01
Introducere
Tehnologia de detectare optică joacă un rol central în testarea cu ultrasunete cu laser (LUT) și are avantaje față de senzorii piezoelectrici tradiționali. Detectarea optică fără-contact nu interferează cu câmpul ultrasonic și permite punctelor de detectare să se miște rapid cu o precizie spațială precisă. Detectarea optică acoperă o gamă largă de frecvențe în benzi de-frecvență înaltă, ceea ce o face capabilă să identifice și să analizeze undele ultrasonice. În schimb, senzorii piezoelectrici se confruntă cu provocări în detectarea semnalelor de înaltă-frecvență din cauza limitărilor proprietăților materialelor. Cu toate acestea, sensibilitatea detecției optice scade semnificativ atunci când aveți de-a face cu obiecte împrăștiate. Efectul undelor ultrasonice asupra unui fascicul de lumină poate fi clasificat în principal în modulație de intensitate și modulare de fază sau frecvență. Datorită frecvenței extrem de ridicate a luminii, fotodetectoarele de curent nu pot măsura direct faza luminii și pot detecta doar intensitatea luminii. Pentru a obține informații de fază a fasciculului de lumină, fasciculul trebuie modulat pentru a converti informațiile de fază în informații de intensitate, care sunt apoi recuperate prin demodulare.
02
Tehnici de modulare a intensității
Tehnicile de modulare a intensității obțin date privind vibrația și deplasarea suprafeței prin monitorizarea fluctuațiilor intensității luminii. Această abordare include în primul rând tehnici de sondă cu pompa-, tehnici de deflexie optică și tehnici de difracție cu rețele de suprafață. Tehnicile cu pompe-sonde sunt utilizate pentru a caracteriza dinamica ultrarapidă și răspunsurile acustice de la micro- la scară nanometrică. Așa cum este ilustrat în Figura 1, principiul implică utilizarea luminii pompei cu energie înaltă-pentru a induce deformarea termoelastică tranzitorie sau impulsuri ultrasonice de-înaltă frecvență în material, urmată de prelevarea de probe cu lumină cu sondă care are o întârziere controlată. Tulburările sau deplasările indicelui de refracție cauzate de ultrasunete modifică caracteristicile de reflexie ale luminii sondei. Prin ajustarea timpului de întârziere dintre cele două impulsuri folosind o etapă de translație mecanică, sistemul poate înregistra evoluția dinamică a ultrasunetelor pe o scară de picosecundă sau femtosecundă. Tehnicile de deflexie optică detectează înclinările geometrice locale induse de undele acustice de suprafață. Când ultrasunetele trece prin punctul de detectare, ușoare înclinări ale suprafeței cauzează deviația spațială a fasciculului de lumină reflectat. Prin introducerea de obstacole fizice în calea optică, deplasările unghiulare sunt convertite în fluctuații de intensitate a luminii recepționate de detector. Frecvența acestor fluctuații reflectă direct caracteristicile fizice ale câmpului acustic de suprafață. Tehnicile de difracție cu rețele de suprafață sunt potrivite pentru suprafețe cu microstructuri periodice. Pe măsură ce ultrasunetele se propagă, deseori cauzează ajustări ușoare ale rețelei, care, la rândul lor, modifică unghiurile și distribuția energiei fasciculelor difractate. Prin monitorizarea modificărilor intensității luminii difractate la anumite ordine, sistemul poate extrage informații despre deplasarea dinamică a suprafeței la nivel sub-nanometrului.
03
Modularea de fază și interferometria Fabry-Perot
Tehnologia de modulare de fază utilizează principiul interferenței luminii coerente pentru a converti schimbările de fază modulate de vibrațiile ultrasonice în variații ale intensității franjelor de interferență. Această tehnologie atinge de obicei o precizie la nivel de-nanometru sau chiar mai mică. Detectarea interferometrică poate fi împărțită în interferență de referință-luminii și interferență de auto-referință. Interferența-luminii de referință include interferența cu zero-cale-diferență și interferența heterodină, în timp ce schemele de auto-referință includ interferența cu întârziere, interferența holografică adaptivă și detectarea împrăștierii laser. În schemele de demodulație de fază, interferometrul Fabry-Perot este tehnica de bază pentru detectarea ultrasonică cu laser. Această metodă realizează suprapunerea coerentă a mai multor fascicule printr-o cavitate rezonantă formată din două oglinzi puternic reflectorizante (Figura 2). Când lumina sondei care transportă informații despre faza de vibrație a suprafeței intră în cavitate, fasciculele se reflectă de mai multe ori între oglinzi, făcând franjurile de interferență extrem de ascuțite. Când deplasarea indusă de ultrasunete-determină o schimbare de fază, starea de rezonanță se deplasează, ducând la fluctuații liniare dramatice ale intensității luminii transmise sau reflectate. În comparație cu interferometrele convenționale Michelson, interferometrele Fabry-Perot prezintă o toleranță mai mare la vibrațiile mecanice din mediu și posedă o colimație optică mai mare, rezultând o sensibilitate mai bună atunci când se confruntă cu suprafețe rugoase ale componentelor aerospațiale mari. Prin controlul lungimii cavității cu ceramică piezoelectrică, sistemul poate bloca punctul de operare în regiunea cea mai sensibilă a curbei de interferență, permițând extragerea cu-liniaritate ridicată a semnalelor slabe de vibrație acustică. În plus, interferometrele holografice adaptive folosesc cristale fotorefractive pentru a înregistra dinamic modelele de interferență, compensând automat distorsiunile frontului de undă cauzate de perturbațiile mediului sau de morfologiile complexe ale suprafeței, îmbunătățind stabilitatea sistemului în medii industriale dure. Tehnologia de detectare a împrăștierii cu laser captează informații despre vibrații prin analizarea evoluției dinamice a distribuțiilor câmpului de speckle. Deși rezoluția sa absolută de deplasare este ușor inferioară metodelor interferometrice pure, are o robustețe puternică atunci când manipulează suprafețe neprocesate, cu dispersie mare, servind ca o abordare complementară pentru caracterizarea materialelor aerospațiale complexe (așa cum se arată în Figura 3). Interferometrele heterodine generează semnale de ritm prin introducerea unei diferențe de frecvență, abordând în mod eficient problemele de derivă a semnalului DC și îmbunătățind acuratețea măsurătorilor în medii dinamice.
04
Rezumat
Principiul de detectare optică a testării cu ultrasunete cu laser stabilește un sistem complet de la conversia energiei fizice la demodularea fazei semnalului. Tehnologia de modulare a intensității, cu structura sa intuitivă și răspunsul-în timp real, joacă un rol important în monitorizarea procesului de-viteză mare și caracterizarea micro-nano. Tehnologia de modulare de fază, reprezentată de interferometrele Fabry-Pérot, depășește limitările detectării fără-contact în ceea ce privește sensibilitatea și rezoluția prin metode precise de coerență optică. Acest mod de detectare complet fără-contact nu numai că abordează provocările evaluării online a componentelor curbe complexe, ci oferă, de asemenea, suport teoretic important și căi tehnice pentru monitorizarea sănătății materialelor de-a lungul întregului ciclu de viață.
