(完整版)无损检测技术及其应用

无损检测技术及其应用
一、无损检测概述
无损检测 NDT （Non-destructive testing），就是利用声、光、磁和电等特性，在不损害或不影响被检对象使用性能的前提下，检测被检对象中是否存在缺陷或不均匀性，给出缺陷的大小、位置、性质和数量等信息，进而判定被检对象所处技术状态（如合格与否、剩余寿命等）的所有技术手段的总称。

与破坏性检测相比，无损检测具有以下显著特点：
(1) 非破坏性
(2) 全面性
(3) 全程性
(4) 可靠性问题
开展无损检测的研究与实践意义是多方面的，主要表现在以下几方面：
(1) 改进生产工艺：采用无损检测方法对制造用原材料直至最终的产品进行全程检测，可以发现某些工艺环节的不足之处，为改进工艺提供指导，从而也在一定程度上保证了最终产品的质量。

(2) 提高产品质量：无损检测可对制造产品的原材料、各中间工艺环节直至最终的产成品实行全过程检测，为保证最终产品年质量奠定了基础。

(3) 降低生产成本：在产品的制造设计阶段，通过无损检测，将存有缺陷的工件及时清理出去，可免除后续无效的加工环节，减小原材料和能源的消耗节约工时，降低生产成本。

(4) 保证设备的安全运行：由于破坏性检测只能是抽样检测不可能进行100%的全面检测，所得的检测结论只反映同类被检对象的平均质量水平。

此外，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。

“现代工业是建立在无损检测基础之上的”并非言过其实。

无损检测分为常规检测技术和非常规检测技术。

常规检测技术有：超声检测Ultrasonic Testing（缩写 UT）、射线检测 Radiographic Testing（缩写 RT）、磁粉检测 Magnetic particle Testing（缩写 MT）、渗透检验Penetrant Testing （缩写 PT）、涡流检测Eddy current Testing（缩写 ET）。

非常规无损检测技术有：声发射Acoustic Emission(缩写 AE)、红外检测Infrared（缩写 IR）、
激光全息检测Holographic Nondestructive Testing（缩写HNT）等。

二、无损检测分类及简介
下面对以上所说的五种常规检测技术以及几种非常规检测技术做一下简要的介绍。

1.超声检测
超声检测的基本原理是：利用超声波在界面（声阻抗不同的两种介质的结合面）出的反射和折射以及超声波在介质中传播过程中的衰减，由发射探头向被检件发射超声波，由接收探头接收从界面（缺陷或本底）处反射回来超声波（反射法）或透过被检件后的透射波（透射法），以此检测备件部件是否存在缺陷，并对缺陷进行定位、定性与定量。

超声检测主要应用于对金属板材、管材和棒材，铸件、锻件和焊缝以及桥梁、房屋建筑等混凝土构建的检测。

2.射线检测
射线检测的基本原理是：利用射线(X射线、γ射线和中子射线)在介质中传播时的衰减特性，当将强度均匀的射线从被检件的一面注入其中时，由于缺陷与被检件基体材料对射线的衰减特性不同，透过被检件后的射线强度将会不均匀，用胶片照相、荧光屏直接观测等方法在其对面检测透过被检件后的射线强度，即可判断被检件表面或内部是否存在缺陷（异质点）。

目前，射线检测主要一个用于机械兵器、造船、电子、航空航天、石油化工等领域中的铸件、焊缝等的检测。

3.磁粉检测
磁粉检测的基本原理是：由于缺陷与基体材料的磁特性（磁阻）不同穿过基体的磁力线在缺陷处将产生弯曲并可能逸出基体表面，形成漏磁场。

若缺陷漏磁场的强度足以吸附磁性颗粒，则将在缺陷对应处形成尺寸比缺陷本身更大、对比度也更高的磁痕，从而指示缺陷的存在。

目前，磁粉检测主要应用于金属铸件、锻件和焊缝的检测。

4.渗透检测
渗透检测的基本原理是：利用毛细管现象和渗透液对缺陷内壁的浸润作用，使渗透液进入缺陷中，将多余的渗透液出去后，残留缺陷内的渗透液能吸附显像剂从而形成对比度更高、尺寸放大的缺陷显像，有利于人眼的观测。

目前，渗透检测主要应用于有色金属和黑色金属材料的铸件、锻件、焊接件、粉
末冶金件以及陶瓷、塑料和玻璃制品的检测。

5.涡流检测
涡流检测的基本原理是：将交变磁场靠近导体（被检件）时，由于电磁感应在导体中将感生出密闭的环状电流，此即涡流。

该涡流受激励磁场（电流强度、频率）、导体的电导率和磁导率、缺陷（性质、大小、位置等）等许多因素的影响，并反作用于原激发磁场，使其阻抗等特性参数发生改变，从而指示缺陷的存在与否。

目前，涡流检测主要应用于导电管材、棒材、线材的探伤和材料分选。

6.声发射检测
声发射检测的基本原理是：利用材料内部因局部能量的快速释放（缺陷扩展、应力松弛、摩擦、泄露、磁畴壁运动等）而产生的弹性波，用声发射传感器级二次仪表取该弹性波，从而对试样的结构完整性进行检测。

目前，声发射检测主要应用于锅炉、压力容器、焊缝等试件中的裂纹检测；隧道、涵洞、桥梁、大坝、边坡、房屋建筑等的在役检（监）测。

7.红外检测
红外检测的基本原理是：用红外点温仪、红外热像仪等设备，测取目标物体表面的红外辐射能，并将其转变为直观形象的温度场，通过观察该温度场的均匀与否，来推断目标物体表面或内部是否有缺陷。

目前，红外检测主要用应于电力设备、石化设备、机械加工过程检测、火灾检测、农作物优种、材料与构件中的缺陷无损检测。

8.激光全息检测
激光全息检测是利用激光全息照相来检验物体表面和内部的缺陷。

它是将物体表面和内部的缺陷，通过外部加载的方法，使其在相应的物体表面造成局部变形，用激光全息照相来观察和比较这种变形，然后判断出物体内部的缺陷。

目前，激光全息检测主要应用于航空、航天以及军事等领域，对一些常规方法难以检测的零部件进行检测，此外，在石油化工、铁路、机械制造、电力电子等领域也获得了越来越广泛的应用。

三．无损检测系统实例——超声波传感器在无损检测中的应用
1.可闻声波是人们能听到的声音, 由物体振动产生, 它的频率在20HZ～20kHZ 范围内。

于20HZ 称为次声波, 人耳虽然听不到但可与人体器官发生共振。

频率超过20KHZ 称为超声波, 检测中常用的超声波频率范围为几十kHZ 到几十MHZ 。

超声波是一种在弹性介中的机械震荡,它的传播波型主要可分为纵波、横波、表面波等三种。

超声波具有以下基本特性:传播速度与介质的密度、弹性特性和环境条件有关;通过两种不同介质时, 会产生反射和折射现象;随着在介质中传播距离的增加, 介质吸收能量, 使超声波的强度有所衰减。

超声波传感器利用晶体的压电效应和电致伸缩效应, 将电和能相互转换, 实现对各种参量的测量。

超声波传感器配上不同的电路制成各种超声波仪器和装置, 广泛应用于工业生产、医疗、家电等许多领域中。

超声波无损探伤具有应用方便、适用性强、准确率高、易自动化等许多优点。

2.超声波传感器的主要作用和结构
超声波传感器是一种可逆换能器,超声波换能器又称超声波探头。

超声波换能器的工作原理有压电式、磁致伸缩式、电磁式等数种, 在检测技术中主要采用压电式。

超声波探头的主要作用是:一个电声换能器, 并能将返回来的声波转换成电脉冲;控制超声波的传播方向和能量集中的程度, 当改变探头入射角或改变超声波的扩散角时, 可使声波的主要能量按不同的角度射入介质内部或改变声波的指向性, 提高分辨率;实现波型转换;控制工作频率;适用于不同的工作条件。

超声波探头又分为直探头、斜探头、双探头、表面波探头、聚焦探头、冲水探头、水浸探头、高温探头、空气传导探头以及其他专用探头等。

接触式直探头的结构如图1所示:
超声探头与被测物体接触时,探头与被测物体表面间存在一层空气薄层, 空气将引起三个界面间强烈的杂乱反射波, 造成干扰, 并造成很大的衰减。

为此, 必须将接触面之间的空气排挤掉, 使超声波能顺利地入射到被测介质中。

在工业中,经常使用一种称为耦合剂的液体物质,使之充满在接触层中,起到传递超声波的作用。

常用的耦合剂有自来水、机油、甘油、水玻璃、胶水、化学浆糊等。

超声波探伤是目前应用十分广泛的无损探伤技术中的一种主要检测手段。

它
既可检测材料表面的缺陷, 又可检测内部几米深的缺陷, 这是x光探伤所达不到的深度。

超声波探伤比X射线探伤具有较高的探伤灵敏度、周期短、成本低、灵活方便、效率高, 对人体无害等优点; 缺点是对工作表面要求平滑、要求富有经验的检验人员才能辨别缺陷种类、对缺陷没有直观性;超声波探伤适合于厚度较大的零件检验。

3.超声波无损探伤的方法
到目前为止, 已经应用或者提议应用的利用超声波探伤进行无损检查的方法见下表:
超声波探伤的方法很多, 最常用的是脉冲反射法。

一般在均匀的材料中, 缺陷的存在将造成材料的不连续, 这种不连续往往又造成声阻抗的不一致, 由反射定理可知, 超声波在两种不同声阻抗的介质的交界面上将会发生反射, 反射回来的能量的大小与交界面两边介质声阻抗的差异和交界面的取向、大小有关。

脉冲反射式超声波探伤仪就是根据这个原理设计的。

脉冲反射法根据超声波波形的不同又分为纵波探伤、横波探伤和表面波探伤。

例如管道环焊缝超声波检测装置原理如图2所示:
目前便携式的脉冲反射式超声波探伤仪大部分是A扫描方式的，所谓A扫描显示方式即显示器的横坐标是超声波在被检测材料中的传播时间或者传播距离，纵坐标是超声波反射波的幅值。

譬如，在一个钢工件中存在一个缺陷，由于这个缺陷的存在，造成了缺陷在钢材料之间形成了一个不同介质之间的交界面，交界面之间的声阻抗不用，当发射的超声波遇到这个界面之后，就会发生发射，反射回来的能量又被探头接受到，在显示屏幕中横坐标的一定的位置就会显示出来一个反射波的波形，横坐标的这个位置就是缺陷在被检测材料中的深度。

这个反射波的长度和形状因不同的缺陷而不同，反应了缺陷的性质。

超声波探伤的有点是监测厚度大、灵敏度高、速度快、成本低、对人体无害，能对缺陷进行定位和定量。

然而，超声波探伤对缺陷的显示不直观，探伤技术难度大，容易受到主、客观因素的影响，以及探伤结果不便保存等，使超声波探伤也有其局限性。

参考文献
[1]王升贵，刘尹霞超声波传感器在无损探伤中的应用,科技信息 2007（13）:84、93
[2]孟立凡. 传感器原理及应用. 北京:国防工业出版社,2005
[3]刘伟. 传感器原理及实用技术. 北京:电子工业出版社,2006。