第6章激光全息,声振,微波

1、第6章激光全息,声振,微波61 激光全息无损检测激光全息无损检测激光全息无损检测 在全息照相技术的基础上发展起来的一种检测技术611 激光全息检测的特点与原理激光全息检测的特点与原理 6. 1. 1. 1 激光全息检测的特点激光全息检测的特点 检测的灵敏度高激光干涉计量精度与波长同数量级(2) 可检验大尺寸物体激光相干长度很大(3) 对被检对象没有特殊要求任何材料、任意粗糙的表面 (4) 可对缺陷进行定量分析借助干涉条纹数量和分布状态6. 1. 1. 2 激光全息检测的原理激光全息检测的原理原理光的干涉现象光波中电场 E 的波动方程：式中，A0：振幅， t ：相位光的干涉 光波在空间叠加而形成

2、明暗相间的稳定分布0cosEAt干涉条件： 有相同的振动方向和固定的相位差(2) 两束光波在相遇处所产生的振幅差不大(3) 两束光波在相遇处的光程差不大激光全息照相检测光路图：激光全息检测 a. 对被检测物体加载 b. 物体表面发生微小的位移(微差位移) c. 物体表面的轮廓就发生变化 d. 全息图上的条纹与未加载时相比发 生了移动 建像时除了显示原来物体的全息像外，还产生较为粗大的干涉条纹干涉条纹，由条纹的间距可以算出物体表面的位移的大小 当物体内部不含有缺陷时不含有缺陷时，条纹的形状和间距的变化是宏观的、连续的，与物体外形轮廓的变化同步 当被检物体内部含有缺陷时含有缺陷时，在激光照射下进行

3、建像时，所看到的波纹图样在对应于有缺陷的局部区域就会出现不连续的、突然的形状变化和间距变化612 激光全息检测方法激光全息检测方法6. 1. 2. 1 物体表面微差位移的观察方法物体表面微差位移的观察方法 激光全息无损检测基本原理 物体内部缺陷在外力作用下，使物体表面产生与其周围不相同的微差位移微差位移。通过激光全息照相法进行比较，从而检测物体内部的缺陷观察物体表面微差位移的三种方法：1实时法先拍摄不受力时的全息图；冲洗处理后，把全息图精确地放回到原来拍摄位置上，用同样参考光照射，则全息图就再现出物体三维立体像 (虚像)，再现虚像完全重合在物体上缺点：(1) 需要附加机构，以使全息图位移不超过

4、几个光波波长(2) 全息干版在冲洗过程中乳胶层要产生一些收缩，全息图放回原位时，虽然物体没有变形，但仍有少量位移干涉条纹出现 (3) 显示的干涉条纹图样不能长久保留 2两次曝光法将物体在两种不同受载情况下的物体表面光波摄制在同一张全息图上；再现两个光波叠加时产生干涉现象3时间平均法在物体振动时摄制全息图；曝光时间物体振动循环周期，即在整个曝光时间内，物体要能够进行若干个周期的振动6. 1. 2. 2 激光全息检测的加载方法激光全息检测的加载方法激光全息照相缺陷检测实质 比较物体在不同受载不同受载 情况下的表面光波常用加载方式： 1内部充气法 2表面真空法 3热加载法真空加载及其真空加载及其光路

5、示意图光路示意图613 激光全息检测的应用激光全息检测的应用6. 1. 3. 1 蜂窝结构检测蜂窝结构检测加载方法：内部充气、加热及表面真空等全息照相方法检测蜂窝夹层结构，具有良好的重复性、再现性和灵敏度6. 1. 3. 2 复合材料检测复合材料检测 新型复合材料 硼或碳高强度纤维本身粘接以及粘接到其它金属基片上的材料纤维、纤维层之间及与基片之间脱粘或开裂，导致材料刚度下降，甚至导致材料损坏。全息照相可检测出此类缺陷6. 1. 3. 3 胶接结构检测胶接结构检测 粘接技术 借助胶粘剂在固体表面上所产生的粘合力，将同种或不同种材料牢固地连接在一起的方法两种主要的粘接形式： 1. 非结构粘接 指表

6、面粘涂、密封和功能性粘接，典型的非结构胶包括表面粘接用胶粘剂、密封和导电胶粘剂等 2. 结构型粘接 将结构单元用胶粘剂牢固地固定在一起的粘接现象。其中所用的结构胶粘剂及其粘接点必须能传递结构应力，在设计范围内不影响其结构的完整性及对环境的适用性固体火箭发动机外壳、绝热层、包覆层及推进剂药柱各界面之间各界面之间要求无脱粘缺陷x射线检测：只能检测产品气泡、夹杂物等缺陷超声波检测：在曲率较大的部位或棱角处无法 接触而形成“死区” 全息检测：能有效地克服上述两种 检测方法的缺点6. 1. 3. 4 药柱质量检测药柱质量检测药柱 具有一定几何形状和尺寸的安放于固体火箭发动机燃烧室中的固体推进剂通过加载使

7、药柱在对应一气孔或裂纹的表面产生变形，当变形量达到激光器光波波长的 1/4 时，就可使干涉条纹图样发生畸变 6. 1. 3. 5 印制电路板焊点检测印制电路板焊点检测加载方法：热加载有缺陷的焊点，其干涉条纹与正常焊点有明显的区别；通过分析条纹的形成等判断焊点的质量6. 1. 3. 6 压力容器检测压力容器检测焊缝和母材中的形成裂纹缺陷裂纹缺陷，使用中产生的疲劳裂纹疲劳裂纹采用激光全息照相注水加载法，能检测出 3 mm 厚的不锈钢容器中宽度为 5 mm，深度为 1.5 mm 左右的环状裂纹62 声振检测法声振检测法声振检测 激励被测件产生机械振动，通过测量被测件振动的特征来判定其质量 621 检

8、测原理及方法检测原理及方法单一频率情况下的机械振动基本方程： F 机械振动的驱动力； u 质点的振动速度； Z 等效力阻抗M 等效质量； C 等效柔顺性； R等效损耗阻； i 电流； 圆频率Z 的数值与胶接状态密切相关；通过测量 Z ，或在 F 一定时测量 u，就可对胶接质量进行相对检测FZuiZj MRjXRj C声阻检测法 用电声换能器激发样品振动，当反映 样品振动特性的力阻抗有变化时，换 能器的某些特性也随着变化换能器不同特性的测量方法：频率法 振幅法 相位法 621. 1 频率检测法频率检测法对构件施加一冲击力，它将在其所有的振动形态下振荡，为所有形态自然频率和阻尼的函数。通过频谱分析

9、，可将构件受冲击产生的响应时间记录变换成相应的频谱，从而在频谱中辨认被检构件的自然频率例：纤维增强塑料中的 损伤检测6212 局部激振法局部激振法局部激振 对被测结构的一点或多点施加激励，使其 发生振动，并对所有欲测的各点测量其结 构的局部性能1单点激振法(1) 振动热图法 对损伤的复合材料施加周期应力时，在各种裂缝和边缘之间会发生相对运动(阻尼)而产生热量。 采用扫描红外照像机或其他方式检测周期应力形成的局局部温升部温升可以判断结构的质量 振动热图检测适用于热扩散率低的工件，以便有效地阻止损伤区的热量快速传导，很少用于热导率高的金属(2) 振幅测量法 使构件振动至谐振，构件内局部损伤使振动模

10、态形式改变，通过观察分析构件振动的时间平均全息图可发现构件缺陷特点：可实现快速检测 一次能检测的构件面积较大 须建立无振动的环境 设备的价格较高2 多点激振法 在每一被测点施加激励，并在同一点上测量输入的力或振动的响应 特点：可用来测量胶接结构的脱粘、分层和叠层构件的气孔以及蜂窝结构中的“平面”状缺陷 622 声振检测的应用声振检测的应用 1. 蜂窝结构检测 2. 复合材料检测 3. 胶结强度检测以以CFRP为面板的为面板的蜂窝壁板的检测结果蜂窝壁板的检测结果63 微波无损检测微波无损检测微波 指频率为 300 MHz-300 GHz 的电磁波，是无线电波中一个有限频带的简称，即波长在 1m（

11、不含1m）到1mm 之间的电磁波，是分米波、厘米波、毫米波的统称。微波频率比一般的无线电波频率高，通常也称为“超高频电磁波”。微波作为一种电磁波也具有波粒二象性微波量子的能量为 1.99l0 -25 1.9910-22 j 微波比其它电磁波，如红外线、远红外线等波长更长，因此具有更好的穿透性 由于微波能够贯穿介电材料，能够穿透声衰减很大的非金属材料，所以微波检测技术在大多数非金属和复合材料内部的缺陷检测及各种非电量测量等方面获得了广泛的应用631 微波检测的基本原理与特点微波检测的基本原理与特点6311 微波检测的特点微波的特点 与几何光学相似；当波长和工件尺寸同数量级时，又有与声学相近的特性

12、；波长短、频带宽、方向性好和贯穿介电材料能力强微波检测的缺点 不能穿透金属或导电性能较好的复合材料；由于趋肤效应，不适于检测上述材料的内部缺陷；需要参考标准，操作人员需具备熟练的技能6312 微波检测的基本原理微波检测的基本原理 分析研究微波反射、透射、衍射、干涉、腔体微扰等物理特性的改变，以及微波作用于被检测材料时的电磁特性 介电常数的损耗正切角的相对变化2. 测量微波基本参数 （如微波幅度、频率、相位等）的变化632 微波的检测方法微波的检测方法6. 3. 2. 1 穿透法穿透法 1. 固定频率连续波 2. 可变频率连续波 3. 脉冲调制波将发射和接收天线分别放在试件的两边，从接收喇叭探头

13、取得的微波信号可以直接和微波源的微波信号比较幅值和相位 用于检测材料厚度、密度和固化程度6. 3. 2. 2 反射法反射法材料内部或背面反射的微波随材料内部或表面状态的变化而变化 1. 连续波反射法 2. 脉冲反射法 3. 调频波反射法 6. 3. 2. 3 散射法散射法散射法 通过测试回波强度变化来确定散射特性检测时微波经过有缺陷的部位时被散射，因而使被接收到的微波信号比无缺陷部位要小，根据这些特性来判断工件内部是否存在缺陷633 微波检测技术的应用微波检测技术的应用1. 检测增强塑料、陶瓷、树脂、玻璃、橡胶、木材以及各种复合材料2. 检测各种胶接结构和蜂窝结构件中的分层、脱粘、金属加工工件

14、表面粗糙度、裂纹等火箭用烧蚀喷管质量检测玻璃纤维增强塑料与橡胶包覆层之间的缺陷检测雷达天线罩、火箭发动机壳体等工件的内在质量检测64 声发射检测 641 声发射现象的物理基础 6411 声发射现象及定义 声发射是一种常见的物理现象，如弯曲树枝会发出声音，树枝折断时，声音就更大。一般金属产生塑性滑移变形时，发出的声音很弱，我们听不到。但锡片在弯曲时叮听到噼啪声，这是锡片受力产生孪生变形发出的声音，称为“锡呜”。此外，电、磁和热也能使物体发声。如变压器通电试验时发出嗡嗡声。金属从高温冷却时也会发声。这种材料受外力或内力作用产生变形或断裂，或者构件在受力状态下以弹性波形式释放应变能的现象，称为声发射

15、(Acoustic Emission)。由于不少金属材料的塑性变形和断裂的声发射信号很微弱，人耳不能直按听见，故需要借助灵敏的电子仪器才能检测出来。用仪器检测、分析声发射信号和利用声发射信号推断声发射源的技术称为声发射技术。声发射技术最早应用在地震探测方面。6412 声发射检测的基本原理和特点 1声发射检测的基本原理 声发射检测的基本原理就是由外部条件(如力、热、电、磁等)的作用而使物体发声。根据物体的发声推断物体的状态或内部结构的变化。由物体发射出来的每一个声信号都包含着反映物体内部或缺陷性质和状态变化的信息。声发射检测就是接收这些信号，加以处理、分析和研究，从而推断材料内部的状态变化。图6

16、152声发射检测的特点 (1)声发射是在材料或构件的缺陷发生变化时产生的，所以它是一种动态无损检测方法。 (2)声发射检测时不需移动探头(传感器)，操作简便，灵敏度高。 (3)一般材料(除极少数材料外)当内部结构变化时都有声发射现象，所以声发射检测几乎不受材料的限制。 (4)由于材料的塑性变形是不可逆的，由塑性变形引起的声发射也是不可逆的。第二次重复载荷当超过第一次最大载荷时才产生声发射，这一现象称为声发射的不可逆效应。 (5)塑性变形和裂纹扩展均产生声发射，在声发射探测的频率范围内还存在强的噪声干扰。6，41.3 声发射信号 1工程材料的声发射源 工程材料中有许多因素都能成为声发射源。金属材

17、料在外载荷下产生晶格的滑移变形和孪生变形等塑性变形时会发生声发射。材料中裂纹的形成和扩展过程、不同相界面间发生断裂以及复合材料的内部缺陷的形成也都能成为声发射源。此外金属的相变和磁畴运动过程都是声发射源。2声发射信号的传播 从声发射源发出的声信号以弹性波形式向四周传播，经过耦合剂从材料传到传感器变为电信号，由声发射仪器接收并进行处理，最后将数据显示出来。它的传播过程如下： 声发射源材料中转播传感器耦合界面传感器声发射仪接受信号信号处理数据显示。3，声发射信号的两种基本类型 用示波器观察经放大后的传感器输出，可以看到一种发射次数很多的连续波形，称为连续型声发射。连续型声发射信号的幅度低，仪器测试

18、系统的放大倍数要很高才能观察到。当脆性材料或带裂纹的金属材料在裂纹不连续扩展时，可以看到幅度高的单个应力波脉冲，这就是突发型声发射。与连续型声发射相比，突发型声发射发生的次数少、幅度大，发生的部位限制在某个区域，脉冲的形状各不相同。图618所示为这两种类型的声发射信号。图6186414 声发射信号的表征 1声发射信号的波形 一般来说，由声发射源产生的弹性波，其纵波分量先到达换能器。用谐振式传感器测得的声发射信号的波形如图619所示， 是谐振式传感器获得的最大电信号输出幅度， 是达到最大输出幅度的上升时间。由于衰减，声发射信号幅度逐渐减小。后面出现的小峰是这同一个声发射信号的反射波或除纵波以外的

19、其它模式的波。传感器每振荡一次输出的一个脉冲称为振铃。PVrt图6192声发射的测量参数(1)事件计数(2)振铃计数(3)幅度和幅度分布 1)累计事件幅度分布F(V) 2)微分事件幅度分布f(V)(4)能 量3声发射源定位 声发射源定位就是根据传感器接收到的声发射信号来测定物体内产生声发射的裂纹位置。定位的根据是信号到达各个传感器的时差和次序。 如在声发射源周围用三个传感器接收声发射信号，用测得信号的时差和声波在材料中传播速度的乘积，即可算出平面内声发射源的位置。642 声发射检测仪器 6421 声发射仪器概述 声发射仪器的作用主要有三个：接收声发射信号；处理信号；显示声发射数据。按接收声发射信号的通道数目，声发射仪器分为三类，即单通道声发射仪、双通道声发射仪和多通道声发射仪。642，2 声发射传感器 1单端传感器 单端型压电传感器是传感器中最简单的结构形式，如声发射检测中用得最多的由锆钛酸铅(PZT5)压电陶瓷制成的压电纵波传感器，如图626所示。 2差动传感器 差动传感器可以消除电气噪声的干扰。它是用同一块压电陶瓷片对半切开后制成的。它的结构如图627所示。图626图627642. 3 声发射信号的放大及此理 1前置放大器 2滤波器 3主放大器 4信号处理器 5信号显示643 声发射检测的应用 6431 声发射在材料研究中的应用 1塑性变形的声发射这种不均匀变形包括