激光超声测振仪

激光超声测振仪

激光超声测振仪

型号:TWM-532 类别: 激光测振仪 品牌: pdf资料: 激光超声测振仪.pdf
销售热线:010-53326395,82067780 在线咨询:    激光超声测振仪在线咨询QQ:1518902040
 
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,高精度,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精度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最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,其核心是一台高精度、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。系统的硬件核心(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,检测精度和带宽高,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、军工、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、技术发展现状
        从上世纪60年代激光被发明以来,激光超声技术几乎与激光技术同时开始发展。上世纪八十年代早期,澳大利亚Krautkramer公司开始激光超声技术的工业应用研究,由于受当时激光技术和成本的限制,Krautkramer公司并没有开发出适合工业应用的商用系统。现该公司是GE Measurement and Control Solutions的一部分。八十年代后期,隶属于加拿大National Research Council of Canada (NRC)的Industrial Materials Institute (IMI)在Dr. Jean Pierre Monchalin的带领下开始进行一项大规模激光超声技术研究计划,并成功设计了一套高效费比的激光超声检测系统。于此同时,洛克希德马丁Lockheed Martin公司也开始研发一套激光超声检测系统用于复合材料检测。虽然这些系统并未发展成大规模生产的商用系统,但却使工业界意识到激光超声技术的巨大优势和潜力。
         激光超声检测系统的真正商用化开始于九十年代。目前激光超声技术在商业应用上最成功的领域有三个:硅片检测、航空复合材料检测和无缝钢管壁厚在线测量。九十年代晚期,Tecnar Automation获得National Research Council of Canada (NRC)的授权,生产NRC与Timken Steel合作研发的无缝钢管管壁在线测厚系统。这套系统被认为是激光超声技术在商业应用上的最大成功。Tecnar Automation是该技术的唯一授权生产商,该系统向全球无缝钢管生产线出售,取得了巨大成功。用于航空复合材料检测的激光超声系统最早由洛克希德马丁Lockheed Martin公司研发,目前已有三家企业进入该市场:Tecnar Automation, PaR Systems和iPhoton Solutions,其中PaR Systems的技术来自于Lockheed Martin的授权。用于硅片检测的激光超声商用系统最早由Advanced Metrology Systems研发成功。该公司原名Active Impulse Systems,于九十年代中期在麻省理工创建,致力于激光测量技术在半导体行业的产业化。后来Philips Analytical认识到其巨大的商业潜力收购了该公司并将业务专注于金属薄膜的激光超声测量。2002年Philips将其独立出来成立了单独的Philips Advanced Metrology Systems公司。2006年, Philips将该公司出售给私募股权投资基金J.H. Whitney & Company旗下的JHW Greentree Capital, L.P.并获得丰厚回报。

        此外,激光超声技术在其他工业应用领域也展现了巨大潜力,例如激光焊接焊缝质量在线监控、飞机机身搭接腐蚀检测、高温陶瓷,陶瓷金属复合材料参数测定等等。现有的商用激光超声检测系统主要是使用共焦法布里-珀罗干涉仪和多普勒干涉仪来获取信号。共焦法布里-珀罗干涉仪集光能力强,灵敏度高,但缺点是造价高,系统复杂。多普勒干涉仪应用广泛,但由于要使用信号插值来提高探测精度,因此检测带宽低(DC-25MHz),而且对工作环境有较严格的要求,如温度、环境振动等。近几年,在激光超声检测系统的核心技术---激光测振仪上,三家公司(Intelligent Optical System、Tecnar Automation以及BossaNovaTech)率先将自适应干涉技术实现商用化,大大降低了激光超声检测系统的复杂度和成本,提高了可靠性。为激光超声技术在更大范围的工业应用奠定了基础。

三、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4x10-7nm rms (W/Hz)1/2

    
图1. 自适应激光测振仪

        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,军工和风电。在这些部门的研发人员中,目前应用最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精度测量。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。

技术规格:
NESD(噪声等效表面位移)  4X10-7 nm (W/Hz) 1/2 
检测带宽上限 100 MHz, 200 MHz, 400MHz 或 1 GHz
检测带宽下限 100 Hz
样品表面检测光斑大小 <25micron(f=150mm)
聚焦 通用串行总线接口自动/手动对焦
工作距离 ~150mm
光学收集F数 5
焦深 ~1mm
模拟输出 交流信号(全宽带)
较准交流信号(1 MHz~70 MHz),用压电反射镜校准(可选)
连续波激光器功率 波长532nm,200mW至500mW(内部)-外部功率高达10W可选
工作电源要求 110/220V,50~60Hz
尺寸/重量 50*32*10cm/9.5kg
选项(A)二维扫描工作台 两个线性位移模组和一个控制器;参数规格可选
选项(B)带转向镜的二维扫描 集成二维扫描振镜系统,扫描激发激光和探测激光
选项(C)激发激光 波长1046nm的调Q的Nd:YAG激光器
脉宽<12ns;脉冲能量:50,200或400mJ
可选:光纤传输
选项(D)数据采集系统 WaveScan扫描软件:扫描系统控制,数据采集,处理和展示.A扫描,B扫描;专业处理软件,配有数据采集卡的台式机;配备win7系统的个人电脑

(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、高精度高带宽检测、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)、高精度高带宽激光测振仪(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。
             
激光超声检测系统
      
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、军工、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,高精度,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案例:
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,且厚度测量精度要达到0.01mm,在整个钢管长度上所测量的壁厚精度≤±0.3%。
 

无缝钢管壁厚在线监控系统

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精度的现场检测,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。


航空复合材料现场检测系统

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,从而确保最终的焊缝质量,大大降低返工率,提高生产效率。


   激光焊缝质量在线监测系统 

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,更没有专业提供检测咨询及服务的企业。探瑞科技激光超声检测实验室面向各行业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。

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