01
Zavedení
Technologie optické detekce hraje ústřední roli v laserovém ultrazvukovém testování (LUT) a má výhody oproti tradičním piezoelektrickým senzorům. Bez-kontaktní optická detekce neinterferuje s ultrazvukovým polem a umožňuje detekčním bodům rychlý pohyb s přesnou prostorovou přesností. Optická detekce pokrývá široký frekvenční rozsah ve vysoko-frekvenčních pásmech, díky čemuž je schopna identifikovat a analyzovat ultrazvukové vlny. Naproti tomu piezoelektrické senzory čelí problémům při detekci vysoko-frekvenčních signálů kvůli omezením materiálových vlastností. Citlivost optické detekce však výrazně klesá při práci s rozptýlenými předměty. Vliv ultrazvukových vln na světelný paprsek lze rozdělit hlavně na modulaci intenzity a fázovou nebo frekvenční modulaci. Vzhledem k extrémně vysoké frekvenci světla nemohou současné fotodetektory přímo měřit fázi světla a mohou detekovat pouze intenzitu světla. Aby se získaly informace o fázi světelného paprsku, musí být paprsek modulován, aby se informace o fázi přeměnila na informaci o intenzitě, která se pak obnoví demodulací.
02
Techniky modulace intenzity
Techniky modulace intenzity získávají údaje o vibracích povrchu a posunutí sledováním kolísání intenzity světla. Tento přístup zahrnuje především techniky pump{1}}sond, techniky optického vychylování a techniky difrakce povrchové mřížky. K charakterizaci ultrarychlé dynamiky a mikro- až nanometrové akustické odezvy se používají techniky pumpové sondy. Jak je znázorněno na obrázku 1, princip zahrnuje použití vysokoenergetického světla pumpy k vyvolání přechodné termoelastické deformace nebo vysokofrekvenčních ultrazvukových pulsů v materiálu s následným vzorkováním pomocí světla sondy, které má řízené časové zpoždění. Poruchy indexu lomu nebo posuny způsobené ultrazvukem mění charakteristiky odrazu světla sondy. Nastavením časového zpoždění mezi dvěma pulzy pomocí mechanického translačního stupně může systém zaznamenávat dynamický vývoj ultrazvuku na pikosekundové nebo femtosekundové stupnici. Techniky optického vychylování detekují místní geometrické náklony vyvolané povrchovými akustickými vlnami. Při průchodu ultrazvuku detekčním bodem způsobí mírné naklonění povrchu prostorovou odchylku odraženého světelného paprsku. Zavedením fyzických překážek do optické dráhy se úhlové posuny převedou na kolísání intenzity světla přijaté detektorem. Frekvence těchto fluktuací přímo odráží fyzikální vlastnosti povrchového akustického pole. Difrakční techniky povrchové mřížky jsou vhodné pro povrchy s periodickou mikrostrukturou. Jak se ultrazvuk šíří, často způsobuje mírné úpravy mřížky, což zase mění úhly a rozložení energie difraktovaných paprsků. Monitorováním změn intenzity ohybového světla v určitých řádech může systém extrahovat informace o dynamickém posunutí povrchu na sub{18}}úrovni nanometrů.
03
Fázová modulace a Fabry-Perotova interferometrie
Technologie fázové modulace využívá principu rušení koherentního světla k přeměně fázových posunů modulovaných ultrazvukovými vibracemi na změny intenzity interferenčních proužků. Tato technologie obvykle dosahuje přesnosti na-úrovni nanometrů nebo dokonce nižší. Interferometrickou detekci lze rozdělit na referenční-interferenci světla a auto{4}}referenční interferenci. Referenční-interference světla zahrnuje nulovou-cestu-diferenčního rušení a heterodynní interferenci, zatímco vlastní-referenční schémata zahrnují rušení se zpožděním, adaptivní holografické rušení a detekci laserového rozptylu. Ve schématech fázové demodulace je Fabry-Perotův interferometr základní technikou pro laserovou ultrazvukovou detekci. Touto metodou se dosahuje koherentní superpozice více paprsků přes rezonanční dutinu tvořenou dvěma vysoce reflexními zrcadly (obrázek 2). Když informace o fázi vibrací povrchu nesoucího světlo sondy vstoupí do dutiny, paprsky se vícenásobně odrážejí mezi zrcadly, takže interferenční proužky jsou extrémně ostré. Když ultrazvuk{15}}vyvolaný posun způsobí fázový posun, rezonanční podmínky se posunou, což vede k dramatickým lineárním fluktuacím intenzity procházejícího nebo odraženého světla. Ve srovnání s konvenčními Michelsonovými interferometry vykazují Fabry-Perotovy interferometry vyšší toleranci vůči okolním mechanickým vibracím a mají větší optickou kolimaci, což vede k lepší citlivosti při práci s drsnými povrchy velkých leteckých součástí. Řízením délky dutiny pomocí piezoelektrické keramiky může systém uzamknout pracovní bod v nejcitlivější oblasti interferenční křivky, což umožňuje extrakci slabých akustických vibračních signálů s vysokou-linearitou. Adaptivní holografické interferometry navíc používají fotorefrakční krystaly k dynamickému záznamu interferenčních vzorů, automaticky kompenzují zkreslení čela vlny způsobená poruchami prostředí nebo složitými povrchovými morfologiemi, čímž zlepšují stabilitu systému v drsných průmyslových prostředích. Technologie detekce laserového rozptylu zachycuje informace o vibracích analýzou dynamického vývoje distribuce pole skvrn. Ačkoli je jeho absolutní rozlišení posunutí mírně horší než u čistých interferometrických metod, má silnou robustnost při manipulaci s nezpracovanými, vysoce rozptylujícími povrchy, což slouží jako doplňkový přístup k charakterizaci složitých leteckých materiálů (jak je znázorněno na obrázku 3). Heterodynní interferometry generují signály rytmu zavedením frekvenčního rozdílu, čímž účinně řeší problémy s posunem stejnosměrného signálu a zvyšují přesnost měření v dynamických prostředích.
04
Shrnutí
Princip optické detekce laserového ultrazvukového testování vytváří kompletní systém od přeměny fyzické energie po demodulaci fáze signálu. Technologie modulace intenzity se svou intuitivní strukturou a-odezvou v reálném čase hraje důležitou roli při vysoko-sledování procesů a mikro-nano charakterizaci. Technologie fázové modulace, kterou představují Fabry-Pérotovy interferometry, překonává omezení bez-kontaktní detekce z hlediska citlivosti a rozlišení prostřednictvím přesných metod optické koherence. Tento plně bez{8}}dotykový detekční režim nejen řeší problémy online vyhodnocování složitých zakřivených součástí, ale také poskytuje důležitou teoretickou podporu a technické cesty pro monitorování zdravotního stavu materiálů během celého jejich životního cyklu.
