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科学|压电性和激光超声系统获得固体的3Ｄ超声图像进行无损检测

【科学|压电性和激光超声系统获得固体的3Ｄ超声图像进行无损检测】
_本文原题：压电性和激光超声系统获得固体的3Ｄ超声图像进行无损检测
江苏激光联盟导读：对核电、化工等行业中的部件的缺陷检查不能使用破坏性的手段 ， 以前都是采用二维的超声波来检查 。 来自日本东北大学的研究人员研制了一种新技术 ， 利用压电性和激光超声波系统来获得固体材料中的3D图像进行无损检查 ， 可以实现精确的评估材料的强度、识别材料中的缺陷和找到材料中的缺陷是如何起源的 ， 又是如何形成的 。
许多的工业建筑结构 ， 包括核电厂和化工厂 ， 是依靠超声波来持续的监控结构的完整性的 ， 这类结构是不能进行破坏性检查或者改变其现有结构的 。 一种新的基于激光技术和蜡烛烟灰 来产生超声波进行结构的无损检测和评估 。研究人员使用超声波无损检测技术 ， 包含一个从由蜡烛烟灰和聚二甲硅氧烷所组成的纳米颗粒的制造的激光吸收贴片形成的光声激光源。

科学|压电性和激光超声系统获得固体的3Ｄ超声图像进行无损检测
本文插图

实验的测试装置及其利用该装置获得的应力腐蚀裂纹分支的高分辨率的３D图像
日本东北大学的研究人员及其合作者：美国洛斯阿拉莫斯国家实验室（Los Alamos National Laboratory ， 简称阿拉莫斯实验室（LANL）的研究人员 ， 利用3D图像来探测金属结构中的缺陷 。 该办法可以显著的提高电厂和飞机的安全性检查 ， 这一办法发表在期刊《 Applied Physics Letters》上 。
Yoshikazu Ohar及其在日本东北大学的同时利用无损检测技术来研究结构并且期望找到一个得到结构缺陷的3D图像的一个办法 。 他们发展的新技术 ， 称之为压电性和激光超声系统（简称PLUS ，piezoelectric and laser ultrasonic system） ， 该技术整合了两种不同器件的优势来获得金属结构缺陷的高分辨的3D图像 。
我们相信PLU技术为精确的评估材料的强度、识别材料中的缺陷和找到材料中的缺陷是如何起源的 ， 又是如何形成的 ， 提供了新的途径 ， 论文作者 Ohara说到 。
当前的“超声相控阵”是一个功能强大的用于对固体内部材料进行成像的工具 ， 但目前仅仅局限于二维层面 。 这些装置基本上由压电性的一维排列的换能器所组成 ， 这些换能器含有一定数量的个别元素 ， 最高达到128个 。 压电性元素的电脉冲转换为机械振动而发射出超声波 ， 传输到拟研究的材料中 。 超声波遇到内部的缺陷的时候就会反射回来 ， 转换成电信号 ， 这一电信号将转换成2D的图像 。

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本文插图

使用 3D PLUS获得高分辨率的3D图像的示意图
在PLUS系统中 ， 单一元素的压电性材料换能器中产生的波被激光多普勒测振仪所吸收 ， 然后移动到材料的表面周围而形成2D扫描的数据 。 这一过程结束的结果就是 ， 它可以将吸收散射的和反射的波在大量的“点”上进行 ， 这些点可以被压电性的阵列换能器所吸收 。 激光多普勒测振仪吸收到的信息通过示波器输送给电脑 ， 此时电脑通过图形算法将信号处理转换成3D图像 。
超声相控阵 ， 是超声检查中的尖端 技术 ， 仅仅只能提供提供2D图像 ， 这是因为有限的元素数量的原因 ， PLUS系统使得成千上万的元素合并在一起而可以将2D扫描的激光多普勒测振仪图像来代替压电性的压电阵列换能器。
尽管目前只测试了金属材料中的缺陷 ， 论文作者认为这一技术也可以应用到其他材料中 ， 如混凝土和岩石 ， 只需要简单的将相控阵换能器改变成可以发射不同范围的超声频率就可以了 。
该技术的一个缺点就是长数据采集和处理时间较长 ， 经常需要好几个小时 。 然而 ， 这一过程可以通过采用高速的模拟——数字转换装置放置在示波器中来实现 ， 采用更加敏感的激光多普勒测振仪 ， 使用不同的图像处理算法以及应用图形处理单元技术 。
文章来源：Yoshikazu Ohara et al. Toward an ultra-high resolution phased-array system for 3D ultrasonic imaging of solids, Applied Physics Letters (2020). DOI: 10.1063/5.0021282以及 Tohoku University


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