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소개
광학 감지 기술은 레이저 초음파 테스트(LUT)에서 핵심적인 역할을 하며 기존 압전 센서에 비해 장점이 있습니다. 비접촉식 광학 감지는-초음파장을 방해하지 않으며 감지 지점이 정확한 공간 정확도로 빠르게 이동할 수 있도록 해줍니다. 광학 감지는 고주파-주파수 대역의 넓은 주파수 범위를 포괄하므로 초음파를 식별하고 분석할 수 있습니다. 대조적으로, 압전 센서는 재료 특성의 한계로 인해 고주파수 신호를 감지하는 데 어려움을 겪습니다.- 그러나 산란된 물체를 처리할 때 광학 감지의 감도가 크게 감소합니다. 초음파가 광선에 미치는 영향은 주로 강도 변조와 위상 또는 주파수 변조로 분류할 수 있습니다. 빛의 주파수가 매우 높기 때문에 현재의 광검출기는 빛의 위상을 직접 측정할 수 없으며 빛의 강도만 감지할 수 있습니다. 광선의 위상 정보를 얻으려면 빔을 변조하여 위상 정보를 강도 정보로 변환해야 하며, 강도 정보는 복조를 통해 복원됩니다.
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강도 변조 기술
강도 변조 기술은 빛 강도의 변동을 모니터링하여 표면 진동 및 변위 데이터를 수집합니다. 이 접근 방식에는 주로 펌프-프로브 기술, 광학 편향 기술 및 표면 격자 회절 기술이 포함됩니다. 펌프-프로브 기술은 초고속 역학과 마이크로-에서 나노 규모의 음향 반응을 특성화하는 데 사용됩니다. 그림 1에 설명된 대로 원리는 고에너지 펌프 광을 사용하여 재료의 일시적인 열탄성 변형 또는 고주파{8}}주파수 초음파 펄스를 유도한 다음 제어된 시간 지연이 있는 프로브 광으로 샘플링하는 것입니다. 초음파로 인한 굴절률 교란 또는 변위는 프로브 빛의 반사 특성을 변경합니다. 기계적 변환 단계를 사용하여 두 펄스 사이의 시간 지연을 조정함으로써 시스템은 피코초 또는 펨토초 단위로 초음파의 동적 진화를 기록할 수 있습니다. 광학 편향 기술은 표면 음향파에 의해 유도된 국소적인 기하학적 기울기를 감지합니다. 초음파가 감지 지점을 통과할 때 표면이 약간 기울어지면 반사된 광선이 공간적으로 편향됩니다. 광학 경로에 물리적 장애물을 도입함으로써 각도 변위는 검출기에 의해 수신된 광도 변동으로 변환됩니다. 이러한 변동의 주파수는 표면 음향장의 물리적 특성을 직접적으로 반영합니다. 표면 격자 회절 기술은 주기적인 미세 구조가 있는 표면에 적합합니다. 초음파가 전파됨에 따라 격자에 약간의 조정이 발생하는 경우가 많으며 이로 인해 회절된 빔의 각도와 에너지 분포가 변경됩니다. 특정 차수에서 회절된 빛의 강도 변화를 모니터링함으로써 시스템은 나노미터 미만 수준의 표면 동적 변위 정보를 추출할 수 있습니다.
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위상 변조 및 Fabry-Perot 간섭계
위상 변조 기술은 간섭성 빛의 간섭 원리를 활용하여 초음파 진동으로 변조된 위상 변이를 간섭 줄무늬 강도의 변화로 변환합니다. 이 기술은 일반적으로 나노미터-수준 이하의 정밀도를 달성합니다. 간섭계 감지는 기준-광 간섭과 자체-기준 간섭으로 나눌 수 있습니다. 참조-광 간섭에는 영-경로-차이 간섭과 헤테로다인 간섭이 포함되는 반면, 자기 참조 방식에는 지연 간섭, 적응형 홀로그램 간섭 및 레이저 산란 감지가 포함됩니다. 위상 복조 방식에서 Fabry-Perot 간섭계는 레이저 초음파 감지의 핵심 기술입니다. 이 방법은 두 개의 반사율이 높은 거울로 형성된 공진 공동을 통해 여러 빔의 일관된 중첩을 달성합니다(그림 2). 표면 진동 위상 정보를 전달하는 프로브 광이 공동에 들어가면 빔이 거울 사이에서 여러 번 반사되어 간섭 무늬가 매우 날카로워집니다. 초음파-로 인한 변위로 인해 위상 변화가 발생하면 공명 조건이 드리프트되어 투과 또는 반사광 강도에 극적인 선형 변동이 발생합니다. 기존 Michelson 간섭계와 비교하여 Fabry-Perot 간섭계는 환경적 기계적 진동에 대한 더 높은 내성을 보이고 더 큰 광학 시준을 보유하여 대형 항공우주 부품의 거친 표면을 처리할 때 더 나은 감도를 제공합니다. 압전 세라믹으로 캐비티 길이를 제어함으로써 시스템은 간섭 곡선의 가장 민감한 영역에서 작동 지점을 잠글 수 있어 약한 음향 진동 신호의 높은-선형 추출이 가능합니다. 또한 적응형 홀로그램 간섭계는 광굴절 결정을 사용하여 간섭 패턴을 동적으로 기록하고 환경 교란이나 복잡한 표면 형태로 인한 파면 왜곡을 자동으로 보상하여 열악한 산업 환경에서 시스템 안정성을 향상시킵니다. 레이저 산란 감지 기술은 스펙클 필드 분포의 동적 진화를 분석하여 진동 정보를 캡처합니다. 절대 변위 분해능은 순수한 간섭계 방법보다 약간 열등하지만 처리되지 않고 산란이 심한 표면을 처리할 때 강력한 견고성을 가지며 복잡한 항공우주 재료를 특성화하기 위한 보완적인 접근 방식 역할을 합니다(그림 3 참조). 헤테로다인 간섭계는 주파수 차이를 도입하여 비트 신호를 생성하고 DC 신호 드리프트 문제를 효과적으로 해결하며 동적 환경에서 측정 정확도를 향상시킵니다.
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요약
레이저 초음파 테스트의 광학적 감지 원리는 물리적 에너지 변환부터 신호 위상 복조까지 완벽한 시스템을 구축합니다. 직관적인 구조와 실시간-응답을 갖춘 강도 변조 기술은 고속 공정 모니터링 및 마이크로{3}}나노 특성화에서 중요한 역할을 합니다. Fabry-Pérot 간섭계로 대표되는 위상 변조 기술은 정밀한 광학 일관성 방법을 통해 감도 및 분해능 측면에서 비접촉 감지의 한계를 극복합니다.- 이 완전한 비-접촉 감지 모드는 복잡한 곡선 구성 요소의 온라인 평가 문제를 해결할 뿐만 아니라 전체 수명 주기 동안 재료의 상태 모니터링을 위한 중요한 이론적 지원 및 기술 경로를 제공합니다.
