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丁侠
TECLAB shaw@teclab.cn
【摘要】随着纤维加强型复合材料部件在生产领域的大量应用,尤其在汽车和航空航天领域因质量控制的需求对非接触式无损检测技术提出了新的挑战。超声检测作为一种灵活可靠的无损检测技术已经广泛用于材料内部分层,裂缝,空洞等缺陷。本文介绍一种基于激光激励超声并采用宽带空气耦合光声传感器接收的新型非接触无损检测装置,该装置可以实现双侧透射和同侧一发一收的非接触检测。是一种相对经济实用的新型无损检测技术。
关键字: 激光超声,光学麦克风,非接触无损检测,空气耦合超声
介绍
空气耦合超声检测和激光超声检测是目前比较流行的非接触超声无损检测方式。激光超声检测通过激励纳秒级的激光脉冲,在材料表面产生烧蚀或热弹性效应激励超声波。这种方式的可靠性受限于被测材料表面的光学参数和表面特性。由于材料表面的强烈散射,激光超声的检测需要高能激光和复杂昂贵的干涉仪,将设备进行小型化和低成本化难度很大。
本文介绍一种新型的非接触空气耦合超声信号接收装置,利用宽带光声传感器接收激光或空气耦合压电探头产生的超声波信号。由于超声波信号在空气中的衰减,这种方法的带宽局限于10 Hz 到 1 MHz.相对于传统空气耦合压电超声接收KHz透射信号而言,这种方法具有明显优势。更重要的是这种接收方式与样品表面特性和光学参数无关。因此,特别适合纤维加强复合材料,尤其像三明治结构材料。
原理
图1: 光的在媒介中的波长取决于其折射率,是一个局部密度函数。超声波在空气中传播引起空气的密度变化,导致光的波长变化。光的发射强度取决于反射镜之间媒介的波长,利用一种精密的法布里-珀罗(Fabry-Perot)校准器,通过光电二极管测量反射光强度实现声光传感。
声波调制媒介密度p和光学折射率n,光的波长λ和折射率符合如下关系公式:
式中f代表频率,C代表光速,λ0为真空中波长。
单色激光束在两个反射镜之间的反射强度由输入强度I0和一个传递函数TR(q)得到。
传递函数中系数F=4R/(1-R)2,R为镜子的反射率。光程相移q与激光波长λ(n)和反射镜距离d符合如下公示:
因此,由声场导致的任何激光波长的改变,将引起反射镜之间空腔内反射光强度的变化。光强的变化通过一个光电二极管检测。可以看出这种方式不受传感器和信号线的电磁干扰影响。
应用实例一 点焊透射C扫描成像
图2:20 cm x 20 cm 钢板点焊检测,1 mm 厚度; 1:光纤耦合激光激励装置;2:点焊试样;3:光学麦克风。
图3:点焊透射C扫描成像结果。a: A扫信号和C扫信号;b:焊接完好C扫和中心线A扫;c:未融合点焊C扫成像和A扫信号,焊点直径小。
应用实例二 点焊同侧一发一收检测
图4:点焊同侧一发一收检测。激励激光距离点焊7cm,光学麦克风位于同侧接收信号。扫查一个5 cm x 5.5 cm区域。
图5:点焊同侧扫查结果。a:典型时域信号,110 us内导波信号;b-d:导播时间演化图;b:点焊的S0波和A0分量;c,d:点焊附近A0模态的衍射;e:20 us后最大振幅,焊接部位振幅分布图。
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