第二章檢測(cè)與測(cè)試的基礎(chǔ)路橋無(wú)損檢測(cè)43課件

第二章檢測(cè)與測(cè)試的基礎(chǔ)主講人:趙洪利路橋無(wú)損檢測(cè)01主要檢測(cè)方法簡(jiǎn)介02無(wú)損檢測(cè)基本理論：振動(dòng)和波動(dòng)03信號(hào)采集04信號(hào)分析和成像基礎(chǔ)目錄頁(yè)CONTENTSPAGE01主要檢測(cè)方法簡(jiǎn)介主要檢測(cè)方法簡(jiǎn)介電磁波微波利用材料在電磁場(chǎng)的作用下，出現(xiàn)的電學(xué)或磁學(xué)特性變化，從而來(lái)判斷材料內(nèi)部情況及有關(guān)性能的檢測(cè)方法。微波（雷達(dá)波）是電磁輻射的一種形式，其電磁頻譜中所占頻帶為300MHz～300GHz，波長(zhǎng)為1000mm～1mm，屬超高頻及其以上的無(wú)線(xiàn)電波。微波檢測(cè)磁粉檢測(cè)渦流檢測(cè)穿透法、反射法散射法、干涉法渦流法、層析法漏磁檢測(cè)主要檢測(cè)方法簡(jiǎn)介方法物理現(xiàn)象用途穿透法在材料內(nèi)傳輸?shù)奈⒉?，依照材料?nèi)部狀態(tài)和介質(zhì)特性不同而相應(yīng)發(fā)生透射、散射和部分反射等變化。測(cè)厚、密度、濕度、介電常數(shù)、固化度、熱老化度、化學(xué)成分、混合物含量、纖維含量、氣孔含量、夾雜以及聚合、氧化、酯化、蒸餾、硫分的測(cè)量。反射法由材料表面和內(nèi)部反射的微波，其幅度、相位或頻率隨表面或內(nèi)部狀態(tài)（介質(zhì)特性）而相應(yīng)變化。檢測(cè)各類(lèi)玻璃鋼材料，宇航防熱用鋁基厚聚氨脂泡沫、膠接工件等的裂紋、脫粘、分層、氣孔、夾雜、疏松；測(cè)定金屬板材、帶材表面的裂紋，劃痕深度；測(cè)厚，測(cè)位移距離，方位以及測(cè)濕、測(cè)密度、測(cè)混合物含量。散射法貫穿材料的微波隨材料內(nèi)部散射中心（氣孔、夾雜、空洞）而隨機(jī)地發(fā)生散射。檢測(cè)氣孔、夾雜、空洞、裂紋。干涉法兩個(gè)或兩個(gè)以上微波波束同時(shí)以相同或相反方向傳播，彼此產(chǎn)生干涉，監(jiān)視駐波相位或幅度變化，或建立微波全息圖象。檢測(cè)不連續(xù)性缺陷（如分層、脫粘、裂縫），圖像顯示。渦流法利用入射極化波、微波電橋或模式轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，測(cè)定散射、相位信號(hào)，探知裂縫。檢測(cè)金屬表面裂縫，其深度取決于頻率和傳播微波的模式。層析法利用透射材料的微波在介質(zhì)內(nèi)部的衰減、反射、衍射、色散、相速等物理特性的改變，測(cè)定多個(gè)方向的投影值，并將它與核函數(shù)卷積，再進(jìn)行反投影，用計(jì)算機(jī)重建圖像。檢查非金屬材料及其復(fù)合結(jié)構(gòu)件斷層剖面質(zhì)量和加速器粒子束或等離子體的狀態(tài)，用于射電天文，電磁探礦和地層分布測(cè)繪等。反映物體內(nèi)不同部位的大小形態(tài)、成份及其變化過(guò)程。各類(lèi)微波檢測(cè)方法的物理現(xiàn)象和用途主要檢測(cè)方法簡(jiǎn)介利用射線(xiàn)穿透物質(zhì)和在物質(zhì)中的衰減特性來(lái)對(duì)物質(zhì)的質(zhì)量、尺寸及特性等做出判斷的一種無(wú)損檢測(cè)方法。該方法可以檢測(cè)金屬和非金屬材料及其制品的內(nèi)部缺陷。X射線(xiàn)照相法電離檢測(cè)法熒光屏直接觀察法電視觀察法主要檢測(cè)方法簡(jiǎn)介方法檢測(cè)原理特點(diǎn)照相法將感光材料置于被檢測(cè)試件后面，來(lái)接收透過(guò)試件的不同強(qiáng)度的射線(xiàn)。根據(jù)影像的形狀和黑度情況評(píng)定材料中有無(wú)缺陷及缺陷的形狀、大小和位置。靈敏度高、直觀可靠，而且重復(fù)性好。電離檢測(cè)法當(dāng)射線(xiàn)通過(guò)氣體時(shí)，與氣體分子撞擊，產(chǎn)生電離。電離效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生電流，其大小與射線(xiàn)強(qiáng)度有關(guān)，根據(jù)電流大小便可判斷試件的完整性。自動(dòng)化程度高，成本低，但對(duì)缺陷性質(zhì)的判別較困難，只適用于形狀簡(jiǎn)單、表面平整的工件。熒光屏直接觀察法將透過(guò)試件的射線(xiàn)投射到涂有熒光物質(zhì)（如ZnS/CaS）的熒光屏上時(shí)，熒光屏?xí)l(fā)出不同強(qiáng)度的熒光，利用熒光屏上的可見(jiàn)影像直接辨認(rèn)缺陷。成本低、效率高、可連續(xù)檢測(cè)，適用于形狀簡(jiǎn)單、要求不嚴(yán)格產(chǎn)品的檢測(cè)。電視觀察法電視觀察法是熒光屏直接觀察法的發(fā)展，實(shí)際上就是將熒光屏上的可見(jiàn)影像通過(guò)光電倍增管來(lái)增強(qiáng)圖像，再通過(guò)電視設(shè)備進(jìn)行顯示。自動(dòng)化程度高，但靈敏度較低，對(duì)形狀復(fù)雜的零件檢查也比較困難。各類(lèi)X射線(xiàn)檢測(cè)方法的檢測(cè)原理和特點(diǎn)主要檢測(cè)方法簡(jiǎn)介紅外線(xiàn)紅外線(xiàn)是介乎可見(jiàn)紅光和微波之間的電磁波，它的波長(zhǎng)范圍為0.76—100μm。紅外無(wú)損檢測(cè)是測(cè)量通過(guò)物體的熱量和熱流來(lái)鑒定該物體質(zhì)量的一種方法。當(dāng)物體內(nèi)部存在裂縫、缺陷、漏水時(shí)，它將改變物體的熱傳導(dǎo)，使物體表面溫度分布產(chǎn)生差別，利用紅外成像的檢測(cè)儀測(cè)量它的不同熱輻射，可以查出物體的缺陷位置。主要檢測(cè)方法簡(jiǎn)介非接觸性安全性強(qiáng)紅外檢測(cè)優(yōu)勢(shì)檢測(cè)準(zhǔn)確效率高主要檢測(cè)方法簡(jiǎn)介010203紅外檢測(cè)技術(shù)可以檢測(cè)到設(shè)備或結(jié)構(gòu)熱狀態(tài)的微小差異及變化，但很難精確確定被測(cè)對(duì)象上某一點(diǎn)確切的溫度值。溫度值確定存在困難紅外檢測(cè)直接測(cè)量的是被測(cè)物體表面的紅外輻射，主要反映的也是表面的狀況，對(duì)內(nèi)部狀況不能直接測(cè)量，需要經(jīng)過(guò)一定的分析判斷過(guò)程。物體內(nèi)部狀況難以確定紅外檢測(cè)相對(duì)其它儀器和常規(guī)檢測(cè)設(shè)備相比，價(jià)格較貴。價(jià)格昂貴紅外檢測(cè)方法存在的問(wèn)題主要檢測(cè)方法簡(jiǎn)介超聲波

超聲波是通過(guò)使用具有壓電或磁致伸縮效應(yīng)的材料產(chǎn)生的。超聲波可檢測(cè)復(fù)合板材的內(nèi)部缺陷，焊縫、管材內(nèi)傾斜取向的缺陷，工件的表面缺陷以及利用超聲波在混凝土中傳播的時(shí)間（或速度）、接收波的振幅和頻率等聲學(xué)參數(shù)的相對(duì)變化來(lái)判定混凝土的缺陷等。主要檢測(cè)方法簡(jiǎn)介超聲波010203接觸法超聲波探頭通過(guò)薄層的液體或流體耦合介質(zhì)直接與被檢工件的探測(cè)面接觸。液浸法主要是指采用水作為耦合介質(zhì)，俗稱(chēng)為水浸法，超聲波探頭發(fā)出的超聲波經(jīng)過(guò)一定厚度的水層再進(jìn)入被檢工件，超聲波探頭不與被檢工件接觸?？諝怦詈戏壳爸饕獞?yīng)用于飛機(jī)復(fù)合材料的低頻超聲檢測(cè)。主要檢測(cè)方法簡(jiǎn)介彈性波彈性波能夠直接反映材料的力學(xué)特性，是工程檢測(cè)中最常用的媒介之一。其中，沖擊彈性波用錘或電磁激振裝置沖擊產(chǎn)生，具有激振能量大、操作簡(jiǎn)單、便于頻譜分析等特點(diǎn)，是一種非常適合工程無(wú)損檢測(cè)的媒介。主要檢測(cè)方法簡(jiǎn)介彈性波的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于超聲波。能量超聲波波長(zhǎng)短，一般是幾厘米，而用錘擊激振產(chǎn)生的彈性波波長(zhǎng)幾十厘米甚至更長(zhǎng)。因此，超聲波的分辨率高，對(duì)細(xì)微的缺陷比較敏感，但衰減快，測(cè)試范圍受到限制。激振信號(hào)的頻率特性和波長(zhǎng)超聲波的探頭在保持高靈敏度的同時(shí)，其頻率響應(yīng)特性一般較差，頻率分析和振幅分析都比較困難。而沖擊彈性波測(cè)試一般采用加速度傳感器，傳感器在各種固定方式下，其頻響曲線(xiàn)都有較長(zhǎng)平坦部分，有利于頻譜分析和能量分析。受信信號(hào)的頻率特性超聲波與彈性波的不同主要檢測(cè)方法簡(jiǎn)介磁粉檢測(cè)磁粉檢測(cè)的原理為當(dāng)材料或工件被磁化后，若在工件表面或近表面存在裂紋、冷隔等缺陷，便會(huì)在該處形成漏磁場(chǎng)。此漏磁場(chǎng)將吸引、聚集檢測(cè)過(guò)程中施加的磁粉，而形成缺陷顯示。缺陷漏磁場(chǎng)的產(chǎn)生主要檢測(cè)方法簡(jiǎn)介滲透檢測(cè)滲透檢測(cè)測(cè)試示意圖滲透檢測(cè)原理為利用黃綠色的熒光滲透液或紅色的著色滲透液對(duì)窄狹縫隙良好的滲透性，經(jīng)過(guò)滲透清洗、顯示處理以后顯示放大了的探傷顯示痕跡，用目視法來(lái)觀察，對(duì)缺陷的性質(zhì)和尺寸做出適當(dāng)?shù)脑u(píng)價(jià)，滲透檢測(cè)不受材料磁性的限制，比磁粉檢測(cè)應(yīng)用更廣。02無(wú)損檢測(cè)基本理論：振動(dòng)和波動(dòng)無(wú)損檢測(cè)基本理論：振動(dòng)簡(jiǎn)諧振動(dòng)曲線(xiàn)簡(jiǎn)諧振動(dòng)的位移計(jì)算公式簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)是最基本也是最簡(jiǎn)單的機(jī)械振動(dòng)。當(dāng)某物體進(jìn)行簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)時(shí)，物體所受的力跟位移成正比，并且總是指向平衡位置。它是一種由自身系統(tǒng)性質(zhì)決定的周期性運(yùn)動(dòng)。無(wú)損檢測(cè)基本理論：振動(dòng)振動(dòng)位移、速度、加速度之間的關(guān)系阻尼振動(dòng)位移公式阻尼振動(dòng)示意圖無(wú)損檢測(cè)基本理論：波動(dòng)振動(dòng)與波動(dòng)示意圖波動(dòng)的基本要素：波長(zhǎng)、波速、周期、相位波動(dòng)與振動(dòng)有著密切的關(guān)系，振動(dòng)是單個(gè)粒子的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，而波動(dòng)則是全體粒子的合成運(yùn)動(dòng)。當(dāng)振源激振產(chǎn)生擾動(dòng)后，主要以波動(dòng)的形式傳播，而在波動(dòng)范圍內(nèi)的各粒子都會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。無(wú)損檢測(cè)基本理論：波動(dòng)

P波和S波彈性波（包括超聲波）是工程檢測(cè)中常用的測(cè)試媒介，根據(jù)其波動(dòng)的傳播方向與粒子的振動(dòng)方向的關(guān)系，可以將其分為：（1）P波（疏密波、又叫縱波）（2）S波（又叫橫波）無(wú)損檢測(cè)基本理論：波動(dòng)表面波（瑞利波）板波（Lame波）是否形成板波與波長(zhǎng)和邊界條件有關(guān)，當(dāng)波長(zhǎng)范圍內(nèi)只有一個(gè)自由面時(shí)，則產(chǎn)生表面波（通常是瑞利波）。當(dāng)波長(zhǎng)范圍內(nèi)有兩個(gè)平行表面時(shí)，則產(chǎn)生板波（也稱(chēng)Lame波）。無(wú)損檢測(cè)基本理論：波動(dòng)時(shí)域和頻域關(guān)系示意圖頻譜分析即是將時(shí)域信號(hào)變換至頻域加以分析的方法。頻譜分析的目的是把復(fù)雜的合成波，經(jīng)過(guò)分解變?yōu)閱我坏闹C波分量來(lái)進(jìn)行研究，以獲得信號(hào)的頻率結(jié)構(gòu)以及各諧波和相位信息。03信號(hào)采集信號(hào)采集設(shè)備的構(gòu)成和性能信號(hào)采集設(shè)備主要由傳感器，信號(hào)調(diào)理模塊，A/D轉(zhuǎn)換模塊構(gòu)成。傳感器傳感器的靜態(tài)特性主要參數(shù)有：線(xiàn)性度、遲滯誤差、重復(fù)性誤差、靈敏度、分辨率、穩(wěn)定性、漂移等。信號(hào)調(diào)理模塊信號(hào)調(diào)理就是傳感器拾取的信號(hào)需要經(jīng)過(guò)放大、濾波、衰減、調(diào)制解調(diào)、幅頻變換及數(shù)字化等處理過(guò)后，得到適合傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)信號(hào)并輸出。A/D轉(zhuǎn)換模塊A/D(Analog/Digital)就是把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，轉(zhuǎn)換過(guò)程通過(guò)取樣、保持、量化和編碼四個(gè)步驟完成。信號(hào)采集設(shè)備的構(gòu)成和性能信號(hào)濾波示意圖A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程虛擬儀器概述虛擬儀器傳統(tǒng)儀器系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)用戶(hù)自定義，標(biāo)準(zhǔn)逐漸統(tǒng)一儀器廠商自定義，標(biāo)準(zhǔn)難統(tǒng)一系統(tǒng)開(kāi)放性開(kāi)放、靈活，可與計(jì)算機(jī)技術(shù)保持同步發(fā)展封閉性、儀器間相互配合較差系統(tǒng)關(guān)鍵及升級(jí)關(guān)鍵是軟件，性能升級(jí)方便，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)下載升級(jí)程序即可。關(guān)鍵是硬件，升級(jí)成本較高，且升級(jí)必須上門(mén)服務(wù)。技術(shù)更性周期技術(shù)更新周期短（1-2年）技術(shù)更新周期長(zhǎng)（5-10年）系統(tǒng)成本及復(fù)用性?xún)r(jià)格低廉，軟件使得開(kāi)發(fā)和維護(hù)費(fèi)用降至最低。儀器間資源可重復(fù)利用率高價(jià)格昂貴，開(kāi)發(fā)和維護(hù)開(kāi)銷(xiāo)高。儀器間一般無(wú)法相互利用。系統(tǒng)的開(kāi)放性可以與網(wǎng)絡(luò)及周邊設(shè)備方便互連與其他設(shè)備儀器的連接十分有限虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器對(duì)比虛擬儀器概述虛擬儀器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖虛擬儀器因其是建立在計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)之上開(kāi)發(fā)使用的，應(yīng)用于檢測(cè)、監(jiān)測(cè)和教學(xué)。提高信噪比的方法軟件降噪濾波裝置通過(guò)濾掉我們不需要頻率的波，保留需要頻率的波來(lái)達(dá)到提高信噪比的目的。低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器、帶阻濾波器。移動(dòng)平滑濾波的原理是對(duì)相鄰數(shù)據(jù)取加權(quán)平均，該方法是對(duì)測(cè)試信號(hào)高頻噪聲的一種削減技術(shù)。數(shù)據(jù)窗及移動(dòng)平滑法示意圖04信號(hào)分析和成像基礎(chǔ)信號(hào)的頻譜分析波的頻譜分析是將合成波分解為一個(gè)個(gè)具有單獨(dú)頻率和初始相位的單純波。目前使用較多的為快速傅里葉變換（FFT）和最大熵法（MEM）。傅里葉變換信號(hào)分解示意FFT頻譜對(duì)于FFT，其頻譜分辨率，是由采樣間隔和采樣數(shù)所決定。采樣間隔越小，分辨率越高。但采樣個(gè)數(shù)越多，其分辨率反而降低。信號(hào)的頻譜分析MEM特征最大熵譜估計(jì)的分辨率與序列長(zhǎng)度成反比解決了旁瓣泄漏問(wèn)題適用于非sin/cos類(lèi)信號(hào)頻譜分辨率非常高最大熵法信號(hào)的頻譜分析01MEM的分辨力與穩(wěn)定性相矛盾。03MEM分析中，對(duì)頻譜的位置的分辨率很高，但對(duì)其振幅（高度）的分辨精度則無(wú)法保證。02MEM是非線(xiàn)性分析方法。04對(duì)信噪比非常敏感。最大熵法注意問(wèn)題信號(hào)的相關(guān)分析自相關(guān)函數(shù)是τ的偶函數(shù)自相關(guān)函數(shù)信號(hào)