激光超声波可视化检测技术与应用

常规脉冲反射法超声检测技术在我们的日常无损检测工作中，往往会遇到复杂形状工件无法入手、检测速度相对较慢、容易出现漏检误检、检测人员专业性要求高等问题。

而激光超声波可视化检测技术作为一种新型超声波检测方法因其检测速度快、覆盖范围大、检测结果以动画形式展现更为直观、可实现狭小空间与复杂形状工件检测等，被更为广泛的应用。

近日，北京国电电科院检测科技有限公司佟鑫工程师受邀进行了《激光超声波可视化检测技术与应用》的主题研讨，向大家介绍了激光超声波可视化检测技术的工作原理、特点、适用范围，分享了该检测技术的系列应用案例。

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激光超声波可视化技术原理

激光超声检测是近些年超声检测发展起来的新分支，属于光、声、电等的交叉科学。与传统的超声检测技术相比，激光超声可视化技术以其非接触地高速扫描检测，消除了传统超声检测技术中的耦合剂影响，用于各种较复杂形状工件的无损检测。加之可重复产生很窄的超声脉冲，在时间和空间均具有极高的分辨率，使之成为极具应用前景的无损检测新技术。

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常规超声波检测面临的难题

● 面积小、时间长、效率低

● 无法检测复杂形状

● 无法检测狭小处、高温等处

● 大量耦合剂

● 漏、误报率高

● 表面盲区

● 专业性过强

常规超声波设备检测过程

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与现有常规超声检测技术的差别

旧方法采用的是脉冲回波法，属于经验型技术，只能对简单形状的工件进行局部探伤，同时需要专家检测。

新技术采用的是激光扫描，属于视觉型技术，可以对3D任意形状的大范围、非接触的工件进行检测，非专家人员也可进行检测。

新技术的优越性

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激光超声波产生原理

传统探头产生超声波的方法：振动

在传统超声波检测过程中，超声波的发射通过探头来实现。通常利用材料的压电效应实现电能、声能转换的换能器。探头中的关键部件是晶片，晶片是一个具有压电效应的单晶或者多晶体薄片，它的作用是将电能和声能互相转换。

激光产生超声波的方法：热弹和烧蚀

入射激光的功率密度较低时，激光能量激发电子迁移引起晶格振动使物体表面温度上升，采用脉冲激光会使激光照射点急剧热膨胀，从而产生热弹性波；

入射激光的功率密度较高时，温度急剧上升将使固体表面局部融化，出现烧蚀，此时热弹性波仍然发生，但主要是由烧蚀效应产生超声波。

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激光超声波接收原理

传统探头接收超声波的方法：振动

在传统超声波检测过程中，超声波的接收通过探头来实现。通常利用材料的压电效应实现电能、声能转换的换能器。探头中的关键部件是晶片，晶片是一个具有压电效应的单晶或者多晶体薄片，它的作用是将电能和声能互相转换。

激光接收超声波的方法：激光干涉

采用CW激光器发射的激光经分光片后分为：Probe beam（探测光束）和Reference beam（参考光束）。

Probe beam入射到工件上，在工件表面发生散射，成为携带有工件表面振动信息的Signal beam返回激光接收器，Signal beam和Reference beam在光折变晶体中发生混频，并得到与Signal beam相适应的Localoscillator beam（局域震荡光束），这两列波束在光电探测器上产生干涉，得到与工件表面位移成比例的光电流（电信号）。

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LUVI可视化原理：超声波传播的相反性

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激光超声波可视化技术原理

激光产生超声波的方法：热弹和烧蚀

入射激光的功率密度较低时，激光能量激发电子迁移引起晶格振动使物体表面温度上升，采用脉冲激光会使激光照射点急剧热膨胀，从而产生热弹性波；

入射激光的功率密度较高时，温度急剧上升将使固体表面局部融化，出现烧蚀，此时热弹性波仍然发生，但主要是由烧蚀效应产生超声波。

激光接收超声波的方法：激光干涉

采用CW激光器发射的激光经分光片后分为：Probe beam和Reference beam。

Probe beam入射到工件上，在工件表面发生散射，成为携带有工件表面振动信息的Signal beam返回激光接收器，Signal beam和Reference beam在光折变晶体中发生混频并得到与Signal beam相适应的Local oscillator beam，这两列波束在光电探测器上产生干涉，得到与工件表面位移成比例的光电流。

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激光超声波可视化检测原理

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LUVI的特征与优势

● 可实现曲面，复杂形状的可视化检测；

● 可大幅度缩短检测时间，检测时间大约是传统接触式探头扫描方式的1/100；

● 通过动画观测，检测方式简单，检测数据可保留，可进行大数据分析；

● 可大范围检测；

● 可适用于狭窄部、高温部，高处等难检测部位的非接触式检测；

● 因为使用动画记录被检测体形状，因此易于对损伤部位进行定位；

LUVI的操作画面

LUVI的性能参数

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激光超声波可视化技术应用

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激光超声波可视化技术检测设备

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设备基本构成

● 强大的软件功能

多元化的分析功能，包含A波图像、2D及3D最大振幅图像、超声波传播动态图像、声速图像等，方便分析、易于操作，能够使非专业人员在进行简单培训后也能快速检测，为使用者大大降低了检测难度及误报率等问题的可能性。

● 斜角度探头声场测定功能

● 激光超声检测平板对接焊缝

● T字焊接接头（内部缺陷）

● 火车车轴（锻件）

● 火车铁轨（铸件)

● 汽车变速箱检测（铸件）

● 不锈钢弯管内部腐蚀检测

● 管道弯头处（内壁缺陷）

● 管道直管处（外壁缺陷）

● 倾斜状物体的检测

● T形管腐蚀伤检测

● 核电设备配管检测（内壁腐蚀）

● 风力发电叶片检测

● 激光超声检测小径管焊缝缺陷

● 绝缘端子完全非接触检测

● 超声波在复杂形状中的传播

● 飞机CFRP加固材料模拟剥离

● 飞机CFRP加固材料模拟剥离

● 飞机部件焊接部裂纹检测

● 飞机（B777）CFRP叶片检测

● 复杂形状：开关部件疲劳检测

● CFRP直角积层板人工剥离检测（嵌入特氟隆薄膜）

● CFRP拟似等方性材料 – 钻孔及冲击损伤

● 飞机用油管焊接状态的检测

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激光超声波可视化技术展望

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LUVI未来展望

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LUVI系列设备

激光超声波可视化检测仪不仅能够用于金属薄板焊接、复杂形状样件等的无损检测，而且适用于非金属材料、金属与非金属结合材料的检测与评估。它还可用于高温、剧毒等特殊环境下的检测。它解决了许多用传统超声检测方法无法解决的难题，为无损检测领域提供了崭新的检测手段。

目前，该检测技术在国内外的重点领域、研究机构和中大型企业已初步发挥其作用。伴随着激光超声技术的不断发展，该种检测技术还会不断地改进与完善。在不久的将来，它会在航空航天、石油化工、核电、煤电、风电、铁路、汽车等众多领域彰显出更大的能量。