激光超聲檢測技術分析范文

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摘要：

激光超聲的震動位移是在納米級別，所以要檢測到微弱的激光超聲需要外差干涉系統有較高的靈敏度。為了提高測量精度對光路進行了改進，采用雙光路外差干涉儀增強系統抗環境干擾能力，使用3聚焦透鏡增強干涉儀的聚光能力，提高進入干涉儀的光通量，從而提高精度；在光電探測器前加濾光片，濾除雜散光，提高系統信噪比。通過高頻超聲實驗驗證，該系統的位移分辨率能達到0.1nm。

關鍵詞：

納米位移；外差干涉；激光超聲；聚焦

對于激光超聲位移的檢測，目前多用光學方法檢測［1］。最常用的方法是外差干涉法，它最顯著的特點是利用載波技術，將被測物理量的信息轉換成調頻或者調相信號，具有抗干擾能力強、測量速度快、信噪比高、易于實現高分辨率測量等特點，得到了很大的發展，用于微小振動的測量有獨特的優勢。隨著超精密檢測技術的發展，對激光外差干涉儀的測量精度提出了更高的要求［2］。實驗研究表明外差系統的實用性主要受其穩定性和環境噪聲的影響。探測系統的通光量對探測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的不穩定，雜散光會導致光路噪聲大，降低系統的信噪比，影響干涉效率［3］。本文旨在對傳統外差干涉微振動測量光路進行改進，提高系統的測量精度。

1激光外差干涉系統微位移檢測原理

外差干涉光路系統如圖1所示，激光器發出激光進入聲光調制器產生移頻，頻差為80MHz。從聲光調制器出來的1級光和0級光經過PBS（PolarizationBeamSplitter）偏振分光棱鏡后又分為兩束光，經BS1和R1干涉后進入光電探測器作為參考信號，另一路經M1、M2、BS2、R2干涉后進入光電探測器做為探測光［4］。M1和M2是三角棱鏡，R1和R2是反射鏡。

2影響系統測量精度的因素及改進方法

（1）外差干涉系統對表面位移非常敏感所以很適合測量只有幾十納米的超聲位移，但同時對外界環境的干擾也十分敏感，外部環境震動會對干涉信號產生相位誤差，用電信號做參考信號進行解調會影響測量精度，基于上述原因采用雙光路［7］干涉可以減弱環境干擾帶來的誤差。（2）外差探測系統中，兩束光在光電探測器的光敏面上發生干涉，對干涉信噪比影響最大的是相位匹配［8］，當被測目標處于近場，信號光束和本振光束都不能近似的看作平面波。近場高斯波函數以及外差探測理論得系統外差效率。Us和Ul是兩束光的復振幅，是它們的相位差，A是光電探測器的光敏面，積分在光敏面上。由以上公式可得外差效率會隨著探測器光敏面的面積逐漸增大最后穩定在一個值。在探測光路中加入聚焦透鏡，縮小從鋁板反射回來的光斑，可以增大干涉效率。（3）被測鋁板在拋光的情況下也會產生散射光斑，只有當光束聚焦在物體表面上成為一個衍射受限點，僅探測一個光斑時，才能得到最好的探測條件［10-11］。利用聚焦透鏡能收集大光斑來獲得高靈敏度，聚焦后的光束有更高的轉化效率，能收集到更多的超聲信號。還能增大進入干涉儀的通光量，使光電探測器光敏面接受的信號更強更集中，兩束光能更好的準直干涉［12］。這個改進使得靈敏度顯著增強。（4）在光電探測器前加濾光片，只能通過632.8nm的激光，有效濾除雜散光，提高系統信噪比。（5）為了避免聲光調制器0級光和1級光的混疊，采用專用的不加外部信號的聲光移頻器驅動源，提供更穩定的驅動信號。

3實驗結果與分析

光路調試到最佳狀態時兩路光的干涉信號分別達到552mv和736mv，如圖2所示。結果用MATLAB基于反正切運算的相位生成載波解調方法解調出位移信號。為了檢驗干涉系統的效果首先用壓電陶瓷模擬微震動進行實驗仿真如圖3~圖4。模擬震動的頻率為5kHz，100mV，實驗表明解調后的探測主頻為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源，激勵被測樣品（鋁板）產生超聲信號。激勵激光器的波長1064nm，激光脈沖能量150mJ，脈沖寬度為8ns。圖6為改進前的探測信號。改進前后超聲探測的對比圖5~圖6所示用MATLABb解調出位移信號，從圖中可以看出有3處時間間隔基本相同的明顯回波，是由于超聲波遇到樣品內部缺陷后反射回來作用于探測點，由于多普勒效應產生頻移，通過程序解調得到位移信號。超聲信號的頻率是2.5MHz，改進光路以前探測結果噪聲信號幅度在0.2V左右，信噪比為7.5，新型雙光路探測結果中噪聲幅度小于0.04V，信噪比125，干擾震蕩時間比以前小很多。實驗結果表明新型雙光路外差干涉檢測系統的信噪比提高了16.7倍。

4總結

經過對外差干涉系統的改進，提高了系統對環境的抗干擾能力，利用聚焦透鏡收集光斑增強了干涉儀的通光量，提高了系統的分辨率。探測到的超聲信號清晰明顯，而且信噪比高，實驗結果表明該系統能夠用于檢測納米量級的超聲微位移以及后續的激光超聲無損探傷。

作者：司高潞 張志偉 單位：中北大學信息與通信工程學院 中北大學電子測試技術重點實驗室  中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室