激光瑞利波的时间依赖性探测表面缺陷深度

针对金属构件表面微小缺陷非接触式定量检测的难题,本文采用有限元法模拟了激光产生的瑞利波与不同深度的表面缺陷的相互作用,研究了瑞利反射波与表面缺陷深度的时间依赖关系。通过分析该时间依赖关系的产生机制,提取出能够定量表征表面缺陷深度的时域特征量,得出了该时域特征量与表面缺陷深度的数学关系表达式,并利用该数学关系表达式进行了激光超声表面缺陷检测实验中的深度计算。结果表明,实验结果与数值模拟结果具有良好的一致性,该时域特征量与缺陷深度呈线性关系,能够定量表征表面缺陷深度的范围为0.1~0.5 mm,最大误差≤0.06 mm。     

激光红外热成像材料表面裂纹检测的研究进展

表面裂纹缺陷是材料中危险的缺陷形式,及时发现服役过程中产生的表面裂纹至关重要。激光红外热成像不仅具有传统红外检测的优点,还因激光能量密度高等特有优点,可远距离检测材料表面微小裂纹。综述了激光红外成像系统平台组件及其关键参数对激光红外成像检测的影响。从图像处理、优化工艺参数等角度入手,阐述了激光红外热成像检测表面裂纹缺陷的定性识别,进一步介绍了对材料表面裂纹缺陷长度、宽度以及深度特征的定量表征。最后对激光红外热成像检测表面裂纹缺陷进行了总结归纳,以及展望其未来的发展方向。     

高温下表面波测量亚表面缺陷宽度的数值模拟

为了实现激光超声技术对不同温度下亚表面缺陷宽度的定量检测,本文采用了有限元法模拟了激光激发表面波与亚表面缺陷的作用,并提出了一种利用表面波定量计算亚表面缺陷宽度的方法。首先在亚表面缺陷的一侧产生表面波,然后在另一侧产生表面波,最后分别在两侧检测到来自在亚表面缺陷的入射和反射表面波。当亚表面缺陷处于一个表面波波长的作用范围内时,基于入射和反射表面波的到达时间可实现计算亚表面缺陷宽度。数值结果与理论结果吻合良好,为高温下采用激光超声技术定量计算亚表面缺陷宽度提供了一种十分有效的数值方法。     

移动扫描激光线源检测圆柱表面缺陷实验研究

为了研究瑞利波与圆柱表面缺陷的相互作用,并以此作为检测圆柱表面缺陷的理论依据,设计了一套实验装置,该装置采用脉冲激光线源产生超声波,激光干涉仪探测瑞利波信号,通过改变激发源与人工缺陷的相互位置研究了瑞利波与缺陷的相互作用过程。实验中在不同的相互位置得出了不同的瑞利波波形,反射瑞利波的峰-峰值随激光源与缺陷的距离减小而增大,且当激发点位于缺陷边缘处时波形的极性改变。结果表明,当应用本装置时,通过改变人工缺陷与激光光源相对位置,再利用检测峰-峰值的极大值情况和根据接收到的瑞利波的极性可以判断缺陷的位置。     

表面裂纹深度检测的非接触光声检测技术研究

提出了一种基于激光超声宽带透射系数和的表征参数,实现了表面裂纹深度的定量检测。通过有限元仿真与实验测量方法,从时域和频域分析了激光产生的瑞利波与表面裂纹的相互作用机制,采用宽带透射系数和作为表征裂纹深度的物理参数,并建立了其与表面缺陷深度之间的拟合方程。结果表明,脉冲激光产生的瑞利波对金属表面裂纹深度变化十分敏感,所提出的计算方法可用于精确判断表面裂纹的深度。本文研究成果可为工件表面裂纹的非接触检测提供潜在应用。     

基于激光热成像的金属表面缺陷深度检测

为了突破传统方法对材料表面缺陷深度检测的局限性,提出了一种基于透射式激光热成像的无损检测技术。选用激光源作为激励源,对被测材料的缺陷表面进行加热,加热点选在材料表面缺陷正下方处,激光输出功率为50W,加热时间为1s。在加热过程中,材料背面的温度场由于热流在材料缺陷传导过程中的影响而产生温度差异,故使用红外热像仪对加热过程中材料背面的温度场变化进行记录,并使用无缺陷处A点作为参考点,有缺陷处B点作为考察点,通过分析A、B两点的温度变化情况来对表面缺陷的深度进行特征提取。经过实验验证可知,该方法可以在一定条件下对材料表面的缺陷深度进行检测,当A点温度一定时,B点温度与缺陷深度的最优拟合呈指数关系,随着缺陷深度的增长,背面B点温度也随之降低。研究结果为后续的缺陷深度精准量化奠定了基础。     

基于Hilbert变换的激光超声波成像技术在缺陷检测中的应用

介绍了一种基于Hilbert变换的激光超声波传播图像方法,通过采用脉冲激光器在被测材料表面产生超声波信号,对接收的超声波信号进行Hilbert变换,并详细分析了超声波信号在被检测材料表面传播的时域波形图,最后利用超声波成像技术将超声波信号在被测材料的传播过程进行图像显示。实验结果表明:采取Hilbert对超声波信号进行变换的方法不仅能有效地提取超声波信号在缺陷处传播的信息,还能从超声波传播的图像中直观、高效地检测出表面缺陷的形状、大小及分布情况。因此,提出的Hilbert变换的激光超声波成像技术为工业中缺陷的定量检测提供了方法。     

相移迁移法在激光超声合成孔径聚焦技术中的应用

通过分析脉冲源激光辐照于工件表面激发的多模式、宽带超声体波信号并结合合成孔径聚焦技术(SAFT),实现了对工件内部微小缺陷的检测、定位和成像。首先基于有限元仿真模拟了激光激发超声波在含缺陷样品中的传播过程,编写了基于相移迁移法(PSM)的SAFT成像算法,然后在实验中使用激光在含缺陷样品表面激发超声波,使用激光测振仪探测超声波,并基于已有算法和探测结果对样品内缺陷进行了检测和定位,以验证算法的正确性。有限元仿真以及实验结果均表明,将激光超声技术与频域SAFT-PSM结合,能够有效地对微小缺陷进行检测和定位,且其图像重构速度快于时域SAFT,可为激光超声无损检测提供更快速的实时技术方案。     

精细表面下细小缺陷的磁光涡流成像实时探测

磁光涡流成像检测装置可实现精细表面下细小缺陷探测。在该装置中，通过物体表面上方的交流激励线圈实现传统的涡流感应，涡流所感应的磁场由法拉第效应来检测。为了实现表面下缺陷的检测目标，激光穿过安放在激励线圈中的特殊的磁光晶体，激光偏振方向在晶体中的旋转大小取决于检测区域磁场的大小，缺陷将使检测区域磁场分量发生变化并使偏振光的旋转角发生相应变化，通过一光学装置转化成“明”或“暗”图像，该光学装置由传统的显微镜、照明系统、偏振器和CCD图像传感器组成。给出了初步的实验探测结果。     

基于脉冲激光点光源热成像方法检测钢材表面裂纹

在损伤之前检测和表征钢材上的表面裂纹是一项非常重要的任务,对于涉及相关的结构安全有重大意义。本文采用了一种非接触式的脉冲激光点光源热成像技术,用于检测钢结构试件的表面破裂裂纹。使用脉冲点激光源将热量加载到材料表面,热流在传导过程中会受到裂纹缺陷的影响,裂纹的边界处阻挡的热流导致表面产生了明显的温度差,红外热像仪实时监测表面温度场的变化来实现裂纹缺陷的可视化。通过有限元仿真分析与实验验证的方法进行研究,结果表明:激励开始后,裂纹缺陷边界开始出现温度差,激励结束后,温度差达到峰值,实现裂纹缺陷的可视化;缺陷边界的温度差峰值以及出现时间与激励中心的距离相关。同时为下一步的定量检测奠定基础。     

激光激发表面波测量表面缺陷深度的数值研究

为了研究声表面波与表面缺陷的作用机理,实现激光超声技术对表面微缺陷定量检测,本文采用有限元法首先分别研究了声表面波与缺陷前沿、缺陷后沿的作用,然后讨论了缺陷宽度的存在对缺陷前沿与声表面波作用的影响,最后通过分析矩形缺陷与声表面波的作用,给出了能定量表征表面缺陷的特征量。研究结果表明:RS波(特征点Q)后的振荡信号(特征点W、E)来源于透射表面波在缺陷后沿所产生的振荡。特征点Q的到达时间随表面缺陷深度或宽度增大都呈现微小的线性增长；特征点W、E的到达时间差随表面缺陷深度的增大呈线性增长,与缺陷宽度的变化无关。最后,根据特征点的到达时间实现了缺陷深度的定量计算。研究结果为表面缺陷的定量检测提供了理论依据。     

激光阵列用于改善声表面波信噪比的数值研究

为了改善激光超声检测中声表面波的信噪比,利用对激光线源进行时间和空间上的调制获得激光阵列作为激励源辐照铝板表面,采用有限元法分别模拟了大位移幅值声表面波(巨声表面波)的激发以及巨声表面波与铝板表面矩形缺陷相互作用的过程。结果表明,激光阵列经过时间调制后辐照铝材料上激发出的声表面波,其垂直于表面方向的位移幅值与阵列中线源个数成线性比例;且巨声表面波与表面缺陷作用后所产生的反射回波的位移幅值也随着线源个数的增多得到明显增大。模拟结果对在激光超声检测中应用激光阵列提高声表面波的信噪比提供了理论依据。     

激光超声在缺陷材料中散射波形的声谱分析

利用有限元法模拟了脉冲激光作用于单层铝板表面,由热弹机制产生超声波及其传播过程。针对相同厚度而含有不同深度的表面裂痕与给定埋藏深度的亚表面裂痕的单层铝板进行了对比计算,初步得到了声表面波经过表面裂痕及其亚表面裂痕时产生的反射及透射波形的特征;同时基于Wigner Ville分布的时间频率分析,得到了在裂痕前、后激光激发的瞬态表面波形的能量在时间频率平面内分布的情形,并就时频分析结果提出了不同深度的表面裂痕与亚表面裂痕对声表面波的声谱特征产生的显著影响,为激光超声的无损检测技术走向定量化提供了初步的理论依据。     

环形光源激发超声进行缺陷检测的数值研究

为了提高激光超声的激发效率且不对被测表面造成损伤,改变了光源的空间分布,采用脉冲激光环形光源激发超声及有限元方法, 应用多物理场耦合软件,对铝板中激发的超声全场波形进行了数值模拟,研究了环形光源中轴线上叠加横波的激发特性随激光参量而变化的规律,并与点光源激发超声进行对比。通过模拟缺陷所导致超声场的变化规律,提出一种环光源双面扫描检测裂纹的方法,验证了利用叠加横波特性进行缺陷检测的可行性和有效性。结果表明,使用环形光源,其光源损耗常在50%以下,可大大提高激发效率,横波传播方向稳定,叠加深度与光环半径有关,而环半宽则会影响叠加横波强度。该研究结果对环形光源激发超声应用于缺陷检测提供了参考。     

弹性声波与表面缺陷相互作用的数值模拟

为了分析材料表面缺陷对声表面波传播的影响,以弹性动力学理论为基础,采用有限元方法数值模拟了声表面波沿金属表面传播及其与表面缺陷的相互作用.通过数值模拟弹性声表面波与不同深度、不同宽度的表面缺陷相互作用过程,得到了声表面波经不同表面缺陷后的反射和透射表面波波形,并对波形进行快速傅里叶变换分析.结果表明,弹性声表面波与表面缺陷相互作用后,产生反射Rayleigh波和透射Rayleigh波:随着表面缺陷深度和宽度的增加,Rayleigh波反射率相应增加,而透射率相应减小.     

Young's modulus characterization of low-k films of nanoporous Black DiamondTM by surface acoustic waves

The laser-generated surface acoustic wave(SAW) technique is an accurate,fast and nondestructive solution to determine the mechanical properties of ultra thin films.SAWs are dispersive during the wave propagation on the layered structure.The Young's moduli of thin films can be obtained by matching the experimentally and theoretically calculated dispersive SAW curves.A short ultraviolet laser pulse is employed to generate the broad spectral range of the dispersive SAWs.The frequency range of dispersive SAW...     

弹性声波与表面缺陷相互作用的数值模拟

为了分析材料表面缺陷对声表面波传播的影响,以弹性动力学理论为基础,采用有限元方法数值模拟了声表面波沿金属表面传播及其与表面缺陷的相互作用。通过数值模拟弹性声表面波与不同深度、不同宽度的表面缺陷相互作用过程,得到了声表面波经不同表面缺陷后的反射和透射表面波波形,并对波形进行快速傅里叶变换分析。结果表明,弹性声表面波与表面缺陷相互作用后,产生反射Rayleigh波和透射Rayleigh波;随着表面缺陷深度和宽度的增加,Rayleigh波反射率相应增加,而透射率相应减小。     

声表面波方法表征低k纳米多孔黑钻石绝缘薄膜的杨氏模量

激光激发声表面波技术探测薄膜的杨氏模量是一种快速、准确、无损的方法。在薄膜表面,声表面波通过激光短脉冲与介质材料之间的热弹作用被激发。在分层结构的薄膜上传播时,表面波会发生色散现象,通过对实验测得的表面波色散曲线和理论计算的到的色散曲线进行匹配,可以获得薄膜的杨氏模量。在本实验中,采用紫外波段激光脉冲可以产生具有很宽频谱范围的表面波信号,色散曲线的范围可达180 MHz。应用声表面方法对生长于Si(100)衬底上,具有不同厚度的低k纳米多孔黑钻石绝缘薄膜的杨氏模量进行了成功探测。     

Depth measurement of the periodic grooved reflectors of surface acoustic waves using the laser probing

An optical method for depth measurement of the periodic grooved structures that serve as reflectors of surface acoustic waves (SAWs) is presented and analyzed. The method is based on the diffraction of the laser beam on a system of the SAW reflection elements. The measurement method is theoretically validated, and the experimental results are presented.     

基于双处理器技术的激光微弱信号发生系统

研制了基于ADuC841和AT89C55双处理器的微弱信号产生系统.该系统可将任意波形转换为微弱激光信号.双处理器技术的应用提高了系统的整体性能,在实际使用过程中表现出了很高的可靠性和灵活性.