光学传声器非接触超声检测技术

光学传声器原理及其特点：

检测原理：

  激光器激励一束激光，该激光穿透检测器上方的倾斜镜后到达左侧反射镜，激光继续向前传播穿透后进入两反射镜构成的法布里-派洛特干涉腔中，激光继续传播到达右侧反射镜后反射回来再次经过干涉腔，穿过左反射镜到达倾斜镜后经折射进入检测器中被光电二极管所接收生成电信号。如果有外在的声压扰动，那么将使得达到二极管的光强发生变化，从而实现了声压-介质密度-介质折射率-介质中光的波长-光信号的反射率-反射光强度-电信号的完整演变过程。

• 传声器：将声波机械信号转换为电光学信号的能量转换器件。

• 为了检测声波，传统传声器需要使用薄膜或其他运动部件作为传入声波和产生的电量之间的中介。

• 对于基于压电晶体的声波超声传感器，方法类似：声波使晶片产生形变。

• 相比之下，光学传声器利用的是声音的另一种完全不同的特性：声波改变光的折射率和强度。

 

光学传声器技术用于超声无损检测具有以下优点：

• 光学传声器通过一只激光二极管激发出光束以连续波模式工作，传感器耦合为一体，整个光学传声器不受强电磁干扰影响。

• 可测量空气中传播的10Hz到超过1MHz的全频谱声波，其频率响应不受环境噪声影响。

• 具有极高的声压分辨能力，可以检测到低于10-14的折射率变化，对应于小至1uPa的压力变化(归一化为1Hz带宽)

• 光学传声器属于非惯性传感器，可以更好的成像狄拉克(Dirac)脉冲，相比常规超声压电换能器，检测盲区小。

 

无接触超声波检测工具

  超声波信号由基于激光的激发技术产生。光学传声器可检测样品传输或反射的声音信号。

  通过传输以及单面（节距捕捉）测量，允许以无接触方式检测内部缺陷、分层或孔隙。

  对于时间敏感型应用，可提供八通道传声器阵列系统。

 

光学传声器应用

领域

• 无损检测：点焊检测、复合材料分层和缺陷检测、胶接接头检测、成分确定（如铸钢）等。

• 激光加工过程监控：激光焊接、激光构型、激光切割

• 增材制造过程监控：粉末床熔融、激光金属沉积、电弧增材制造

案例

• 激光焊接：锌检测、焊接深度关联

• 激光构造：焦点位置、表面质量

• 粉末床熔融：异常检测、裂纹检测

• 激光金属沉积（使用粉末）：裂纹检测

• 电弧增材制造：过程参数监控

 

无损检测-带宽演示

 

基于光学传声器的非接触无损检测

  无膜光学传声器用于非接触式超声波检测，带宽从10kHz到2MHz，利于宽频带激光激励超声信号的接收，适合于复合材料、点焊和粘结接头等材料的质量检测与表征。

  

  与常规超声检测方式类似，非接触光学传声器超声无损检测系统（简称光学超声检测系统）同样可应用于单侧布置检测（反射式或导波）和双侧布置（穿透式）无损检测。

 

特点：

• 检测灵敏度优于常规空气耦合超声，与液体耦合剂超声相当；

• 相对灵敏度高、检测速度快、带宽宽，同时保持了高的空间分辨率和时间分辨率，适合自动化生产线；

• 对机械定位精度和传感器位置的控制要求相比其他超声系统（如喷淋超声系统）低；

• 该技术可接收激光激励、热声发射（检测强反射或透明材料）、空气耦合压电探头产生的超声波信号，应用广泛；

• 全光学器件避免电磁干扰；

• 可以使用较长的线缆（光纤衰减仅0.3dB/km）

 

定制化解决方案

• 可定制化便携、自动化光学超声扫描检测系统

• 无需耦合剂即可检测从样件透射或反射的声信号

• 激光、空耦、热声激励

• 可检测各种几何形状和材料的样品

• A/B/C扫描

• 采样率：25MHz/14位

• 步距从0.01到5mm

• 扫描速率高达每秒1600次测量 

• 可多通道提高效率

• 原始数据以CSV格式导出

 

  在NDT应用中，激光器激励脉冲在材料内产生冲击波，光学传声器可以在冲击波传播至空气中后即刻采集，并得到有关材料内部缺陷的超声波损伤。

  光学传声器在该检测中无需接触部件，空气中大于1MHz的声波目前只有光学传声器能进行接收，并且拥有极高的空间分辨率。

 

复合材料的超声检测

  激光激励声学技术能够以高分辨率对复合材料零件或粘合层进行无接触超声波检测。能够可靠地检测内部缺陷或分层。它可以集成到机器人或扫描仪系统中，也可以作为交钥匙扫描仪方案提供。激光脉冲超声激发和超声检测器结合实现了两个部件的性能，灵敏度和分辨率上与标准液体耦合UT相匹配，而不需要水或耦合凝胶。

 

复合材料-CFRP蜂窝结构非接触C扫描

 

复合材料-CFRP蜂窝结构

 

CFRP长桁结构件

分层是肉眼不可见的，但是在超声C扫描中可以清晰的显示（深黑色区域）

 

点焊检测

  点焊检测方法有别与其他检测方法，它与车身无物理接触。使用机器人控制汽车行业的点焊检查，可靠区分OK和NG焊缝。点焊检测系统与实际生产环境中的工业机器人相匹配。与先进的手动检查相比，这种全自动高速解决方案将检查成本降低十倍。 

 

特征：

• 不需要耦合液体

• 检查成本降低10倍

• 测量精度：小于300µm

• 偏差：5mm

• 抗表面不均匀性的鲁棒性

 

半导体器件在线检测

  基于激光的技术能够在没有任何耦合液体的情况下对半导体组件进行超声波检测。提供了两种测试方法：高速非接触成像模式和每秒1000个组件的超高效率。这两种模式都允许对分层和其他内部缺陷进行无损检测，提高了故障分析的效率和生产的可靠性。

 

特征:

• 紧凑和高度通用的桌面工具或全自动在线检测工具

• 提供100%的安全检测

• 非接触式传感器技术，无需液体耦合介质

• 不干扰其他生产步骤

• 高速成像模式，每秒高达10000个成像点

• 超高效率：每秒可检测1000件

• 结合离线非接触成像对缺陷部件进行进一步分析

 

 

产品应用-在线工艺过程监控

• 激光焊接:在线反馈焊接参数和缺陷检测

• 切削：监控工具的锐利度

• 增材制造：实时监控SLS、SLM和类似增材制造材料中的裂纹、分层、气孔和其他缺陷

• 管道和阀门：振动检测，气蚀状态识别

• 加工：监控加工工具的损耗状况

• 高达1MHz的非接触式超声光学传声器

  可实现对工业过程和机器的真正非接触式监测。它不需要固态或液体耦合剂，也不需要直接光学方式进入振动表面。

• 信号清晰，无背景

  高频声发射通常仅在空气中传播几十厘米。因此，光学传感器可直接监控工艺过程和加工设备，同时强烈抑制了来自环境的背景噪声。

• 智能在线监测

  声音信号具有小量的数据流。这允许我们实施强大的实时分析和机器学习方法和算法。3D模式识别算法可以自动区分“好”和“坏”声学特征，实现生产线每个阶段100%的过程质量控制。

 

金属增材制造

 

激光焊接-锌残留或混入检测

 

激光焊接-焊接深度

 

激光构造-定位焦点位置

 

激光构造-表面质量信息

 

 

 

 

粉末床熔融

 

 

 

 

 

 

激光金属沉积

 

 

电弧增材制造

 

  光学超声的应用非常广泛，嘉盛科技不仅可以为用户提供基于光学传声器的非接触超声激励单元和接收传感器，也提供针对具体检测或监测任务的系统化非接触光学超声检测解决方案。突破传统，欢迎垂询。