李愛珠

(同濟(jì)大學(xué) 物理科學(xué)與工程學(xué)院，上海 20092)

每年因結(jié)構(gòu)疲勞，許多工程結(jié)構(gòu)材料在其預(yù)期壽命期內(nèi)報(bào)廢，由此導(dǎo)致的惡性事故也常發(fā)生. 因此對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的疲勞裂紋檢測(cè)至關(guān)重要[1]. 目前常用于檢測(cè)裂紋的無損檢測(cè)方法有超聲法、滲透法、漏磁法和射線法等,這些檢測(cè)方法各有不足. 光熱輻射(Photothermal radiometry， PTR)作為新型檢測(cè)技術(shù)，對(duì)被測(cè)物體尺寸沒有要求，同時(shí)還具有測(cè)量速度快、安全、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)逐漸成為對(duì)材料各種熱學(xué)參量和近表面缺陷進(jìn)行無損檢測(cè)的有力手段之一. 本文采用光熱輻射檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)材料的裂紋缺陷.

1 光熱輻射技術(shù)

光熱輻射技術(shù)是在光聲光譜技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型無損檢測(cè)技術(shù)，屬于非接觸的遙感檢測(cè). 1979年光熱輻射技術(shù)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(lì)下固體樣品表面的光熱輻射信號(hào)，并繪出相應(yīng)的響應(yīng)曲線[3]. 隨著激光光源和紅外探測(cè)器技術(shù)的進(jìn)步，光熱輻射技術(shù)應(yīng)用的領(lǐng)域越來越廣泛，已在表面科學(xué)、光熱光譜分析、非接觸檢測(cè)等方面得到了重要應(yīng)用. R. Fuente等利用光熱輻射技術(shù)獲得幅值和相位信號(hào)，通過反演得到均勻材料的熱擴(kuò)散率和光吸收系數(shù)[4]. K. Horne等使用光熱輻射技術(shù)，測(cè)量了ion-irradiated ZrC試樣表面的熱學(xué)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(shù)進(jìn)行無損檢測(cè)，并提出基于一維3層光熱輻射理論模型的標(biāo)定方法，完成了對(duì)Al基體Co涂層的熱學(xué)參量、厚度及分布的檢測(cè)[6-7]. 吳宗明將光熱輻射技術(shù)運(yùn)用到蜂窩鏡玻璃膠接的缺陷檢測(cè)中，采用紅外探測(cè)器對(duì)膠層部分進(jìn)行溫升時(shí)域圖像變化的測(cè)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)膠接缺陷不均勻性和間隙的檢測(cè)[8]. 可見光熱輻射檢測(cè)技術(shù)在材料熱學(xué)參量的測(cè)量和缺陷的檢測(cè)方面有著廣泛的應(yīng)用.

2 光熱輻射檢測(cè)系統(tǒng)及其工作原理

2.1 光熱輻射檢測(cè)系統(tǒng)

如圖1所示，光熱輻射檢測(cè)系統(tǒng)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(cè)器(J10D-M204-R100U-60)、前置放大器(PA-6)、鎖相放大器(SR830)、電動(dòng)平移臺(tái)等組成.

在光熱輻射檢測(cè)系統(tǒng)中，鎖相放大器是核心儀器. 它以與被檢測(cè)有效信號(hào)有相同頻率和固定相位關(guān)系的參考信號(hào)為基準(zhǔn)，對(duì)被檢測(cè)有效信號(hào)進(jìn)行相敏檢測(cè)，再通過低通濾波器濾除噪聲，最終在強(qiáng)噪聲環(huán)境中檢測(cè)出微弱的有效信號(hào). 性能良好的鎖相放大器可以檢測(cè)到被數(shù)千倍噪聲掩蓋的nV級(jí)交流信號(hào).

2.2 檢測(cè)系統(tǒng)工作原理

將鎖相放大器產(chǎn)生的TTL方波信號(hào)輸入到激光器電源中，對(duì)激光強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)制. 激光束通過光學(xué)透鏡組聚焦到被測(cè)樣品表面上. 樣品吸收光能后轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，樣品表面溫度振蕩升高，直至達(dá)到穩(wěn)定的波動(dòng)狀態(tài). 樣品表面穩(wěn)態(tài)波動(dòng)的溫度場(chǎng)所輻射的熱波信號(hào)由1對(duì)離軸拋物面反射鏡聚焦到紅外探測(cè)器的光敏元件上. 為了降低雜散激光束對(duì)紅外探測(cè)器的干擾，在探測(cè)器窗口前加裝鍺窗片. 探測(cè)器將檢測(cè)到的信號(hào)經(jīng)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(hào)，在儀器面板上顯示出熱波信號(hào)的幅值和相位.

2.3 檢測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)建和調(diào)節(jié)

檢測(cè)系統(tǒng)所有器件安裝在光學(xué)平臺(tái)上. 為便于整體移動(dòng)激光束，將半導(dǎo)體激光器的光纖輸出頭、聚焦鏡組通過光學(xué)鏡架以合適的間隔固定在同一根導(dǎo)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(dòng)平移臺(tái)安置在其正前方. 將待測(cè)樣品固定在平移臺(tái)上，反復(fù)調(diào)節(jié)，使平移臺(tái)的上下和水平移動(dòng)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(diào)節(jié)導(dǎo)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(duì). 在第2塊反射鏡的正前方安裝帶三維平移調(diào)節(jié)底座的紅外探測(cè)器. 在紅外探測(cè)器窗口前安裝鍺窗片. 在構(gòu)建光路時(shí)，要準(zhǔn)備深色紙板，用以遮擋空間雜散光，消除其對(duì)光熱輻射信號(hào)的影響.

連接好紅外探測(cè)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(jìn)行預(yù)熱. 調(diào)節(jié)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(cè)器的檢測(cè)信號(hào). 待檢測(cè)信號(hào)穩(wěn)定后，對(duì)紅外探測(cè)器的底座交替進(jìn)行三維調(diào)節(jié)，使鎖相放大器顯示的幅值信號(hào)最大. 此時(shí)，第2塊拋物面反射鏡的焦點(diǎn)正好落在紅外探測(cè)器的光敏元件上. 這種情形就是光熱輻射的同源檢測(cè)，即以泵浦光中心照射的樣品表面點(diǎn)為光熱輻射信號(hào)的檢測(cè)點(diǎn). 下面的實(shí)驗(yàn)都進(jìn)行同源檢測(cè).

3 光熱輻射檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

3.1 V型槽鋼板的正面檢測(cè)

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(dòng)樣品，使激光束聚焦點(diǎn)落在各V型槽邊且距離槽邊沿約0.3 mm的點(diǎn)上進(jìn)行激光調(diào)制頻率掃描,頻率從1 Hz逐漸變化到200 Hz,設(shè)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(hào)如圖3所示.

(a)幅值信號(hào)

(b)相位信號(hào)圖3 不同深度V型槽的光熱輻射掃頻信號(hào)

在圖3中，幅值信號(hào)和相位信號(hào)都對(duì)V型槽深度的變化有響應(yīng). 圖3給出的光熱輻射掃頻信號(hào)受到了電路系統(tǒng)的信號(hào)傳遞特性的影響. 該影響主要來源于激光器輸出的調(diào)制光相對(duì)于鎖相放大器的TTL控制信號(hào)的電-光相位延遲，以及從紅外探測(cè)器經(jīng)過前置放大器到鎖相放大器的信號(hào)傳遞頻率特性. 但是對(duì)于固定激光調(diào)制頻率的橫向掃描檢測(cè)而言，電路系統(tǒng)的信號(hào)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(duì)泵浦光的吸收以及散射的不均勻性對(duì)檢測(cè)信號(hào)的干擾.

為解決這一問題，下面只分析對(duì)樣品表面狀態(tài)不如光熱輻射幅值信號(hào)敏感的相位信號(hào). 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(diào)制頻率為7 Hz，激光功率和光斑半徑保持不變，對(duì)樣品的3條V型槽進(jìn)行局部橫向掃描，檢測(cè)到的相位信號(hào)結(jié)果如圖4所示. 由于激光束照射槽縫時(shí)光熱輻射信號(hào)的幅值非常大，超出儀器測(cè)量范圍，所以檢測(cè)結(jié)果不包括槽縫區(qū)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(hào)

圖4表明，同源檢測(cè)點(diǎn)越靠近槽邊沿，光熱輻射的相位信號(hào)相對(duì)無槽處的信號(hào)改變量越大. 其次，槽深對(duì)光熱輻射相位信號(hào)有明顯影響，槽越深，相位相對(duì)無槽區(qū)域改變量越大；當(dāng)槽深在1倍樣品材料的熱擴(kuò)散長度(7 Hz激光調(diào)制頻率下鋼的熱擴(kuò)散長度為0.75 mm)內(nèi)變化時(shí)，槽越深，相位信號(hào)隨槽深的改變率越小.

3.2 矩形槽鋼板的正面檢測(cè)

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(diào)制頻率為7 Hz，激光功率和光斑半徑與3.1相同，對(duì)樣品的4條矩形槽從淺到深進(jìn)行局部橫向掃描，相位信號(hào)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(hào)

分析圖6可知，矩形槽深度對(duì)光熱輻射相位信號(hào)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(hào)相對(duì)無槽處的信號(hào)改變量越大；槽深在1倍樣品材料的熱擴(kuò)散長度內(nèi)，槽越深，相位信號(hào)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(hào)可知，當(dāng)槽深約大于1個(gè)熱擴(kuò)散長度時(shí)，相位信號(hào)幾乎不再隨槽深變化而改變. 在圖6中還發(fā)現(xiàn)，無槽區(qū)域的光熱輻射相位信號(hào)并不平直. 產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是：樣品表面粗糙度和磨削加工過程對(duì)表面產(chǎn)生熱處理作用,導(dǎo)致表面層內(nèi)的熱學(xué)參量發(fā)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(hào)檢測(cè)結(jié)果呈現(xiàn)在圖7中. 由圖7可知，2種槽型對(duì)光熱輻射相位信號(hào)的影響規(guī)律相似.

圖7 V型槽和矩形槽的光熱輻射相位信號(hào)比較

為了探討槽寬對(duì)光熱輻射信號(hào)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(jié)構(gòu)參量同上組實(shí)驗(yàn)使用的矩形槽樣品. 實(shí)驗(yàn)中的激光束參量也與上組實(shí)驗(yàn)相同. 對(duì)該樣品的4條矩形槽從淺到深進(jìn)行局部橫向掃描，檢測(cè)光熱輻射的相位信號(hào). 槽寬分別為0.3 mm和0.5 mm的樣品的光熱輻射檢測(cè)結(jié)果如圖8所示.

圖8 不同寬度矩形槽的光熱輻射相位信號(hào)比較

從圖8可看出，槽寬的改變對(duì)光熱輻射的相位信號(hào)并無明顯影響. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明同源檢測(cè)對(duì)槽寬的檢測(cè)不靈敏.

3.3 斜底矩形槽鋼板的背面檢測(cè)

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(xù)變化到4 mm，槽寬分別為0.3，0.5，0.8 mm.

選擇激光調(diào)制頻率為7 Hz，激光功率和光斑半徑也與3.1實(shí)驗(yàn)相同. 對(duì)樣品的背面(無槽平面)進(jìn)行橫向掃描，檢測(cè)光熱輻射的相位信號(hào)，結(jié)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(hào). 掃描方向由窄槽向?qū)挷? 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(gè)不同的水平截面進(jìn)行橫向掃描檢測(cè)的結(jié)果. 此3個(gè)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(duì)于薄型樣品，矩形槽的深度和寬度對(duì)樣品背面的光熱輻射相位信號(hào)都有明顯影響. 在槽深一定時(shí)，槽越寬處的光熱輻射相位信號(hào)相對(duì)無槽處的信號(hào)改變量越大. 在槽寬一定時(shí)，槽越深，槽底厚度越薄，光熱輻射相位信號(hào)相對(duì)無槽處的信號(hào)改變量也越大.

4 結(jié) 論

利用光熱輻射檢測(cè)技術(shù)對(duì)帶有V型槽和矩形槽的人工裂紋模型樣品進(jìn)行了檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

1)不論V型槽還是矩形槽的人工裂紋，槽深對(duì)光熱輻射的相位信號(hào)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(hào)相對(duì)無槽處的信號(hào)改變量越大；槽深超過1倍熱擴(kuò)散長度時(shí)，光熱輻射相位信號(hào)基本不隨槽深的變化而改變. 所以，熱擴(kuò)散長度界定了光熱輻射檢測(cè)裂紋深度的范圍.

2)當(dāng)泵浦光照射在槽外時(shí)，同源檢測(cè)得到的光熱輻射的相位信號(hào)基本不隨槽寬的改變而變化，同源檢測(cè)對(duì)槽寬的檢測(cè)不靈敏.

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