激光超声无损检测系统设计

   　1 引 言

　　无损检测[1-2]是以不改变被检测对象的状态和使用性能为前提，应用物理和化学等现象，对各种工程材料、零部件和产品进行有效的检验和测试，借以评价它们的完整性、连续性、安全可靠性及其他机械、物理性能的一门综合性科学技术。它不仅能探测出隐藏于材料内部的各种缺陷，而且能测量材料的厚度、硬度、强度等新能，对于控制和改进产品质量起着关键的作用。

　　目前应用的无损检测系统有很多，但是在性能、成本以及便携性等方面或多或少存在一些缺陷。为了克服这些缺陷，本课题研究了有效实用的激光超声[3]无损检测系统。

　　2 系统总体设计方案

　　激光超声无损探测系统原理框图如图 1 所示。

　　系统工作流程：

　　(1)通过系统光路获得加载了超声的干涉光信号;

　　(2)探测器接收该干涉信号，并对该信号进行放大;

　　(3)解调电路对干涉信号进行解调，将超声信号从干涉光信号中提取出来;

　　(4)用数字示波器获得超声信号波形

　　3 系统光路设计

　　激光超声的应用在很大程度上依赖于超声位移的不接触探测技术和方法的发展，激光干涉法能在较大距离(最大可达 10m)内对物体进行不接触探测。因此本文中设计了采用零差(外差)干涉原理[4]的系统光路，如图 2 所示。

　　如图 2 所示，激光器发出一束激光，经分束片后分成两束光，这两束光的振动频率和初始相位完全相同。其中一束经过全反镜反射后作为参考光，而另一束光经被测物品表面反射并通过透镜聚焦后成为信号光。考虑两束光以相同的偏振方向，平行且重合的传播方向垂直入射到光电探测器的光敏面上的情况对探测信号进行分析.

　　4 前置放大电路设计

　　系统采用的探测器是 Pin 光电二极管，在放大电路设计中采用了它的光伏工作模式，整个电路设计分为两个部分：电流放大器、高通滤波电路。电流放大电路作为一个放大环节应满足一个基本要求，即电流放大器的输出电压与输入电流成正比，因此电流放大器也称电流电压转换电路(流压转换电路)。在系统实验中，光电二极管的输出电流仅有0.3μA 。这意味着反馈电阻必须非常大，而放大器的偏置电流必须极小。所以针对最高灵敏度的情况使用1M 的反馈电阻。这样对于0.3μA二极管电流，放大器将会出输出0.3V电压，由C d=10pF。光电探测器的输出电阻很大，在设计放大电路时其输入电阻也需要很大，以达到阻抗匹配，进而获得最大的流压转换效率。滤波器设计采用取二阶有源高滤波器的设计方案。置放大电路原理图如图 3 所示。