Development of a laser ultrasound detection system for elastic characterization of materials and devices

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, 2008.Este trabalho consiste no projeto e implementação de um sistema óptico, baseado em interferometria heterodina do tipo Mach-Zehnder, para detecção de ultra-som (e microvibrações mecânicas associadas) em dispositivos e materiais sólidos opacos. O ultrasom detectado no dispositivo ou material revela informações de interesse prático, tais como módulos de elasticidade, localização de falhas internas, espessuras precisas de camadas, freqüência de ressonância de estruturas etc. As informações assim obtidas poderão ser utilizadas em rotinas de caracterização não-destrutiva, ou como sinais de controle no monitoramento de processos industriais. Para que este sistema de detecção possa ser utilizado em sua plena potencialidade, é de interesse acoplá-lo a outro sistema remoto e banda-larga de geração de ultra-som (e.g., um laser pulsado de energia controlada). A geração e detecção simultâneas de ultra-som em sólidos por meios ópticos denomina-se técnica laser-ultra-som. O sistema de geração de ultra-som empregando um laser de excitação não faz parte do escopo desta dissertação, e será desenvolvido em projetos futuros. Por fim, o sistema óptico de detecção da técnica laser-ultra-som é integrado com um PC para fins de aquisição, armazenamento, processamento e visualização de sinais de ultrasom. Para este propósito, utiliza-se uma placa de aquisição AD/DA de alta taxa de amostragem e sensibilidade, sendo programada com o software LabVIEW. _____________________________________________________________________________ ABSTRACTThe work described herein focuses on the development of an optical system, based on heterodyne Mach-Zenhder interferometry, for detecting ultra-sound (and mechanical microvibrations) in devices and opaque solid materials. Detection of ultra-sound in those devices and materials reveals a variety of important and practical information, such as Elasticity Moduli, location of inner defects, accurate thickness of layers, resonance frequencies of structures and so on. All these information can be readily used for nondestructive evaluation purposes or even as control signals for industrial monitoring processes. Full advantage of this detection optical system is obtained when it is used together with a remote and broad-band ultra-sound generation system, for instance a pulsed laser exhibiting a controllable output energy. The simultaneous optical generation and detection of ultra-sound in solids is called laser-ultra-sound technique. In this contribution, however, the development of the laser-ultra-sound generation system is not attempted. In fact, it will be developed in future work. Finally, the optical detection system here developed is coupled to a PC for ultra-sound signals acquisition, storing, processing and displaying. To accomplish this task, a high performance AD/DA acquisition board is programmed using the LabVIEW software