分成两束，一束叫参考光束r ，它不受位移 振动调制，一束叫做讯号束s ，它受振动位移调制。为了补偿环境振动的干扰， 在参考束的路径上加以低频调制来补偿光程。低频调制和反馈的作用是用一反 射镜加压电陶瓷p z t 和电子反馈电路构成，并用电子反馈电路来驱动，当s 光 和r 光分别受样品和反射镜的相位调制时，两光束重迭地混合进入光电接收器， 根据探测器的平方律特性，这是光电接收器的输出电流f 。为 r，、1 = 叩| 镌+ + 2 如4 。c o s f 竿c o s n 。卜口( f ) 1l ( 2 2 3 6 ) l “ j 式中a s 。，4 。分别是讯号束和参考束的光场振幅，口( f ) 是低频相位调制和环境机 械振动应起的相位调制之和。将式按b e s s e l 函数展开求出其低频分量( 以分景) 和中心频率为q 的分量( ，分量) 分别为 南京理工大学硕士学位论文1 6 二、激光超声 ：a r 鬻, q t l uc o 哦， ， = 4 私。s i n p i _ l s q 。， ：描 粥， f ，- = 8 鸭。如o j l l 子i 当位移振幅 1 0 n m 时山滢卜 山( 等) “2 a m , 眨z ， ”：f q 三 l f 刖j 4 7 r f 2 2 3 1 0 ) 可以从示波器上和的波形高度读出或记录下来。f 二，f 删= 导。g 。、g ，分别 为低通滤波器和带通滤波器的增益，h p p l i 。分别为，厶分量波形的峰一峰高 度。 ( 3 ) 外差干涉技术 图2 2 3 3 外差干涉仪装置图 南京理工大学硕士学位论文 二、激光超声 外差干涉技术是把表面振动引起的探测光束的相移转变成射频电流的相位 调制来检测。图2 2 33 所示为带宽8 m h z 的简单外差干涉仪原理图。在讯号光 路中加一声光调制器( b r a g gc e l l ) ( 也可以加在参考束中) 。声光调制器的声频 率 = 4 0 1 0 0 m h z 。这时光电接收器的输出电流为 扣叩 钇+ + 2 a , o a r d c o s ( 2 矾h 臼( f ) ) + i 掣l s i n ( 2 a f a r + 臼( f ) ) l l jj ( 2 23 1 1 ) 式中p d ) 决定于干涉光路径差的位相因子。这样就使得探针束由振动位移引起 的光相位调制转换成射频的频谱由中心线厶和侧线兀q - m r 组成。谱线的高度 由b e s s e l 函数，。( 2 k o u ) 给m ，当位移： f o b k o u “1 ， 2 0 h m 时，频谱退化为一个 载频和两个侧频，一个分谱线高度与中心频谱高度厶的比值给出稳态情况下 样品振动振幅的绝对值，而与样品反射光的功率无关。 矧= 孕 图2 , 2 3 。4 光激发超声脉冲测量材料声速的实验装置 图2 - 2 3 4 示出的是在不透光固体板内用激光超声脉冲来检测材料纵波和切 变波波速吃及咚的实验装置。l m i 脉冲能量持续时间为1 0 n s 的：激光束 ( 五= 3 3 7 1 n m ) 在试样表面聚焦成2 o 2 r a m 的窄带。这时，激光束能量不足 南京理工大学硕士学位论文 二、激光超声 以损坏试样表面，同时激出垂直于窄带长度方向传播的超声脉冲。用p v d f 换 能器在试样的侧面接收超声脉冲，这样安装换能器是便于激光束在试样表面扫 描。接收到的脉冲波列如图2 23 5 ( a ) 所示，图2 2 3 5 ( a ) 中的脉冲 4 、4 i ，”，b 、旦，的说明如图2 2 3 5 ( b ) 所示。脉冲4 是激光束激发的直接到达 换能器的纵波脉从；脉冲a 是光激发产生的切变波脉冲中以入射角口到达另一 表面、由于模式转换而产生的切向纵波脉冲；脉从4 是切变波第f 次厚度反射 时产生的切向波纵波脉冲。脉冲丑是光激发的由另一端面反射后到达换能器的 纵波脉冲；脉冲e 是有切变波i 次反射后形成的纵波脉冲经另一端面作长度反 射后为换能器接收的信号。显然，脉冲彳。对于a ，脉冲4 对于脉冲4 ，的 时间延迟r 是相等的。这样，由测定的脉冲彳、b 到达时间l 、瓦和延迟时间 r 及试样长度l 及厚度d 就可以得到纵波声速v 。和切变波声速v 。因为 彻 图2 2 3 5 光激发的光声脉冲回波波列及说明。( a ) 为在铝板纸中 光激发产生的回波波列，时间刻度为5 0 0 n s 格 厶= l v l 2 三一l l = 瓦v 式中厶是聚焦光斑产生的线状声源到换能器的距离， 以联合上述两式得到 2 l = 也+ k 切变波速度v 。可由延迟时间丁来得出。因为 f 2 2 3 1 3 ) 佗2 3 1 4 ) 由于这个量并不已知，所 南京理工大学硕士学位论文 二、激光超声 r ：上一一d t g o v sc o s fv l 而产生模式转换时，切变波的入射角0 应满足 s i n 口= s l 因此，由可得到 v 。：仂。 ( v l a t ) 2 + d ： 2 3 激光超声测厚 由于超声波处理方便，并有良好的指向性，超声技术测量金属及非金属材 料的厚度，既快又准确，尤其是在只许可个侧面可接触的场合更能显示其优 越性。广泛用于各种板材，管材壁厚，锅炉，容器壁厚及其局部腐蚀，锈蚀的 情况。超声测厚对冶金，造船，机械，化工，电力，原子能等各工业部门的产 品检验，对设备安全运行以及现代化管理起着重要的作用。目前，超声测厚的 范围，我国是1 2 r a m 至2 0 0 m m ，精度：1 0 1 m m 。国外是0 2 r a m 至6 0 m m ， 精度：0 3 以下；小于1 0 m m 时精度0 0 1 ，o 2 5 至5 0 0 m m 时精度为1 3 。 激光超声检测已进入了测厚领域。实验表明：激光超声常规超声方法的绝对声 速测量精度可提高1 0 倍，而且提高了测量薄件的能力。 超声测厚有体波透射法、反射法和兰姆波法等等。压电超声对很薄样品难 以分辨出回波和接触式检测或不能用于高温或高压环境等缺点，激光超声技术 在很大程度上把这些缺点克服掉。 用体波透射法和脉冲回波技术来探测已知声速但不知厚度h 的板，是由测 量两相邻回波的传递时间由 i l = 竽 ( 2 3 1 ) 求得，为相邻两回波的时间差，本论文采用的就是这种方法。 兰姆波测厚是在不知道板的弹性模量和声速等前提下测出板( 或膜) 的厚 度和声速。当板厚2 h 比感兴趣的声波长九a 小得多时，只能激发出最低阶的对 称模s 。和反对称a 。模。这时对称模不色散，其速度为 南京理工大学硕士学位论文 二、激光超芦 c 一= 4 ( 蔷) 笋 ( 2 3 2 ) 十z p 反对称模的相速度为 c ；= 芳。 ( 2 33 ) q 。是角频率。由下式求得反对称模的群速， ( 2 34 ) 无= 告。由上式明显地看到，只要在实验上测得某一薄板的c 姗= ；，t 是s 。 模波传递r 距离的时间和群速度c ，与正的关系，就可由曲线的斜率求出板厚。 d e w h u r s t 等人用此法测量了薄至2 7 u n 的金属箔的厚度，精度在2 以内。 表2 3 1 列出了一些有代表性的用激光超声检测兰姆波的试验。 表2 3 1 激光超声测厚 作者年激泊r 脉宽 样品接收方法结果备注 b o n d a r e n k o铜板l e m 厚，钢纵波声速求最小可检测厚度 调q干涉仪 等1 9 7 6管板厚和模量0 1 4 r a m k r a u t k r a m e锁模p s检爰i 到清晰 剃须刀片f p 干涉仪来回时间3 0 【i s r 等1 9 7 9l a s e r 2 n s的反射波列 2 激光 z n o 薄膜最薄可测膜厚 膜厚 各种不同厚度的压电换能 1 26 t u n ，精度 t a m 等器1 4 j 删- 不锈钢膜 器5 a n 1 ，声脉冲上升时 0 5 n s2 6 2 a n 厚问i n s 铝板2 5 0 p m 高分子薄 d e w h u r s to f纵波回声法前面9 个纵波回声 n 激光器3 r a m 剃须刀膜压电换 1 9 8 9求得厚度可分析 ( 1 0 8 肋，) 能器 准分子激热铜管长路径，测出厚度，干涉仪光源是 k e c k 等 光器1 5 n s( 1 2 0 0 0 c ) 厚差分时延在5 m 外检n d ：惦 1 9 8 7 8 h z 7 0 0 m j1 5 2 5 m m 运动速干涉仪，测f = 1 0 0 b 南京理工大学硕士学位论文 2 1 二、激光超声 度2