革命性的创新型非接触超声无损检测技术

摘要：

随着复杂复合材料部件在生产领域的广泛应用，以及汽车和航空航天工业领域对于全自动质量检测控制的要求，催生了非接触式无损检测技术的需求。得益于超声检测技术的灵活性，以及其揭示材料内部缺陷（分层，裂缝等）的能力，已成为应用为广泛的一种无损检测技术。本文介绍奥地利赞睿安（Xarion）公司开发的一种基于激光激励超声及宽带空气耦合光学传声器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配置，是一种相对经济实用的非接触检测技术的实现方法。

关键字：空气耦合超声、激光超声、光学传声器、非接触无损检测点焊、复合材料、增材制造、过程控制

采用激光激励和热声发射的非接触超声检测技术

目前，非接触超声无损检测主要有应用压电换能器作透射布置模式的空气耦合超声或激光激励、激光接收的激光超声两种模式。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。该声波可采用宽频带的接收方法进行接收。当前，主要通过相应的光学干涉仪测量表面振动的方法实现，其接收带宽超过100MHz。

这种激光超声实现方法有一个显著劣势，对于激励和接收过程，它的性能都特别依赖光学参数和被测对象的表面特性。例如，由于材料表面的强烈散射作用，这类激光超声需要高能激光和复杂昂贵的干涉仪，这导致人们难以实现设备的小型化和成本控制。

本文介绍赞睿安一种利用宽频带的光学传声器作为激光激励的超声波的接收装置的替代方案。此外它还可以接收空气耦合压电探头产生的超声波信号，其分辨率更高，可用于精确测量发射探头的声场。虽然由于超声波信号在空气中的衰减，这种方法的带宽虽被局限于10Hz到1MHz，但是它的接收带宽仍然相当于传统压电晶片式换能器的10倍大小。因此，微秒级别的超声脉冲也可以被它可靠的接收，并同时实现高时间分辨率的时域信号显示和频谱分析。赞睿安这种接收方式与被测对象的表面特性和光学参数无关，因此特别适合纤维增强复合材料，尤其是三明治结构，而1MHz以上频率的超声波在这些材料中传播的时候会存在强烈的衰减效应。以下展示了采用该新型技术对钢制产品作无损检测的实用性。

赞睿安基于光学传声器的非接触超声检测技术

图1 赞睿安基于光学传声器的非接触超声检测原理示意图

一、原理概述

介质中光的波长取决于其折射率，而折射率是介质的局部密度的函数。超声波在空气中传播会改变空气的密度，也就改变了光的波长，这种细微的变化可被一种精密的法布里-珀（Fabry-Perot）校准器测得。光的反射强度依赖于激光在反射镜之间的介质中的波长，我们可以通过光电二极管测量反射光强度，从而实现声电转换。如前文所述可以是激光激励的超声也可以是其他方式如空耦压电晶片换能器激励的超声。

注：图中所示激光由安装在远端的装置内的激光器产生后经过光纤（几十米~百米长）到达图中所标注的Laser位置后经过透射传到左侧镜片，后经过空腔（空气）后到达右侧反射镜，然后反射回空气再透过左侧镜片后经过反射到达光电二极管（图中黑色圆柱Detector指示），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。信号经光纤连接到远端的控制器，控制器具有模拟放大器、模拟滤波器电路，并提供BNC接口输出模拟信号。