超声波无损检测原理及应用

北京工业大学

研究生课程考试答题纸考试课程：材料加工理论基础Array

课程类别：专业学位课

研究生学号：S*********

研究生姓名：乔巧

学生类别：硕士

考试时间：2014-12

超声波无损检测原理及应用Application and Prospect of Ultrasonic Nondestructive Test

学院：材料科学与工程

学号： S*********

*名：**

指导教师：李晓延 (教授)

摘要

超声无损检测是物体无损检测的一种重要方法，几乎应用到所有工业部门。本文回顾了超声无损检测技术的发展历史，阐述了超声无损检测技术应用现状，并展望超声无损检测技术未来发展趋势。

Abstract: Ultrasonic nondestructive test is an important method of nondestructive test used in all the industries. This paper reviews the developmental history of such technology and discusses the present situation of its application and the future developmental tendency as well.

关键词：超声波；无损检测；无损探伤；无损评价

1 绪论

1.1 无损检测技术的发展概述及研究现状

1.1.1 无损检测的概念及发展概述

无损检测(nondestructivetest) 简称NDT。人们常常用手拍击西瓜判断是否成熟，检车工敲击车轴检查机车车轮是否能安全运行；医生用扣诊的方法诊断病情。这些都是常见的‘无损检测’。无损检测，就是在不损伤被检材料、工件或设备的情况下，应用某些方法来测定其物理性能、状态和内部结构，检测其不均匀性，从而判定其合格与否[1]。工业上最常用的无损检测方法有五种：超声检测(UT)、射线探伤(RT)、渗透探查(PT)、磁粉检测(MT)和涡流检测(ET)。超声检测原理是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。超声波无损检测在近几十年中得到了较大的进展，它已成为材料或结构的无损检测最常用的手段。随着现代工业的发展，尤其是原子能、航空、航天技术的高度发展，无损检测技术越来越为人们所重视。各种测试技术及有关材料科学和物理科学的发展，也为无损检测技术的应用提供了新的可能性。材料和工件的无损检测与评价对于控制和改进生产过程中的产品质量，保证材料、零件和产品的可靠性，以及提高生产率等都起着关键性的作用。

纵观无损检测技术的发展，前后经历了三个阶段[2]。早期称为无损探伤(Non-destructive inspection，简称NDI)，它的作用是在不损坏产品的前提下，探测出人眼无法看到的缺陷，以满足工程设计中的要求。超声波无损探伤(NDI)设备有：超声探伤仪、探头、藕合剂及标准试块等。用途是：检测铸件缩孔、气泡、焊接裂纹、夹渣、未熔合、未焊透等缺陷及厚度测定。优点有：对平面型缺陷十分敏感，一经探伤便知结果；易于携带；多数超声探伤仪不必外接电源；穿透力强。局限性是：藕合传感器要求被检表面光滑；难于探出细小裂缝；要有参考标准；为解释信号要求检验人员素质高。

随着电子技术的迅速发展，使超声波无损探伤技术和仪器也得到了相应发展与应用。早在1929年苏联萨哈诺夫提出利用穿透法检查固体内部结构，以后利用连续超声波在实验室研究成功。第二次世界大战期间，以声脉冲反射为基础的声纳设备在法国问世，并成功地用于水下潜艇检测。在声纳技术的基础上，美、英两国分别于1944年和1964年研制成功脉冲反射式超声波探伤仪，并逐步用于锻钢和厚钢板的探伤。1964年后，由于电子元器件和电子技术设计的进步，使超声波探伤技术有了较大的改进。70年代计算机技术的发展及介入，不仅提高了设备的抗干扰能力，而且利用计算机的运算功能，实现了对缺陷信号的自动读数、自动识别、自动补偿、定量和报警。80年代，随大规模集成电路和微机技术的快速发展。1983年德国队Knsutknmer公司推出第一台便携式数字化超声波探伤仪USDI型，采用的是Z800cpu，尽管有许多不足，但已显示出数字化超声波探伤仪强大的生命力。

我国50年代初引进苏联超声波探伤仪，60年代初期先后形成了一些批量生产的厂家，80年代初，国内各生产厂研制生产的超声波探伤仪的主要技术招标均有大幅度地提高，较好地满足了超声波探伤技术的需要。我国便携式数字化超声波探伤仪的研制随大规模集成电路的发展也已开始形成规模生产，并得到推广使用。如1989年中科院武汉物理所武汉科声技术公司研制成功国内第一台全数字化超声波探伤仪(KS1010型)，并于1990年批量推向市场，与此同时中科院声学所数字、模拟组合式电脑超声波探伤仪也研制成功并推向市场。汕头超声电子(集团)公司在1980年推出了CTS-22型超声波探伤仪，其主要性能指标与当时国际同类仪器水平相当，目前该公司已生产出智能式、手推式、便携式彩色、数字式的多种金属超声波探伤仪，其技术、质量、产销量均占全国首位。

第二阶段称为无损检测(Non-destructive Testing，简称NDT)，对于工业发达国家来说，这个阶段始于20世纪70年代，它不仅检测最终产品，而且要测量工程工艺参数，诸如温度、压力、密度、粘度、浓度、成分、液位和流量等。

超声无损检测与其它常规技术相比，它具有被测对象范围广、检测深度大、缺陷定位准确、检测灵敏度高、成本低、使用方便、速度快、对人体无害及便于现场检测等优点。几十年来，超声无损检测已得到了巨大发展和广泛应用，几乎应用到所有工业部门。如作为基础工业的钢铁工业，机器制造工业、锅炉压力容器有关工业部门、石油化工工业、铁路运输工业、造船工业、航空航天工业、高速发展中的新技术产业如集成电路工业、核电工业等重要工业部门。目前大量应用于金属材料和构件，包括质量在线监控和产品在役检查。水平普遍提高，应用频度和领域也日益增多。

目前我国对各种大型结构压力容器和复杂设备都已具备检测能力。在裂缝自身高度的测量和高温条件下的非接触超声检测等方面都有很大进展。

核电工业虽然是我国的新兴工业，但超声检测已用于核电工业的各个方面。我国已能按业主的要求及标准的规定，使用国际先进的装备，执行国际通用标准，完成核电厂和核设施的役前及在役检查。

利用超声波测量流速、流量的技术在医疗、供水、排水、废水处理、电力、石油、化工、冶金、矿山、环保、河流、海洋等计量中有着广泛的应用，不仅可用于流体，液体两相流的测量，还可用于气体流量测量，其研究已有数十年历史。1928年，法国路登(RUTTEN)研制成功世界第一台超声波流量计，直到50年代末期，超声波流量计由理论研究阶段进入人工测量时期，但由于电子线路技术太复杂，这种流量计未占有牢固地位。70年代后，由于集成电路技术迅速发展，使实用的超声波流量计得以迅速发展。进入80年代以后，随着电子技术，尤其是微电脑的发展，使超声波流量计的性能有很大提高，应用范围日趋扩大。美国Controlotron公司生产的480型宽声束超声流量计，不但可以从宽噪声信号等干扰中分辨出真实的流量信号，还能通过液晶屏显示流量随时间变化趋势图；美国Polysonics公司的便携式DDF3088型，固定式DDF4088型全数字化多普勒超声波流量计，适于高精度管外测量。日本富士电机制造公司的便携式超声波流量计，采用TCL(频差法)原理，内装CPU进行温度自动补偿，精度1.5%。国内华中理工大学研制成功(1993)超声波多普勒智能流量计；本溪无线电一厂生产的多普勒超声波流量计是80年代定型的产品，用于洪水和油田等场合；开封仪表厂能源部南京自动化研究所、长沙电子仪器二厂等生产厂家和研究单位均有相应的产品。此外，目前用超声波进行压力检测的仪器已研究成