无损检测导论2)

1、2022-5-132022-5-13一、概论二、声学检测技术 三、热图热像检测技术课课 程程 内内 容容四、电磁检测技术五、渗透检测技术六、射线检测技术七、光学检测技术2022-5-132.1.3 2.1.3 超声检测新技术超声检测新技术（1）TOFD技术（超声波衍射时差技术技术（超声波衍射时差技术 ） 原理原理 Time of Flight Diffraction焊缝检测技术2022-5-13 特点2022-5-13 探头角度与声场范围分区检测，全覆盖探头，楔块探头，楔块2022-5-13 灰度图像 显示方式典型检测图像2022-5-13 扫查方式：D扫（非平行扫查）和B扫（平行扫查）202

2、2-5-13 典型检测结果2022-5-13 仪器、扫查架与探头便携式仪器带爬行器仪器2022-5-13（2 2）超声相控阵检测技术）超声相控阵检测技术 定义：定义： 利用阵列换能器，通过控制各阵元发射的声波的相位，实现对利用阵列换能器，通过控制各阵元发射的声波的相位，实现对超声波声场的控制。超声波声场的控制。2022-5-13 探头类型：2022-5-13 仪器： 与多元换能器相对应，仪器中用于发射和接收信号的电路是多通道的，每一通道接一个换能器阵元。根据所需发射的声束特征，由仪器软件计算各通道的相位（延迟）关系，并控制发射/接收移相控制器，形成所需的声束和接收信号。超声相控阵仪器系统（超声

3、相控阵仪器系统（GEIT X32GEIT X32）2022-5-13 典型应用1：2022-5-13 典型应用2：2022-5-13（3 3）超声显微镜）超声显微镜 原理原理：超声显微镜采用高频超声波（15MHz-2GHz）作为探测手段，能够精确的反映出声波和微小样品的弹性介质之间的相互作用，是一种将声束聚集后在样品上扫描，由于样品内部各点声学性能的差异，利用声反射或透射的方法来产生高反差、高放大倍数的图像的一种声学成像装置。 分为两大类：激光扫描声显微镜（SLAM）和扫描声显微镜（SAM）2022-5-13 仪器设备：2022-5-13 应用：表层结构分析、无损检测、材料力学性能的测试等20

4、22-5-13（4 4）超声导波技术）超声导波技术 定义：超声导波是指在由于边界限制，在固体声波导中传播的制导波。频散和多模式是导波传播的主要特征。利用导波进行在线无损检测的技术称为导波技术。 种类：薄板中传播的导波称为板波，自由界面板中传播的为兰姆波；圆管中传播的为管导波。L(0,2)F(1,3)2022-5-13 导波检测的特点2022-5-13 频散和多模式，模式选择是关键！2022-5-13 仪器设备及应用1：2022-5-13 仪器设备及应用2：2022-5-132.2 声发射检测技术声发射检测技术（被动声学检测技术）（被动声学检测技术）(1)原理：声发射检测技术（Acoustic

5、Emission Testing，简称AT或AE） 固体物质在应力作用下发生范性形变（如金属的塑性变形、位错运动等），或者在材料中裂纹产生与扩展时，其内部因为从不稳定的高能量应力集中状态快速过渡到稳定的低能量状态，在此平衡过程中释放出来的多余能量会以弹性应力波形式表现，从而产生声发射现象。声发射的频谱一般都很宽，其波形与发射规律比较复杂，它与材料本身的性能以及受应力的情况有关。 例子：挑选西瓜；折断筷子时有脆断声；手握金属铅条弯曲，听到的锡鸣声。 声发射也称作应力波发射。声发射检测技术（通常简称为声发射检测或声发射技术）就是利用仪器检测、分析材料中的声发射信号并据此对声发射源作出评价与判断的检

6、测技术，它是一种动态的无损检测方法。 2022-5-13 金属材料在塑性变形时的声发射与作用应力之间存在一种不可逆效应，称为“凯塞尔效应”，即材料受到一定的应力作用时有声发射现象产生，停止施加应力则声发射也停止，但是在重新施加应力时，如果不超过原来的应力水平则不再有声发射产生，利用这种现象，可以准确地测定声发射的应力等级，从而鉴定物体结构的受力状态。 磁效应声发射，即铁磁性材料在磁场作用下（即被磁化时），磁畴壁的运动能导致声发射，称为巴克豪森噪声。由于磁畴壁的运动受外载荷和内应力的影响，因此它的声发射也受应力控制。对这种声发射信号进行分析的方法就是巴克豪森噪声分析（Barkhausen Noi

7、se Analysis），可用于残余应力分析。 2022-5-13（2）仪器设备及应用仪器主机，前置放大系统，传感器探头；软件等 领域：飞机机构、桥梁、大坝、焊缝、航空发动机、动车车辆、游乐设施等2022-5-13范例：摩天轮主轴的监测声发射传感器的布设2022-5-132.3 2.3 声振检测技术声振检测技术 （1）原理：声振检测技术的基本原理是通过外加声频振动使被检物发生振动，测量被检物的振动特性，分析其振动状态，例如振幅（振动的强弱）、频率（振动的快慢）、损耗（振动持续时间）、振动形式（单频或多频振动、谐振）以及与物体振动方式有关的力阻抗等。由于它们都与被检物的结构、性能直接相关，因而可

8、以据此判断被检物的内在质量，航空领域中主要用于胶接结构与复合材料的检测。 敲击法（整体和局部） 振动阻尼法（机械阻尼法） 声阻抗法 共振法（谐振法） 2022-5-13（2 2）仪器设备及应用）仪器设备及应用 日本产啄木鸟声振仪器，检测复合材料和胶接结构2022-5-132.4 超声波超声波CT技术技术 （1）原理：合成孔径聚焦（SAFT）超声成像是以合成孔径雷达技术（SAR）的基本理论为基础发展起来的很有前途的高级成像方法。它以点源探头在被测物体的表面扫描，接收来自物体内部各点的散射信号并加以存储，然后对不同接收位置上探头接收的声信号引入适当延迟并进行叠加，以获得被成像物体的逐点聚焦成像，即

9、以小孔径系统达到大孔径的分辨率。 2022-5-13（2）仪器及应用2022-5-132.5 2.5 激光超声检测技术激光超声检测技术 （1）原理：采用一定功率的激光在待测试试件中产生热膨胀冲击波（热弹效应），采用激光干涉测量仪器接受超声波的方法，是非接触产生窄脉冲超声波的方式之一。 为防止高能量对试件的损伤，可在试件表面盖上薄膜和滴上一滴耦合剂。 热冲击膨胀产生的超声波一般与垂直表面的角度发射，这时产生表面波为主，也可以产生倾斜入射的超声波。激光发射，激光接收；压电晶片发射，激光接收激光发射，压电晶片接收2022-5-13（2）仪器及应用2022-5-132.6 2.6 电磁超声检测技术电磁

10、超声检测技术 利用电磁超声探头发射和接收超声波的方法称为电磁超声检测（EMAT）（1）原理Eddy currents are induced in to the test material surface, which must be electrically conductive在被检的导电性材料表面感应产生涡流。 A strong magnetic field is generated at the surface of the test piece with either a permanent magnet or an electromagnet.被检工件是永磁铁或电磁铁，则其表面会产

11、生强磁场。在材料中交替的涡电流会存在磁场产生洛伦兹力，转换生成超声波。2022-5-13Magnetostriction 磁致伸缩和Dominant Force支配力Ability to convert magnetic energy to sound energy and back (compare electrostriction)能将磁能转换为声能并能逆向转换（对应电致伸缩）Occurs in ferromagnetic materials出现在铁磁材料中Need for a surface coating which conforms to magnetostrictive princ

12、iple需要表面涂层，满足磁致伸缩原理Resultant magnetostrictive force dominates the Lorentz force结果的磁致伸缩力支配洛伦兹力 Magnetostrictive force causes surface coating to distort and induces ultrasound磁致伸缩力导致表面涂层变形并感应出超声波导电体的支配力是洛伦兹力-如，金属铝有磁致伸缩层的铁磁材料的支配力是磁致伸缩力-如，碳钢表面的镍涂层2022-5-13Magnet & Coil Configurations磁铁和线圈结构(2) 探头与激发

13、2022-5-13EMAT Probe Design (Shear Wave) EMAT 探头设计 (横波)Spiral pancake RF coil螺旋形平板状射频线圈NdFeB permanent magnet钕铁硼永磁铁Steel backing钢背衬Protective wear face保护耐磨面Adjustable wear ring可调节耐磨环BNC connectorBNC接头2022-5-13（3）仪器与应用Boiler Tube Application锅炉管应用 Ferromagnetic material铁磁性材料 Boiler tubes heated 450oC锅炉

14、管温度 450oC Produce thick, crusty scale生成厚的硬壳 Magnetostrictive properties磁致伸缩特性 Generates a 0o shear wave产生 0o横波 Thickness excludes scale除去硬壳的厚度2022-5-13 电源供电的全电脑系统，使用尖波脉冲电磁EMAT线圈。能保存、浏览并能在每根管道上放置编码器进行厚度测量(美国 EPRI / Babcock & Wilcox (USA) EPRI / Babcock & Wilcox )EMAT探头直接接探伤仪（英国SONATEAT）2022-5

15、-132.7 空气耦合超声检测技术空气耦合超声检测技术 传统的检测方法需要使用专门耦合剂或用水浸法来减少超声波在空气中传播的损失, 限制了它的适用范围。空气耦合式超声无损检测技术较好地弥补了这方面的不足, 其非接触、非侵入、完全无损的特点, 特别是能够实现快速在线扫查, 有着很好的应用前景, 但传统的压电陶瓷的换能器无法作为空气耦合换能器, 因此, 研制以空气为耦合层的超声波换能器是该技术的研究重点。 1997年Ultran获得了“在空气或者其它气体中高效传播的频率从50KHz到5MHz的压电探头”的国际专利。Ultran的空气耦合超声波探头采用了特殊结构、材料和加工工艺等，其工作频率范围为5

16、0KHz-5MHz，相对于同样阻抗匹配的水浸探头,其声压只低16-30dB，使得空气耦合超声真正应用到实际检测中。2022-5-13（1）空气耦合超声换能器原理及制作方法 从传统压电陶瓷换能器出发，在传感器外表面增加四分之一波长厚度匹配层并改进结构，制作以空气为介质的换能器。 采用显微加工技术，制作静电式电容式换能器 超低噪声前置放大器技术的进步(2)检测方法、仪器及应用反射式检测穿透式检测（成像检测）2022-5-13木材无损检测系统典型穿透式检测系统2022-5-13范例2022-5-132.8 声学检测技术与信号信息处理声学检测技术与信号信息处理 声波或超声波作为探测手段，检测的关键问题

17、之一是信号信息的采集与处理，信号信息处理是声学检测技术、也是其他无损检测技术的理论和方法主要基础。 声学无损检测技术信号处理是典型的非平稳信号处理； 声学检测技术中不仅需要关注成像技术，还需要关注图像处理技术及模式识别；学习好相关课程：信号与系统；数字信号处理；数字图像处理2022-5-133. 利用热学特性的无损检测技术利用热学特性的无损检测技术3.1 热像法（红外检测）（1）被动红外热像法 利用热学特性的无损检测技术主要采用温度记录法，即通过在试件背面或正面加热（人工或自然加热），从而向被检试件注入一定的热量（主动式），或者利用试件自身存在的热源（被动式），当试件内部存在缺陷时，因为缺陷的

18、导热性与母体材料的导热性有差异，可以测量这种差异从而检出缺陷。 根据斯捷藩-波尔兹曼（Stefan-Boltzman）定律： 式中： -物体光谱辐射通量密度（wcm2/m）； -物体光谱辐射本领；-斯捷藩-波尔兹曼常数（5.67x10-8wm2/T4）；T-物体绝对温度（k）4TRR 被动式红外检测除了在工业上用于设备、构件等的热点检测外，在军事上应用如红外夜视仪、红外瞄准镜等，在医学上可应用于检查人体温度异常区域。 2022-5-13（2）主动红外热像法对试件进行加热进行的红外检测属于主动式红外检测。 对于均匀无缺陷的材料，a为常数。当在均匀材料中有缺陷存在时，缺陷相当于具有另一热扩散率的材料，因而有缺陷部分与无缺陷部分的热状态不同，表现在材料表面有不同。热传导的差异在材料表面形成时间和空间上的温度梯度，即温度扰动：T=Tf-T，式中：T-温度扰动；Tf-有缺陷处的材料表面温度；T-无缺陷处的材料表面温度。T不仅与材料的热扩散率有关，而且与缺陷的几何尺寸和埋藏深度有关。当材料表面的温度差大于红外热象仪的最小可测温度时，即可在热象仪上观察试件表面温度分布的热图像，分析判断材料中是否存在缺陷，从而达到检测目的。 2022-5-13 主动红外热波技术的过程及方法2022-5-13主动红外热像技术仪器及应用2022-5-13主