材料裂紋缺陷的光熱輻射檢測

李愛珠

(同濟大學 物理科學與工程學院，上海 20092)

每年因結構疲勞，許多工程結構材料在其預期壽命期內報廢，由此導致的惡性事故也常發生. 因此對機械結構的疲勞裂紋檢測至關重要[1]. 目前常用于檢測裂紋的無損檢測方法有超聲法、滲透法、漏磁法和射線法等,這些檢測方法各有不足. 光熱輻射(Photothermal radiometry， PTR)作為新型檢測技術，對被測物體尺寸沒有要求，同時還具有測量速度快、安全、靈敏度高等優點，已經逐漸成為對材料各種熱學參量和近表面缺陷進行無損檢測的有力手段之一. 本文采用光熱輻射檢測技術檢測材料的裂紋缺陷.

1 光熱輻射技術

光熱輻射技術是在光聲光譜技術基礎上發展起來的新型無損檢測技術，屬于非接觸的遙感檢測. 1979年光熱輻射技術由P.E.Nordal和S.O.Kanstadz提出[2]，R. Santos和L. C. M. Miranda定量分析了脈沖光激勵下固體樣品表面的光熱輻射信號，并繪出相應的響應曲線[3]. 隨著激光光源和紅外探測器技術的進步，光熱輻射技術應用的領域越來越廣泛，已在表面科學、光熱光譜分析、非接觸檢測等方面得到了重要應用. R. Fuente等利用光熱輻射技術獲得幅值和相位信號，通過反演得到均勻材料的熱擴散率和光吸收系數[4]. K. Horne等使用光熱輻射技術，測量了ion-irradiated ZrC試樣表面的熱學特性[5]. 吳恩啟等為了獲得涂層材料特性，使用光熱輻射技術進行無損檢測，并提出基于一維3層光熱輻射理論模型的標定方法，完成了對Al基體Co涂層的熱學參量、厚度及分布的檢測[6-7]. 吳宗明將光熱輻射技術運用到蜂窩鏡玻璃膠接的缺陷檢測中，采用紅外探測器對膠層部分進行溫升時域圖像變化的測量，實現對膠接缺陷不均勻性和間隙的檢測[8]. 可見光熱輻射檢測技術在材料熱學參量的測量和缺陷的檢測方面有著廣泛的應用.

2 光熱輻射檢測系統及其工作原理

2.1 光熱輻射檢測系統

如圖1所示，光熱輻射檢測系統由激光器(FC-808-20W-MM)、聚焦鏡組、離軸拋物面反射鏡、鍺窗片、紅外探測器(J10D-M204-R100U-60)、前置放大器(PA-6)、鎖相放大器(SR830)、電動平移臺等組成.

在光熱輻射檢測系統中，鎖相放大器是核心儀器. 它以與被檢測有效信號有相同頻率和固定相位關系的參考信號為基準，對被檢測有效信號進行相敏檢測，再通過低通濾波器濾除噪聲，最終在強噪聲環境中檢測出微弱的有效信號. 性能良好的鎖相放大器可以檢測到被數千倍噪聲掩蓋的nV級交流信號.

2.2 檢測系統工作原理

將鎖相放大器產生的TTL方波信號輸入到激光器電源中，對激光強度進行調制. 激光束通過光學透鏡組聚焦到被測樣品表面上. 樣品吸收光能后轉化為內能，樣品表面溫度振蕩升高，直至達到穩定的波動狀態. 樣品表面穩態波動的溫度場所輻射的熱波信號由1對離軸拋物面反射鏡聚焦到紅外探測器的光敏元件上. 為了降低雜散激光束對紅外探測器的干擾，在探測器窗口前加裝鍺窗片. 探測器將檢測到的信號經前置放大器放大后輸入到鎖相放大器. 鎖相放大器從噪聲背景中檢出有效熱波信號，在儀器面板上顯示出熱波信號的幅值和相位.

2.3 檢測系統的構建和調節

檢測系統所有器件安裝在光學平臺上. 為便于整體移動激光束，將半導體激光器的光纖輸出頭、聚焦鏡組通過光學鏡架以合適的間隔固定在同一根導軌上，并使光軸與拋物面反射鏡中心圓孔的軸線重合. 先固定帶孔的拋物面反射鏡，再把電動平移臺安置在其正前方. 將待測樣品固定在平移臺上，反復調節，使平移臺的上下和水平移動方向與激光束光軸垂直，且保證樣品表面也與激光束光軸垂直,樣品表面與拋物面反射鏡的焦平面重合(樣品表面到拋物面反射鏡根部所在平面距離為140 mm). 沿光軸方向調節導軌，使激光束在樣品表面上聚焦. 安裝另一拋物面反射鏡，保證兩反射鏡的圓柱體軸線相互平行且兩反射鏡正對. 在第2塊反射鏡的正前方安裝帶三維平移調節底座的紅外探測器. 在紅外探測器窗口前安裝鍺窗片. 在構建光路時，要準備深色紙板，用以遮擋空間雜散光，消除其對光熱輻射信號的影響.

連接好紅外探測器、前置放大器、鎖相放大器和激光器相互間的電路后，開啟各儀器的電源進行預熱. 調節激光器電源到較低的輸出功率，在鎖相放大器面板上觀察來自紅外探測器的檢測信號. 待檢測信號穩定后，對紅外探測器的底座交替進行三維調節，使鎖相放大器顯示的幅值信號最大. 此時，第2塊拋物面反射鏡的焦點正好落在紅外探測器的光敏元件上. 這種情形就是光熱輻射的同源檢測，即以泵浦光中心照射的樣品表面點為光熱輻射信號的檢測點. 下面的實驗都進行同源檢測.

3 光熱輻射檢測實驗

3.1 V型槽鋼板的正面檢測

圖2為1塊帶有不同深度V型槽的鋼板，各V型槽的寬度均為0.3 mm，深度分別為0.2，0.4，0.6 mm.

圖2 帶V型槽鋼板的正面照片

移動樣品，使激光束聚焦點落在各V型槽邊且距離槽邊沿約0.3 mm的點上進行激光調制頻率掃描,頻率從1 Hz逐漸變化到200 Hz,設定激光功率為3 W(2.5 A)，光斑直徑約為0.5 mm. 光熱輻射掃頻信號如圖3所示.

(a)幅值信號

(b)相位信號圖3 不同深度V型槽的光熱輻射掃頻信號

在圖3中，幅值信號和相位信號都對V型槽深度的變化有響應. 圖3給出的光熱輻射掃頻信號受到了電路系統的信號傳遞特性的影響. 該影響主要來源于激光器輸出的調制光相對于鎖相放大器的TTL控制信號的電-光相位延遲，以及從紅外探測器經過前置放大器到鎖相放大器的信號傳遞頻率特性. 但是對于固定激光調制頻率的橫向掃描檢測而言，電路系統的信號傳遞特性的影響可以不必修正，只需要盡量減少樣品表面對泵浦光的吸收以及散射的不均勻性對檢測信號的干擾.

為解決這一問題，下面只分析對樣品表面狀態不如光熱輻射幅值信號敏感的相位信號. 分析圖3中3條V型槽的相位掃頻曲線，可知三者相位差異最大處約在7 Hz. 選擇激光調制頻率為7 Hz，激光功率和光斑半徑保持不變，對樣品的3條V型槽進行局部橫向掃描，檢測到的相位信號結果如圖4所示. 由于激光束照射槽縫時光熱輻射信號的幅值非常大，超出儀器測量范圍，所以檢測結果不包括槽縫區域.

圖4 不同深度V型槽鋼板的橫向掃描光熱輻射的相位信號

圖4表明，同源檢測點越靠近槽邊沿，光熱輻射的相位信號相對無槽處的信號改變量越大. 其次，槽深對光熱輻射相位信號有明顯影響，槽越深，相位相對無槽區域改變量越大；當槽深在1倍樣品材料的熱擴散長度(7 Hz激光調制頻率下鋼的熱擴散長度為0.75 mm)內變化時，槽越深，相位信號隨槽深的改變率越小.

3.2 矩形槽鋼板的正面檢測

圖5所示為1塊帶有不同深度矩形槽的鋼板. 各槽的寬度均為0.3 mm，深度分別為0.2,0.4,0.6,0.8 mm.

圖5 帶矩形槽鋼板的正面照片

選擇激光調制頻率為7 Hz，激光功率和光斑半徑與3.1相同，對樣品的4條矩形槽從淺到深進行局部橫向掃描，相位信號如圖6所示.

圖6 不同深度矩形槽鋼板橫向掃描光熱輻射的相位信號

分析圖6可知，矩形槽深度對光熱輻射相位信號的影響與V型槽類似，槽越深，越靠近槽邊沿，光熱輻射相位信號相對無槽處的信號改變量越大；槽深在1倍樣品材料的熱擴散長度內，槽越深，相位信號隨槽深的改變率越小. 比較圖6中槽深為0.6 mm和0.8 mm的2條矩形槽的橫向掃描相位信號可知，當槽深約大于1個熱擴散長度時，相位信號幾乎不再隨槽深變化而改變. 在圖6中還發現，無槽區域的光熱輻射相位信號并不平直. 產生這種現象的原因可能是：樣品表面粗糙度和磨削加工過程對表面產生熱處理作用,導致表面層內的熱學參量發生不均勻改變.

為便于比較，將激光束參量相同、槽寬和槽深相同的V型槽和矩形槽的光熱輻射相位信號檢測結果呈現在圖7中. 由圖7可知，2種槽型對光熱輻射相位信號的影響規律相似.

圖7 V型槽和矩形槽的光熱輻射相位信號比較

為了探討槽寬對光熱輻射信號的影響，使用另一塊矩形槽鋼板，該矩形槽鋼板除了槽寬為0.5 mm外，其余幾何結構參量同上組實驗使用的矩形槽樣品. 實驗中的激光束參量也與上組實驗相同. 對該樣品的4條矩形槽從淺到深進行局部橫向掃描，檢測光熱輻射的相位信號. 槽寬分別為0.3 mm和0.5 mm的樣品的光熱輻射檢測結果如圖8所示.

圖8 不同寬度矩形槽的光熱輻射相位信號比較

從圖8可看出，槽寬的改變對光熱輻射的相位信號并無明顯影響. 實驗結果說明同源檢測對槽寬的檢測不靈敏.

3.3 斜底矩形槽鋼板的背面檢測

斜底矩形槽樣品正面照片如圖9所示，其厚度為4 mm，長寬均為40 mm. 3條矩形槽的底面與樣品表面傾斜，槽深由0連續變化到4 mm，槽寬分別為0.3，0.5，0.8 mm.

選擇激光調制頻率為7 Hz，激光功率和光斑半徑也與3.1實驗相同. 對樣品的背面(無槽平面)進行橫向掃描，檢測光熱輻射的相位信號，結果如圖10和圖11所示.

圖9 斜底矩形槽鋼板的正面照片

圖10 斜底矩形槽鋼板背面同一截面的光熱輻射相位分布

(a)H=0.7 mm (b)H=0.4 mm (c)H=0.2 mm 圖11 斜底矩形槽鋼板背面不同截面的光熱輻射相位分布

圖10為距離樣品下邊沿約3 mm的水平截面上的橫向掃描信號. 掃描方向由窄槽向寬槽. 在此截面上，各槽的深度相同，因此槽底到背面的厚度相同(約0.3 mm).

圖11是在寬度0.8 mm的槽背面選取3個不同的水平截面進行橫向掃描檢測的結果. 此3個水平截面距離樣品下邊沿分別約為2，4，7 mm，可以得知槽底到背面厚度分別約為0.2，0.4，0.7 mm.

分析圖10和圖11的光熱輻射相位分布可知，對于薄型樣品，矩形槽的深度和寬度對樣品背面的光熱輻射相位信號都有明顯影響. 在槽深一定時，槽越寬處的光熱輻射相位信號相對無槽處的信號改變量越大. 在槽寬一定時，槽越深，槽底厚度越薄，光熱輻射相位信號相對無槽處的信號改變量也越大.

4 結 論

利用光熱輻射檢測技術對帶有V型槽和矩形槽的人工裂紋模型樣品進行了檢測，實驗結果表明：

1)不論V型槽還是矩形槽的人工裂紋，槽深對光熱輻射的相位信號都有明顯的影響. 槽越深，越靠近槽邊沿光熱輻射的相位信號相對無槽處的信號改變量越大；槽深超過1倍熱擴散長度時，光熱輻射相位信號基本不隨槽深的變化而改變. 所以，熱擴散長度界定了光熱輻射檢測裂紋深度的范圍.

2)當泵浦光照射在槽外時，同源檢測得到的光熱輻射的相位信號基本不隨槽寬的改變而變化，同源檢測對槽寬的檢測不靈敏.

3)薄樣品斜底矩形槽背面的光熱輻射相位信號對槽深以及槽寬的改變都有明顯反應. 槽深一定時，槽越寬處的光熱輻射的相位信號相對無槽處的信號改變量越大；槽越深、槽底厚度越薄時，光熱輻射的相位信號相對無槽處的信號改變量也越大.