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光电检测技术
无损光电检测技术的发展与应用
摘要:
无损光电检测是随着高科技的发展应运而生的一门技术,该技术不同于传统的检测技术,现在这种技术已经被广泛的应用于工业、农业以及其他领域,对我们的生活产生了积极的影响。
文章介绍了光电检测及无损技术的特点,同时介绍了激光超声波检测和X射线检测的原理及应用,在此基础上,对这种技术进行了总结与展望。
关键词:
光电技术无损检测X射线检测激光超声波检测
1光电检测技术
随着现代科学技术以及复杂自动控制系统和信息处理与技术的提高,光电检测技术作为一门研究光与物质相互作用发展起来的新兴学科,已成为现代信息科学的一个极为重要的组成部分。
光电检测作为光电信息技术的主要技术之一,它是以激光、红外、光纤等现代光电子器件作为基础,通过对被检测物体的光辐射,经光电检测器接受光辐射并转换为电信号,由输入电路、放大滤波等检测电路提取有用信息,再经模数转换等接口输入计算机运算处理,最后显示输出所需要的检测物理量等参数。
其工作原理如图1所示。
图1光电检测系统原理框图
其技术主要包括光电变换技术、光信息获取与光信息测量技术以及测量信息的光电处理技术等。
光电检测技术将光学技术与电子技术相结合实现对各种量的测量,它具有如下特点:
(1)高精度:
光电测量的精度是各种测量技术中精度最高的一种,如用激光干涉法测量长度的精度可达到0.05um每米,用激光测距法测量地球与月球之间距离的分辨率可达到1米。
(2)高速度:
光电检测以光为媒介,而光是各种物质中传播速度最快的,无疑用光学方法获取和传递信息是最快的。
(3)远距离、大量程:
光是最便于远距离测量的介质,尤其适用于遥控和遥测,如武器制导、光电跟踪、电视遥测等。
(4)非接触测量:
光照到被测物体上可以认为是没有测量力的,因此也无摩擦,可以实现动态测量,是各种测量方法中效率最高的一种。
2无损光电检测
基于光电检测技术的以上特点,可以看出它是一种比较适合无损检测的技术。
无损检测技术是随着高科技发展应运而生的一门新技术,该技术不同于传统的物理化学分析方法,它主要运用物理学方法如光学、电学和声学等手段对产品进行分析,且不破坏样品,在获取了样品信息时保证了样品的完整性,无损检测技术检测速度较传统的物理化学方法迅速,又能有效地判断出从外观无法得出的样品内部品质信息。
随着计算机技术的迅速发展,带动了化学计量学的发展,极大地促进了无损检测技术在工农业生产中的广泛应用。
无损光电检测技术根据其分析对象的某些特征对热、声、光、电以及磁等的反应变化情况,大致可分为红外光谱检测技术、拉曼光谱检测技术、机器视觉检测技术、超声波检测技术、X射线检测技术以及电子鼻和电子舌检测技术等。
根据不同的应用对象和用户场合可采用不同的无损光电检测技术和相应的检测装置来实现。
3X射线无损检测技术
3.1原理及装置
X射线是一种类似于光、热和无线电波的电磁辐射波,它的特点是波长短(工业X射线探伤中常用的波长范围约在0.1-0.001nm之间)。
由于辐射物质的波长越短,它穿透物质的能力也愈大,所以X射线具有极大的穿透物质的能力,正是利用这一特性进行X射线检测。
全反射X射线是利用X射线束的掠入射光速进行检测,其检测系统组成如图2所示。
与传统的X射线光谱相比,全反射X射线光谱具有以下突出特点:
(1)具有更好的表面响应灵敏度;
(2)更低的非弹性散射背景;(3)具有更好的信号强度;(4)利用X射线的驻波实现多层分析。
图2X射线检测系统组成示意图
按照全反射X射线光谱产生的特殊光学机理,X射线检测仅需要很少的样品量,从而可以极大地克服检测过程的基体效应。
如果待检测元素间不存在相互作用,那么所有的离子都可以同时被检测并进行定量分析。
在均匀介质中,多种元素同时定量分析公式如式
(1)所示:
(1)
其中:
C是质量分数;I是荧光的强度;S是相对强度;x是待测元素;int是添加的内标元素;m是质量。
如果待测元素的质量未知,可采用相对质量分数进行计算:
(2)
其中:
i为待测的所有元素。
对于非均匀分布的介质,由于基体效应的存在影响定量分析,需采用数据处理方法进行校正。
3.2国内外研究现状
X射线检测技术是研究内部物理结构的重要方法之一。
X射线具有极强的穿透能力,其图像灰度值与材料、厚度和内部结构密切相关,因此X射线作为无损检测技术被广泛用于工业探伤、农产品检测、医学、航空航天、国防、造船和林业等众多领域。
曾祥照等在“气瓶钢焊缝X射线实时成像检测研究”课题中,对焊缝缺陷的定位、定量和定级通过计算机来完成,而定性则用人工方式来识别。
课题组从对比试验开始,逐渐了解气瓶钢焊缝缺陷的个性特征。
试验挑选50个有各种缺陷的钢瓶,分别对焊缝进行X射线照相和X射线实时成像检测。
将在X射线照相底片中得到的焊缝缺陷信息与X射线实时成像检测图像对比,逐渐建立起图像评定人员对缺陷图像识别的感性认识,再综合上升到理性认识。
统计结果表明:
图像与底片识别的相符率达90%以上。
孙丽娜等对X射线探测违禁品的几种方法做了总结,阐述了单能量法、双能量法、双视角、CT及散射法的探测原理及优缺点,最后对安检技术的未来发展趋势进行了预测。
Neethirajan等应用X射线图像技术,检测小麦种子是否发芽,无损评价麦种品质。
Haff等以圆形为分析对象,提出了获取平滑农产品X射线图像的方法。
Karunakaran等对X射线图像和近红外光谱判别谷物虫害损伤的结果进行了比较,结果表明X射线图像适合检测损伤存在与否,而近红外光谱适合检测不同损伤的种类。
3.3应用过程中要解决的关键问题及展望
随着样品预处理方法和校正技术的发展,全反射X射线光谱技术逐步趋于痕量和超痕量检测。
首先,可直接用于水或酸溶液样品中多种元素的同时测定,通过与其它分离方法结合,实现多元素的准确分析。
其次,可用于粉末样品的分析,如颜料、油漆以及空气中的颗粒物、环境分析以及考古研究等。
第三方面的应用是进行金属损伤检测,然而,由于金属合金中金属的损伤差异较大,无法实现重复采样,导致平行分析误差较大,需采用一定的样品预处理方法进行前处理。
全反射X射线光谱检测技术,一个重要的应用领域是进行表面分析,该技术的优点是仅直接在很小的表面就可以进行分析,而且不会损伤样品,样品不经预处理直接测定检测限可达到pg级别,与在真空下离子色谱法测量的结果相当。
4激光超声检测
激光可以实现非接触式的高灵敏度测量,但不能通过非透明材料的内部,而超声波的检测方法可以实现内部质量的检测,因此,用激光激发超声波使之通过被检测试件的内部,再用激光技术来接收这种超声波的信号,把两者结合起来,发展出一种新的检测方法-激光超声检测方法,解决常规超声检测难以解决的问题。
与常规超声检测方法比较,激光超声技术具有下列优点:
激光超声不需要耦合剂,避免了耦合剂对测量范围和精度的影响;激光超声可实现远距离操作,可用于高温环境及腐蚀性强、有放射性等恶劣条件,并可以实现快速扫描,对生产现场快速运动的工件的在线检测;激光超声的盲区小于100微米,可用于测量薄工件。
激光超声的频率带宽较常规的换能器宽,具有测量微小缺陷裂纹的能力;激光超声可用于表面几何形状复杂及受限制的空间,如焊缝根部小直径管道等;空间分辨率高,有利于缺陷的精确定位及尺寸量度,并可作为声源应用于理论研究。
4.1激光超声检测的原理
激光超声是利用高能量的激光脉冲与物质表面的瞬时热作用,在固体表面产生热特性区,然后利用这种小热层在材料内部向四周热膨胀扩散产生热应力,从而通过这种热应力产生超声波。
激光作用在材料上产生两个热特性区:
灼烧区、热弹区。
4.1.1灼烧区
如图3所示,在高的能量作用下,物体的温度升高超过了其蒸发温度,原子以高速离开物体表面,产生一个动量,这种产生超声的模式称为热蚀效应。
4.1.2热弹区
如图4所示,当激光器的能量不足在表面上形成腐蚀现象时,在固体表面产生热特性区,从而在物体内部产生应力波即超声波,较低的吸收率下,表面吸收的热量没有超过其融化温度,产生源是一个短暂的膨胀过程,与这个膨胀相关的压力波绝大部分低于弹性范围内,这种模式称为热弹效应。
图3大功率激光器产生的超声波
图4小功率激光器产生的超声波
通常所说的激光超声指的是热弹区,由于用于激励的脉冲激光器与被检测物体表面之间不需要任何机械连接和接触,因此,这种方法具有很好的工程应用潜力和前景。
当采用光学方法接收激光束在被检测材料中产生的超声波时,这种方法可以完全实现非接触的超声检测。
4.2激光超声检测技术
4.2.1激励用激光器
激光超声系统是一个集光、机、电、算的复杂的检测系统,主要由两部分组成,即超声波的产生与接收。
产生超声波的激光器目前主要有:
a)Nd:
YAG激光器,该激光器产生的激光波长是1064nm,激光器的能量为300mJ,发出的激光光斑直径是6.5mm,该激光器激励出的超声波的脉宽是5ns;b)CO2激光器,该激光器的光脉冲持续时间为70ns,根据制造需要,CO2激光束的形状是长方形的,光斑直径大约5mm左右;c)XeCL(308nm)激光器,激励出的脉宽是40ns,XeCL激光器与CO2激光器有相似的光束形状,光斑直径大约是3mm。
在对碳纤维树脂基复合材料检测时,复合材料对这几种波长的激光器有不同的吸收特性和烧蚀阈值,选用Nd:
YAG激光器比较常见。
4.2.2光学接受技术
非接触的超声波接收技术较多,常用的方法有电磁声换能器(EMAT),电容换能器(MSAT)及空气换能器等,但是这些非接触光学探测方法的应用除了各自的局限性(如EMAT要求被检测样品为导体;ESAT要求样品表面抛光;空气换能器带宽较窄等)之外,其共同的特点是虽然是非接触式的,但相隔距离不能很远(几毫米到几十个毫米),探测灵敏度随样品及换能器间的距离增大而降低。
要真正实现远距离的非接触式检测只能采用光学检测技术。
非干涉的刀口技术要求样品表面非常光洁,难以用于粗糙表面。
所以要想实现远距离的检测,常用光学干涉技术,常用下面两种干涉方法来实现超声波的接收:
(1)光外差技术
光外差方法通常用的是迈克逊干涉仪,探测的表面是镜面,图5是外差干涉仪的原理图。
图5外差干涉仪示意图
光外差方法对频率的响应受探测器截止频率影响,因此大于探测器截止频率的超声振动应该有补偿措施,用一个机电反馈回路来实现这种补偿效果。
外差干涉法对表面的位移敏感,但是却无法消除工业现场各种振动对探测的干扰,此外,这种方法对光点的尺寸大小有非常苛刻的限制,只有光点尺寸达到一个散斑大小时才能达到最佳的检测效果,因此光外差方法只能用于实验室条件下光滑表面的超声振动的检测,在外现场检测中常用的是速度干涉仪。
(2)速度干涉仪
速度干涉仪也叫作时间延迟干涉仪,它是基于多普勒频移原理而应用的一种光学检测方法,如图6所示。
当激光照射在振动物体表面时,根据多普勒频移的原理,发射或散射光的频率发生了变化,变化的频率里加载了超声波的振动频率,干涉仪把频率的变化转变成光的强度的变化,经过一系列的处理手段,转变成电信号在示波器上显示出来,分析信号的特征就可以得到对被检测试件内部的情况。
图6激光接收系统原理图
速度干涉仪对检测物体表面的速度特别敏感,对微振动有较好的检测能力。
这种干涉仪有双光束干涉和多光束干涉,用的较多的是共焦的多光束干涉仪,也就是F-P干涉仪,它有突出的优于其他干涉仪的特点,图7所示是光线在干涉仪的传播路线及输出信号的光强与频率的关系。
图7工作原理及输出信号的光强与光频率的关系
采用图8所示的工作系统,用一个调QNd:
YAG激光器,打在被检测的试件上面,用一个He-Ne激光器在试样另一面来接收产生的超声波,信号的检测取决于携带超声的激光束频率的频移,利用多光束干涉的特点,频率的变化转变成输出光强的变化,从而实现光学方法的超声检测。
图8产生和接收超声的试验装置图
5结束语
无损光电检测技术可以在不破坏被测对象的前提下完成产品的检测任务,因此已深入到日常生活的各个方面。
然而无损光电检测技术也不能完全取代破坏性试验,有时需要采用破坏性检测方法对无损检测的结果进行验证和对比。
在工农业生产中,可以根据检测对象和检测要求选择合适的无损光电检测技术,才能有效达到检测目的,每种无损光电检测技术有其自身的优点和局限性,对检测重要设备或高检测要求的场合,往往要求采用多种无损光电检测技术完成检测任务,以发挥各自的优点,达到全面检测的目的。
随着计算技术、信号处理技术和信号计量方法的不断发展,各种检测方法产生的多维谱图信息提取技术将会得到进一步发展,从而为无损光电检测技术的应用提供了良好的软件支持。
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课程意见及建议:
通过老师对本课程细致认真的讲解,我对光电检测技术的具体内容有了一定的理解,对这门技术的应用和发展都有了一定的认识。
感谢老师授课过程中付出的辛勤的劳动,为我们知识的积累和经验的增长起到了很大的促进作用。
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