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1、研 究 生 实 验 报 告 实验名称 激光超声无损检测 姓名 周英杰 学号 2013210421 班级 机研13 课程 现代传感与检测技术 指导教师 王伟 实验地点 综603 实验项目编号 实验类型（基本操作 验证 综合 设计）实验日期 2014 年 6 月 18 日 9 时 0分 11 时 00 分同组同学 梁天太 杨光 机械工程学院制 2014年1月 一、实验目的1. 掌握激光超声无损检测的基本原理；2. 掌握数据采集方法及数字滤波方法。二、实验原理2.1 激光产生超声波原理激光超声的产生机理主要分为热弹性激励、烧蚀激励两种。2.1.1 热弹机制当激光脉冲照射到不透明固体表面上时，它的能量
2、一部分被反射，令一部分被吸收，并转化为热能。当入射激光功率小于材料表面的损伤值（金属材料一般为107W/cm2），不会使材料发生熔化和烧蚀，材料表层吸收了入射激光的能量导致局部产生几十到几百度的温升。引起热膨胀而产生表面的切向应力，见图1。由于固体浅表层的局部温度升高并没有导致材料任何相变，所以热弹激发效应有严格无损的特点，且能产生各种波形，目前使用最为广泛。图1 热弹性机制示意图图 图2 烧蚀性机制示意图2.1.2 烧蚀机制当入射激光的功率密度大于107W/cm2，材料表面汽化同时对样品产生一法向力，从而激发超声波，称为烧蚀激发机理，见图2。对于金属，当入射激光脉冲功率密度大于107W/cm
3、2时，材料表面温度急剧升高，当温度超过材料的熔点时，就会在表面产生几微米深的烧蚀，部分原子脱离金属表面，在材料表面形成等离子体。这一过程会产生一个很强的垂直于材料表面的反作用力脉冲，相当于给试件表面施加一个单位法向力，从而激发出幅值较大的超声波信号。这种机制的超声激发效率比热弹机制高4个数量级，可以获得大幅度超声纵波、横波和表面波。但由于每次激发时材料表面会有0.3 um的损伤，所以烧蚀机制仅应用于某些特殊场合。2.2 超声波的激光检测技术双波混合干涉技术。双波混合干涉检测是将样品表面反射的信号光束与参考光束在非线性光学晶体中相干涉，从而形成动态光栅，再让参考光束通过这光栅形成波前“畸变”的参
4、考光束，它与“畸变”的信号光束在相互干涉，达到检测样品表面的目,见图3。图3 双波混合干涉技术原理三、实验设备/仪器/材料/方法脉冲激光器一个、AIR-1550-TWM激光超声检测系统、光学平台、二维工作台、虎钳、实验试件、激光防护眼镜等。四、实验步骤1. 将试样放置在探头前面约45mm处位置，2. 设置示波器DC通道 直流耦合、50欧，幅度刻度50mV/div；AC通道，直流耦合、50欧，幅度刻度10mV/div，时间刻度10us/div。触发：auto。幅度刻度可根据实际需要进行调整3. 设置光纤激光器功率为100mW对于粗糙、灰黑色表面等可适当使用200mW或更高，打开探头前保护盖；Em
5、ission ON使激光器出光。4. 调整试样或探头的距离和方位，能够在示波器上看到DC的变化，将其调到最大，调整时可改变DC的幅度刻度以利于调整；一般情况应保证DC=100mV,必要时使用平台和旋转台微调距离和方位，或着增加光纤激光器的输出功率。5. 打开解调器(主机)的高压开关和准直开关,此时交流信号如图4示的正弦信号，频率约为75kHz；图4 交流信号6. 如果没有，请旋转光纤分离器的把手，仔细观察。7. 旋转光纤分离器的把手，使得正弦信号幅度最大。8. 关闭准直开关，调整结束，可进行测量。9. 打开脉冲激光器并发射，可采集实验数据。10. 采集完数据后，关闭脉冲激光器和检测器电源，整理
6、实验设备。五、 实验记录1. 实验装置图 图5 实验装置2. 测量工件激光打出的孔工件 图6 测量工件 图7 激光检测时打出的孔 3. 实验测量参数见表1表1 实验测量参数Acc Modes StatusCurrent Setpoint0.800AMeasured Current0.782AMeasured Power0.102WCase Temperature31.3CDevice Settings4. 对钢板厚度检测的实验结果见下图两波谷间间距即为测量时间差 图8 钢板厚度检测波形图 图9 开始检测时间50.1us 图10 结束检测时间50.6us图11 实际测量钢板厚度为1.2mm六、实验结果计算或分析1.由实验检测图可知，两波谷的间距为超声波在钢板中一个来回的时间差，激光超声测距原理图见图8。 图8 激光超声测距原理图2. (1)3.波谷间距=50.6us-50.1us=0.5us；超声波在钢中的传播速度速度为5000m/s，那么钢板厚度见下式： (2)4. 误差分析激光超声检测后计算出的钢板厚度为1.25mm,而实际测量的钢板厚度为1.2mm,可得实验误差见下式： (3)所以实验检测可行。
