无损检测技术

无损检测技术
无损检测技术即非破坏性检测，就是在不破坏待测物质原来的状态、化学性质等前提下，为获取与待测物的品质有关的内容、性质或成分等物理、化学情报所采用的检查方法。

无损检测与无损评价技术是在物理学、材料科学、断裂力学、机械工程、电子学、计算机技术、信息技术以及人工智能等学科的基础上发展起来的一门应用工程技术。

随着现代工业和科学技术的发展，无损检测与无损评价技术正日益受到各个工业领域和科学研究部门的重视，不仅在产品质量控制中其不可替代的作用已为众多科技人员和企业界所认同，而且对运行中设备的在役检查也发挥着重要作用。

应用领域
无损检测技术在食品加工领域，如材料的选购、加工过程品质的变化、流通环节的质量变化等过程中，不仅起到保证食品质量与安全的监督作用，还在节约能源和原材料资源、降低生产成本、提高成品率和劳动生产率方面起到积极的促进作用。

作为一种新兴的检测技术，其具有以下特征：无需大量试剂；不需前处理工作，试样制作简单；即使检测，在线检测；不损伤样品，无污染等等. 无损检测技术在工业上有非常广泛的应用，如航空航天、核工业、武器制造、机械工业、造船、石油化工、铁道和高速火车、汽车、锅炉和压力容器、特种设备、以及海关检查等等。

技术进展
进入21世纪以后，随着科学技术特别是计算机技术、数字化与图像识别技术、人工神经网络技术和机电一体化技术的大发展，无损检测技术获得了快速进展。

在射线检测方面，射线成像和缺陷自动识别技术、射线计算机辅助成像技术（CR）、射线实时成像技术（DR）
和射线断层扫描技术（CT）都获得了广泛的应用。

检测集装箱的快速X射线实时成像系统、以X射线、γ射线、直线加速器为射线源的各种工业CT装置已被广泛地应用到各个工业领域。

微焦点X射线CT可以检测微米级的微小缺陷。

在超声检测方面，各种数字化超声波探伤仪广泛使用。

TOFD超声检测系统、超声成像检测系统、磁致伸
缩超声导波检测系统、相控阵超声检测系统已经获得了广泛应用。

在检测方法和应用技术研究方面，主要针对自动化超声检测技术、超声成像检测技术、人工智能与机器人检测技术、TOFD超声检测技术、超声导波检测技术、非接触超声技术、相控阵超声检测技术、激光超声检测技术等都取得了大量的研究成果。

在管棒材和焊管自动化检测线使用的多通道超声波探伤仪，通道数多达128个，采样速率最高可达240MHz 。

超声导波检测系统和磁致伸缩导波检测方法已经用于带保温层工业管道和埋地管道腐蚀缺陷的长距离检测。

在电磁检测方面，常规涡流检测仪器全部实现数字化，并发展了阵列探头和多通道仪器，实现了数据转换和
分析等先进电子与信息技术的应用。

远场涡流、多频涡流、脉冲涡流和磁光/涡流成像检测技术都得到了成熟发展和应用。

脉冲涡流检测技术用于带保温层钢质压力容器和管道腐蚀检测，最大可以穿透150mm厚的保温层。

漏磁检测技术已广泛用于大型常压储罐底板腐蚀检测、管道制造过程的在线检测、钢丝绳检测、石油钻杆检
测和无保温层工业管道腐蚀检测等。

磁记忆检测在电站锅炉、压力容器、压力管道、汽轮机、风力发电机和桥梁等结构上已广泛应用。

巴克豪森噪声技术在残余应力检测中的应用更加广泛。

在声发射检测方面，各种性能先进的多通道声发射仪不断涌现。

在声发射信号分析和处理方面，包括常规参
数分析、时差定位、关联图形分析、频谱分析、小波分析、模式识别、人工神经网络模式识别、模糊分析和灰色关联分析等都获得了应用。

在我国有50多个检测机构常年从事压力容器的声发射检测。

在微波检测和红外检测方面，也得到了很大发展。

微波检测在湿度、温度、密度、固化度等检测中广泛应
用，在胶接结构、复合材料、火箭推进剂等检测中也发挥了重要作用。

红外检测在电力工业、石油化工、房屋建筑等领域得到了广泛应用。

在金属力学试样、断裂力学和应力分析、印刷电路板故障分析和陶瓷工业等领域也开展了应用研究。

压力容器红外热成像检测已正式纳入我国的特种设备安全监察法规体系。

铁道系统、土木工程与钢结构、核电站等领域已广泛开展，并取得了显著的成就。

在役结构可靠性评价理论和法规在国际上获得了一致的认可。

无损检测技术在在用设备与结构的可靠性评价中发挥了重要的作用。

无损检测技术在应对气候变化、发展低碳经济、循环经济和绿色再制造产业中也正在起到不可替代的重要作用。

目前，我国拥有17万无损检测人员和2000多家无损检测机构（不含企业内部探伤室），在国民经济建设和人身与设备安全监测中发挥着重要作用。

声学基础知识
声学基础知识
一.声音
声音是空气分子的振动。

物体的振动（我们称之为"声源"）引起空气分子相应的振动，传入人耳导致鼓膜振动，通过中耳、内耳等一系列听觉器官的共同作用使人听到了声音。

并不是所有的空气分子的振动都形成声音，空气分子的振动有一定的规律，我们把它描述为"波"，下面我们对"声波"作一个简单的阐述：
二.声波
把石头扔进平静的水面，会形成一组向四周扩散的水波，这是我们所能见到的比较直观的"波"，空气分子振动形成的声波要复杂一点，它是从声源向四周立体扩散的一组疏密波，空气分子并不是从声源一直跑到您的耳朵，而是在它本来的位置振动，从而引起与它相邻的空气分子随之振动，声音就是这样从声源很快地向外传播的，声音在空气中的传播速度是331米/秒。

举一个简单的例子，麦浪的运动跟声波很相似，粒子的振动方向与波的运动方向是平行的。

波需要通过介质来传播，麦浪的运动到田埂边就自然停止了，声波的传播介质是空气分子，所以，真空里声音是不能传播的。

三.声音的频率
声波每秒的振动次数称为频率，频率在20Hz~20KHz之间称为声波；频率大于20KHz称为超声波；频率小于20Hz称为次声波。

超声波和次声波人耳是听不到的，地震波和海啸都是次声波。

有些动物的耳朵比人类要灵敏得多，比如蝙蝠就能"听到"超声波。

世界上很少存在单一频率的"纯音"，我们所听到的声音大都是各种频率的复合音，如乐器发出的单音就是周期性的复合音，语音则是非周期性的复合音。

让我们对声音的频率有一个比较直观的概念：大鼓的"蓬蓬"声频率很低，大约在数十赫兹左右；人的语音频率范围主要在200 Hz到4000 Hz之间；锣声、铃声的频率大约在2000 Hz到3000 Hz左右；在人类语音中，女声比男声频率要高一点；童声要比成人频率高一点；"啊啊"声频率较低，"咿咿"声频率稍高，"嗤嗤、嘶嘶"声频率最高。

知道这一点很有用，在实际选配中，你可以经常用来测试病人戴助听器前后对声音频率的反应。

高频和低频是相对的，在语音范围中，通常把1000 Hz以上的区域称为高频区，500 Hz -1000 Hz的区域称为中频区，低于500 Hz的区域称为低频区。

而在讨论音乐的时候
四.声音的强度
其一是从物理上来描述：我们知道由于空气分子本身固有的不规则运动及相互排斥会形成一个静态的压力，这个压力就是我们所熟知的大气压。

前面我们讲过，声音是空气分子的振动，振动的空气分子对它通过的截面就会产生额外的压力，这种额外的压力我们就称之为声压。

声压比之大气压要小得多得多，举个例子，一个声压仅仅相当于大气压的一万分之一的声音就足以把人的耳朵振聋。

物理学家引入了声压级（SPL）来描述声音的大小：我们把一很小的声压p0=2х10-5帕作为参考声压，把所要测量的声压p与参考声压p0的比值取常用对数后乘以20得到的数值称为声压级，声压级是听力学中最重要的参数之一，单位是分贝（dB）
声音是在气体、液体或固体介质里传播的一种机械振动。

因此，声音以频率、幅值和相位来表征。

声音最简单的形式为纯音，它是正弦波。

日常生活中所遇到的绝大多数声音是波形复杂的复合声音，可看作是由纯音复合而成的。

声压级
正常人刚能听到的微弱声音的声压是2×10-5Pa，称为人耳的听阈；使人耳感觉疼痛的声压为20Pa，称为人耳的痛阈。

考虑到人对声音响度感觉与声音强度的对数成比例，所以引用了声压比的对数来表示声音的强弱，即声压级。

声压级lq（单位:dB）,噪声还可以用声强级、声功率级来描述。

响度级
响度级是根据人耳听觉特性而提出的一种评定环境噪声的方法。

通常入耳听到的声频范围在20Hz～20000Hz，高于20kHz则为超声，低于20Hz的称为次声。

人耳对声音的感受不仅和声压有关，也和频率有关，声压级相同而频率不同的声音，听起来高频音要比低频音响得多。

如果所测声音与基准声——频率为1000Hz的纯音对比，听起来同样的响，则此基准声的声压级(dB)，就称为该所测声音的响度级，其单位为方(phon)。

按此与基准声对比的方法，可以得到整个可所范围的纯音响度级。

由大量试验得出的纯音等响度曲线如所示，图中每一条曲线相当于频率和声压级不同而听起来响度相同的声音，即具有同一响度级(方)的声音。

从等响曲线可以看出，人耳对高频声敏感，而对低频声不敏感。

如70phon的响声，对100Hz的声音来说，声压级是76dB，对1000Hz是70dB，对4000Hz是62dB，但它们都是在70phon的曲线上，听起来一样响。

计权声级
计权声级一般有A、B、C三种，它们是分别用设置有计权网络“A”、“B”、“C”的声学测量仪测得的噪声值，记做dB(A)、dB(B)、dB(C)。

A计权网络是模拟人耳40phon等响曲线设计的，使接受的声音通过时，对于人耳不敏感的低频声有较大的衰减，中频衰减次之，高频不衰减。

B网络是按70phon等响曲线设计的，仅在低频段有一定衰减。

C网络则仿效100phon等响曲线，在整个可听频率范围内几乎无衰减。

在以上三种计权声级中，A声级最能反映出人耳的听觉特性，目前使用广泛。

频谱分析
噪声通常是由大量不同频率的声音复合而成，要想在人耳可听声的频率范围内对各个不同频率的噪声逐一进行测量很困难，在实用上，常把声频范围划分为若干个频段，即常说的频段或频程。

每个频程各有中心频率和上、下限频率，上、下限频率之差为频带宽度。

表5－9 倍频程频率范围
表5－9 倍频程频率范围
在噪声测量中，最常用的是倍频程（中心频率和频率范围见表5-9）和1/3倍频程。

倍频程是频率范围上、下限两个频率之比为2：1的频程，1/3倍频程是把上述一个频程再分成3份后得到的更详细的频程。

以所选用的倍频程或1/3倍频程的中心频率为横坐标，以声压级（或声强级、声功率级）为纵坐标，作出噪声测量图形，即频谱图，可了解频带声压级在不同频率范围内的分布情况，并据此判断出噪声的成分和性质，这就是频谱分析。

超声检测
超声检测超声检测(UT）是工业上无损检测的方法之一。

超声波进入物体遇到缺陷时，一部分声波会产生反射，发射和接收器可对反射波进行分析，就能异常精确地测出缺陷来．并且能显示内部缺陷的位置和大小，测定材料厚度等.
原理
超声波是频率高于20千赫的机械波。

在超声探伤中常用的频率为0.5～5兆赫。

这种机械波在材料中能以一定的速度和方向传播，遇到声阻抗不同的异质界面（如缺陷或被测物件的底面等）就会产生反射。

这种反射现象可被用来进行超声波探伤，最常用的是脉冲回波探伤法探伤时，脉冲振荡器发出的电压加在探头上（用压电陶瓷或石英晶片制成的探测元件），探头发出的超声波脉冲通过声耦合介质（如机油或水等）进入材料并在其中传播，遇到缺陷后，部分反射能量沿原途径返回探头，探头又将其转变为电脉冲，经仪器放大而显示在示波管的荧光屏上。

根据缺陷反射波在荧光屏上的位置和幅度（与参考试块中人工缺陷的反射波幅度作比较），即可测定缺陷的位置和大致尺寸。

除回波法外，还有用另一探头在工件另一侧接受信号的穿透法。

利用超声法检测材料的物理特性时，还经常利用超声波在工件中的声速、衰减和共振等特性。

跨孔超声检测仪
应用
脉冲回波探伤法通常用于锻件、焊缝及铸件等的检测。

可发现工件内部较小的裂纹、夹渣、缩孔、未焊透等缺陷。

被探测物要求形状较简单，并有一定的表面光洁度。

为了成批地快速检查管材、棒材、钢板等型材，可采用配备有机械传送、自动报警、标记和分选装置的超声探伤系统。

除探伤外，超声波还可用于测定材料的厚度,使用较广泛的是数字式超声测厚仪,其原理与脉冲回波探伤法相同，可用来测定化工管道、船体钢板等易腐蚀物件的厚度。

利用测定超声波在材料中的声速、衰减或共振频率可测定金属材料的晶粒度、弹性模量(见拉伸试验)、硬度、内应力、钢的淬硬层深度、球墨铸铁的球化程度等。

此外，穿透式超声法在检验纤维增强塑料和蜂窝结构材料方面的应用也已日益广泛。

超声全息成象技术也在某些方面得到应用。

优缺点
超声检测法的优点是：穿透能力较大，例如在钢中的有效探测深度可达1米以上;对平面型缺陷如裂纹、夹层等，探伤灵敏度较高，并可测定缺陷的深度和相对大小；设备轻便，操作安全，易于实现自动化检验。

缺点是：不易检查形状复杂的工件，要求被检查表面有一定的光洁度，并需有耦合剂充填满探头和被检查表面之间的空隙，以保证充分的声耦合。

对于有些粗晶粒的铸件和焊缝，因易产生杂乱反射波而较难应用。

此外，超声检测还要求有一定经验的检验人员来进行操作和判断检测结果
第1章绪论
1.1超声检测的定义和作用
指使超声波与试件相互作用，就反射、透射和散射的波进行研究，对试件进行宏观缺陷检测、几何特性测量、组织结构和力学性能变化的检测和表征，并进而对其特定应用性进行评价的技术。

作用：质量控制、节约原材料、改进工艺、提高劳动生产率
1.2超声检测的发展简史和现状
超声检测工作原理
主要是基于超声波在试件中的传播特性
声源产生超声波，采用一定的方式使超声波进入试件；
改变后的超声波通过检测设备被接收，并可对其进行处理和分析；
根据接收的超声波的特征，评估试件本身及其内部是否存在缺陷及缺陷的特性。

超声检测工作原理
脉冲反射法：
声源产生的脉冲波进入到试件中——超声波在试件中以一定方向和速度向前传播——遇到两侧声阻抗有差异的界面时部分声波被反射——检测设备接收和显示——分析声波幅度和位置等信息，评估缺陷是否存在或存在缺陷的大小、位置等。

通常用来发现和对缺陷进行评估的基本信息为：
1、是否存在来自缺陷的超声波信号及其幅度；
2、入射声波与接收声波之间的传播时间；
3、超声波通过材料以后能量的衰减。

超声检测的分类
原理：脉冲反射、衍射时差法、穿透、共振法
显示方式：A、超声成像（B C D P）
波型：纵波、横波、表面波、板波
耦合方式：直接接触法、液浸法、EMA
按探头个数：单、双、多
按人工干预的程度分类：手工检测、自动检测
超声检测的优点
适用于金属、非金属和复合材料等多种制件的无损检测；
穿透能力强，可对较大厚度范围内的试件内部缺陷进行检测。

如对金属材料，可检测厚度为1～2mm的薄壁管材和板材，也可检测几米长的钢锻件；
缺陷定位较准确；
对面积型缺陷的检出率较高；
灵敏度高，可检测试件内部尺寸很小的缺陷；
检测成本低、速度快，设备轻便，对人体及环境无害，现场使用较方便。

超声检测的局限性
对试件中的缺陷进行精确的定性、定量仍须作深入研究；
对具有复杂形状或不规则外形的试件进行超声检测有困难；
缺陷的位置、取向和形状对检测结果有一定影响；
材质、晶粒度等对检测有较大影响；
以常用的手工A型脉冲反射法检测时结果显示不直观，且检测结果无直接见证记录。

超声检测的适用范围
非常广
从检测对象的材料来说，可用于金属、非金属和复合材料；
从检测对象的制造工艺来说，可用于锻件、铸件、焊接件、胶结件等；
从检测对象的形状来说，可用于板材、棒材、管材等；
从检测对象的尺寸来说，厚度可小至1mm，也可大至几米；
从缺陷部位来说，既可以是表面缺陷，也可以是内部缺陷。

电磁超声的原理和特点
超声波的工作原理
超声波是频率高于20000Hz的机械波，由于超声波频率高、波长短，因此具有良好的方向性和穿透能力，
a.声源产生超声波，采用一定的方式使超声波进入试件；
b.超声波在试件中传播并与试件材料以及其中的缺陷相互作用，使其传播方向或特征被改变；
c.改变后的超声波通过检测设备被接收，并可对其进行处理和分析；
d.根据接收的超声波的特征，评估试件本身及其内部是否存在缺陷及缺陷的特性。

一般来说，为保证充分的声耦合，在检测时需要有耦合剂（机油或水等）填充检测探头和被检查表面之间的空隙。

电磁超声的产生机理
处于交变磁场中的金属导体，其内部将产生涡流，同时由于任何电流在磁场中收到洛伦兹力的作用，而金属介质在交变应力的作用下将产生应力波，频率在超声波范围内的应力波即为超声波。

于此相反，由于此效应呈现可逆性，返回声压使质点的振动在磁场作用下也会使涡流线圈两端的电压发生变化，因此可以通过接收装置进行接收并放大显示。

我们把用这种方法激发和接收的超声波称为电磁超声。

在上述方法中，换能器已经不单单是通交变电流的涡流线圈以及外部固定磁场的组合体，金属表面也是换能器的一个重要组成部分，电和声的转换是靠金属表面来完成的。

电磁超声只能在导电介质上产生，因此电磁超声只能在导电介质上获得应用。

电磁超声的基本结构
由上所述，电磁超声检测装置主要由高频线圈、外加磁场、试件本身三部分组成，如图1所示。

图1，电磁超声基本结构
值得一提的是，产生电磁超声的有两种效应，洛伦兹力效应和磁致伸缩效应。

如上图的高频线圈通以高频激励电流时就会在试件表面形成感应涡流，感应涡流在外加磁场的作用下会受到洛伦兹力的作用产生电磁超声；同样，强大的脉冲电流会向外辐射一个脉冲磁场，脉冲磁场和外加磁场的复合作用会产生磁致伸缩效应，磁致伸缩力的作用也会产生不同波形的电磁超声。

洛伦兹力和磁致伸缩力两种效应具体是哪种在起着主要作用，主要是由外加磁场的大小、激励电流的频率决定。

电磁超声的特点
相对于常规超声电磁超声具有以下特点：
(1)非接触检测，不需要耦合剂，可透过包覆层等
EMA T的能量转换，是在工件表面的趋肤层内直接进行得。

因而可将趋肤层看成是压电晶片，由于趋肤层是工件的表面层，所以EMA T产生的超声波不需要任何耦合介质。

(2)产生波形形式多样，适合做表面缺陷检测
EMA T在检测的过程中，在满足一定的激发条件时，会产生表面波、SH波和Lamb波。

如果改变激励电信号频率满足一定公式，则声波能以任何辐射角θ向工件内部倾斜辐射。

即在其它条件不变的前提下，只要改变电信号频率，就可以改变声的辐射角，这是EMA T的又一特点。

由于这一特点的存在，可以在不变更换能器的情况下，实现波形模式的自由选择。

(3)适合高温检测
现事故，损失将非常严重。

对此，国家有相关政策法规强制检测，以实现最小的事故发生率。

这就使得高温压力管道检测成为一个急需解决的问题。

而电磁超声正是解决这个问题的最好选择。

电磁超声相对于常规超声一个最大的优点就是其非接触性。

热体在空间辐射的温度场是按指数衰减的，探头离检测试件表面每提离一段距离，其探头环境温度就有显著的下降，所以，电磁超声可以用于高温管道检测。

(4)对被探工件表面质量要求不高
EMA T不需要与声波在其中传播的材料接触,就可向其发射和接收返回的超声波。

因此对被探工件表面不要求特殊清理,较粗糙表面也可直接探伤。

(5)检测速度快
传统的压电超声的检测速度，一般都在10米/分钟左右，而EMA T可达到40米/分钟，甚至更快。

(6)声波传播距离远
EMA T在钢管或钢棒中激发的超声波，可以绕工件传播几周。

在进行钢管或钢棒的纵向缺陷检测时，探头与工件都不用旋转，使探伤设备的机械结构相对简单。

(7)所用通道与探头数量少
在实现同样功能的前提下，EMA T探伤设备所用的通道数和探头数都少于压电超声。

特别在板材EMA T探伤设备上就更为明显，压电超声要进行板面的探伤需要几十个通道及探头，而EMA T则只需要四个通道及相应数量的探头就可以了。

(8)发现自然缺陷的能力强
EMA T对于钢管表面存在的折叠、重皮、孔洞等不易检出的缺陷都能准确发现。

上面都是有点，但同时，EMA T也有不可忽视的缺点：
(1)它的换能效率要比传统压电换能器低20—40dB。

当然，这个缺点可以用精心设计与制造电子发射机与
接收机、换能器来弥补。

(2)高频线圈与工件间隙不能太大。

线圈从工件表面每提高一个绕线波长的距离，声信号幅度就要下降107dB
和96dB。

电磁超声的工业应用
电磁超声的工业应用很多：可以应用于测厚，探伤，材料晶格结构检测，材料应力检测等。

EMAT测厚
电磁超声测厚是电磁超声检测技术工业应用的一个重要方面。

可用于测厚的超声波有体波和SV波。

通过检测超声波在试件中传播时延就可以折算出检测试件的厚度。

传统压电探头的测厚精度易受耦合介质的影响，故EMA T在此方面尤其独特优点。

EMA T测厚的关键是波模纯、声束窄、脉冲窄（但要有足够的幅度）及消除工件电、磁、声性能的变化对测量的影响。

由于EMA T采用垂直入射的横波，故纵向分辨力要比压电换能器高出一倍。

在这方面的典型应用是无缝钢管的检测。

在冶金工业中无缝钢管是由钢锭控制成形的，因此钢管壁厚的均匀程度是评定钢管质量的重要指标。

传统的检测方法是利用尺规测量钢管的头尾尺寸，因无法得知中间部分的数据，所以无法有效控制产品的质量。

应用电磁超声技术，通过测量钢管上不同位置的壁厚，得知其壁厚的均匀程度，从而为控制产品质量提供了一种可靠的检测手段。

金属探伤
金属探伤是无损检测领域中一个重要组成部分。

电磁超声技术通过观察缺陷的回波与物体底面的回波来确定物体中缺陷的位置和大小。

应用电磁超声的原理在被测物体(导体)中激发超声波。

此超声波就在被测物体中传播，当遇到声阻抗不同的物体时发生反射，利用涡流线圈来接收这个反射波，通过计量此超声波在物体中的传播时间，就可以计算出被测物体的厚度值及缺陷所在位置。

国内最早将电磁超声用于金属探伤研究的是北京钢铁研究总院的张广纯等。

他们通过发射机发射出大功率脉冲信号，在厚度为18mm的钢板中产生Lamb波检测缺陷。

发射机功率>50kW。

为消除检测的盲区，该技术采用了两个线圈同时进行检测。

航天工业总公司第二研究院研制了一套热钢板在线自动化电磁超声探伤系统。

系统采用电磁超声换能器在钢板中激发出体波，数十个探头同时在钢板上探伤。

可对500℃以下的钢板进行在线检测，。