01
Johdanto
Optisella tunnistustekniikalla on keskeinen rooli laser-ultraäänitestauksessa (LUT), ja sillä on etuja perinteisiin pietsosähköisiin antureihin verrattuna. Kosketukseton optinen tunnistus ei häiritse ultraäänikenttää ja mahdollistaa tunnistuspisteiden nopean liikkumisen tarkalla tilatarkkuudella. Optinen tunnistus kattaa laajan taajuusalueen korkeilla-taajuuskaistoilla, joten se pystyy tunnistamaan ja analysoimaan ultraääniaaltoja. Sitä vastoin pietsosähköisillä antureilla on haasteita havaita korkeataajuisia signaaleja{5}}materiaaliominaisuuksien rajoitusten vuoksi. Optisen ilmaisun herkkyys kuitenkin laskee merkittävästi käsiteltäessä hajallaan olevia esineitä. Ultraääniaaltojen vaikutus valonsäteeseen voidaan pääasiassa luokitella intensiteettimodulaatioon ja vaihe- tai taajuusmodulaatioon. Valon äärimmäisen korkean taajuuden vuoksi nykyiset valoilmaisimet eivät pysty mittaamaan suoraan valon vaihetta ja voivat havaita vain valon voimakkuuden. Valosäteen vaiheinformaation saamiseksi säde on moduloitava vaiheinformaation muuntamiseksi intensiteettitiedoiksi, jotka sitten palautetaan demoduloimalla.
02
Intensiteettimodulaatiotekniikat
Intensiteettimodulaatiotekniikat keräävät pinnan värähtely- ja siirtymätietoja tarkkailemalla valon intensiteetin vaihteluita. Tämä lähestymistapa sisältää ensisijaisesti pumppu-anturitekniikat, optiset poikkeutustekniikat ja pintahilan diffraktiotekniikat. Pumppu-anturitekniikoita käytetään luonnehtimaan erittäin nopeaa dynamiikkaa ja mikro- nanomittakaavan akustisia vasteita. Kuten kuvassa 1 on esitetty, periaatteessa käytetään korkean{7}}energisen pumpun valoa ohimenevän termoelastisen muodonmuutoksen tai korkeataajuisten ultraäänipulssien aiheuttamiseksi materiaalissa, mitä seuraa näytteenotto anturin valolla, jolla on kontrolloitu aikaviive. Ultraäänen aiheuttamat taitekerroinhäiriöt tai siirtymät muuttavat anturin valon heijastusominaisuuksia. Säätämällä kahden pulssin välistä aikaviivettä mekaanisen muunnosvaiheen avulla järjestelmä voi tallentaa ultraäänen dynaamisen kehityksen piko- tai femtosekunnin asteikolla. Optiset poikkeutustekniikat havaitsevat akustisten pinta-aaltojen aiheuttamat paikalliset geometriset kallistukset. Kun ultraääni kulkee havaintopisteen läpi, pinnan pienet kallistukset aiheuttavat heijastuneen valonsäteen avaruudellista taipumista. Kun optiselle tielle tuodaan fyysisiä esteitä, kulmasiirtymät muunnetaan ilmaisimen vastaanottamiksi valon intensiteetin vaihteluiksi. Näiden vaihtelujen taajuus heijastaa suoraan pinnan akustisen kentän fysikaalisia ominaisuuksia. Pintahiiladiffraktiotekniikat soveltuvat pinnoille, joilla on jaksoittaiset mikrorakenteet. Ultraääni leviäessään aiheuttaa usein pieniä säätöjä hilaan, mikä puolestaan muuttaa taipuneiden säteiden kulmia ja energian jakautumista. Tarkkailemalla taittuneen valon intensiteetin muutoksia tietyissä järjestyksessä järjestelmä voi poimia pinnan dynaamisia siirtymiä ali-nanometritasolla.
03
Vaihemodulaatio ja Fabry–Perot-interferometria
Vaihemodulaatiotekniikka hyödyntää koherentin valon häiriöperiaatetta ultraäänivärähtelyjen moduloimien vaihesiirtojen muuntamiseksi häiriöreunojen intensiteetin vaihteluiksi. Tämä tekniikka saavuttaa tavallisesti nanometrin{1}}tarkkuuden tai jopa alhaisemman. Interferometrinen tunnistus voidaan jakaa referenssi-valon häiriöihin ja itse-referenssihäiriöihin. Vertailu-valon häiriöt sisältävät nolla-polku-erohäiriön ja heterodynehäiriön, kun taas itse-referenssimallit sisältävät viivehäiriöt, adaptiiviset holografiset häiriöt ja lasersirontatunnistuksen. Vaihedemodulaatiomenetelmissä Fabry–Perot-interferometri on laserultraäänitunnistuksen ydintekniikka. Tällä menetelmällä saavutetaan useiden säteiden koherentti superpositio kahden erittäin heijastavan peilin muodostaman resonanssiontelon kautta (kuva 2). Kun pinnan värähtelyvaiheinformaatiota kantava anturin valo tulee onkaloon, säteet heijastuvat useita kertoja peilien väliin, jolloin interferenssireunat ovat erittäin teräviä. Kun ultraääni{15}}siirtymä aiheuttaa vaihesiirron, resonanssiolosuhteet ajautuvat, mikä johtaa dramaattisiin lineaarisiin vaihteluihin lähetetyn tai heijastuneen valon intensiteetissä. Perinteisiin Michelson-interferometreihin verrattuna Fabry-Perot-interferometrit sietävät paremmin ympäristön mekaanista tärinää ja niillä on suurempi optinen kollimaatio, mikä johtaa parempaan herkkyyteen käsiteltäessä suurten ilmailukomponenttien karkeita pintoja. Säätämällä kaviteetin pituutta pietsosähköisellä keramiikalla järjestelmä voi lukita toimintapisteen häiriökäyrän herkimmälle alueelle, mikä mahdollistaa heikkojen akustisten värähtelysignaalien suuren -lineaarisuuden erottamisen. Lisäksi mukautuvat holografiset interferometrit käyttävät valotaitteisia kiteitä häiriökuvioiden dynaamiseen tallentamiseen, mikä kompensoi automaattisesti ympäristöhäiriöiden tai monimutkaisten pinnan morfologioiden aiheuttamia aaltorintaman vääristymiä, mikä parantaa järjestelmän vakautta ankarissa teollisuusympäristöissä. Lasersirontatunnistustekniikka kaappaa värähtelytiedot analysoimalla pilkkukentän dynaamista kehitystä. Vaikka sen absoluuttinen siirtymäresoluutio on hieman huonompi kuin puhtaat interferometriset menetelmät, sillä on vahva kestävyys käsiteltäessä käsittelemättömiä, voimakkaasti sirottavia pintoja, ja se toimii täydentävänä lähestymistapana monimutkaisten ilmailumateriaalien karakterisoinnissa (kuten kuvassa 3). Heterodyne-interferometrit tuottavat lyöntisignaaleja ottamalla käyttöön taajuuseroja, jotka ratkaisevat tehokkaasti DC-signaalien ryömintäongelmia ja parantavat mittaustarkkuutta dynaamisissa ympäristöissä.
04
Yhteenveto
Laserultraäänitestauksen optinen tunnistusperiaate muodostaa täydellisen järjestelmän fyysisen energian muuntamisesta signaalin vaihedemodulaatioon. Intensiteettimodulaatioteknologialla intuitiivisella rakenteella ja reaaliaikaisella-vasteella on tärkeä rooli nopeassa-prosessin seurannassa ja mikro-nanokarakterisoinnissa. Fabry-Pérot-interferometrien edustama vaihemodulaatiotekniikka voittaa kosketuksettoman tunnistuksen herkkyyden ja resoluution rajoitukset tarkkojen optisten koherenssimenetelmien avulla. Tämä täysin kosketukseton{8}}tunnistustila ei ainoastaan vastaa monimutkaisten kaarevien komponenttien online-arvioinnin haasteisiin, vaan tarjoaa myös tärkeää teoreettista tukea ja teknisiä polkuja materiaalien kunnon seurantaan niiden koko elinkaaren ajan.
