激光超声检测系统

一、激光超声检测技术简介

        激光超声是一种非接触,高,无损伤的新型超声检测技术。它利用激光脉冲在被检测工件中激发超声波,并用激光束探测超声波的传播,从而获取工件信息，比如工件厚度、内部及表面缺陷，材料参数等等。该技术接合了超声检测的高和光学检测非接触的优点,具有高灵敏度(亚纳米级),高检测带宽(GHz)的优点。 激光超声检测技术在上世纪九十年代晚期出现成熟的商用系统并早在无缝钢管产业开始应用。目前该技术的成熟工业应用已经扩展到硅片检测，激光焊接焊缝质量在线监控，风力发电机叶片检测，飞机机身搭接腐蚀检测，高温陶瓷，金属，复合材料检测，电子元器件/半导体封装质量检测，各种材料涂层缺陷检测等众多领域，针对其他应用的商用系统也不断成熟并走向市场。

       本公司开发的激光超声无损检测系统，其是一台高、高带宽激光测振仪和激光超声信号分析软件； 以及结合各工业行业的特殊检测条件及检测需求量身定制的专用检测系统及检测服务。系统的硬件（激光测振仪）是基于双波混合的自适应干涉仪，具有光路简单可靠，检测和带宽高，对工业环境常见的低频环境噪声不敏感等优点。激光超声信号分析软件采用的神经网络算法可实现对材料参数和缺陷的快速表征。针对各工业行业需求量身定制的专用检测系统及服务主要面向航空航天、船舶、钢铁、、汽车、精密机械、微电子及科研机构，应用于各种传统手段无法胜任的缺陷检测，厚度测量，恶劣条件下在线非接触测量等。

二、产品及服务

（一）自适应激光测振仪

        本公司开发的TWM-532型自适应激光测振仪直接输出与样品表面起伏成正比的时域信号,其检测带宽可高达GHz,灵敏度可以达到4x10-7 nm rms (W/Hz)1/2。

        对于通用型激光测振仪，市场需求主要来自制造业企业研发部门及高校科研院所，行业上主要集中在微电子，汽车，和风电。在这些部门的研发人员中，目前应用广泛的非接触式测振仪是基于多普勒效应的激光多普勒测振仪。而激光多普勒测振仪的主要问题是检测带宽低（DC-25MHz），无法对高频超声振动进行高测量。对于检测带宽要求高的场合，比如电子元器件/半导体封装质量检测、复合材料缺陷检测、微机电系统（MEMS/NEMS）检测、各种微结构、材料薄膜（微米-纳米尺度）检测等，超声振动频率可以达到几十到几百MHz，而工程师则没有现成的非接触测振仪器可用，往往需要自己搭建检测系统，或者与科研机构合作，不仅费时费力，而且成本高昂。而我们推出的产品则填补了非接触式激光测振仪领域从几十MHz到GHz频段的空白，将用户的研发人员从实验平台搭建的繁琐劳动中解放出来，使其专注于产品研发或学术研究，大大节省人力资源，降低成本。

（二）主要技术与性能指标

         双波混合自适应激光测振仪直接输出与样品表面起伏成正比的时域信号,其检测带宽可高达GHz， 灵敏度可以达到4x10-7 nm rms (W/Hz)1/2。根据用户要求可定制激发激光器，扫描系统，以及数据采集和控制软件。

（三） 满足不同行业特殊检测条件及需求的专用激光超声检测系统

本产品主要应用于以下几类场合:

        1. 缺陷检测：复杂形状零部件缺陷检测、激光焊接质量检测、各种材料涂层缺陷检测、电子元器件/半导体封装质量检测、石油、天然气管道的腐蚀/裂纹检测、复合材料缺陷检测、微机电系统检测、桥梁、建筑等振动检测

       2. 厚度测量：玻璃容器、陶瓷 & 金属涂层、钢管 & 铸铁管。

       3. 工业振动检测：共振频谱分析、粗糙表面检测、高高带宽检测、高速转动/移动部件检测，酸、碱、高温、高压及辐射等恶劣环境下检测。

       该检测系统主要由三部分组成：超声波激发激光器（Generation Pulsed Laser用于在试件产生超声波）、高高带宽激光测振仪（Receiver，包括探测用CW Probe Laser，用于探测超声波信号）、系统控制及信号分析软件。

        对于行业专用激光超声检测系统及服务，市场需求来自于制造业的各个重点行业，包括航空航天、船舶、汽车、核工业、、风电。本产品主要针对传统超声检测手段无法胜任的场合,即恶劣环境下,高,高带宽检测以及在线非接触检测。由于传统的超声检测多采用压电换能器产生和获取超声信号，需要超声波源和探测器接触被检测样品，在一些特殊的应用条件下，比如酸、碱、高温、高压及辐射等恶劣环境下，传统手段无法胜任。而在激光超声技术中，探测器与样品之间完全避免了接触，只有激光作为超声信号的传输媒介与样品接触。此外，激光声源十分灵活，声源的形状、大小取决于光学元件和系统调节，微小点源或细线源在空间上具有很好的局域性（20um-100um），激光激发的超声脉冲宽度可达到1ns，可对压电换能器技术难以检测的微缺陷，微结构，薄膜样品或有复杂形状(如航空构件)的试样实现检测，包括缺陷、声速、声衰减和各向异性特性的检测。

典型的激光超声检测：

A．无缝钢管壁厚在线测量。

        在无缝钢管生产中，壁厚是无缝钢管极为重要的特征参数之一，同时也是钢管生产厂家首要控制并给予用户保证的参数。利用激光超声技术进行无缝钢管的壁厚在线测量不仅仅能缩短生产线的停工时间，更能改进成品质量，降低返工所带来的经济损失。我们基于现有的实验室系统计划开发的无缝钢管在线测厚系统关键是解决高温条件下信号采集系统的准确性和稳定性。要求系统能在1000°C-1500°C左右稳定工作，且厚度测量要达到0.01mm，在整个钢管长度上所测量的壁厚≤±0.3％。

B．航空复合材料检测。

         复合材料是现代飞机设计应用的重要材料，在飞机上用量达到52%，直升机上用量甚至达到70%以上。目前越来越多的使用大型复合材料通用结构件，而这些大型构件价格不菲，一旦返工，损失就很大。这就要求改进其设计和制造流程，在其制造过程中实时检测其质量及缺陷。现有的传统检测手段无法满足大面积试件快速现场检测的要求，而激光超声检测系统则可以提供高的现场检测，及时为复合材料工艺优化和结构件制造提供反馈信息，帮助稳定工艺，提高产品的合格率，降低生产成本。

C．激光焊缝质量在线检测。

         激光焊接在现代制造业中有着广泛的应用。对于焊接完整性，焊缝尺寸，焊接速度以及焊接变形都有着很高的要求。现有的检测手段在焊接过程中不能直接监控焊接质量，而激光超声检测技术则可以对焊接过程进行实时监控并向焊接机器人提供反馈，从而确保终的焊缝质量，大大降低返工率，提高生产效率。

（三）检测咨询及检测服务

        目前国内市场上提供检测咨询及服务的公司主要集中在传统的无损检测手段，对于激光超声检测这种新型的检测手段，国内还没有成熟的商用产品出现，更没有提供检测咨询及服务的企业。而国外的几家激光超声检测系统生产商尚未进入检测咨询及服务领域，此外，由于一些应用的特殊性，（如航空复合材料检测，较多用于军用飞机制造），此类检测咨询和服务对于国外生产商存在一定敏感性。我们建设的激光超声检测实验室将向用户提供标准化的检测服务，为用户特殊的检测需求定制检测方案，提供定制检测系统。