無損檢測導(dǎo)論2

無損檢測技術(shù)教育部重點實驗室測試與光電工程學(xué)院無損檢測導(dǎo)論（2）一、概論二、聲學(xué)檢測技術(shù)三、熱圖熱像檢測技術(shù)課程內(nèi)容四、電磁檢測技術(shù)五、滲透檢測技術(shù)六、射線檢測技術(shù)七、光學(xué)檢測技術(shù)2.1.3超聲檢測新技術(shù)（1）TOFD技術(shù)（超聲波衍射時差技術(shù)

）◆原理

TimeofFlightDiffraction焊縫檢測技術(shù)◆特點◆探頭角度與聲場范圍分區(qū)檢測，全覆蓋探頭，楔塊灰度圖像顯示方式典型檢測圖像◆掃查方式：D掃（非平行掃查）和B掃（平行掃查）◆典型檢測結(jié)果◆儀器、掃查架與探頭便攜式儀器帶爬行器儀器（2）超聲相控陣檢測技術(shù)

◆定義：

利用陣列換能器，通過控制各陣元發(fā)射的聲波的相位，實現(xiàn)對超聲波聲場的控制。◆探頭類型：◆儀器：

與多元換能器相對應(yīng)，儀器中用于發(fā)射和接收信號的電路是多通道的，每一通道接一個換能器陣元。根據(jù)所需發(fā)射的聲束特征，由儀器軟件計算各通道的相位（延遲）關(guān)系，并控制發(fā)射/接收移相控制器，形成所需的聲束和接收信號。超聲相控陣儀器系統(tǒng)（GEITX32）◆典型應(yīng)用1：◆典型應(yīng)用2：（3）超聲顯微鏡

◆原理：超聲顯微鏡采用高頻超聲波（15MHz-2GHz）作為探測手段，能夠精確的反映出聲波和微小樣品的彈性介質(zhì)之間的相互作用，是一種將聲束聚集后在樣品上掃描，由于樣品內(nèi)部各點聲學(xué)性能的差異，利用聲反射或透射的方法來產(chǎn)生高反差、高放大倍數(shù)的圖像的一種聲學(xué)成像裝置。分為兩大類：激光掃描聲顯微鏡（SLAM）和掃描聲顯微鏡（SAM）◆儀器設(shè)備：◆應(yīng)用：表層結(jié)構(gòu)分析、無損檢測、材料力學(xué)性能的測試等（4）超聲導(dǎo)波技術(shù)◆定義：超聲導(dǎo)波是指在由于邊界限制，在固體聲波導(dǎo)中傳播的制導(dǎo)波。頻散和多模式是導(dǎo)波傳播的主要特征。利用導(dǎo)波進(jìn)行在線無損檢測的技術(shù)稱為導(dǎo)波技術(shù)。

種類：薄板中傳播的導(dǎo)波稱為板波，自由界面板中傳播的為蘭姆波；圓管中傳播的為管導(dǎo)波。L(0,2)F(1,3)◆導(dǎo)波檢測的特點◆頻散和多模式，模式選擇是關(guān)鍵！◆儀器設(shè)備及應(yīng)用1：◆儀器設(shè)備及應(yīng)用2：2.2

聲發(fā)射檢測技術(shù)（被動聲學(xué)檢測技術(shù)）(1)原理：聲發(fā)射檢測技術(shù)（AcousticEmissionTesting，簡稱AT或AE）固體物質(zhì)在應(yīng)力作用下發(fā)生范性形變（如金屬的塑性變形、位錯運動等），或者在材料中裂紋產(chǎn)生與擴(kuò)展時，其內(nèi)部因為從不穩(wěn)定的高能量應(yīng)力集中狀態(tài)快速過渡到穩(wěn)定的低能量狀態(tài)，在此平衡過程中釋放出來的多余能量會以彈性應(yīng)力波形式表現(xiàn)，從而產(chǎn)生聲發(fā)射現(xiàn)象。聲發(fā)射的頻譜一般都很寬，其波形與發(fā)射規(guī)律比較復(fù)雜，它與材料本身的性能以及受應(yīng)力的情況有關(guān)。例子：挑選西瓜；折斷筷子時有脆斷聲；手握金屬鉛條彎曲，聽到的錫鳴聲。

聲發(fā)射也稱作應(yīng)力波發(fā)射。聲發(fā)射檢測技術(shù)（通常簡稱為聲發(fā)射檢測或聲發(fā)射技術(shù)）就是利用儀器檢測、分析材料中的聲發(fā)射信號并據(jù)此對聲發(fā)射源作出評價與判斷的檢測技術(shù)，它是一種動態(tài)的無損檢測方法。金屬材料在塑性變形時的聲發(fā)射與作用應(yīng)力之間存在一種不可逆效應(yīng)，稱為“凱塞爾效應(yīng)”，即材料受到一定的應(yīng)力作用時有聲發(fā)射現(xiàn)象產(chǎn)生，停止施加應(yīng)力則聲發(fā)射也停止，但是在重新施加應(yīng)力時，如果不超過原來的應(yīng)力水平則不再有聲發(fā)射產(chǎn)生，利用這種現(xiàn)象，可以準(zhǔn)確地測定聲發(fā)射的應(yīng)力等級，從而鑒定物體結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。

磁效應(yīng)聲發(fā)射，即鐵磁性材料在磁場作用下（即被磁化時），磁疇壁的運動能導(dǎo)致聲發(fā)射，稱為巴克豪森噪聲。由于磁疇壁的運動受外載荷和內(nèi)應(yīng)力的影響，因此它的聲發(fā)射也受應(yīng)力控制。對這種聲發(fā)射信號進(jìn)行分析的方法就是巴克豪森噪聲分析（BarkhausenNoiseAnalysis），可用于殘余應(yīng)力分析。（2）儀器設(shè)備及應(yīng)用儀器主機(jī)，前置放大系統(tǒng)，傳感器探頭；軟件等領(lǐng)域：飛機(jī)機(jī)構(gòu)、橋梁、大壩、焊縫、航空發(fā)動機(jī)、動車車輛、游樂設(shè)施等范例：摩天輪主軸的監(jiān)測聲發(fā)射傳感器的布設(shè)2.3聲振檢測技術(shù)

（1）原理：聲振檢測技術(shù)的基本原理是通過外加聲頻振動使被檢物發(fā)生振動，測量被檢物的振動特性，分析其振動狀態(tài)，例如振幅（振動的強(qiáng)弱）、頻率（振動的快慢）、損耗（振動持續(xù)時間）、振動形式（單頻或多頻振動、諧振）以及與物體振動方式有關(guān)的力阻抗等。由于它們都與被檢物的結(jié)構(gòu)、性能直接相關(guān)，因而可以據(jù)此判斷被檢物的內(nèi)在質(zhì)量，航空領(lǐng)域中主要用于膠接結(jié)構(gòu)與復(fù)合材料的檢測?！羟脫舴ǎㄕw和局部）◆振動阻尼法（機(jī)械阻尼法）◆聲阻抗法◆共振法（諧振法）

（2）儀器設(shè)備及應(yīng)用日本產(chǎn)啄木鳥聲振儀器，檢測復(fù)合材料和膠接結(jié)構(gòu)2.4超聲波CT技術(shù)

（1）原理：合成孔徑聚焦（SAFT）超聲成像是以合成孔徑雷達(dá)技術(shù)（SAR）的基本理論為基礎(chǔ)發(fā)展起來的很有前途的高級成像方法。它以點源探頭在被測物體的表面掃描，接收來自物體內(nèi)部各點的散射信號并加以存儲，然后對不同接收位置上探頭接收的聲信號引入適當(dāng)延遲并進(jìn)行疊加，以獲得被成像物體的逐點聚焦成像，即以小孔徑系統(tǒng)達(dá)到大孔徑的分辨率。（2）儀器及應(yīng)用2.5激光超聲檢測技術(shù)（1）原理：采用一定功率的激光在待測試試件中產(chǎn)生熱膨脹沖擊波（熱彈效應(yīng)），采用激光干涉測量儀器接受超聲波的方法，是非接觸產(chǎn)生窄脈沖超聲波的方式之一。為防止高能量對試件的損傷，可在試件表面蓋上薄膜和滴上一滴耦合劑。熱沖擊膨脹產(chǎn)生的超聲波一般與垂直表面的角度發(fā)射，這時產(chǎn)生表面波為主，也可以產(chǎn)生傾斜入射的超聲波。激光發(fā)射，激光接收；壓電晶片發(fā)射，激光接收激光發(fā)射，，壓電晶片接收（2）儀器及應(yīng)用2.6電磁超聲檢測技術(shù)利用電磁超聲探頭發(fā)射和接收超聲波的方法稱為電磁超聲檢測（EMAT）（1）原理Eddycurrentsareinducedintothetestmaterialsurface,whichmustbeelectricallyconductive在被檢的導(dǎo)電性材料表面感應(yīng)產(chǎn)生渦流。

Astrongmagneticfieldisgeneratedatthesurfaceofthetestpiecewitheitherapermanentmagnetoranelectromagnet.被檢工件是永磁鐵或電磁鐵，則其表面會產(chǎn)生強(qiáng)磁場。在材料中交替的渦電流會存在磁場產(chǎn)生洛倫茲力，轉(zhuǎn)換生成超聲波。Magnetostriction

磁致伸縮和DominantForce支配力Abilitytoconvertmagneticenergytosoundenergyandback(compareelectrostriction)能將磁能轉(zhuǎn)換為聲能并能逆向轉(zhuǎn)換（對應(yīng)電致伸縮）Occursinferromagneticmaterials出現(xiàn)在鐵磁材料中Needforasurfacecoatingwhichconformstomagnetostrictiveprinciple需要表面涂層，滿足磁致伸縮原理ResultantmagnetostrictiveforcedominatestheLorentzforce結(jié)果的磁致伸縮力支配洛倫茲力

Magnetostrictiveforcecausessurfacecoatingtodistortandinducesultrasound磁致伸縮力導(dǎo)致表面涂層變形并感應(yīng)出超聲波導(dǎo)電體的支配力是洛倫茲力----如，金屬鋁有磁致伸縮層的鐵磁材料的支配力是磁致伸縮力----如，碳鋼表面的鎳涂層Magnet&CoilConfigurations

磁鐵和線圈結(jié)構(gòu)(2)探頭與激發(fā)EMATProbeDesign(ShearWave)

EMAT探頭設(shè)計(橫波)SpiralpancakeRFcoil螺旋形平板狀射頻線圈NdFeBpermanentmagnet釹鐵硼永磁鐵Steelbacking鋼背襯Protectivewearface保護(hù)耐磨面Adjustablewearring可調(diào)節(jié)耐磨環(huán)BNCconnectorBNC接頭（3）儀器與應(yīng)用BoilerTubeApplication鍋爐管應(yīng)用Ferromagneticmaterial鐵磁性材料Boilertubesheated>450oC鍋爐管溫度>450oCProducethick,crustyscale生成厚的硬殼Magnetostrictiveproperties磁致伸縮特性Generatesa0oshearwave產(chǎn)生0o橫波Thicknessexcludesscale除去硬殼的厚度

電源供電的全電腦系統(tǒng)，使用尖波脈沖電磁EMAT線圈。能保存、瀏覽并能在每根管道上放置編碼器進(jìn)行厚度測量(美國EPRI/Babcock&Wilcox(USA)

EPRI/Babcock&Wilcox

)EMAT探頭直接接探傷儀（英國SONATEAT）2.7空氣耦合超聲檢測技術(shù)傳統(tǒng)的檢測方法需要使用專門耦合劑或用水浸法來減少超聲波在空氣中傳播的損失,限制了它的適用范圍?？諝怦詈鲜匠暉o損檢測技術(shù)較好地彌補(bǔ)了這方面的不足,其非接觸、非侵入、完全無損的特點,特別是能夠?qū)崿F(xiàn)快速在線掃查,有著很好的應(yīng)用前景,但傳統(tǒng)的壓電陶瓷的換能器無法作為空氣耦合換能器,因此,研制以空氣為耦合層的超聲波換能器是該技術(shù)的研究重點。

1997年Ultran獲得了“在空氣或者其它氣體中高效傳播的頻率從50KHz到5MHz的壓電探頭”的國際專利。Ultran的空氣耦合超聲波探頭采用了特殊結(jié)構(gòu)、材料和加工工藝等，其工作頻率范圍為50KHz-5MHz，相對于同樣阻抗匹配的水浸探頭,其聲壓只低16-30dB，使得空氣耦合超聲真正應(yīng)用到實際檢測中。（1）空氣耦合超聲換能器原理及制作方法◆從傳統(tǒng)壓電陶瓷換能器出發(fā)，在傳感器外表面增加四分之一波長厚度匹配層并改進(jìn)結(jié)構(gòu)，制作以空氣為介質(zhì)的換能器。◆采用顯微加工技術(shù)，制作靜電式電容式換能器◆超低噪聲前置放大器技術(shù)的進(jìn)步(2)檢測方法、儀器及應(yīng)用反射式檢測穿透式檢測（成像檢測）木材無損檢測系統(tǒng)典型穿透式檢測系統(tǒng)范例2.8聲學(xué)檢測技術(shù)與信號信息處理

聲波或超聲波作為探測手段，檢測的關(guān)鍵問題之一是信號信息的采集與處理，信號信息處理是聲學(xué)檢測技術(shù)、也是其他無損檢測技術(shù)的理論和方法主要基礎(chǔ)。聲學(xué)無損檢測技術(shù)信號處理是典型的非平穩(wěn)信號處理；聲學(xué)檢測技術(shù)中不僅需要關(guān)注成像技術(shù)，還需要關(guān)注圖像處理技術(shù)及模式識別；學(xué)習(xí)好相關(guān)課程：信號與系統(tǒng)；數(shù)字信號處理；數(shù)字圖像處理3.利用熱學(xué)特性的無損檢測技術(shù)3.1

熱像法（紅外檢測）（1）被動紅外熱像法利用熱學(xué)特性的無損檢測技術(shù)主要采用溫度記錄法，即通過在試件背面或正面加熱（人工或自然加熱），從而向被檢試件注入一定的熱量（主動式），或者利用試件自身存在的熱源（被動式），當(dāng)試件內(nèi)部存在缺陷時，因為缺陷的導(dǎo)熱性與母體材料的導(dǎo)熱性有差異，可以測量這種差異從而檢出缺陷。根據(jù)斯捷藩-波爾茲曼（Stefan-Boltzman）定律：式中：-物體光譜輻射通量密度（w·cm2/μm）；-物體光譜輻射本領(lǐng)；σ-斯捷藩-波爾茲曼常數(shù)（5.67x10-8w·m2/T4）；T-物體絕對溫度（k）

被動式紅外檢測除了在工業(yè)上用于設(shè)備、構(gòu)件等的熱點檢測外，在軍事上應(yīng)用如紅外夜視儀、紅外瞄準(zhǔn)鏡等，在醫(yī)學(xué)上可應(yīng)用于檢查人體溫度異常區(qū)域。

（2）主動紅外熱像法對試件進(jìn)行加熱進(jìn)行的紅外檢測屬于主動式紅外檢測。

對于均勻無缺陷的材料，a為常數(shù)。當(dāng)在均勻材料中有缺陷存在時，缺陷相當(dāng)于具有另一熱擴(kuò)散率的材料，因而有缺陷部分與無缺陷部分的熱狀態(tài)不同，表現(xiàn)在材料表面有不同。熱傳導(dǎo)的差異在材料表面形成時間和空間上的溫度梯度，即溫度擾動：△T=Tf-T，式中：△T-溫度擾動；Tf-有缺陷處的材料表面溫度；T-無缺陷處的材料表面溫度?！鱐不僅與材料的熱擴(kuò)散率有關(guān)，而且與缺陷的幾何尺寸和埋藏深度有關(guān)。當(dāng)材料表面的溫度差大于紅外熱象儀的最小可測溫度時，即可在熱象儀上觀察試件表面溫度分布的熱圖像，分析判斷材料中是否存在缺陷，從而達(dá)到檢測目的。

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