返璞归真,探寻激光超声最初应用
激光超声最早在工业上的应用是测厚:1987 年德国 Keck 等人利用准分子激光器作为超声波激发源,利用Nd:YAG 激光器接收,对热轧钢管(温度约为 1200 C ,管子延伸速度 2m/s)作壁厚的在线检测,可测厚范围在 15~25mm。
使用激光超声测厚,能够实现远距离非接触检测,可以在高温、有毒、辐射的环境中检测,且能降低了环境的影响,如温度、表面耦合情况等,保证较高的测量精度。
在激光超声检测中,最为核心的部件应该是接收部分,目前市场上主要有两大类:第一类是测振仪;第二类是干涉仪。前者使用多普勒频移原理,直接测量的是振动的速度,通过速度积分,得到振动位移;而后者通过迈克尔逊干涉原理,直接测出振动位移量,所以结果更加准确。
接下来,通过实验了解一下基于迈克尔逊干涉原理的干涉仪的测厚效果。
试件为钢管切片,表面为粗糙颗粒状凹凸,需要测量其厚度。通过测量,平均厚度为5.75mm。
采用常规的脉冲回波法测量其厚度,如下图所示,激光器发出的脉冲激光,通过折射镜,将光路引导到试件上,由于热弹/烧蚀效应,在试件表面产生超声波;超声波进入材料,经过底面反射,回到表面,被干涉仪接收到,计算机计算出超声波在材料中的传播时间,得到试件的厚度。
从A扫信号可以看出,底面接收到的纵波出现在2.5us的位置,已知其声速为5600m/s,计算得出,其厚度为5.74mm,与实测值吻合。沿管径向做一维扫查,得到B扫,可以看出B扫波形并不是一条直线,而是带弯曲的,这就对应了钢管表面的凹凸不平,导致厚度发生的变化。
文章开头说到,激光超声可测范围是15-25mm,这是因为,由激光激励产生的超声波能量低,且在材料内部并不是沿一个方向传播的,而是同时产生各个方向的纵波、横波、表面波,导致接收到的信号微弱,甚至埋没在噪声里。但是有办法提高检测厚度吗?当然有,在不限定环境的情况下,最简单的方法是:采用对穿法检测。
试件为钢制环形试件,厚度大约在53mm,使用对穿法测量其厚度:试件左侧通过折射镜将脉冲激光引导到试块表面,由于热弹/烧蚀效应,在试件表面产生超声波;试件右侧为干涉仪,通过干涉仪接收试件的表面振动,然后将数据传回电脑,计算从超声激发到接收所用的时间,得出试件的厚度。相对于脉冲回波,对穿法可以提高测量范围(上限和下限)。
接收到的纵波出现在9.4us的位置,已知其声速为5660m/s,计算得出,其厚度为53.204mm,与实测值吻合。
由以上实验结果也可以看出,通过激光超声测量两个试块的厚度,结果与实际测量值较为吻合。提高激光器的脉冲激光频率,可以实现快速的高温在线测厚。对于粗糙表面和厚度较大的工件也会有较准确的测量结果。
与传统的压电换能器技术相比,激光超声具有可以重复产生很窄的超声脉冲,在时间和空间均具有极高的分辨率,可以实现非接触、远距离探测。非常适用于在恶劣环境中检测,如高温、腐蚀、辐射以及在线检测中快速运动的工件。
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