材料测试与控制技术基础读书报告及超声波无损检测技术及其发展概述

材料测试与控制技术基础PAGEPAGE1东南大学材料测试与控制技术基础读书报告姓名：学号：成绩：2010年6月材料测控知识点概述检测是科学地认识各种现象的基础性的方法和手段。从这种意义上讲，检测技术是所有科学基础的基础。检测技术又是科学技术的重要分支，是具有特殊性的专门科学和专门技术。随着科学技术的进步和社会经济的发展，检测技术也正在迅速地发展，反过来检测技术的发展又进一步促进着科学技术的进步。同眼、耳、鼻等感觉器官对于人类的重要作用相类似，测量装置（传感器、仪器仪表等）作为科学性的感觉器官，在工业生产、科学研究和企业的科学管理方面是不可缺少的。企业越是科学地高度发展，越需要科学的检测。一．检测系统一个具体的检测系统由传感器、变换及测量装置、记录及显示装置和实验结果的分析处理装置组成。有时还存在着实验激发装置（如下图）。被测系统被测系统传感器非电信号变换及测量装置记录显示装置数据处理装置激发装置电信号系统的特性是指系统的输出和输入的关系，为了真实地传输信号，系统必须具备一些必要的特性，常用静态特性和动态特性来描述。（一）静态特性检测系统的静态特性是在静态标准下进行标定的，并可由此做出静态特性曲线。曲线可由一个相应的代数方程来描述：检测系统的主要静态性能指标有线性度、灵敏度、变差等；其余还有灵敏限，分辨力，精确度，准确度，精密度，漂移等。1.线性度。在实际应用时,由于各种原因,系统输入量与输出量之间的关系并不是完全线形的。通常用检测装置的标定曲线与某种拟合直线之间的偏差程度作为线性度的一种度量，以输出最大偏差与满量程输出比值的百分数来表示其大小，即：δi：线性度；△max：特性曲线与参考直线的最大偏差；△F.S：满量程输出的平均值。2．灵敏度。指检测装置在静态测量时，输出量的增量与输入量的增量之比的极限（希望为常数），即：灵敏度越高，系统反映输入微小变化的能力就越强。在电子测量中，灵敏度越高往往容易引入噪声并影响系统的稳定性及测量范围，在同等输出范围的情况下，灵敏度越大测量范围越小，反之则越大。3.变差。当输入信号变化方向不同，对应同一输入值输出的值不同，输出量之间的差值，称之为滞后误差或变差。δn：滞后误差；△hmax：输出在正反行程间的最大滞后量；△F.S：满量程输出。（二）动态特性动态特性指的是当输入信号随时间发生变化时，输出信号与输入信号之间的关系，通常用微分方程来描述。为了使问题简化，我们希望测试装置具有线性时不变性。二．传感器系统1.传感器作用与分类传感器是借助检测元件将一种形式的信息转换成另一种信息的装置。又由于目前传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。它是检测系统中的重要组成部分。关于传感器的分类：按传感器输入端被测物理量分类：机械量、热工量、物性参量、光学量、化学量等。按传感器输出端被测物理量分类：电参数型传感器：被测量使传感器本身的电参量R、L、C改变，这种传感器工作时必须有外加电源，故又称为无源型；电量型传感器（发电型）：被测量使传感器产生电动势、电流、电荷，所以又称为有源型，如热电偶、压电型传感器等。但由于能量有限，通常还要接放大器。按能量关系分类：能量转换型，直接由被测对象输入能量使其工作，例如:热电偶温度计,压电式加速度计；能量控制型，从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变化，例如:电阻应变片。按传感器结构参量是否变化分类：物性型，依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换，如:压电传感器；结构型，依靠传感器结构参数的变化实现信号转变，例如:电容式和电感式传感器.2.电参数型传感器被测量使传感器本身的电参量R、L、C改变，这种传感器工作时必须有外加电源，又称为无源型。（1）电阻式传感器即被测非电量的变化引起电阻器阻值改变的变换元件。电阻变化量又通过中间变换器（如电桥）转变成电流或电压的变化，便可进行测量、记录。优点是结构简单、价格便宜、工作可靠性高、输出信号大。电阻式传感器基本类型有三种：A．利用电刷来回移动，改变L，也称电位器式传感器，用于检测线位移或角位移。按结构形式，分线绕式、薄膜式、光电式等；按输出特性，分线性电位器和非线性电位器。B．利用应力、应变使电组丝变形，改变r、L、A，而改变R，称为电阻应变式传感器，一般用于检测应力、应变等参量，或通过弹性元件来测量力、位移、压力、加速度等物理参量。C．利用热或其它物理量使传感器的r变化，如检测温度。（2）电容式传感器电容式传感器实质上是一个具有可变参数的电容器，通过电容传感元件将被测物理量转化为电容量的变化。3.电量型传感器此类传感器输出量为电量（电压、电流、电荷），如:能量转换型传感器(磁电式传感器、压电式传感器、热电式传感器、光电式传感器)，能量控制型传感器（PN结、集成电路温度传感器）三．材料科学与工程常用检测技术材料科学与工程中常用的技术是在不损坏工件的条件下检测工件表面或内部的缺陷，又称无损检测，主要有：1．零件应变和应力状态的检测技术，包括应力检测和计算及残余应力的检测。常用电阻应变法、磁弹性法、x射线衍射法、NiTi形状记忆合金薄膜残余应力测量等方法。2．材料表面性能电测技术，包括表面粗糙度的检测，如样块比较法、触针式表面轮廓仪法；覆盖层厚度的检测，如磁法、涡流法、超声法、射线法、光学法、电容法、微波法、热电势法、石英震荡法等。3．工件表面缺陷电测技术，可用涡流探伤法（一般材料）和磁力探伤法检测。4．工件内部缺陷电测技术，主要方法有X射线法、超声波法、均为非电量电测法。四．温度检测温度的测量方法通常分为两大类，即接触式测温法和非接触式测温法。接触式测温是使被测物体与温度计的感温元件直接接触，使其温度相同，便可以得到被测物体的温度。非接触式测温是温度计的感温元件不直接与被测物体相接触，而是利用物体的热辐射原理或电磁原理得到被测物体的温度，如全辐射温度计、光学高温计、光电高温计、比色高温计、红外测温计等。温度计常用的有：1．热电阻温度计。其被广泛地用于低温及中温(-200～500℃)范围内的温度测量，目前应用范围已扩展到1～5K的超低温领域。同时，在1000～1200℃的高温范围内，也具有较好特性。常用的有铂热电阻、铜热电阻、半导体热敏电阻等。2．热电偶温度计。热电偶是基于热电势效应原理的测温用传感器，热电势由接触电势、温差电势两部分组成。热电偶的基本定律有均匀电路定律、中间温度定律、中间导体定律、标准电极定律等。常用热电偶有：铂铑－铂铑、铂铑—铂、镍铬－镍硅(铝)、镍铬－铜镍(康铜)等。五．流量检测技术流量的基本概念包括：瞬时流量（流量）、总流量（累计流量）、体积流量（qv）、质量流量（qM）。同时我们也要了解紊流和层流、雷诺数等概念。流量计有容积式流量计、差压式流量计、流体阻力式流量计、测速式流量计等。1．容积式流量计:主要有椭圆齿轮流量计和腰轮转子流量计两种。椭圆齿轮流量计是借助于固定的容积来计量流量的，与流体的流动状态及粘度无关。当通过流量计的流量为恒定时，椭圆齿轮在一周的转速是变化的，但每周的平均角速度是不变的。由于角速度的脉动，测量瞬时转速并不能表示瞬时流量，而只能测量整数圈的平均转速来确定平均流量。2．差压式流量计：是利用流体流经节流装置或均速管时产生的压力差的原理来实现流量测量的，其中用节流装置和差压计所组成的差压式流量计是目前应用最广的一种流量计。3．流体阻力式流量计：分为转子流量计，其在工业上和实验室最常用；靶式流量计，是以管内流动的流体给予插入管中的靶的推力F来测量流量的一种测量装置。4．测速式流量计：主要有涡轮流量计、超声波流量计和电磁流量计。其中涡轮流量计主要由涡轮、导流器、壳体和磁电传感器等组成。当流体通过流量计时，推动涡轮使其以一定的转速旋转，此转速是流体流量的函数。而装在壳体外的非接触式磁电转速传感器输出脉冲信号的频率与涡轮的转速成正比。因此，测定传感器的输出频率即可确定流体的流量。六．成分检测技术所谓化学成分是指一种化合物或混合物的组成分子、原子或原子团的种类和比例。依据工作原理，可将成分分析仪器分为8类：电化学、热学式、磁学式、光学式、射线式、色谱仪、电子光学和离子光学仪、依据其它原理工作的成分分析仪器。依据仪器的工作对象，又可将成分分析仪器分为：气体成分分析仪器、液体成分分析仪器、金属成分分析仪器、酸碱度成分分析仪器等。本章主要讲述气体和溶液成分分析仪器。１．氧含量测量：测量气体中含氧量的仪器有两类：磁性式氧分析仪和氧化锆探头。２．红外线气体分析测量：主要依据对红外线的吸收特征来分析气体组分含量。在气体中，单原子气体和同原子的双原子气体（如Ar、He、H2、N2等）一般不吸收红外线；而不对称结构的双原子或多原子气体（如CO2、CO、CH4）则对红外线选择吸收。３．水蒸气的含量测量：由于水的饱和汽压与温度有关(随温度升高而增大)，因此可以通过测定混合气体中，水蒸汽饱和汽压所对应的温度而测得其相对含量。这个温度就是水的露点，实验中通常露点被认为是气体中水蒸气开始起雾(即有部分水蒸气凝结成水)的温度。常用测定露点的仪器有露点杯、氯化锂露点仪和光电式露点仪等几种。七．总结 本学期我们学习了关于材料测控的一些知识，除了上述总结的以外，我们还学习了关于自动控制技术的知识，测控技术是自动控制技术中的关键。另外，作为基础，我们还学习了理论误差和数据处理方面的知识。材料测控的核心思想就是通过传感器将非电信号转换为电信号。因此我们这学期的学习也是主要围绕传感器展开的，并讲了各种具体检测技术。通过这学期的学习，我感觉受益匪浅。本课程学习过程中的一些心得体会光阴荏苒，日月如梭，一学期的课程学习转眼就要结束了，首先感谢储老师在这一学期中对我们的辛勤教导。根据教学大纲的要求，为了适应新时期国民经济生产的需要，我们在这一学期学习了关于材料测试与控制技术的一些基础知识。这门课程包括理论课和实验课，通过理论与实践相结合，我们更好的掌握了关于材料测控方面的知识。例如我们做了炉温控制的实验，这个实验完整的模拟了炉温控制这一最简单的自动控制过程。很好的阐述了“温度检测技术”这章内容。其实这学期上课的时间并不多，关于材料测控这一课程我们只是学了些皮毛，但是这门技术的应用却很广泛,因此剩下的需要我们在以后的学习工作中结合实际需要继续学习。最后希望在马上进行的考试中，能考个好成绩。超声波无损检测技术及其发展概述超声波形成机理的研究始于19世纪初，但它在无损检测中的应用大约是从20世纪20年代才开始。在30年代，超声波技术才广泛应用于无损检测。在随后的1955年，超声波技术发展迅速，技术的进步促进了超声波设备的快速发展。从20世纪80年代直到今天，计算机技术的进步使得超声波设备体积更小、性能更稳定、功能更强大。最近几年，超声波测绘技术得到了极大的发展。超声波探测试验中需要采集精确的数据，这种需求进一步推动了定量测量技术的发展。同时，基于超声波能量形成和非接触检测技术的发展也促进了激光器和电磁传感器的技术进步。如今，便携式设备中已经运用了相控阵式激光技术。采用这种技术，单一发生器定时或定相发射的超声波元素阵列，能够精确截取被测对象的超声波波形。多数情况下，用于无损检测的超声波是采用压电转换器产生和检测试件的。压电转换器需要一个耦合器在转换器和试件间传输超声波。压电转换器具有一个压电晶体（比如钛酸钡、锆酸铅、钛酸铅等），当通电后能迅速改变形状。当它们被快速加压时会发生相反的变化，产生一个电磁场。用于无损检测超声波的产生和检测也可通过其它方法实现。其中之一是利用非接触空气耦合转换器，它是基于微电子机械系统（简称MEMS）的基础；另一种方法是通过试件表面的快速热膨胀和融蚀产生非接触激光超声波，采用激光干涉仪或空气耦合换能器检测产生的超声波。此外，磁性金属也能通过超声波探伤，主要采用非接触电子机械声波转换器（简称EMATS）同时产生和检测超声波。超声波通常通过以下一种或几种方法检查裂纹和缺陷。1．通过材料边界或缺陷处分界面的反射声波检测。2．通过超声波的切换时间或传播时间检测。3．通过超声波的衰减程度检测。4．通过透射信号或折射信号的频谱响应特征检测。目前超声波检测设备已经得到了广泛的应用，但是随着现代科学技术的发展，对检测技术的要求越来越高，具体可分为以下几个方面：不断提高超声波检测仪器的性能、可靠性、扩大应用范围。仪器的可靠性对仪表的质量来说已成为一个重要因素，其内容包括了仪表可靠性和故障率的数学模型和计算方法的研究，仪表可靠性设计、预测、检验和分析实验的研究，仪表系统组件可靠性对仪表整体性能的影响和确定整机可靠性方法的研究。扩大应用范围则是要仪器能在极高温和极低温条件下正常工作。研究材料、器件、电路一体化的超声波检测仪器为了减少传感器与测量电路分开所