01
Введение
Технология оптического обнаружения играет центральную роль в лазерном ультразвуковом контроле (ЛУТ) и имеет преимущества перед традиционными пьезоэлектрическими датчиками. Бесконтактное оптическое обнаружение не создает помех ультразвуковому полю и позволяет точкам обнаружения быстро перемещаться с высокой пространственной точностью. Оптическое обнаружение охватывает широкий частотный диапазон в высокочастотных-диапазонах, что позволяет идентифицировать и анализировать ультразвуковые волны. Напротив, пьезоэлектрические датчики сталкиваются с проблемами при обнаружении высокочастотных сигналов из-за ограничений свойств материала. Однако чувствительность оптического обнаружения существенно снижается при работе с рассеянными объектами. Воздействие ультразвуковых волн на световой луч можно в основном разделить на модуляцию интенсивности и фазовую или частотную модуляцию. Из-за чрезвычайно высокой частоты света современные фотодетекторы не могут напрямую измерять фазу света и могут определять только интенсивность света. Чтобы получить информацию о фазе светового луча, луч необходимо модулировать для преобразования информации о фазе в информацию об интенсивности, которая затем восстанавливается посредством демодуляции.
02
Методы модуляции интенсивности
Методы модуляции интенсивности позволяют получать данные о вибрации и смещении поверхности, отслеживая колебания интенсивности света. Этот подход в первую очередь включает методы накачки-зондов, методы оптического отклонения и методы дифракции на поверхностных решетках. Методы накачки-зонда используются для характеристики сверхбыстрой динамики и акустических реакций от микро- до наноразмеров. Как показано на рисунке 1, принцип заключается в использовании высокоэнергетического света накачки для индукции переходной термоупругой деформации или высокочастотных ультразвуковых импульсов в материале с последующим отбором проб с помощью зондирующего света с контролируемой задержкой по времени. Нарушения или смещения показателя преломления, вызванные ультразвуком, изменяют характеристики отражения зондирующего света. Регулируя временную задержку между двумя импульсами с помощью механического преобразователя, система может регистрировать динамическую эволюцию ультразвука в пикосекундном или фемтосекундном масштабе. Методы оптического отклонения обнаруживают локальные геометрические наклоны, вызванные поверхностными акустическими волнами. Когда ультразвук проходит через точку обнаружения, небольшие наклоны поверхности вызывают пространственное отклонение отраженного светового луча. Путем введения физических препятствий на оптический путь угловые смещения преобразуются в флуктуации интенсивности света, принимаемые детектором. Частота этих колебаний напрямую отражает физические характеристики поверхностного акустического поля. Методы дифракции на поверхностных решетках подходят для поверхностей с периодической микроструктурой. По мере распространения ультразвука он часто вызывает небольшие изменения в решетке, что, в свою очередь, изменяет углы и распределение энергии дифрагированных лучей. Отслеживая изменения интенсивности дифрагированного света на определенных порядках, система может извлекать информацию о динамическом смещении поверхности на суб-уровне.
03
Фазовая модуляция и интерферометрия Фабри–Перо.
Технология фазовой модуляции использует принцип интерференции когерентного света для преобразования фазовых сдвигов, модулированных ультразвуковыми колебаниями, в изменения интенсивности интерференционных полос. Эта технология обычно обеспечивает точность нанометрового-уровня или даже ниже. Интерферометрическое обнаружение можно разделить на эталонную-световую интерференцию и само-эталонную интерференцию. Эталонная-световая интерференция включает в себя интерференцию с нулевой-путью-разностью и гетеродинную интерференцию, а схемы само-опорного света включают интерференцию с задержкой, адаптивную голографическую интерференцию и обнаружение лазерного рассеяния. В схемах фазовой демодуляции интерферометр Фабри – Перо является основным методом лазерного ультразвукового обнаружения. Этот метод обеспечивает когерентную суперпозицию нескольких лучей через резонансную полость, образованную двумя зеркалами с высокой отражающей способностью (рис. 2). Когда зондирующий свет, несущий информацию о фазе вибрации поверхности, попадает в резонатор, лучи многократно отражаются между зеркалами, что делает интерференционные полосы чрезвычайно резкими. Когда ультразвуковое-вызванное смещение вызывает фазовый сдвиг, условия резонанса смещаются, что приводит к резким линейным колебаниям интенсивности прошедшего или отраженного света. По сравнению с обычными интерферометрами Майкельсона, интерферометры Фабри-Перо демонстрируют более высокую устойчивость к механическим вибрациям окружающей среды и обладают большей оптической коллимацией, что приводит к лучшей чувствительности при работе с шероховатыми поверхностями крупных компонентов аэрокосмической отрасли. Контролируя длину резонатора с помощью пьезоэлектрической керамики, система может фиксировать рабочую точку в наиболее чувствительной области интерференционной кривой, обеспечивая высокую-линейность извлечения слабых сигналов акустических колебаний. Кроме того, адаптивные голографические интерферометры используют фоторефрактивные кристаллы для динамической записи интерференционных картин, автоматически компенсируя искажения волнового фронта, вызванные возмущениями окружающей среды или сложной морфологией поверхности, улучшая стабильность системы в суровых промышленных условиях. Технология обнаружения лазерного рассеяния собирает информацию о вибрации, анализируя динамическую эволюцию распределения спекл-полей. Хотя его разрешение по абсолютному смещению немного уступает чисто интерферометрическим методам, он обладает высокой надежностью при работе с необработанными поверхностями с высокой степенью рассеивания, что служит дополнительным подходом для определения характеристик сложных аэрокосмических материалов (как показано на рисунке 3). Гетеродинные интерферометры генерируют сигналы биения за счет введения разности частот, эффективно решая проблемы дрейфа сигнала постоянного тока и повышая точность измерений в динамических средах.
04
Краткое содержание
Принцип оптического обнаружения лазерного ультразвукового контроля устанавливает полную систему от преобразования физической энергии до фазовой демодуляции сигнала. Технология модуляции интенсивности с ее интуитивно понятной структурой и реакцией в-реальном времени играет важную роль в высокоскоростном-мониторинге процессов и микро-нанодиагностике. Технология фазовой модуляции, представленная интерферометрами Фабри-Перо, преодолевает ограничения бесконтактного обнаружения с точки зрения чувствительности и разрешения за счет точных методов оптической когерентности. Этот полностью бесконтактный режим обнаружения не только решает проблемы онлайн-оценки сложных изогнутых компонентов, но также обеспечивает важную теоретическую поддержку и технические возможности для мониторинга состояния материалов на протяжении всего их жизненного цикла.
