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激光超声技术及其应用研究

何存富  
【摘要】:激光超声技术是无损检测研究领域特别活跃的前沿课题。本文在前人工作的基础上,讨论了激光超声的产生机理,并考虑到某些实际情况,热弹性效应及烧蚀效应同时存在,提出了采用二种解的线性迭加方案,并用PZT探头接收到激光超声脉冲信号。 本文在系统地讨论了用共焦Fabry—Perot干涉仪探测超声信号的理论基础上,成功地自行设计、制作、组装一台成本较低,综合性能优良,操作方便的共焦Fabry—Perot干涉仪。其中首次将直齿轮结构用于干涉仪同轴微调机构,避免了通常光学仪器复杂的微调机构,既减少了零部件,又提高了稳定性。经实验测试,其综合性能指标良好,为进一步将该干涉仪用于探测超声信号创造了较为理想的条件。 本文首次将含模拟PI调节器的反馈控制回路应用于Fabry—Perot干涉仪的工作点稳定控制,有利于对变化缓慢的干扰信号进行抑制。采用自行设计制作的PZT微位移器,光电转换及PI调节电路,实现了对干涉仪腔长的控制,达到了稳定工作点的目的,其稳定度达5%,可满足实验要求。 本文自行设计,制作了一弱光信号检测与处理电路,该电路具有低噪声、宽频带(视频范围)、高增益等特点。实现了微弱信号的检测与处理。实验结果表明,该电路很好地满足了实验要求。 本文研制了一非接触式激光超声检测系统,利用该系统实现了对金属非光学表面、单次、nm级窄脉冲的超声非接触检测,其信噪比可满足进行进一步的电子学信号处理的要求。 本文首次提出并实现了一种非接触式测量材料弹性常数的新方法——纵波与表面波相结合的方法。该方法避免了通常由于横波信号不易分辨而带来的测量误差大的缺点。 本文利用自行研制的激光超声检测系统,对不同类型的人工模拟缺陷(界面缺陷,表面缺陷及体缺陷)进行了非接触式探测,结果表明,该系统可用于各类缺陷的非接触式检测。同时,对不同铺层及不同厚度的碳/环氧复合材料进行了初步的实验研究。结果显示,由于复合材料对激光的吸收较强,在复合材料中产生的激光超声效率较高;表明激光超声技术可以用于对复合材料进行缺陷检测。


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