激光超声无损检测技术研究汇总.docx

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激光超声无损检测技术研究汇总

激光超声无损检测技术研究

摘要

激光超声检测技术是利用激光脉冲照射样品表面，激发出超声波，并利用光学方法对超声波进行检测，从而实现对样品进行无损检测的一种方法。

它随着现代科技和工业的发展，应用范围也越来越广。

传统的无损检测方法有其局限性，在温度、压力较大或者具有放射性或腐蚀性的环境下就不能完全满足要求。

而激光超声检测技术由于能够在短时间内不接触物体进行激光激励，所以，适合于环境复杂的检测环境，并具有极强的抗干扰能力。

所以，激光超声技术在材料缺陷和性能的无损检测中发挥了超声检测的优势，其应用广泛。

本文首先对激光超声技术进行了阐述，并介绍了激光超声检测系统的组成，及各个部分的具体情况。

然后，着重介绍了激光激励超声波的基本概念，包括波长，横波，纵波，声表面波，超声波，并举例了烧蚀效应作用下纵波、横波、平面波的波形示意图。

另外介绍了常用激光器。

在此基础上，本文介绍了激光产生超声波的机理，着重介绍了热弹激发机理和烧蚀激发机理，并通过对热弹激发机理的温度场和应力场的分析，介绍了激光超声位移场理论。

本文进一步讲述了激光超声检测技术，着重讲了光偏转法中常见的刀口法、光干涉检测方法中的自差干涉以及外差干涉的原理和方法，并简要介绍了其他方法。

最后，介绍了激光超声技术在无损检测邻域的具体应用及存在的问题。

关键字：

激光超声，无损检测，激光超声检测技术

Laserultrasonicnondestructivetestingtechnologyresearch

Abstract

Thelaser-inducedultrasonictechnique，whichisbasedonthegenerationofultrasonicbyalaseranddetectionofstresswavewithlaserinterferometry,andisanidealcombinationoflaserandultrasonicfornondestructivetesting,hasalsotheadvantageofnoncontact,andhasbecomeveryimportantinthenondestructivetestingfields.Thetraditionalnondestructivetestingmethodhasitslimitations,whichcannotcompletelymeettherequirementsinthelargetemperature,largepressure,radioactiveorcorrosiveenvironment.Becausethelaserultrasonictestingtechnologycannotcontactbodyforlaserincentiveinashorttime,soitissuitableforcomplextestingenvironment,andhasastronganti-interferenceability.Therefore,inmaterialdefectsandpropertiesofthenondestructivetesting，laserultrasoundtechnologyplaytheadvantageofultrasonictesting.

Thispaperfirstdescribesthelaserultrasonictechnique,andintroducesthecompositionofthelaserultrasonicdetectionsystem,andvariouspartsofthespecificsituation.Thenfocusesonthebasicconceptofultrasoniclaserincentive,includingwavelength,transversewave,longitudinalwave,surfaceacousticwave,ultrasoundwave,andanexampleofawaveformdiagramoftheablationeffectunderlongitudinalwave,transversewave,planewave.Inadditionitalsointroducesthecommonlaser.

Onthisbasis,thearticledescribesthemechanismoflasergeneratedultrasound,MainlyintroduceshotplaystimulatemechanismandAblationstimulatemechanism,andbythetemperatureandstressfieldanalysisofthehotplaystimulatemechanism,introducedthelaserultrasonicdisplacementfieldtheory.

Thepaperfurtherdescribesalaserultrasonicdetectiontechnology,mainlyaboutthelightdeflectionmethodincommonblademethod,thePrincipleandmethodofinterferencefrompoorandheterodyneinterferenceinthelightofinterferencedetectionmethod,andbrieflyintroducestheothermethods.

Finally,thispaperintroducesthespecificapplicationandtheexistingproblemsofthelaserultrasoundtechnologyinnondestructivetesting.

Keywords:

laserultrasound,nondestructivetesting,laserultrasonicdetectiontechnology

目录

1绪论1

1.1本文的研究背景与意义1

1.2激光超声技术的发展情况2

1.3激光超声技术的研究现状3

1.3.1激光激励技术3

1.3.2检测技术3

1.3.3总体应用3

1.4本文的主要内容4

2激光超声理论5

2.1激光超声概述5

2.2激光激励超声波的基本概念5

2.2.1波长5

2.2.2纵波（P波）5

2.2.3横波5

2.2.4波面6

2.2.5超声波6

2.2.6举例6

2.3激光器7

2.4激光产生超声的机理8

2.4.1热弹机制8

2.4.2烧蚀激发机理16

2.4.3其他激发机理17

3激光超声检测技术18

3.1非干涉检测技术18

3.1.1刀刃检测技术18

3.1.2表面栅格衍射技术21

3.1.3反射率检测技术22

3.2干涉检测技术22

3.2.1线性干涉检测技术22

3.2.2非线性干涉检测技术28

4激光超声技术在无损检测邻域的具体应用及存在的问题29

4.1应用概况29

4.1.1高精度的无损检测29

4.1.2恶劣环境下的材料特性测量29

4.1.3材料特性的检测29

4.1.4薄膜、复合材料检测，以及材料高温特性等的研究30

4.1.5快速超声扫描成像30

4.2存在的问题30

4.2.1光声能量转换效率低的问题31

4.2.2激光超声信号检测灵敏度问题31

参考文献32

致谢35

1引言

1.1本文的研究背景与意义

激光超声是一种新型无损检测方法，早期受激光器件与相关学科发展的限制，自20世纪70年代提出到80年代中期成为热点后，未达到人们预想的应用效果。

20世纪末至今，随着激光、电子、计算机和相关学科的发展，经过近十年的技术积累，激光超声已从方法探索步人技术研究与开发应用阶段，是传统超声检测技术的进一步发展。

激光超声利用高能激光脉冲来激发超声波并用激光来检测超声回波（穿透波或发射波），具有非接触、远距离探测、频带宽及检测可达性好等优点，尤其适用于一些恶劣环境，如高温、腐蚀、辐射及具有较快运动速度的被检件[1][2[3][4][5][6]。

在工业高度发达的今天，无损检测技术是不可或缺的。

如对钢材、铝材、复合材料、工业陶瓷等常常需要做无损检测和评价，对核电站的高压容器、航天飞机的构件必须常期地进行无损监视。

由于超声波具有波长短，方向性强，遇障碍物产生衍射和散射等特点，超声检测技术一直是对材料进行无损检测．特性研究和结构分析的长盛不衰的方法。

此外，在医学诊断、地质勘探、建筑工程等方面，超声检测也有着广泛的应用。

目前，在无损检测手段（包括射线法、电磁法）中，超声波方法占50％以上。

激光超声学是超声学与激光技术相结合丽形成的新兴交叉学科，涉及光学、声学、电学、，材料学等学科，近年来已发展成为超声学的一个重要分支[7]。

超声应用技术在近几十年来得到了长足发展，并广泛地应用于物理、化学、微电子学、表面科学、材料科学、环境科学以及生物医学等诸多领域[8][9]。

激光超声源能同时激发纵波、横波、表面波以及各种导波，在时间上具有与冲击函数δ（t）和阶跃函数H（t）很相似的特性。

而且，激光超声的产生不仅与激光脉冲的时间和空间特性有关，还与材料本身的光学、热学、力学等特性有关。

因此，激光超声技术在超声传播特性研究和材料无损评估方面有着非常广阔的应用前景。

激光超声技术具体具有以下优点：

（1）非接触：

激光超声信号通过激光脉冲激励产生．又通过光学方法检测，实现了完全意义上的非接触。

发射源到被测物之间的距离可以达到10m，能够在高温、高压、有毒或放射性等恶劣条件下迸行远距离无损检测。

（2）宽带：

激光超声在时间和空间上都具有极高的分辨率，超声的脉冲宽度可达，频率可达GHz，而相应的波长只有几um，这就大大提高了探测微小缺陷的能力和测量的精度，非常适合超薄材料的检测和物质微结构的研究。

（3）实时在线：

由于激光超声的激发和检测都是在瞬间完成的，能够实现快速实时检测，是工业上定位、在线监测、快速超声扫描成像的极好手段。

（4）适用面广：

激光激发超声现象在固体，液体和气体中均存在，而且对样品的形状基本没有限制，使得激光超声技术有着很广泛的应有领域。

目前，激光超声技术已被广泛应用于材料的缺陷探测和定位，内部损伤过程监测，断裂机理研究等工程领域中。

特别是对固体材料的力学和热学性质研究，以及对具有生物活性的化学和生物物质的光化学反应动力学和热力学的研究，更显示出激光超声技术具有其它检测技术难以替代的优越性。

可以相信，随着科学技术，尤其是激光技术的发展，激光超声学将在理论、技术和应用研究等各方丽取得新的突破．它的应用前景也会更加广阔。

因此，研究激光超声无损检测技术不仅有理论方面的意义，还有实际应用上的意义