激光检测技术范文

[关键词]激光无损检测超声无损检测射线无损检测

在现代生产中针对不同对象选择何种无损检测方法已成为人们关注的问题,为解决好这个问题,就必须对无损检测方法及其特征有较全面的了解。所谓无损检测,是在不损伤材料和成品的条件下研究其内部和表面有无缺陷的手段。也就是说,它利用材料内部结构的异常或缺陷的存在所引起的对热、声、光、电、磁等反应的变化,评价结构异常和缺陷存在及其危害程度。下面简要介绍三种常用方法的应用和发展。

一、激光技术在无损检测领域的应用与发展

激光技术在无损检测领域的应用始于七十年代初期,由于激光本身所具有的独特性能,使其在无损检测领域的应用不断扩大,并逐渐形成了激光全息、激光超声等无损检测新技术,这些技术由于其在现代无损检测方面具有独特能力而无可争议地成为无损检测领域的新成员。

1.激光全息无损检测技术

激光全息术是激光技术在无损检测领域应用最早、用得最多的方法。激光全息无损检测约占激光全息术总应用的25%。其检测的基本原理是通过对被测物体加外加载荷,利用有缺陷部位的形变量与其它部位不同的特点,通过加载前后所形成的全息图像的叠加来反映材料、结构内部是否存在缺陷。

激光全息无损检测技术的发展方向主要有以下几方面。

(1)将全息图记录在非线性记录材料上,以实现干涉图像的实时显现。

(2)利用计算机图像处理技术获取干涉条纹的实时定量数据。

(3)采用新的干涉技术,如相移干涉技术。在原来的基础上进一步提高全息技术的分辨率和准确性。

2.激光超声无损检测技术

激光超声技术是七十年代中期发展起来的无损检测新技术。它利用q开关脉冲激光器发出的激光束照射被测物体,激发出超声波,采用干涉仪显示该超声波的干涉条纹。与其他超声无损检测方法相比,激光超声检测的主要优越性如下。

(1)能实现一定距离之外的非接触检测,不存在耦合与匹配问题。

(2)利用超短激光脉冲可以得到超短声脉冲和高时间分辨率,可以在宽带范围内提取信息,实现宽带检测。

(3)易于聚焦,实现快速扫描和成像。

3.激光无损检测的发展

激光超声检测成本高,安全性较差,目前仍处于发展阶段。但在无损检测领域,激光超声检测在以下几方面的应用前景引起了人们的关注:(1)可用于高温条件下的检测.如热钢材的在线检测;(2)适用于某些不宜接近的样品,如放射性样品的检测;(3)激光束可入射到任何部位,可用于检测形状奇异的样品;(4)可用于超薄超细的样品及表面或亚表面层的检测。国外近几年已有将激光超声检测用于飞机复合材料的检测、热态钢的在线检测的报道,在化学气相沉积、物理气相沉积、等离子体溅射等高温镀膜工艺过程中膜层厚度的实时检测方面也进行了研究。

二、超声检测技术在无损检测中的应用与发展

超声无损检测技术(ut)是五大常规检测技术之一,与其它常规无损检测技术相比,它具有被测对象范围广。检测深度大;缺陷定位准确,检测灵敏度高;成本低,使用方便;速度快,对人体无害以及便于现场使用等特点。

1.超声检测技术的应用

(1)目前大量应用于金属材料和构件质量在线监控和产品的在投检查。如钢板、管道、焊鞋、堆焊层、复合层、压力容器及高压管道、路轨和机车车辆零部件、棱元件及集成电路引线的检测等。

(2)各种新材料的检测。如有机基复合材料、金属基复合材料、结构陶瓷材料、陶瓷基复合材料等,超声检测技术已成为复合材料的支柱。

(3)非金属的检测。如混凝土、岩石、桩基和路面等质量检验,包括对其内部缺陷、内应力、强度的检测应用也逐渐增多。

(4)大型结构、压力容器和复杂设备的检测。由于超声成像直观易懂,检测精度较高。因此,近几年我国集超声成像技术及超声信号处理技术等多学科前沿成果于一体的超声机器人检测系统已研制成功,为复杂形状构件的自动扫描超声成像检测提供了有效手段。

(5)核电工业的超声检测。

(6)其它方面的超声检测。如医学诊断广泛应用超声检测技术;目前人们正试图将超声检测技术用于开辟其它新领域和行业,如人们正努力将超声检测技术用于血压控制系统进行系统作非接触检测、辨识。性能分析和故障诊断等。

2.超声检测技术的发展

在现代无损检测技术中,超声成像技术是一种令人瞩目的新技术。超声图像可以提供直观和大量的信息,直接反映物体的声学和力学性质,有着非常广阔的发展前景。现代超声成像技术都是计算机技术、信号采集技术和图象处理技术相结合的产物。数据采集技术、图象重建技术、自动化和智能化技术以及超声成像系统的性能价格比等发展直接影响超声检测图像化的进程。现代超声成像技术大多有自动化和智能化的特点,因而有许多优点,如检测的一致性好,可靠性、复现性高,存储的检测结果可随时调用,并可以对历次检测的结果自动比较,以对缺陷做动态检测等。

目前已经使用和正在开发的成像技术包括:超声b扫描成像,超声c扫描成像、超声d扫描成像,saft(合成孔径聚焦)成像,p扫描成像,超声全息成像,超声ct成像等技术。

三、射线技术在无损检测领域内的应用与发展

1.射线检测技术的应用

射线检测技术是利用射线(x射线、射线、中子射线等)穿过材料或工件时的强度衰减,检测其内部结构不连续性的技术。穿过材料或工件的射线由于强度不同在x射线胶片上的感光程度也不同,由此生成内部不连续的图像。

(1)早期使用在石油工业.分析钻井岩芯。

(2)在航空工业用于检验与评价复合材料和复合结构。评价某些复合件的制造过程。也用于一系列情况下样件的评价;这种检测与评价过程,大大简化了取样破坏分析过程。

(3)检测大型固体火箭发动机,这样的射线系统使用电子直线加速器x射线源,能量高迭25mev,可检验直径达3m的大型同体火箭发动机。

(4)检验小型、复杂、精密的铸件和锻件,进行缺陷检验和尺寸测量。

(5)检查工程陶瓷和粉末冶金产品制造过程发生的材料或成分变化,特别是对高强度、形状复杂的产品。

(6)组件结构检查。

2.射线检测技术的发展

(1)数字射线照相技术时代。1990年,r.halmshaw和n.a.ridyard在《英国无损检测杂志》上发表题为“数字射线照相方法评述”的文章,在评述了各种数字射线照相方法的发展之后认为,数字射线照相时代已经到来。近年来射线检测技术发展的基本特点是数字图象处理技术广泛应用于射线检测。射线层析检测和实时成像检测技术的重要基础之一是数字图象处理技术,即使常规胶片射线照相技术,也在采用数字图象处理技术。(2)今后重点应用的技术。1994年haroldberger在美国《材料评价》发表的“射线无损检测的趋势”中提出,在20世纪的最后10年和21世纪的初期,下列技术将得到广泛应用:①数字x射线实时检测系统在制造、在役检验和过程控制方面。②具有数据交换、使用ndt工作站的计算机化的射线检测系统。③小型、低成本的ct系统。④微焦点放大成像的x射线成像检验系统。⑤小型高灵敏度的x射线摄像机。⑥大面积的光电导x射线摄像机。

四、无损检测的发展趋势

1.超声相控阵技术

超声检测是应用最广泛的无损检测技术,具有许多优点,但需要耦合剂和换能器接近被检材料,因此,超声换能、电磁超声、超声相控阵技术得到快速发展。其中,超声相控阵技术是近年来超声检测中的一个新的技术热点。

超声相控阵技术使用不同形状的多阵元换能器来产生和接收超声波波束,通过控制换能器阵列中各阵元发射(或接收)脉冲的时间延迟,改变声波到达(或来自)物体内某点时的相位关系,实现聚焦点和声束方向的变化,然后采用机械扫描和电子扫描相结合的方法来实现图像成像。与传统超声检测相比,由于声束角度可控和可动态聚焦,超声相控阵技术具有可检测复杂结构件和盲区位置缺陷和较高的检测频率等特点,可实现高速、全方位和多角度检测。对于一些规则的被检测对象,如管形焊缝、板材和管材等,超声相控阵技术可提高检测效率、简化设计、降低技术成本。特别是在焊缝检测中,采用合理的相控阵检测技术,只需将换能器沿焊缝方向扫描即可实现对焊缝的覆盖扫查检测。

2.微波无损检测

微波无损检测技术将在330～3300mhz中某段频率的电磁波照射到被测物体上,通过分折反射波和透射波的振幅和相位变化以及波的模式变化,了解被测样品中的裂纹、裂缝、气孔等缺陷,确定分层媒质的脱粘、夹杂等的位置和尺寸,检测复合材料内部密度的不均匀程度。

激光检测技术范文篇2

[关键词]激光诱导击穿光谱；远程探测；元素分析

中图分类号：O657.3文献标识码：A文章编号：1009-914X（2016）06-0118-01

1远程LIBS技术与LIBS系统

1.1探测方式远程

LIBS探测方式有三种：开放路径LIBS、光纤光路LIBS和便携式探针LIBS。开放路径LIBS的特点是，激光束被引导通过一个开放路径（即通过空气，气体或真空）到达目标，在其上形成等离子体。该探测方式的实现关键是产生足量等离子体（使用透镜或反射镜系统聚焦或飞秒激光诱导成丝）和有效收集等离子体光。该方法对激光器、光学系统和检测系统的性能要求严格。开放路径LIBS应用于大规模杀伤性武器相关的危害物质（化学药物、生物放射性物质、核物质、爆炸物等）探测具有很大的潜力，是远程LIBS中研究的热点。根据产生等离子体的物理过程不同，开放路径LIBS又分为传统远程LIBS和飞秒成丝远程LIBS，在下文对它们会有较详细的介绍。光纤光路LIBS的激光脉冲是通过光纤到达远处目标样本，产生的等离子体通过原光纤或者另外的光纤接收，主要应用于到探测目标无清晰直线光路或无法采取开放路径的传播方式的情况。为了避免损坏光纤，传输激光能量会有上限。另外，传输光纤会降低传输的激光质量。便携式探针LIBS是将一个小型的激光器定位于探测目标附近，而接收系统将等离子体光通过光纤电缆接收进入远处的检测系统。它的特点是较小的激光脉冲能量就能作为激光源，但这种方法较少使用。

包括弹性散射，荧光和Raman光谱测量的早期的激光雷达探测多是采用开放路径这种方式，能提供距离超过一公里的粒子和分子检测。随着近年发展，LIBS探测距离从之前的最大范围只为几十米扩展到一公里后，也被列入激光雷达的范畴。LIBS作为一种元素的检测方法，它扩大了激光雷达探测物质成分的能力，使其不仅限于化学分子的探测。

1.2远程LIBS探测系统

1.2.1传统的开放路径远程

LIBS传统的开放路径远程LIBS用一个简单的聚焦透镜、双透镜（可以变焦），或者复杂的光学系统发射激光，先扩束再聚焦于远程目标，带有防反射镀膜的聚焦系统可以提高脉冲功率密度。接收系统通常选用反射镜（卡塞格林式望远镜），可以防止产生色差，保证有效准确的光谱分析。通常聚焦系统是可调的，以便适用于不同距离的目标。

1.2.2飞秒成丝远程LIBS（filament-LIBS）

飞秒成丝是利用飞秒激光脉冲的高功率密度引起的非线性光学现象。通过调制脉冲，使激光在透明介质（如空气）中形成‘自导丝’，进行长距离传播和LIBS激发。这种方法要求使用大型先进的激光系统，但它可以增大LIBS的远程探测距离。

1.2.3光纤路径LIBS

光纤路径LIBS的优点主要体现在系统光学聚焦结构的简化和等离子体光的有效接收。从光纤路径远程LIBS的系统结构图以看出在光线发射和接收部分光学系统都得到了简化。

激光诱导产生的等离子体在空间分布不均匀，通过透镜聚焦等离子体光到光谱仪的狭缝入口的方式只能获得一小部分等离子体光，透镜和目标的微小的相对位移就会对探测结果产生较大的影响，而光纤接收系统的接收角范围宽，能吸收更多等离子体光，产生的影响相对较小。

1.3远程LIBS与Raman光谱技术结合

拉曼光谱技术和LIBS技术同为激光诱导光谱探测技术，都可用于远程探测，有相似的光学收发系统。

Raman技术探测的是物质的分子组成成分而LIBS探测的是物质元素信息，将两者结合应用，起到强烈的互补作用。两种技术的主要区别是激光能量的要求和光谱探测范围不同。通常Ra-man所需激光脉冲能量要比LIBS低1～2个数量级，在两种技术相结合的仪器中若共用同一激光器，在进行Raman探测时要对激光脉冲变焦以降低打在目标上的激光强度，即焦点汇于目标附近，避免聚焦在目标上。

LIBS光谱信号由物质组成元素决定，而Raman光谱信号和发射激光波长有关，分布在激光波长附近，因此需要用不同的光谱仪来分析两者光谱。另外，Raman的接收设备前端要添加一个全息滤波器，用它来过滤发散的激光，以免过强的激光信号淹没了拉曼信号。

ESA（欧洲空间局）经过长期的预先研究，在未来发射的ExoMars火星探测器上也要搭载LIBS和Ra-man组合仪器。其中，LIBS负责在原子层面对近距离矿物元素探测，Raman负责在分子层面对近距离有机物质和无机矿物探测。

2远程LIBS技术的应用

2.1远程LIBS技术在深空探测方面应用

早在1991年，美国LosAlamos国家实验室就预言LIBS在未来空间探测的有重大潜力，并开启了LIBS在这方面的研究。

1992年在华盛顿召开的世界空间大会上，他们展示了首台用于远程探测的LIBS仪器。从1998年开始，该团队开始研制以供将来登陆行星，获取20m远程距离的岩石和土壤的表面基本信息的探测器。

2012年8月，美国NASA的“好奇”号火星探测器成功登陆火星，所携带的ChemCam系统便采用了LIBS技术。ChemCam对火星地面上的岩石成分进行探测，探测范围为1.3～7m，并通过数据库定量分析火星土壤物质组成成分，所得数据优于之前在地球上模拟试验得到的数据。

2.2远程LIBS技术在危险物检测方面的应用

远程LIBS技术可用于有毒有害危险物的检测，研究受到各国国家安防支持并得到广泛应用。美国军队研究实验室（ARL）和应用光子公司联合开展了基于国防安全为应用背景的用于探测和判别爆炸危险物的远程LIBS技术的研究。

他们设计使用光学聚焦系统将激光脉冲线性聚焦到距离大于100m的危险物上，用ICCD探测LIBS光谱信号，2009年的试验结果显示远程探测系统能够区分25m距离远的爆炸物和非爆炸物。美国陆军研究实验室的研究人员认为，LIBS方法对波段范围在200～890nm内所有元素都具有很高的灵敏度，可用于远程测量生化战争中未知的危险材料，以及土壤中的地雷、矿石、木材和玻璃等。民用方面，远程LIBS技术可用于有害环境、污染环境的物质探测。

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1．1无损检测的主要几种类型

(1)磁粉检测(MT)。当铁磁性元件被磁化后，如果元件的的表面或者近表面存在缺陷，就会造成铁磁元件的磁阻过大，根据物理学的磁现象，此时的磁力线就会在有缺陷的表面弯曲，呈现出绕行的趋势，就会形成缺陷磁场，施加在元件表面的磁粉就会呈现出缺漏趋势，从而达到被检测目的。

(2)超声检测(UT)。超声波是指频率高于20KHz的机械波，这种机械波在被检测的材料中以一定的速度和方向传播。如果遇到缺陷或者被测材料的底面就会发生反射，折射和波形的变化，这种技术应用到航空检测中可用于缺陷的检测或者超声探伤，最常用的方法是脉冲检测法。通常被应用于锻件或者是焊缝的检测。

(3)射线检验(RT)。射线检测与我们在医院体检时进行的CT拍片原理类似，当强度均匀的射线束透照射在被检测材料时，如果被检测材料局部存在缺陷或者结构存在差异，它将改变物体对射线的衰减，使得材料对射线的反射强度发生差异，从而达到无损检测的目的。无损检测还有液体渗透检测(PT)，有涡流检测(ECT)声发射检测(AE)、热像/红外检测(TIR)、泄漏试验(LT)等等，在此暂不加以赘述。

1．2无损检测技术应用在道路桥梁损伤检测中的重要意义

在道路桥梁损伤检测中，传统的损伤检测办法主要是在桥梁中进行随机的选取点，然后在该点进行钻孔并且取样，然后在实验室中针对所选取的样本进行分析以及处理，通过分析之后，从这些样本中找到对于损伤检测有价值的一些工程数据。通过这种方法进行的桥梁损伤检测存在一定的局限性:首先，由于被检测的点是相关的检测人员随机选取的，所以检测结果的说服力难免会被人怀疑;再者就是因为被监测点的选取是有限的，所以检测点的选取数量是有限的，而且被检测点的覆盖面积也比较小，这样就会导致一些本来是存在损伤的某些区域会被漏检，从而影响道路桥梁的使用寿命;还有就是钻孔取样检测方法会对桥梁带来一定程度的损伤，钻孔数量越多，以后的修补工作越麻烦。所以无损检测技术就被广泛地应用在道路桥梁的损伤检测中，这种局属能够在道路桥梁检测中更快速、更直观的反映出道路桥梁的各种内部质量以及状态，无损检测技术能够弥补传统的检测技术的不足，这种技术在开展道路桥梁的无损检测技术的研究，改善路面的设计工作等方面都具有划时代的意义，也会针对道路桥梁的保养以及改造方面进行水平的提高。在桥梁损伤检测中的无损检测技术从当前的发展形势来看，还有很大的发展空间，无损检测技术在道路桥梁损伤检测中主要应用的是超声检测、红外检测以及自然电位检测等。在公路桥将的结构检测中应用无损检测技术，可以从根本上提高新建桥梁的质量系数，并且能够有效的提供一些桥梁损伤的可靠证据。在一些情况下，相对于钻孔取样检测技术，无损检测更方便快捷，可以从根本上缩短检测期间的交通管制的时间，这样就会降低道路桥梁检测的成本，在无损检测技术中引用雷达技术，可以针对结构中存在的空洞进行快速的检测，从而证明了无损检测技术的快速性，超声波检测技术的应用，可以进一步证明检测的可靠性，尤其是在长护栏的腐蚀性检测中的应用，超声波可以大致的测量出存在腐蚀的趋于，随后，针对这一区域进行详细的检测诊断，并且通过检测人员的相关专业知识以及检测经验进行数据收集工作，这样通过检测与专业知识相结合的手段就能够道路桥梁在物理性质以及材料特征等方面的物理意义。

2道路桥梁中的无损检测技术以及质量管理办法

2．1频谱分析技术以及质量管理办法

波在不同的介质中进行传播的时候，波的传播频率是不一样的，针对频率的特征对介质进行相关的分析。在路面上用锤子施加一个垂直的作用力，流可以得到一组波，这组波以锤击的点为中心，传播过程中具有不同的频率，并且在一定深度的范围内进行传播，在桥梁的不同位置设置传感器，就可以检测到传播频率不同的波。频谱分析技术可以用来分析检测路面不同分层介质的均匀性以及厚度。提高这种技术的质量方法就是在进行频谱分析过程中，使用锤子多锤击几次路面进行多次测量，从而提高检测技术的可靠性。

2．2激光检测技术以及质量管理办法

激光由于具有良好的方向性、衍射性以及相干性。光电流随着激光的强度而变化，激光的强度越大，光电流就会越强，这也就是激光检测技术应用在路面检测中的原理。在进行路基面的检测过程中，尤其是在路基面的沉降监测、距离的测定以及平整度的测定中，主要都是根据激光检测技术。机关的光电流随着光强而发生变化，就可以得到一些光电流唯一的数据，这样通过一些数学的运算就可以的到公路路基面沉降的距离。由于激光检测的激光强度在调节过程中会产生一些细小的波动，所以，提高激光检测技术的管理办法就是针对同一个位置路基面的沉降进行反复调节测量。

2．3超声波检测技术以及质量管理办法

超声波检测技术是根据瞬间的应力波原理对桥梁内部的空隙进行检测的。这种检测技术的主要手段就是使用小钢球对路基面的混凝土表面进行敲击，通过较短暂的撞击产生低频的应力波，并且传播到道路桥梁的内部，从断裂的路面就会将超声波反射出来，这样相关的检测人员就能够通过反射波的形态对道路桥梁的裂缝处进行判断。这种技术是利用多个方面的超声波进行共振，对路面的裂缝以及结构的完整性进行判断。

3结束语