01
Introduktion
Optisk detekteringsteknik spelar en central roll i laser ultraljudstestning (LUT) och har fördelar jämfört med traditionella piezoelektriska sensorer. Optisk detektering utan-kontakt stör inte ultraljudsfältet och tillåter detekteringspunkter att röra sig snabbt med exakt rumslig noggrannhet. Optisk detektering täcker ett brett frekvensområde i hög-frekvensband, vilket gör den kapabel att identifiera och analysera ultraljudsvågor. Däremot står piezoelektriska sensorer inför utmaningar när det gäller att upptäcka hög-signaler på grund av begränsningarna i materialegenskaper. Känsligheten för optisk detektering minskar dock avsevärt när man hanterar spridda föremål. Effekten av ultraljudsvågor på en ljusstråle kan huvudsakligen klassificeras i intensitetsmodulering och fas- eller frekvensmodulering. På grund av den extremt höga ljusfrekvensen kan nuvarande fotodetektorer inte direkt mäta ljusets fas och kan bara detektera ljusintensiteten. För att erhålla fasinformation för ljusstrålen måste strålen moduleras för att omvandla fasinformation till intensitetsinformation, som sedan återvinns genom demodulering.
02
Intensitetsmoduleringstekniker
Intensitetsmoduleringstekniker förvärvar ytvibrations- och förskjutningsdata genom att övervaka fluktuationer i ljusintensitet. Detta tillvägagångssätt inkluderar primärt pump-sondtekniker, optiska avböjningstekniker och ytgitterdiffraktionstekniker. Pump-sondtekniker används för att karakterisera ultrasnabb dynamik och mikro- till nanoskala akustiska svar. Som illustreras i figur 1 innebär principen att man använder hög-pumpljus för att inducera transient termoelastisk deformation eller hög-ultraljudspulser i materialet, följt av provtagning med sondljus som har en kontrollerad tidsfördröjning. Brytningsindexstörningar eller förskjutningar orsakade av ultraljudet förändrar reflektionsegenskaperna hos sondljuset. Genom att justera tidsfördröjningen mellan de två pulserna med hjälp av ett mekaniskt translationssteg, kan systemet registrera den dynamiska utvecklingen av ultraljud på en pikosekund eller femtosekundsskala. Optiska avböjningstekniker detekterar lokala geometriska lutningar inducerade av akustiska ytvågor. När ultraljudet passerar genom detekteringspunkten, orsakar lätta lutningar av ytan rumslig avböjning av den reflekterade ljusstrålen. Genom att införa fysiska hinder i den optiska banan omvandlas vinkelförskjutningar till ljusintensitetsfluktuationer som tas emot av detektorn. Frekvensen av dessa fluktuationer reflekterar direkt de fysiska egenskaperna hos det akustiska ytfältet. Ytgitter-diffraktionstekniker är lämpliga för ytor med periodiska mikrostrukturer. När ultraljud fortplantar sig orsakar det ofta små justeringar av gittret, vilket i sin tur ändrar vinklarna och energifördelningen hos de diffrakterade strålarna. Genom att övervaka förändringar i intensiteten av diffrakterat ljus vid specifika beställningar kan systemet extrahera information om ytdynamisk förskjutning på sub-nanometernivå.
03
Fasmodulering och Fabry–Perot-interferometri
Fasmoduleringsteknologin använder interferensprincipen med koherent ljus för att omvandla fasskiftningar som moduleras av ultraljudsvibrationer till variationer i intensiteten hos interferensfransar. Denna teknik uppnår vanligtvis nanometer-precision eller ännu lägre. Interferometrisk detektering kan delas in i referens-ljusinterferens och själv-referensinterferens. Referens-ljusinterferens inkluderar noll-vägs-skillnadsinterferens och heterodyninterferens, medan själv-referensscheman inkluderar fördröjningsinterferens, adaptiv holografisk interferens och laserspridningsdetektering. I fasdemoduleringsscheman är Fabry-Perot-interferometern kärntekniken för laser ultraljudsdetektering. Denna metod uppnår koherent överlagring av flera strålar genom en resonanshålighet som bildas av två mycket reflekterande speglar (Figur 2). När sondljuset som bär ytvibrationsfasinformation kommer in i kaviteten, reflekteras strålarna flera gånger mellan speglarna, vilket gör interferenskanterna extremt skarpa. När ultraljudsinducerad-förskjutning orsakar en fasförskjutning, driver resonanstillståndet, vilket leder till dramatiska linjära fluktuationer i den transmitterade eller reflekterade ljusintensiteten. Jämfört med konventionella Michelson-interferometrar, visar Fabry-Perot-interferometrar högre tolerans mot mekaniska vibrationer i omgivningen och har större optisk kollimation, vilket resulterar i bättre känslighet när de hanterar ojämna ytor av stora flyg- och rymdkomponenter. Genom att styra kavitetslängden med piezoelektrisk keramik kan systemet låsa arbetspunkten vid det känsligaste området av interferenskurvan, vilket möjliggör extraktion av-hög linjäritet av svaga akustiska vibrationssignaler. Dessutom använder adaptiva holografiska interferometrar fotorefraktiva kristaller för att dynamiskt registrera interferensmönster, vilket automatiskt kompenserar för vågfrontsförvrängningar orsakade av miljöstörningar eller komplexa ytmorfologier, vilket förbättrar systemstabiliteten i tuffa industriella miljöer. Teknik för detektering av laserspridning fångar vibrationsinformation genom att analysera den dynamiska utvecklingen av spräckfältsfördelningar. Även om dess absoluta förskjutningsupplösning är något sämre än rena interferometriska metoder, har den stark robusthet vid hantering av obearbetade, mycket spridande ytor, vilket fungerar som ett komplement till att karakterisera komplexa flygmaterial (som visas i figur 3). Heterodyne interferometrar genererar beatsignaler genom att introducera en frekvensskillnad, som effektivt tar itu med DC-signaldriftproblem och förbättrar mätnoggrannheten i dynamiska miljöer.
04
Sammanfattning
Den optiska detekteringsprincipen för laser-ultraljudstestning etablerar ett komplett system från omvandling av fysisk energi till signalfasdemodulering. Intensitetsmoduleringsteknik, med sin intuitiva struktur och realtidsrespons, spelar en viktig roll i hög-processövervakning och mikro-nanokarakterisering. Fasmoduleringsteknik, representerad av Fabry-Pérot-interferometrar, övervinner begränsningarna med icke-kontaktdetektering när det gäller känslighet och upplösning genom exakta optiska koherensmetoder. Detta helt -kontaktdetekteringsläge tar inte bara upp utmaningarna med onlineutvärdering av komplexa krökta komponenter utan ger också viktigt teoretiskt stöd och tekniska vägar för hälsoövervakning av material under hela deras livscykel.
