机械工程测试技术(讨论课)教材

1、机械工程测试技术（讨论课）红外无损探伤班级:成员:指导教师：完成日期：2015.09.23目录前言: 21. 红外传感器 21.1定义 21.2原理 21.3分类 31.4组成成分 31.5基本部件及作用 42. 红外无痕探伤 52.1原理 52.2工业探测应用 62.2.1焊接缺陷的无损检测 62.2.2焊件内部缺陷探测 72.2.3疲劳裂纹探测 72.3原理图 83. 红外传感器的其他应用 83.1夜视技术 83.2红外探测器 93.3红外气体分析仪 94. 发展前景 95. 项目感想 10参考文献 11、八 、亠刖言：随着科学技术的日益发展，传感器的应用也随处可见。现如今，传感器也被大力

2、应用于工业生产中，例如：电阻式传感器、温度传感 器、湿度传感器等。在工业生产中还有一种传感器被广泛引用，那就 是红外传感器。红外传感器在红外无损探伤上的应用极大的提高了对 工业产品的检测技术，而且对于了解产品内部品质也有很大帮助。本讨论课以红外无损探伤为切入点，通过查阅相关资料，对该技 术的原理、使用方法加以解释。随后粗略介绍该传感器在其他领域的 其他的应用及发展前景。本次讨论课的分工如下：关键词：红外传感器、红外无损探伤、红外辐射、金属1. 红外传感器1.1定义红外传感器是能将红外辐射能转换成电能的光敏器件。1.2原理工作机理：利用红外辐射的热效应，探测器的敏感元件吸收辐射能后引起温度升高，

3、进而使某些有关物理参数发生相应变化， 通过测 量物理参数的变化来确定所吸收的红外辐射。应用基本定律有：基尔霍夫定律、玻尔兹曼定律、维恩位移定律。滤光片FET 管座 高IB 引脚(a结构BH(b)倉路图三 虹外辐射: 地* nu J1.3分类红外传感系统是用红外线为介质的测量系统， 按照功能能够分成 五类：(1)辐射计，用于辐射和光谱测量；(2)搜索和跟踪系统，用于搜 索和跟踪红外目标，确定其空间位置并对它的运动进行跟踪;(3)热成 像系统，可产生整个目标红外辐射的分布图像；(4)红外测距和通信系 统；(5)混合系统，是指以上各类系统中的两个或者多个的组合。红外传感器根据探测机理可分成为：光子探

4、测器(基于光电效应) 和热探测器(基于热效应)。1.4组成成分红外线传感器包括光学系统，检测元件和转换电路.光学系统按结构不同可分为透射式和反射式两类。检测元件按工 作原理可分为热敏检测元件和光电检测元件.热敏元件应用最多的是 热敏电阻.热敏电阻受到红外线辐射时温度升高，电阻发生变化，通过 转换电路变成电信号输出。光电检测元件常用的是光敏元件，通常由 硫化铅,硒化铅，砷化铟，砷化锑,碲镉汞三元合金，错及硅掺杂等材料 制成。1.5基本部件及作用1）待测目标：根据其红外辐射特性来对红外系统进行设定2）大气衰减：待测物的红外辐射通过大气层时会受到多种物质的影响 发生衰减现象3）光学接收器：用于接受部

5、分红外辐射并将其传输至红外传感器4）辐射调制器：又称为调制盘或斩波器，用于将红外辐射调制成交变 的形式以提供待测物的方位信息，并滤除干扰信号5）红外探测器：是红外系统的核心，用于探测红外辐射6）探测器制冷器：用于给系统制冷以提高工作效率7）信号处理系统：将信号进行放大、滤波等处理以提取所需信息并将 有效信息输送至显示设备8）显示设备：是红外系统的终端设备，用于有效信息的显示闵耶滋测器I2. 红外无痕探伤2.1原理红外无损探伤仪可以用来检查部件内部缺陷，对部件结构无任 何损伤。例如，检查两块金属板的焊接质量，利用红外辐射探伤仪能 十分方便地检查漏焊或缺焊；为了检测金属材料的内部裂缝，也可利 用红

6、外探伤仪。将红外辐射对金属板进行均匀照射，利用金属对红外辐射的吸收与缝隙（含有某种气体或真空）对红外辐射的吸收所存在 的差异,可以探测出金属断裂空隙。当红外辐射扫描器连续发射一定 波长的红外光通过金属板时，在金属板另一侧的红外接收器也同时连 续接收到经过金属板衰减的红外光；如果金属板内部无断裂，辐射扫 描器在扫描过程中，红外接收器收到的是等量的红外辐射；如果金属 板内部存在断裂，红外接收器在辐射扫描器在扫描到断裂处时所接收 到的红外辐射值与其他地方不一致，利用图像处形技术，就可以显示 出金属板内部缺陷的形状。2.2工业探测应用221焊接缺陷的无损检测焊口表面起伏不平，采用X光、超声波、涡流等方

7、法难于发现缺 陷。红外无损检测则不受表面形状限制， 能方便和快速地发现焊接区 域的各种缺陷。如下图有两块焊接的金属板，其中（a）图焊接区无缺陷；（b） 图焊接区有一气孔。若将一交流电压加载焊接区的两端， 在焊口上会 有交流电流通过。由于电流的集肤效应，靠近表面的电流密度将比下 层大。由于电流的作用，焊口将产生一定的热量，热量的大小正比于 材料的电导率和电流密度的平方。 在没有缺陷的焊接区内，电流分布 是均匀的，各处（气孔）的电阻很大，在这一区域损耗增加，温度升 高。应用于红外测温设备即可清楚地测量出热点，由此可以断定热点 下面存在着焊接缺陷。采用交流电加热的好处是可以通过改变电源频率来控制电流

8、的 透入深度。低频电流透过较深，对发现内部深处缺陷有利；高频电流 集肤效应强，表面温度特性比较明显。但表面电流密度增加后，材料 可能达到饱和状态，它可变更电流沿深度方向分布，使近表面产生的 电流密度趋向均匀，给探测造成不利。a)b)图5弋0焊接缺陷检测表面电流情况a)无焊接缺陷b)有焊接缺陷222焊件内部缺陷探测当红外无损探伤时，只需在铸件内部通过液态氟利昂冷却， 使冷 却通道内有最好的冷却效果。然后利用红外热成像仪快速扫描铸件整 个表面，如果通道内有残余型芯或壁厚不均，在热图即可明显地看出。 冷却通道通畅，冷却效果良好，热图显示一系列均匀的白色条纹；加 入通道阻塞，冷却液体受阻，则在受阻处显

9、示黑色条纹。2.2.3疲劳裂纹探测下图为对飞机或导弹蒙皮进行疲劳裂纹探测示意图。为了探测出 疲劳裂纹位置，采用一个点辐射在蒙皮表面一个小面积上注入能量， 然后，用红外辐射温度计测量表面温度。如果在蒙皮表面或附近存在 疲劳裂纹，则热传导受到影响，在裂纹附近能量不能很快传输出去， 使裂纹附近表面温度很快升高。图5-61披劳裂纹探测样品扌描示惡图2.3原理图3. 红外传感器的其他应用3.1夜视技术照相机中利用红外线传感器实现夜视功能。黑暗环境下 ，摄像机 会发出肉眼看不到的红外光线去照亮被拍摄的物体 ，关掉红外滤光镜 不阻挡红外线进入CCD红外线经物体反射后进入镜头进行成像，得到 由红外线反射所成的

10、影像，即此时可拍摄到下肉眼看不到的影像。3.2红外探测器红外系统的核心是红外探测器，按照探测的机理的不同，可以分 为热探测器和光子探测器两大类.以热探测器为来分析。热探测器是 利用辐射热效应，使探测元件接收到辐射能后引起温度升高 ，使探测 器中依赖于温度的性能发生变化。检测其中某一性能的变化，便可探测出辐射。多数情况下是通过热电变化来探测辐射的。 当元件接收辐 射，引起非电量的物理变化时，可以通过适当的变换后测量相应的电 量变化。3.3红外气体分析仪红外线气体分析仪，是利用红外线进行气体分析，它基于待分析 组分的浓度不同，吸收的辐射能不同，剩下的辐射能使得检测器里的 温度升高不同，动片薄膜两边

11、所受的压力不同，从而产生一个电容检 测器的电信号，这样，就可间接测量出待分析组分的浓度，根据红外 辐射在气体中的吸收带的不同，可以对气体成分进行分析。4. 发展前景红外探测器应用可以用于非接触式的温度测量，气体成分分析， 无损探伤，热像检测,红外遥感以及军事目标的侦察，搜索,跟踪和通 信等。红外传感器的应用前景随着现代科学技术的发展，将会更加广阔。在将来的发展中，主要在红外传感器的性能和灵敏度将会二较大 的提高。发展趋势主要有：（1）智能化：目前的红外传感器主要结合外围设备来使用，而智能 传感器内置微处理器，能够实现传感器与控制单元的双向通信 ，具有 小型化，数字通信，维护简单等优点，能够单独

12、作为一个模块独立工 作。(2) 微型化：传感器微型化一个必然趋势。现在应用中，由于红外 传感器的体积问题，导致其使用程度远不如热电隅来的好。所以红外 传感器微型化便携与否对其发展前途的影响是不可忽略的。(3) 高灵敏度及高性能：在医学上，人体体温测试方面，红外传感 器因测量的快速性而得到了相当的应用，但局限于其准确度不高而没 办法取代现有的体温测量方法。因此，红外传感器高灵敏度及高性是 其未来发展的必然趋势。虽然现阶段的红外传感器还有很多的不足，但红外传感器已经 在现代化的生产实践中发挥着它的巨大作用，随着探测设备和其他部 分的技术的提高，红外传感器能够拥有更多的性能和更好的灵敏度 ， 也将有更广阔的应用范围。5. 项目感想经过本次讨论课，我们通过查找资料了解红外传感器的组成和基 本原理；进而对红外探伤技术进行探究，了解其检测的