激光超聲檢測(cè)技術(shù)分析范文

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摘要：

激光超聲的震動(dòng)位移是在納米級(jí)別，所以要檢測(cè)到微弱的激光超聲需要外差干涉系統(tǒng)有較高的靈敏度。為了提高測(cè)量精度對(duì)光路進(jìn)行了改進(jìn)，采用雙光路外差干涉儀增強(qiáng)系統(tǒng)抗環(huán)境干擾能力，使用3聚焦透鏡增強(qiáng)干涉儀的聚光能力，提高進(jìn)入干涉儀的光通量，從而提高精度；在光電探測(cè)器前加濾光片，濾除雜散光，提高系統(tǒng)信噪比。通過(guò)高頻超聲實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)的位移分辨率能達(dá)到0.1nm。

關(guān)鍵詞：

納米位移；外差干涉；激光超聲；聚焦

對(duì)于激光超聲位移的檢測(cè)，目前多用光學(xué)方法檢測(cè)［1］。最常用的方法是外差干涉法，它最顯著的特點(diǎn)是利用載波技術(shù)，將被測(cè)物理量的信息轉(zhuǎn)換成調(diào)頻或者調(diào)相信號(hào)，具有抗干擾能力強(qiáng)、測(cè)量速度快、信噪比高、易于實(shí)現(xiàn)高分辨率測(cè)量等特點(diǎn)，得到了很大的發(fā)展，用于微小振動(dòng)的測(cè)量有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。隨著超精密檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)激光外差干涉儀的測(cè)量精度提出了更高的要求［2］。實(shí)驗(yàn)研究表明外差系統(tǒng)的實(shí)用性主要受其穩(wěn)定性和環(huán)境噪聲的影響。探測(cè)系統(tǒng)的通光量對(duì)探測(cè)靈敏度影響也非常大。此外，頻移裝置的頻率漂移將引起干涉信號(hào)的不穩(wěn)定，雜散光會(huì)導(dǎo)致光路噪聲大，降低系統(tǒng)的信噪比，影響干涉效率［3］。本文旨在對(duì)傳統(tǒng)外差干涉微振動(dòng)測(cè)量光路進(jìn)行改進(jìn)，提高系統(tǒng)的測(cè)量精度。

1激光外差干涉系統(tǒng)微位移檢測(cè)原理

外差干涉光路系統(tǒng)如圖1所示，激光器發(fā)出激光進(jìn)入聲光調(diào)制器產(chǎn)生移頻，頻差為80MHz。從聲光調(diào)制器出來(lái)的1級(jí)光和0級(jí)光經(jīng)過(guò)PBS（PolarizationBeamSplitter）偏振分光棱鏡后又分為兩束光，經(jīng)BS1和R1干涉后進(jìn)入光電探測(cè)器作為參考信號(hào)，另一路經(jīng)M1、M2、BS2、R2干涉后進(jìn)入光電探測(cè)器做為探測(cè)光［4］。M1和M2是三角棱鏡，R1和R2是反射鏡。

2影響系統(tǒng)測(cè)量精度的因素及改進(jìn)方法

（1）外差干涉系統(tǒng)對(duì)表面位移非常敏感所以很適合測(cè)量只有幾十納米的超聲位移，但同時(shí)對(duì)外界環(huán)境的干擾也十分敏感，外部環(huán)境震動(dòng)會(huì)對(duì)干涉信號(hào)產(chǎn)生相位誤差，用電信號(hào)做參考信號(hào)進(jìn)行解調(diào)會(huì)影響測(cè)量精度，基于上述原因采用雙光路［7］干涉可以減弱環(huán)境干擾帶來(lái)的誤差。（2）外差探測(cè)系統(tǒng)中，兩束光在光電探測(cè)器的光敏面上發(fā)生干涉，對(duì)干涉信噪比影響最大的是相位匹配［8］，當(dāng)被測(cè)目標(biāo)處于近場(chǎng)，信號(hào)光束和本振光束都不能近似的看作平面波。近場(chǎng)高斯波函數(shù)以及外差探測(cè)理論得系統(tǒng)外差效率。Us和Ul是兩束光的復(fù)振幅，是它們的相位差，A是光電探測(cè)器的光敏面，積分在光敏面上。由以上公式可得外差效率會(huì)隨著探測(cè)器光敏面的面積逐漸增大最后穩(wěn)定在一個(gè)值。在探測(cè)光路中加入聚焦透鏡，縮小從鋁板反射回來(lái)的光斑，可以增大干涉效率。（3）被測(cè)鋁板在拋光的情況下也會(huì)產(chǎn)生散射光斑，只有當(dāng)光束聚焦在物體表面上成為一個(gè)衍射受限點(diǎn)，僅探測(cè)一個(gè)光斑時(shí)，才能得到最好的探測(cè)條件［10-11］。利用聚焦透鏡能收集大光斑來(lái)獲得高靈敏度，聚焦后的光束有更高的轉(zhuǎn)化效率，能收集到更多的超聲信號(hào)。還能增大進(jìn)入干涉儀的通光量，使光電探測(cè)器光敏面接受的信號(hào)更強(qiáng)更集中，兩束光能更好的準(zhǔn)直干涉［12］。這個(gè)改進(jìn)使得靈敏度顯著增強(qiáng)。（4）在光電探測(cè)器前加濾光片，只能通過(guò)632.8nm的激光，有效濾除雜散光，提高系統(tǒng)信噪比。（5）為了避免聲光調(diào)制器0級(jí)光和1級(jí)光的混疊，采用專用的不加外部信號(hào)的聲光移頻器驅(qū)動(dòng)源，提供更穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

光路調(diào)試到最佳狀態(tài)時(shí)兩路光的干涉信號(hào)分別達(dá)到552mv和736mv，如圖2所示。結(jié)果用MATLAB基于反正切運(yùn)算的相位生成載波解調(diào)方法解調(diào)出位移信號(hào)。為了檢驗(yàn)干涉系統(tǒng)的效果首先用壓電陶瓷模擬微震動(dòng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真如圖3~圖4。模擬震動(dòng)的頻率為5kHz，100mV，實(shí)驗(yàn)表明解調(diào)后的探測(cè)主頻為5kHz，噪聲頻率與主頻相差很大，很大程度上降低了噪聲干擾。圖5用脈沖激光器作激勵(lì)源，激勵(lì)被測(cè)樣品（鋁板）產(chǎn)生超聲信號(hào)。激勵(lì)激光器的波長(zhǎng)1064nm，激光脈沖能量150mJ，脈沖寬度為8ns。圖6為改進(jìn)前的探測(cè)信號(hào)。改進(jìn)前后超聲探測(cè)的對(duì)比圖5~圖6所示用MATLABb解調(diào)出位移信號(hào)，從圖中可以看出有3處時(shí)間間隔基本相同的明顯回波，是由于超聲波遇到樣品內(nèi)部缺陷后反射回來(lái)作用于探測(cè)點(diǎn)，由于多普勒效應(yīng)產(chǎn)生頻移，通過(guò)程序解調(diào)得到位移信號(hào)。超聲信號(hào)的頻率是2.5MHz，改進(jìn)光路以前探測(cè)結(jié)果噪聲信號(hào)幅度在0.2V左右，信噪比為7.5，新型雙光路探測(cè)結(jié)果中噪聲幅度小于0.04V，信噪比125，干擾震蕩時(shí)間比以前小很多。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明新型雙光路外差干涉檢測(cè)系統(tǒng)的信噪比提高了16.7倍。

4總結(jié)

經(jīng)過(guò)對(duì)外差干涉系統(tǒng)的改進(jìn)，提高了系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的抗干擾能力，利用聚焦透鏡收集光斑增強(qiáng)了干涉儀的通光量，提高了系統(tǒng)的分辨率。探測(cè)到的超聲信號(hào)清晰明顯，而且信噪比高，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠用于檢測(cè)納米量級(jí)的超聲微位移以及后續(xù)的激光超聲無(wú)損探傷。

作者：司高潞 張志偉 單位：中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室  中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室