基于外差干涉的激光超聲檢測技術(shù)*

司高潞，張志偉

（1.中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，太原030051；2.中北大學(xué)電子測試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051；3.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051）

?

基于外差干涉的激光超聲檢測技術(shù)*

司高潞1*，張志偉1，2，3

（1.中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，太原030051；2.中北大學(xué)電子測試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051；3.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051）

摘要：激光超聲的震動(dòng)位移是在納米級別，所以要檢測到微弱的激光超聲需要外差干涉系統(tǒng)有較高的靈敏度。為了提高測量精度對光路進(jìn)行了改進(jìn)，采用雙光路外差干涉儀增強(qiáng)系統(tǒng)抗環(huán)境干擾能力，使用3聚焦透鏡增強(qiáng)干涉儀的聚光能力，提高進(jìn)入干涉儀的光通量，從而提高精度；在光電探測器前加濾光片，濾除雜散光，提高系統(tǒng)信噪比。通過高頻超聲實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)的位移分辨率能達(dá)到0.1 nm。

關(guān)鍵詞：納米位移；外差干涉；激光超聲；聚焦

對于激光超聲位移的檢測，目前多用光學(xué)方法檢測［1］。最常用的方法是外差干涉法，它最顯著的特點(diǎn)是利用載波技術(shù)，將被測物理量的信息轉(zhuǎn)換成調(diào)頻或者調(diào)相信號，具有抗干擾能力強(qiáng)、測量速度快、信噪比高、易于實(shí)現(xiàn)高分辨率測量等特點(diǎn)，得到了很大的發(fā)展，用于微小振動(dòng)的測量有獨(dú)特的優(yōu)勢。隨著超精密檢測技術(shù)的發(fā)展，對激光外差干涉儀的測量精度提出了更高的要求［2］。實(shí)驗(yàn)研究表明外差系統(tǒng)的實(shí)用性主要受其穩(wěn)定性和環(huán)境噪聲的影響。探測系統(tǒng)的通光量對探測靈敏度影響也非常大。此外，頻移裝置的頻率漂移將引起干涉信號的不穩(wěn)定，雜散光會導(dǎo)致光路噪聲大，降低系統(tǒng)的信噪比，影響干涉效率［3］。本文旨在對傳統(tǒng)外差干涉微振動(dòng)測量光路進(jìn)行改進(jìn)，提高系統(tǒng)的測量精度。

1　激光外差干涉系統(tǒng)微位移檢測原理

外差干涉光路系統(tǒng)如圖1所示，激光器發(fā)出激光進(jìn)入聲光調(diào)制器產(chǎn)生移頻，頻差為80 MHz。從聲光調(diào)制器出來的1級光和0級光經(jīng)過PBS（PolarizationBeam Splitter）偏振分光棱鏡后又分為兩束光，經(jīng)BS1 和R1干涉后進(jìn)入光電探測器作為參考信號，另一路經(jīng)M1、M2、BS2、R2干涉后進(jìn)入光電探測器做為探測光［4］。M1和M2是三角棱鏡，R1和R2是反射鏡。

信號光束E1與參考光束E2的波動(dòng)方程分別為［5］：

E1=Ef1cos2πf1tE2=Ef2cos2πf2t

合光強(qiáng)為：

光電探測器1接受到的光強(qiáng)為：

Ir=12(E2f1+E2f2)+Ef1Ef2cos2π(f1-f2)t

同理可知光電探測器2接受的信號為包含多普勒頻移的光強(qiáng)：

Im=12(E2f1+E2f2)+Ef1Ef2cos2π(f1-f2±Δf)t

由多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的多普勒頻移可表示為：

v是樣品震動(dòng)的速度，c是光速，f是光頻。

由速度位移公式可得：

?（t）是參考信號與測量信號之間的相位差，L是樣品鋁板移動(dòng)位移，λ是光波長。只要求出參考信號與測量信號的相位差，就可以得到鋁板的位移，即可得到激光超聲信號的位移［6］。

2　影響系統(tǒng)測量精度的因素及改進(jìn)方法

（1）外差干涉系統(tǒng)對表面位移非常敏感所以很適合測量只有幾十納米的超聲位移，但同時(shí)對外界環(huán)境的干擾也十分敏感，外部環(huán)境震動(dòng)會對干涉信號產(chǎn)生相位誤差，用電信號做參考信號進(jìn)行解調(diào)會影響測量精度，基于上述原因采用雙光路［7］干涉可以減弱環(huán)境干擾帶來的誤差。

（2）外差探測系統(tǒng)中，兩束光在光電探測器的光敏面上發(fā)生干涉，對干涉信噪比影響最大的是相位匹配［8］，當(dāng)被測目標(biāo)處于近場，信號光束和本振光束都不能近似的看作平面波。近場高斯波函數(shù)以及外差探測理論得系統(tǒng)外差效率［9］為：

Us和Ul是兩束光的復(fù)振幅，?是它們的相位差，A是光電探測器的光敏面，積分在光敏面上。由以上公式可得外差效率會隨著探測器光敏面的面積逐漸增大最后穩(wěn)定在一個(gè)值。在探測光路中加入聚焦透鏡，縮小從鋁板反射回來的光斑，可以增大干涉效率。

（3）被測鋁板在拋光的情況下也會產(chǎn)生散射光斑，只有當(dāng)光束聚焦在物體表面上成為一個(gè)衍射受限點(diǎn)，僅探測一個(gè)光斑時(shí)，才能得到最好的探測條件［10-11］。利用聚焦透鏡能收集大光斑來獲得高靈敏度，聚焦后的光束有更高的轉(zhuǎn)化效率，能收集到更多的超聲信號。還能增大進(jìn)入干涉儀的通光量，使光電探測器光敏面接受的信號更強(qiáng)更集中，兩束光能更好的準(zhǔn)直干涉［12］。這個(gè)改進(jìn)使得靈敏度顯著增強(qiáng)。

（4）在光電探測器前加濾光片，只能通過632.8 nm的激光，有效濾除雜散光，提高系統(tǒng)信噪比。

（5）為了避免聲光調(diào)制器0級光和1級光的混疊，采用專用的不加外部信號的聲光移頻器驅(qū)動(dòng)源，提供更穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)信號。

圖1　外差干涉光路圖

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

光路調(diào)試到最佳狀態(tài)時(shí)兩路光的干涉信號分別達(dá)到552 mv和736 mv，如圖2所示。

圖2　兩路干涉信號幅值

結(jié)果用MATLAB基于反正切運(yùn)算的相位生成載波解調(diào)方法解調(diào)出位移信號。

為了檢驗(yàn)干涉系統(tǒng)的效果首先用壓電陶瓷模擬微震動(dòng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真如圖3~圖4。模擬震動(dòng)的頻率為5 kHz，100 mV，實(shí)驗(yàn)表明解調(diào)后的探測主頻為5 kHz，噪聲頻率與主頻相差很大，很大程度上降低了噪聲干擾。

圖3　模擬震動(dòng)信號頻譜

圖4　模擬震動(dòng)信號位移

圖5用脈沖激光器作激勵(lì)源，激勵(lì)被測樣品（鋁板）產(chǎn)生超聲信號。激勵(lì)激光器的波長1 064 nm，激光脈沖能量150 mJ，脈沖寬度為8 ns。圖6為改進(jìn)前的探測信號。

圖5　改進(jìn)光路解調(diào)后的位移信號

圖6　傳統(tǒng)光路位移信號

改進(jìn)前后超聲探測的對比圖5~圖6所示

用MATLABb解調(diào)出位移信號，從圖中可以看出有3處時(shí)間間隔基本相同的明顯回波，是由于超聲波遇到樣品內(nèi)部缺陷后反射回來作用于探測點(diǎn)，由于多普勒效應(yīng)產(chǎn)生頻移，通過程序解調(diào)得到位移信號。超聲信號的頻率是2.5 MHz，改進(jìn)光路以前探測結(jié)果噪聲信號幅度在0.2 V左右，信噪比為7.5，新型雙光路探測結(jié)果中噪聲幅度小于0.04 V，信噪比125，干擾震蕩時(shí)間比以前小很多。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明新型雙光路外差干涉檢測系統(tǒng)的信噪比提高了16.7倍。

4　總結(jié)

經(jīng)過對外差干涉系統(tǒng)的改進(jìn)，提高了系統(tǒng)對環(huán)境的抗干擾能力，利用聚焦透鏡收集光斑增強(qiáng)了干涉儀的通光量，提高了系統(tǒng)的分辨率。探測到的超聲信號清晰明顯，而且信噪比高，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠用于檢測納米量級的超聲微位移以及后續(xù)的激光超聲無損探傷。

參考文獻(xiàn)：

［1］Cheng B，LI D. Challenges and Opportunities of Nanometer Mea?surement Technology［J］. hinese Journal of scientific instrument，2005，26（5）：547-550.

［2］MA L F，Wang C，Xiang G B，et al. Heterodyne Interferometer Sys?tem Based on the Polarized Light for Weak Ultrasonic Detection［J］. Science Technologyand Engineering，2007，7（17）：4466-4468.

［3］Suat Topcu. Heterodyne Interferometric Technique for Displace?ment Control at the Nanometrics-Cale［J］Review 130 of Scientific Instruments，2003，74（11）：4876-4880.

［4］Gong Y L，Li H W，Bai S W. Principle，Method and Experiment of Ultrasonic Displacement Measurement by Laser Heterodyne Inter?ferometer［J］. ACTA ACUSTICA，1996，21（3）：259-264.

［5］LI X F，Wang C，Xiang H B，et al. Detection of Weak Ultrasonic Signal Using Optical Heterodyne Interferometry［J］. Optics and Precision Engineering，1993，16（7）：1158-1163.

［6］Su'an Xu，Le Chen，Jian Sun，et al. Polarimetric Interferometer for Measuring Nonlinearity Error of Heterodyne Interferometric Dis?placement System［J］. Chinese Optics Letters，2013，11（6）：197-201.

［7］Hou W M，Wang J. Eterodyne Laser Interferometer Nonlinear Sub?division and Eliminate［J］. Acta Metrologica Sinica，2007，28（3）：210-215.

［8］MA Z F，ZHANG C X，ZHANG C Y，et al. Signal-Nois Ratio in Optical Heterodyen Detection［J］. Acta Optica Sinica，2007，27 （5）：889-892.

［9］YU X C，LI L G，CAO F，et al. Phase Matching of Optical Hetero?dyne Measurement in Nondestructive Evaluation［J］. Chinese Journal，2005，32（12）：1683-1687.

［10］WANG H S，XU J，KONG L J，et al. Design of the Laser-Ultrasonic Detevtion System［J］. Infrared and Laser Engineering，2007，36：245-257.

［11］Massa E，Mana G，Kremple J. Polarization Delivery in Heterodyne Interferometry［J］. Chinese Optics Letters，2013，1（4）：10-21.

［12］Pisani M，Yacoot A，Balling P，et al. Comparison of the Perfor?mance of the Next Generation of Optical Interferometers［J］. Metrologia，2012，49：155-167.

司高潞（1988-），男，山西長治人，碩士研究生，主要從事電子與通信工程方向的研究，nihaosigaolu@163.com；

張志偉（1964-），男，教授，工學(xué)博士。（附件是導(dǎo)師照片）主要研究方向?yàn)楣怆娞綔y理論與技術(shù)和自動(dòng)化儀器與儀表。作為骨干成員參加多項(xiàng)國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目和省部級科研項(xiàng)目，編寫教材一部（1版和2版），專著一部。發(fā)表論文20余篇，被SCI、EI、ISTP檢索5篇。

Design of U Disk Reading Box for Shock Wave
Pressure Measurement System

WANG Yuquan，DU Hongmian*，YANG Fan

Abstract：Aim tothefieldofshockwavemeasurementreadingsanderaseoperationiscumbersome，inordertoimprove theefficiencyoftheshockwaveoverpressuretest，proposedakindof Udiskreadingboxwithpowerandtheerasurefunc?tion. The reading box communication with the testing device through the GPIF of the USB control chip CY7C68013，transmits clock signal and controls signal through this interface to read the data in Flash internal FIFO temporarily. Then the enhanced 8051 MCU in 68013 control U disk file management chip CH376S stored the data into the U disk. therealization of U disk complete U disk datareading.Through thefield experimentfound thatthereadingboxcan sim?plifythereadanderaseoperationoftheinfieldshockwavetesting，improvetheefficiencyofshockwavetesting.

Key words：shock wave overpressure test；CY7C68013；U disk reading；CH376S；firmware

doi：EEACC：7210；725010.3969/j.issn.1005-9490.2016.01.026

收稿日期：項(xiàng)目來源：山西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2012011010-1）2015-03-15修改日期：2015-04-14

中圖分類號：TN247

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1005-9490(2016)01-0124-04