无损检测 超声波检测

超声波检测华北科技学院机电工程学院摘要：超声无损检测是在现代工业生产中应用的非常广泛的一种无损检测方法，它对于提高产品的质量和可靠性有着重要的意义。

尽管随着电子技术的发展，国内出现了一些数字化的超声检测仪器，但其数据处理及扩展能力有限，缺乏足够的灵活性。

而虚拟仪器是近年来刚刚发展起来的一种新的仪器构成方式，它是一种、通讯技术和测量技术相结合的产物，具有很大的灵活性和扩展性，具有旺盛的生命力。

关键词：无损检测；超声波探伤；计算机技术；通讯技术Abstract：As a kind of NDT(Non-Destructive Testing)，UT (Ultrasonic Testing) is widely used in modern industry, which plays a very important role in improving the quality and the reliability of product. Although along with technical development in electronics, some digital UT instruments have been developed at home, its expand- ability and the ability of processing data limited. VI (Virtual Instru- ment) is a new Instrument structure developed recent years and is an outcome which combines the computer technique, the communication technique together with the measure technique, which has huge expandability, flexibility and the prosperous vitality.Keywords：NDT(Non-Destructive Testing) UT (Ultrasonic Testing) computer technique communication technique1、引言无损检测诊断技术应用的范围十分广泛，已在机械制造、石油化工、舰艇船舶、汽车、铁道、建筑、冶金、航空航天和核能等工业中被普遍采用，取得了显著的经济效益和社会效益。

随着科学技术的发展，对产品质量提出了越来越高的要求，特别是产品关键零部件的质量问题所造成的事故以及巨大的经济损失，使人们更加认识到了无损检测诊断技术的重要性。

在工业发达国家中，无损检测诊断技术已成为必不可少的重要工具和手段。

美国为了保持它在世界科技中的领先地位，在1979年的一次政府工作报告中提出成立六大技术中心，其中之一就是无损检测中心。

美国前总统里根曾说，“如果没有先进的无损检测技术，美国就不可能享有众多领域的领先地位”。

由此可见无损检测诊断技术在现代国民经济中的重要地位。

超声波检测技术是当今社会无损检测技术领域中的一种非常重要的手段和方法。

已被广泛地应用于各行各业的质量监控和安全保障。

近年来，超声无损检测领域的学术气氛十分活跃。

1989年4月在荷兰阿姆斯特丹召开的第12届世界无损检测会议上共发表论文478篇，其中有关超声检测的论文18篇，是论文数量最多的无损检测方法。

1992年10月在巴西圣保罗市召开的第13届世界无损检测会议上宣读和交流的论文共312篇，5种常规无损检测论文占65%，其中有关超声检测的论文最多，占到55%。

1996年第14届世界无损检测会议在印度的新德里举行，会议收到论文732篇，收入论文集的论文550篇，其中与超声检测有关的论文200篇。

新千年的无损检测大会，第15届世界无损检测会议在意大利的罗马市召开，大会收到773篇论文，收入论文集的有663篇，其中有关超声检测的有250篇。

随着微电子技术、计算机技术、数字技术、传感技术、自动控制技术的发展，现代超声无损检测技术已经进入到以计算机控制为主的信息技术时代。

就当前时代国内的超声波检测技术应用情况来看，超声波无损检测诊断技术虽然已经被广泛地应用于各种领域和场所，对质量控制和在线实时检测都具有重要的作用和影响。

但是，其主要的应用发展方向还基本上是不断扩展应用领域。

而且它的重要作用还有赖于无损检测技术方法选择的正确和检测结果是否可靠。

检测结果对检测人员的依赖性都还很强,并且都还存在着一些难以克服的困难和缺陷,比如:①通常要有熟练的技术技能，对结果做出说明及解释。

因此,在相互关系未经证明的情况下,可能存在不同人员对结果看法不统一。

②外界环境的温度、湿度、粉尘、振动、噪音以及磁、电场和仪器本身内部的各种干扰都会对检测结果造成难以估计的后果。

③性能可以直接测试、而检测结果却只是定性或相对的。

④检测人员的技术水平、操作技能、知识水准等,检测人员对工作的责任心,检测人员在操作期间的心理和生理状况都会对检测结果造成很大的影响。

⑤我国的超声无损检测还大部分是采用常规的A型脉冲反射法技术，存在不直观、判伤难、无记录、人为因素影响大等缺点，严重影响着超声检测结果的可靠性。

当然，伴随着以计算机技术为具体体现的信息技术的突飞猛进，现代超声无损检测技术主要还是向着数字信号处理和检测成像方面发展。

已经应用或正在采用的数字信号处理技术主要有：时间渡越衍射技术、合成孔径聚焦技术、裂谱技术、倒谱技术、模式识别和分析、自适应神经网络等。

采用数字动态滤波技术提高检测信噪比,通过频谱分析进行超声参量检测和提取,数字信号处理压缩波形有效提高检测分辨率。

2、超声波及超声波检测2.1超声波的基本性质通常人耳能够听到的声波的频率范围在20-20000Hz之间，人们习惯上把频率超过20KHz的声波称为超声波。

超声波本质上是一种机械波，所以它的产生必须依赖于两个条件，一是有做机械振动的声源，二是有能够传播振动的弹性介质。

波的种类是根据介质质点的振动方向和波动传播方向的关系来区分的。

超声波在介质中传播的波形有许多种，用于探伤的有纵波、横波、表面波、板波等，其中最常用的是纵波直探头探伤和横波斜探头探伤。

纵波常用来探测钢板、锭材、大型锻件等形状比较简单的制品，而横波常用来检测焊缝、管材等形状比较复杂的制品。

2.1.1超声波的速度及波长声波在介质中向前传播的速度，称为声速。

对于不同种类的超声波，其传播速度不同。

超声波在介质中的传播速度与介质的弹性模量及介质的密度有关，对一定的介质，弹性模量和密度为常数，故声速也是常数。

不同的介质，有不同的声速。

超声波波形不同时，介质弹性变形的方式不同，速度也不一样。

因此，超声波在介质中传播的速度是表征介质声学特性的一个重要参数。

超声波的频率、波长和声速之间的关系如下:λ=fc/其中λ为超声波的波长、c为超声波在介质中的的波速、ƒ为超声波的频率。

可见，在同一种介质中超声波的波长与超声波的频率成反比。

2.1.2超声波的衰减超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，其能量逐渐减弱，这种现象叫做超声的衰减。

均质物质对超声波强度(声压)不曾造成减弱，然一般材料或多或少都会使超声波强度造成衰减，其原因来自于吸收与散射两种现象。

吸收:材料将声束能量转换为热能而散失，使得声束强度降低。

散射:由于材料的非均质性，包括杂质、气孔、晶界…等阻碍声束传送而形成许多声束分量，致使超声波强度减弱。

2.2超声波检测技术的介绍作为无损检测技术中一种非常重要的方法。

超声波用于无损检测领域是由其特性决定的：超声波是指频率大于20KHZ，并且能在连续介质中传播的弹性机械波。

超声波的方向性好。

超声波具有像光波一样的方向性，经过专门的设计可以定向发射，利用超声波可在被检测对象中进行有效的探测。

超声波的穿透能力强。

对大多数介质而言，它具有较强的穿透能力。

特别在一些金属材料中，其穿透能力可达数米。

超声波的能量高。

超声检测的工作频率远高于声波的频率，具有很高的能量。

被检材料的声速、声衰减、声阻抗等特性携带有丰富的能量转换信息，成为广泛应用超声波检测的基础。

遇有界面时，超声波将发生反射、折射和波型的转换。

利用超声波在介质中传播时的这些物理现象，经过巧妙的设计，使得超声检测工作的灵活性、精确度得以大幅度提高，这也是超声检测得以迅速发展的原因。

对人体无害、适应性强、检测灵敏度高、设备轻巧、使用灵活、检验速度快、可及时得到探伤结果，适合在车间、野外和水下等各种环境下工作，并能对正在运行的装置和设备进行检测和诊断。

2.2.1超声波探伤的原理超声波探伤是利用超声波在物体中传播的一些物理特性来发现物体内部的不连续性(即通常所说的缺陷)的一种方法。

首先通过激励超声发射换能器产生超声波并使其进入工件，然后再通过超声接收换能器将工件中经过被检测材料自身或缺陷所反射、折射、衍射、散射的入射波转换成接收信号，缺陷作为与构件材料不同的介质将会产生不同的特征信号，接着再对接收到的信号进行分析，从而获得有关缺陷或材料的特性信息。

2.2.2超声波探伤方法的分类超声波探伤法的种类很多，根据声耦合方式可分为接触法和液浸法两大类，按声波传播方式可分为反射法和透射法两种。

按超声波激励方式可分为脉冲波、连续波和调频波等探伤方法。

按波形分又可分为纵波、横波、表面波和板波等。

在目前的实际使用中，广泛使用的是接触式脉冲反射法。

考虑到脉冲超声探伤仪在实际中应用最为广泛，在此将对基于虚拟仪器技术的超声脉冲反射式探伤仪的实现技术进行讨论。

超声波以持续极短的时间发射脉冲到被检工件内，利用被检工件底面或内部缺陷的反射回波探测反射源的位置和大小的方法，称为脉冲反射法。

纵波脉冲反射法工作原理如图2-1所示，一般只需要一个探头兼做发射和接收。

超声探伤主要是判断工件材料有无缺陷，若有缺陷时，确定缺陷的大小和位置，进而评价其有无使用价值和修复的可能性。

图2-1脉冲法纵波探伤原理换能器发射的超声波在工件内部传播时，当遇到不同介质时，将发生反射。

反射信号的强度与反射率R 的大小有关，而反射率R 只与入射介质和反射介质的材料有关。

由于反射信号通过的声程是一定的，换能器获得的反射信号的强度也是一定的。

当工件无缺陷时，只有始发射脉冲波和底面反射波，两者之间没有其它回波。

当工件中有面积小于声束截面的小缺陷，则会在始波和底波之间出现缺陷回波。

缺陷回波在时间轴上的位置可以确定缺陷在工件中的位置，缺陷回波幅度的大小取决于缺陷在声束入射方向上的投影面积的大小，当有缺陷回波出现时，底波高度下降。

当工件中缺陷大于声束截面时，全部声能被缺陷所反射，只有始波和缺陷回波，不会出现底波。