UDK 621.3:(53+54+621 +66), ISSN 0352-9045 Informacije MIDEM 22(1992)3, Ljubljana LASERSKI ULTRAZVOČNI DEFEKTOSKOP R. Hrovatin in J. Možina KLJUČNE BESEDE: ultrazvočni defektoskopi, detekcija ultrazvoka, lasersko vzbujanje ultrazvoka, NdYAG laserji, senzorji malih pomikov, Michelsonov interferometer, brezkontaktno merjenje, neporušne preiskave, uporaba laserjev, laserska ultrasonika, ekperimentalne raziskave POVZETEK: V članku je prikazana zgradba in način delovanja dveh sistemov za brezdotično interferometrsko detekcijo lasersko generiranih ultrazvočnih pomikov. Odziv obeh sistemov je proporcionalen dejanskim odmikom na površini materiala, z njim pa lahko detektiramo pomike reda velikosti 0.1 nm. V eksperimentalnem delu predstavljamo odzive teh sistemov na lasersko vzbujen ultrazvok pri različnih parametrih, hkrati pa razčlenjujem o vplive na obliko in širjenje ultrazvočnega vala. LASER ULTRASONIC DEFECTOSCOPE KEY WORDS: lultrasonic defectoscopes, detection of ultrasound, NdYAG lasers, small displacement sensors, Michelsons interferometer, contactiess measurement, nondestructive evaluation, laser application, laser ultrasonics, experimental research ABSTRACT: The construction and the basic operating principles are presented for two interferometric systems for noncontact laser induced ultrasonic displacement measurements. 80th system responses are proportional to the displacements on material surface and amplitudes down to the order of magnitude of 0.1 nm can be detected. In this paper experiments with varying excitation parameters are discussed while diHerent eHects on the ultrasonic wave shape are analyzed. 1.UVOD Laserske metode vzbujanja in detekcije ultrazvoka v materialih se uveljavljajo pri neporušnem preizkušanju materiala 11 ,21, pri določevanju kvalitete površin in ma- terialnih konstant 13,4/, metode detekcije pa lahko upo- rabimo pri določanju kvalitete laserskih obdelovalnih procesov 15,61 in kalibraciji senzorjev malih pomikov (mikrofoni, hidrofoni) /7/. Najvažnejša odlika laserskih metod je brezdotičnost postopka, kar nam omogoča njihovo uporabo v težavnih okoljih (radioaktivnost, korozivna okolja, visoke tem- perature). Poleg tega na stiku med preizkušancem in senzorjem ne prihaja do modulacije valovanj, kar nam zagotavlja direkten vpogled v dogajanje na površini vzorca. Težave, s katerimi se soočamo pri uporabi teh metod, nastopijO pri vzorcih, kjer je odboj sondirnega žarka slab, pa naj bo to zaradi previsoke absorpcije na preiz- kušancu, ali pa zaradi prevelike hrapavosti na njegovi površini 18,9/. Poleg tega uporaba laserja zahteva upoštevanje varnostnih predpisov. Nenazadnje je tu še razmeroma visoka cena sistema. Tovrstni sistemi so sestavljeni iz vzbujevalnega dela, močnostnega pulznega laserskega izvora in sondirnega dela. Ultrazvočne pomike na površinah materialov lahko detektiramo z modulacijo od snovi odbitega žarka. Pri tem izkoriščamo bodisi odklon žarka 14, 1 Ol, bodisi tunel- ski efekt 1111 ali pa interferenco 11,121. 174 V tem članku predstavljamo možnosti interferometrske detekcije ultrazvoka z dvema izboljšanima verzijama Michelsonovega interferometra. V eksperimentalnem delu so prikazani odzivi na aluminijastih vzorcih pri različnih parametrih vzbujanja ultrazvoka. Hkrati anali- ziramo posamezne vplive na širjenje in obliko ultraz- vočnih valov. 2. PRINCIP DELOVANJA 2.1. Lasersko vzbujanje ultrazvoka v kovinah Lasersko vzbujanje ultrazvoka temelji na optoakus- tičnem pojavu, do katerega pride ob interakciji nestacio- narnega svetlobnega toka in površine kovine. Mehani- zem tega pojava je v grobem naslednji: snov se pri lokalni absorbciji svetlobe segreje in termično raztegne. Nastalo neravnovesno stanje se v obliki mehanskih valov razširi po celotnem vzorcu. Dinamika tega pojava je odvisna od časovnega poteka svetlobnega toka, optičnih in termoelastičnih konstant materiala ter robnih pogojev na meji med absorbirajočo kovino in prozornim okoliškim medijem. Iz množice lasersko vzbujenih valov običajno za analizo uporabimo longitudinalne, transver- zaine in nekatere od površinskih valov. Ultrazvok običajno vzbujamo z laserskimi pulzi. Glavni vpliv na dogajanje na površini in s tem povezan časovni potek ultrazvočnih valov ima intenziteta vpad le laserske svetlobe. Pri nizkih intenzitetah govorimo o termoelas- Informacije MIDEM 22(1992)3, Ljubljana, str. 174-179 tičnem mehanizmu. Pri tem maksimalne temperature ne dosežejo tališča, zato ekspanzijo lahko dinamično popišemo z linearno teorijo kot termoelastični val 115/. Kvalitativna analiza nam pokaže, da v tem primeru zaradi geometrije toplotnega izvora transverzaini val amplitudno prevlada nad longitudinalnim. Drugačne pa so razmere pri visokih intenzitetah, kjer pride do odparevanja površinske plasti in do nastanka plazme. Takšen ablativni mehanizem vzbujanja ultraz- voka ima za posledico prevlado longitudinalnega vala, ki ga povzroči odrivna sila, transverzaini val pa spremeni fazo. Teoretično so te razmere teže popisljive, zato se navadno zatekamo k eksperimentalnim rezultatom. Za defektoskopijo so najugodnejši longitudinalni valovi. Optično jih je možno vzbujati v ozkem območju inten- zitet, pri katerih se prispevka k transverzalnemu valu zaradi termične ekspanzije in ablacije medsebojno izničita. 2.2.lnterferometrska detekcija ultrazvoka Klasični Michelsonov interferometer za merjenje pomi- kov (sI. 1) deluje na principu štetja interferenčnih peg, ki se pojavljajo pri spreminjanju optičnih poti v krakih inter- ferometra. Njegova ločljivost je zato omejena na četrtino valovne dolžine svetlobe. Z izboljšanjem števne elektronike je ločljivost možno izboljšati še za faktor 10, vendar tudi to ne zadošča za meritve ultrazvočnih pomi- kov na površini kovin. zrcalo 1 izvor svetlobe zrcalo 2 '--___ (I_aS_e_r)~~~~--H4~--(-u delilnik zarka (50:50) fotodioda Slika 1: Shema Michelsonovega interferometra Za takšen interferometer velja, da se intenziteta svet- lobe Ina fotodiodi pri spreminjanju dolžine x enega od krakov spreminja kot ,..Q 2 (21tX) I(x) = 4 . ED . C' Co . cos T . (1 ) Pri tem je Eo influenčna konstanta, C hitrost svetlobe, Eo amplituda električnega polja in Avalovna dolžina. Iz enačbe 1 in slike 2 je razvidno, da se spomikom spreminja tudi občutljivost interferometra Z(x), ki jo defi- niramo kot Z(x) = -. k= - 8· ED . c· Eo' k· -. sin - (2) dl 2 1t. (41tX) dx AA' kjer je k konstanta fotodiode (Vm2/W). Občutljivost je največja pri x = ')JS ± m ')J4, torej na polovici amplitude 175 R. Hrovatin, J. Možina: Laserski ultrazvočni defektoskop intenzitete (sI.2), če zahtevamo še pozitiven odvod pa pri x = 3 ')JS ± m ')J2, kjer znaša Zmax = 8 . ED . c· E8 . k· .!!. A (3) pomik [nm] Slika 2: Intenziteta v odvisnosti od razlike dolžin krakov (A = 632.8 ~m) Za meritev zelo majhnih pomikov je potrebno interfe- rometrski sistem nastaviti tako, da visokofrekvenčni ultrazvočni pomik detektiramo takrat, ko je njegova občutljivost največja. Pri tem se je treba izogniti okoliškim motnjam (vibracije, temperaturne fluktuacije), v frekvenčnem območju do 1 kHz. Nalogo je možno rešiti na več načinov, od katerih sta dva podrobneje opisana v nadaljevanju. 2.2.1. Kompenziran Michelsonov interferometer V praksi se je najprej uveljavil stabiliziran interferometer 1121. Rešitev problema temelji na zaprtem detevkcijskem sistemu, ki motnje eliminira s povratno zanko. Ce zrcalo v referenčnem kraku Michelsonovega inteferometra premikamo v nasprotni smeri motnje okolice, lahko eliminiramo tako temperaturno motnjo kot tudi vibracije. Ker sta motnja in pričakovani signal frekvenčno dobro ločena, z vstavitvijo filtra v povratno zanko dosežemo selektivno eliminacijo zunanje motnje. Frekvenčno območje mehanskih vibracij in temperaturnih fluktuacij sega do priblžino 1 kHz, medtem ko pričakujemo signal v območju od enega do nekaj deset MHz. Shemo takšnega merilnega sistema predstavlja slika 3. Kot aktuator smo uporabili polovični bimorfni pie- zoelektrični element, ki izkorišča uklon plošče 113,14/. Na medeninasto ploščo prilepljena piezoelektrična ploščica je radialno polarizirana. S takšnim aktuatorjem je možno doseči pomike prek 1 /-im v centru ploščice že pri napetostih pod 5V. Meritev linearnosti (sI. 4), je dala zadovoljive rezultate. Meritve frekvenčne karakteristike (sI. 5) pa so pokazale, da aktuator lahko obravnavamo kot dvojni sistem drugega reda. Tej karakteristiki smo prilagodili tudi oblikovanje povratne zveze, ki je sestav- ljena iz dveh filtrov 1. reda, dveh ojačevalnih stopenj in stopnje za nastavljanje referenčne točke delovanja in- terferometra. R. Hrovatin, J. Možina: Laserski ultrazvočni defektoskop zrcalo na PD aktuatorju c::;:::J-" Nd:YAG delilnik vzorec rt'leca ra '1fat:1J It T -H~~' la,,,' ~ C=J 'k ~otodiOda Q ~ napajalni , . o. ~ i fotodioda""rC 0ja~~,, __ j ·~i di . oscilosko . i cn"""~ ;;;;".. . Ir-;::~i ------II' "'--""1' '-',-" OSCIIO. skop ',' .Q> --"-" ~(~J .t:~iS~~w(~) . .-----'--1 ". -O -1' __ , HI freq. '---_-'-:_:-"-1- racunalnik ojac. X mo' aktuator I fotodioda Ur.'~_~ U,,~CP~~ ~ ~ i LJ~ i - ojacevalnik, filter interferometer i i" _ .. _. j Slika 3: Sistem s kompenziranim Michelsonovim interferometrom in kibernetska shema stabilizacije interferometra. E30r-------------------, OS 25 ro ~ 20 E o 0.15 ro 'o ,~ 10 Q E 5 ro linearna aproksimacija rezultatov_ .... ! , izmerjene vrednosti amplituda vhod ne napetosti Slika 4: Linearnost aktuatorj a pri različnih amplitudah vhodne napetosti m 20 ~ 10 ro 'o .~ Or-------------__ C.200 ro -400 .E! -600 '---~--~~~~~--~~~~~~ 10' 10 2 10 3 10' 10 5 Slika 5: frekvenca [Hz) Frekvenčna karakteristika sistema aktuator interferometer-fotodioda: (a) izmerjena karakteristika in (b) sistem modeliran z dvojnim sistemom drugega reda. 176 Informacije MIDEM 22(1992)3, Ljubljana, str. 174-179 2.2.2. Sistem s sinhronim proženjem Drugi način je novost, ki je v literaturi še nismo zasledili, deluje pa na principu kontroliranega proženja vzbujeval- nega laserja. Motnje iz okolice vseskozi premikajo interferometer iz najobčutljivejše točke, zato se jim z vzbuja njem prila- godimo tako, da ultrazvočni val vzbudimo v trenutku, ko je zaznavnost največja. Signal iz fotodiode vodimo v logično vezje (sI.6) in ko doseže točko maksimalne občutljivosti, sprožimo pulz iz vzbujevalnega laserja. Sama logika tega vezja temelji na vnaprejšnjem pred- videvanju položaja interferometra. Predhodno nastavi- mo dve točki, skozi kateri naj bi potekal signal, povz- ročen z okoliško motnjo. Z njima definiramo gradient motnje. Pričakujemo, da bo motnja v naslednjih 140 I1S, kolikor je potrebno od Signala za proženje laserja do laserskega pulza, obdržala takšen naklon. S smiselno postavitvijo obeh točk in nastavitvijo toleranc pri drugi dosežemo, da vzbujevalni laser proži dejansko v trenut- ku maksimalne občutljivosti. Slika 6: Interferometerski sistem za detekcijo ultrazvoka s sinhronim proženjem vzbujevalnega laserja. Ta metoda je vezana na možnost dovolj hitrega kontro- liranega vzbujanja ultrazvoka. Za nastavitve sistema je potrebno delno poznavanje motnje. Metoda je dovolj enostavna, tako da jo lahko realiziramo že s preprostim elektronskim vezjem. Nekaj težav nastopi pri velikih motnjah (amplitude nad 160 11m), kjer prihaja do preho- dov prek enega interferenčnega vrha. Pri vzorčenju signalov s sprotnim povprečenjem zato položaj interfe- rometra nadziramo z dodatnim osciloskopom, tako da ugotovimo takšne prehode . Optično se oba interferometra od klasične postavitve Miche/sonovega interferometra razlikujeta po vstav- ljenih enakih konveksnih lečah v oba kraka, kar nam omogoča laŽje justiranje izhodnih žarkov. Pri manjši izvenfokusni poziciji obeh zrcal uporabimo za justiranje koncentrične interferenčne kroge. S tem izgubimo pri- Informacije MIDEM 22(1992)3, Ljubljana, str. 174-179 bližno 20% vidnosti, vendar pa je bistveno olajšano pozicioniranje vzorcev. Fotodioda na izhodu interferometrov je prirejena tako, da je izhod iz primarnega senzorja (fotodiode) ojačan za faktor od 7 do 50, kar je odvisno od nastavitve poten- ciometra (trenutno 10), nato se odcepi veja za nizko- frekvenčno povratno zanko, oz. za nadzor nizko- frekvenčne motnje. Visokofrekvenčna veja je filtrirana z visokopasovnim (tm= 150 kHz) filtrom in ojačana s fak- torjem 10. Izhodna pasovna širina detektorja je od 150 kHz do 60 MHz, zgornja meja je odvisna od faktorja primarnega ojačanja. Občutljivost za 1 IlW pri 650 nm in skupnem ojačanju 100 znaša 89.6 mV. Skupni šum na izhodu je ocenjen na 1.7 mVrms, kar približno ustreza amplitudi pomika 0.1 nm. 3. EKSPERIMENTI Z opisanima interferometroma smo detektirali ultraz- vočne valove v aluminijastih vzorcih. Vzbujali smo jih z NdYAG laserjem, z dolžino pulza 11 ns (FWHM). En- ergija in s tem intenziteta vpadlega pulza sta se spre- minjali. Na sliki 7 so prikazani odzivi interferometra pri različnih debelinah vzorca in večkratni odboji ultraz- vočnega vala v vzorcu, zdebelino 10 mm. Energija vzbujevalnega laserja je pri teh eksperimentih znašala 11 mJ, žarek pa je bil fokusiran na povrŠino vzorca. Pri E 1.2 L 1 .s 0.8 (tj (a) -g 0.4 % o L3 ~ ·0.4 \-~---;;------r;-----;;-~-,,<:-----' 1 2 3 E .s 0.4 (tj "o 0.2 :J .t E .s 0.2 (tj "o O :J . tO '0..·0.2 E (tj E L3 .s 0.8 (tj "o .~ 0.4 ci E O cas L1 (b) cas 6 8 cas (tj ~~----~~----~---~~-~ 14 cas [J..ts] Slika 7: Odzivi interferometra na vzorcih debeline (a) 1 (; mm, (b) 20 mm in (c) 30 mm (10 x povprečno), in (d) večkratni odboji longitudinalnega vala na vzorcu debeline 10 mm. 177 R. Hrovatin, J. Možina: Laserski ultrazvočni defektoskop teh pogojih prevladuje ablativni mehanizem generacije ultrazvoka, kjer se del materiala upari. Ugotovili smo linearno odvisnost pozicije ultrazvočnih valov v odvis- nosti od debeline vzorca. Hkrati smo opazili tudi upa- danje amplitud z večanjem debeline vzorca. Na širjenje in s tem na obliko ultrazvočnega vala vplivajo možne napake v materialu, po katerem se val širi. Te vplive smo analizirali na vzorcu debeline 20 mm, v katerega srno bočno izvrtali dve luknji s premerom 3 mm. Vzbujanje je bilo v tem primeru enako kot v prvem eksperimentu. Metoda določevanja defekta je enaka kot pri klasični presevni defektoskopiji, le da gre tu za drugačne vrste vzbujanja in detekcije ultrazvočnih valov. Pri premikanju obeh žarkov prek izvrtine srno opazili znatne spremembe v signalu (sI. 8). Kot merodajno ceniIko smo izbrali amplitudo prvega longitudinalnega (L 1) vala, katere spreminjanje med skaniranjem je pri- kazano na sliki 9. Ugotovili smo, da število odzivov z manjšo amplitudo odgovarja dimenziji. izvrtine. Na tej osnovi je možno razviti novo metodo določanja lege in dimenzije defektov v notranjosti vzorcev. O 3 4 567 8 9 cas [J..ts] Slika 8: Odzivi interferometra pri premikanju žarkov preko izvrtine. Korak med posameznimi signali je 1mm . • '., !O. .... ~ , .... -'., ..... , , E • 0.4 1/1 • .s .. . lil : . .. , c (tj t : "o 0.3 .~ :J .tO ci E 0.2 .. ~ (tj " 0.1 ... 2 6 10 14 18 locka skaniranja (mml Slika 9: Spreminjanje amplitude longitudinalnega vala pri premikanju žarkov prek izvrtine. R. Hrovatin, J. Možina: Laserski ultrazvočni defektoskop zamik iz epicentra--. 20~------------------------~-20mm iii c/) :!:: o +