激光－電磁超聲技術的檢測原理與應用

趙 揚，劉 偉，郭 銳，宋江峰，賈中青

（山東省科學院激光研究所，濟南 250014）

20世紀末至今，隨著激光、電子、計算機和相關學科的發展，經過十幾年的技術積累，激光超聲已從方法探索步入技術研究與開發應用階段，是傳統超聲檢測技術的進一步發展［1］。目前，許多國內外學者致力于研究利用激光干涉儀來測量超聲，這種方法對表面平整的樣品具有較高的檢測靈敏度，但隨著表面粗糙度的增加，靈敏度迅速下降。盡管采用短焦距物鏡接收盡可能多的散射光的方法可以改善檢測靈敏度，但也只能在一定程度上得到補償，因此在實際應用中受到了限制［2－4］。因此，研究一種適用于粗糙表面材料的激光超聲檢測技術成為國內外無損檢測人員研究的熱點。

筆者建立了一種適用于金屬材料的激光超聲檢測技術。該技術利用激光在被檢材料中激發超聲波，然后借助EMAT傳感器來接收超聲信號，即激光－電磁超聲技術。介紹了激光－電磁超聲技術的檢測原理和基于該原理所設計的檢測系統，利用該系統所激發出的瑞利波和橫波分別檢測了鋼坯表面（近表面）和內部的缺陷。

1 激光－電磁超聲技術的檢測原理

1.1 激光激發超聲波機理

圖1 熱彈機制激發超聲波示意圖

（1）熱彈機制 高功率激光入射至物體表面，部分能量被材料表面吸收并轉化為熱能，導致材料表面溫度迅速升高，進而使得材料膨脹（圖1）。通過熱彈效應形成應變場和應力場，從而激發出超聲波［5］。熱彈機制可以同時激發出縱波、橫波和瑞利波，且聲波幅度隨激光能量增加而增大［6］。這種機制對于非金屬材料可以激發出很高的頻率（GHz），而在金屬材料里一般＜10MHz。這種機制的光聲能量轉化率通常＜1%。

（2）燒蝕機制 當激光功率＞107W／cm2時，材料表面將有一薄層（微米）會被燒蝕而損失掉，部分原子將脫離材料表面并在表面形成等離子體，同時產生垂直方向的反作用力脈沖（圖2），進而激發出超聲波［7］。燒蝕機制可以同時激發出縱波、橫波和瑞利波，在該機制下縱波和瑞利波幅值會明顯增大，而橫波幅度隨激光能量增加而增大至一定值，然后幅值會逐漸地減小［8］。這種機制的光聲能量轉化率可達30%。

圖2 燒蝕機制激發超聲波示意圖

（3）表面自約束機制 為了提高所激發出的超聲波能量，同時又避免材料表面發生燒蝕損傷，可以在被檢材料表面涂覆一層透明的薄膜（圖3），這樣可以通過燒蝕該薄膜來產生能量較高的橫波、縱波和瑞利波［9］。實際上，這種激發超聲的方法同時包含了熱彈機制和燒蝕機制。

（4）沖擊機制 當激光束聚焦至材料表面前很近的一點時，若功率密度足夠高，則會將該區域的空氣擊穿從而形成等離子體并產生一沖擊波，該沖擊波作用于材料時會瞬間產生一法向應力（圖4），進而激發出超聲波［10］。沖擊機制激發出縱波、橫波和瑞利波的幅值均會明顯增大。

1.2 聲磁法接收超聲波機理

EMAT傳感器是利用電磁效應來接收金屬材料中的超聲波信號，其能量轉換是在被測工件表面的集膚層內直接進行的，所以不需要與工件接觸并且不需要任何耦合介質。EMAT傳感器對于被測物體表面要求不高，而且可對高溫物體和表面粗糙的物體直接檢測。當被測物體表面有超聲自內部投射時，質點發生位移，帶正電荷的晶格在偏置磁場的作用下受力，產生交變電流。該交變電流將導致被測導體的表層出現交變的磁場，這個交變磁場漏出導電體，在被測導體上方的線圈中感生出電動勢。這樣，就可以被EMAT傳感器的檢測線圈接收到［11］。利用聲磁法接收超聲信號時，被測物體作為電磁超聲傳感器的一部分，必須是電導體或磁導體。若被測物體是鐵磁性材料，除洛侖茲力外，還受到磁致伸縮力的作用［12］。

EMAT傳感器接收超聲信號的要素是磁場和材料表面的微觀粒子的振動狀態；所接收的超聲波波型取決于質點的振動方向與聲波傳播方向的關系，因此外加磁場的方向、線圈的幾何形狀以及電磁場的頻率是設計不同波型EMAT傳感器的主要考慮因素［13］。下面給出瑞利波、縱波及橫波的EMAT接收原理：

（1）瑞利波 當激光激勵出瑞利波時，質點發生位移U，帶正電荷的晶格陣點具有速度U′。當外磁場方向B與被檢材料表面垂直時（圖5），晶格將受力U′×B，從而產生電流密度為I的交變電流，交變電流將導致被測試件的表層出現磁場，若采用回折式線圈構成的EMAT傳感器（線圈間距等于瑞利波長的一半），根據電磁感應原理則可以接收到該磁場引起的電動勢變化，進而獲得瑞利信號。

圖5 EMAT傳感器接收瑞利波示意圖

（2）縱波 當被檢材料中激勵出超聲縱波，且外磁場方向B與被檢材料表面平行時，會產生如圖6所示的交變電流I，導致被測試件的表層出現磁場，則可由檢測線圈獲得該磁場引起的電動勢變化，進而獲得該縱波信號。

圖6 EMAT傳感器接收超聲縱波示意圖

（3）橫波 橫波與縱波的接收方式相似，所不同的是需將外磁場方向B與被檢材料表面呈垂直關系，此時所產生的交變電流I如圖7所示，則可由檢測線圈獲得該被測試件表面感生磁場引起的電動勢變化，進而獲得該橫波信號。

2 激光－電磁超聲檢測系統

激光－電磁超聲檢測系統主要由激光超聲激勵系統、超聲信號電磁接收系統、信號放大濾波系統和信號采集處理系統四部分組成。圖8給出了由筆者所在研究所自主設計的激光－電磁超聲檢測系統示意圖。其中聚焦系統包括點聚焦和線聚焦兩種，該系統的使用是為了增強激光束的能量，并提高其指向性，產生能量較強、穩定性較好的超聲波，試驗中使用線型聚焦系統?？紤]到EMAT傳感器與被檢材料的間距會影響接收超聲信號的靈敏度，以及為了準確定位缺陷的位置，將EMAT傳感器固定于三維步進系統，其步進精度為0.01mm。

圖8 激光－電磁超聲檢測系統示意圖

3 激光－電磁超聲技術特點

相比于傳統的超聲波檢測技術，激光－電磁超聲技術具有如下特點：

（1）非接觸式檢測 利用激光激發超聲波時，被檢材料本身充當了探頭；接收超聲信號時，則是利用EMAT傳感器完成，因此不需要使用耦合劑，檢測靈敏度不受耦合狀態限制，也在一定程度上擺脫了環境溫度對檢測工作的限制。

（2）不受被檢材料的幾何形狀和表面粗糙度限制 激光激勵超聲波時，所激發的超聲波波型與激光入射角度無關，并且利用EMAT傳感器接收超聲信號時，傳感器與材料表面亦無需保持嚴格的垂直等固定的角度關系，可解決復雜幾何形狀和表面粗糙工件的檢測難題。

（3）可激發多種波型 利用激光脈沖，可同時產生縱波、橫波和瑞利波。所產生的縱橫波的方向性主要取決于聲源的大小和能量分布。利用熱彈機制激發超聲波時，其方向性為：縱波和橫波都為中空指向，縱波幅度約在60°時取得最大值，而橫波約在30°。利用燒蝕機制激發超聲波時，它的方向性為：縱波為中強指向性，在垂直方向達最大值，而橫波在約35°取得最大值，沖擊機制尚未有文獻報道。利用激光超聲具有的這些特點，分析缺陷對波的衍射和反射作用，對于缺陷信號的提取有指導意義［14］。

（4）對檢測部位的空間位置要求不高 激光聲源十分靈活，聲源的形狀有點源、盤源、線源、環源等，這取決于光學元件和系統。小點源或細線源具有很好的局域性，且可以通過光導纖維將激光誘導到難以接近的區域，這為形狀較為復雜的構件提供了一種檢測手段［15］。

4 激光－電磁超聲技術的應用

由于利用燒蝕或沖擊機制可以激發較大能量的超聲波，因此結合EMAT傳感器電路的優化設計，可以將EMAT傳感器與被檢材料的間距增大至5～15mm范圍。激光－電磁超聲技術特別適用于高溫、腐蝕和高速運動等苛刻環境下金屬材料的檢測，下面給出利用自主設計的激光－電磁超聲系統對鋼坯表面、近表面裂紋以及內部孔洞的檢測方法和結果。

4.1 表面及近表面裂紋的檢測

利用線型激光光源激發出能量較強的瑞利波作為檢測超聲波，瑞利波遇到裂紋或孔洞時會發生波型轉換生成橫波（圖9）。采用EMAT傳感器接收超聲信號，它對于垂直切割磁場磁感應線的超聲波具有最佳靈敏度，因此EMAT傳感器位于缺陷正上方時，所接收到的信號能量最強，即可實現對缺陷的定位。圖10為激光－電磁超聲法檢測鋼坯表面裂紋及近表面孔洞的結果，其中裂紋尺寸為30mm×0.2mm×0.2mm，孔洞尺寸為φ3mm×30mm，缺陷信號的幅值均超過了0.5V。

圖9 表面及近表面缺陷檢測示意圖

圖10 表面及近表面缺陷檢測結果

4.2 內部孔洞的檢測

利用線型激光光源可以激發出橫波，其聲束與法線間夾角為30～38°。檢測時，利用EMAT傳感器接收缺陷在法線方向產生的衍射波即可對缺陷進行水平定位（圖11），深度則可由聲時計算得出。

圖11 內部缺陷檢測示意圖

圖12 給出了激光－電磁超聲法檢測鋼坯內部孔洞的結果，其中孔洞尺寸為φ3mm×30mm，缺陷信號的幅值約為0.6V。

圖12 內部缺陷檢測結果

5 結論與展望

金屬材料的缺陷檢測是無損檢測領域中的一個重要組成部分。激光－電磁超聲檢測技術利用光聲轉化的原理在被檢材料中激發超聲波，利用基于電磁效應轉化的EMAT傳感器來接收超聲信號，進而通過測量缺陷的回波信號來確定物體中缺陷的位置。該技術無需耦合劑，且不受被檢材料形狀及表面粗糙度的限制，在高溫、腐蝕和高速運轉的金屬材料和結構的無損檢測領域具有廣闊的應用前景和巨大應用價值。

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