安全檢測與監(jiān)控（82頁)ppt課件

1、安全檢測與監(jiān)控主講：樊建春六、結(jié)構(gòu)完整性檢測內(nèi)容簡介一、結(jié)構(gòu)完整性檢測概述二、超聲檢測與聲發(fā)射檢測技術(shù)三、射線檢測技術(shù)四、電磁檢測技術(shù)五、滲透檢測技術(shù)六、紅外檢測技術(shù)六、結(jié)構(gòu)完整性檢測1. 結(jié)構(gòu)完整性 ( Structural Integrity)6.1 結(jié)構(gòu)完整性問題 反映組成工程系統(tǒng)的構(gòu)件安全可靠服役的能力。完整性良好意味著： 構(gòu)件在物理上和功能上是完整的； 構(gòu)件處于受控狀態(tài)； 存在持續(xù)性措施防止構(gòu)件在運行階段發(fā)生事故； 結(jié)構(gòu)完整性與構(gòu)件設(shè)計、制造、安裝、施工、運行、維護、檢修和管理的各個過程密切相關(guān)。 結(jié)構(gòu)完整性著重研究安全工程系統(tǒng)中機的問題及其影響因素。六、結(jié)構(gòu)完整性檢測6.1 結(jié)構(gòu)完

2、整性問題 結(jié)構(gòu)完整性不足或喪失，意味著： 結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷（缺陷），難以保證安全可靠服役； 構(gòu)件功能部分或完全喪失； 運行階段所采取的措施不足以預(yù)防失效事故的發(fā)生。 受各種復(fù)雜因素的影響，工程系統(tǒng)的構(gòu)件在運行過程中的結(jié)構(gòu)完整性實際上是動態(tài)變化的，對結(jié)構(gòu)完整性適時進行檢測與評價，是結(jié)構(gòu)完整性管理的核心任務(wù)之一。六、結(jié)構(gòu)完整性檢測6.1 結(jié)構(gòu)完整性問題 六、結(jié)構(gòu)完整性檢測6.1 結(jié)構(gòu)完整性問題 六、結(jié)構(gòu)完整性檢測6.1 結(jié)構(gòu)完整性問題 六、結(jié)構(gòu)完整性檢測6.1 結(jié)構(gòu)完整性問題 結(jié)構(gòu)完整性檢測與評價的主要工作內(nèi)容：1、系統(tǒng)工況分析，確定被測對象的檢測條件要求；2、依據(jù)條件要求，選擇合適的檢測方法；3、確

3、定檢測實施方案；4、檢測方案實施，采集數(shù)據(jù)；5、檢測數(shù)據(jù)處理；6、檢測結(jié)果分析、解釋；7、結(jié)構(gòu)完整性評價：剩余工作能力、建議措施、預(yù)測 六、結(jié)構(gòu)完整性檢測6.1 結(jié)構(gòu)完整性問題 常用結(jié)構(gòu)完整性檢測方法：1、電磁檢測技術(shù)（磁粉、漏磁、渦流、磁記憶）；2、超聲檢測技術(shù)；3、聲發(fā)射檢測技術(shù)；4、射線檢測技術(shù)；5、滲透檢測技術(shù)；6、紅外檢測技術(shù)。 超聲波檢測主要用于檢測試件的內(nèi)部缺陷，它的應(yīng)用十分廣泛。用于探傷的超聲波頻率為0.425MHz。 6.2.1 超聲波的發(fā)生及其性質(zhì) 1. 超聲波的發(fā)生和接收 壓電效應(yīng)：對某些物質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向施加力而使其變形時，在一定表面上將產(chǎn)生電荷，外力去掉后又重新回到

4、不帶電狀態(tài)的現(xiàn)象。 反之，如在這些物質(zhì)的極化方向施加電場，這些物質(zhì)又在一定方向上產(chǎn)生機械變形或機械應(yīng)力，當(dāng)外電場撤去時這些變形或應(yīng)力則隨之消失，這種現(xiàn)象為逆壓電效應(yīng)。六、結(jié)構(gòu)完整性檢測6.2 超聲波檢測技術(shù) 超聲波的產(chǎn)生（逆壓電效應(yīng)）： 對壓電材料施加交變電壓，從而產(chǎn)生交替的壓縮和拉伸，由此產(chǎn)生振動，振動頻率與交變電壓的頻率相同，當(dāng)施加在壓電晶體上的交變電壓頻率在超聲波范圍內(nèi)時，產(chǎn)生的振動就是超聲波振動。如將這種振動耦合到彈性介質(zhì)中，則在彈性介質(zhì)中傳播的就是超聲波。超聲波的接收： 將超聲能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿倪^程，利用壓電材料的壓電效應(yīng)。超聲波檢測所利用的探頭，一方面用于發(fā)生超聲波，另一方面用于接收從

5、界面、缺陷返回的超聲波。六、結(jié)構(gòu)完整性檢測6.2 超聲波檢測技術(shù) 2、超聲波的種類 縱波：聲波介質(zhì)質(zhì)點的振動方向與傳播方向一致； 橫波：在固體介質(zhì)中傳播的剪切波（質(zhì)點運動方向垂直于聲波傳播方向）； 表面波：在固體介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ牟ǎㄙ|(zhì)點運動為橢圓形，且橢圓的主軸垂直于波的傳播方向）；是一種僅沿固體表面?zhèn)鞑サ募羟胁ǎ?板波（Lamb）：在薄板中傳播的波，平行于測試表面，質(zhì)點運動軌跡也是橢圓形，僅當(dāng)被測材料厚度為檢測頻率下的幾個波長時，在厚度均勻的地方才會產(chǎn)生。 超聲波檢測中，直探頭產(chǎn)生縱波，斜探頭產(chǎn)生橫波。六、結(jié)構(gòu)完整性檢測6.2 超聲波檢測技術(shù) 六、結(jié)構(gòu)完整性檢測6.2 超聲波檢測技術(shù) 波的類型

6、質(zhì)點振動特點傳播介質(zhì)應(yīng) 用縱 波質(zhì)點振動方向平行于波傳播方向固、液、氣體介質(zhì)鋼板、鍛件探傷等橫 波質(zhì)點振動方向垂直于波傳播方向固體介質(zhì)焊縫、鋼管探傷等表面波質(zhì)點作橢圓運動，橢圓長軸垂直波傳播方向，短軸平行于波傳播方向固體介質(zhì)鋼管探傷等板 波對稱型(S型)上下表面：橢圓運動, 中心：縱向振動固體介質(zhì)(厚度與波長相當(dāng)?shù)谋“?薄板、薄壁鋼管等(6mm)非對稱型(A型)上下表面；橢圓運動，中心：橫向振動3、聲速 聲波在不同介質(zhì)中的傳播速度： 空氣：340m/s； 水：1500m/s； 鋼：5900m/s（縱波）、3230m/s（橫波）、 表面波：3007m/s 聲速取決于傳播介質(zhì)的彈性系數(shù)、密度和聲波

7、的種類，與頻率和晶片無關(guān)。 橫波的聲速大約是縱波聲速的一半，表面波聲速約為橫波的0.9倍。六、結(jié)構(gòu)完整性檢測6.2 超聲波檢測技術(shù) 4、波長 波在一個周期內(nèi)或者說質(zhì)點完成一次振動所經(jīng)過的路程稱為波長。 =V/f； V速度；f頻率；：波長 在超聲波檢測中，能被檢測到的最小檢測體的主尺寸至少為檢測頻率下的半波長。如果已經(jīng)知道要檢測的不連續(xù)的臨界尺寸，則有助于選擇合適的檢測頻率。 例1：計算頻率為5MHz的縱波在鋼鐵中傳播的波長，設(shè)低碳鋼中的波速為5960m/s。 例2：計算頻率為5MHz的縱波在鋁中傳播的波長，設(shè)鋁中的波速為6400m/s。六、結(jié)構(gòu)完整性檢測6.2 超聲波檢測技術(shù) 5、超聲場及其特

8、征量 充滿超聲波的空間叫做超聲場，描述超聲場的特征量有聲壓、聲強、聲阻抗。6、波的反射和透射 （1）垂直入射時的反射和透射 當(dāng)超聲波垂直地傳到界面上時，一部分超聲波被反射，而剩余的部分就穿透過去，這兩部分的比率取決于兩種介質(zhì)的聲阻抗。當(dāng)鋼中的超聲波傳播到底面遇到空氣介質(zhì)界面時，由于空氣和鋼中聲波傳播速度和密度相差很大，接近100%的超聲波被反射回來，而當(dāng)交接界面為鋼和水時，有88%的聲能被反射。聲壓反射率：R=(Z2-Z1)/(Z2+Z1)， Z1、Z2為兩種介質(zhì)的聲阻抗聲壓透射率：D=2Z2/(Z2+Z1)， Z1、Z2為兩種介質(zhì)的聲阻抗（聲阻抗：超聲場中任一點的聲壓與該處質(zhì)點振動速度之比稱

9、為聲阻抗；超聲場中某一點在某一時刻所具有的壓強與沒有超聲波存在時的靜態(tài)壓強之差，稱為該點的聲壓）六、結(jié)構(gòu)完整性檢測6.2 超聲波檢測技術(shù) （2）斜射時的反射和透射 當(dāng)超聲波斜射到界面上時，在界面上會產(chǎn)生反射和折射。六、結(jié)構(gòu)完整性檢測6.2 超聲波檢測技術(shù) i1s2sL反射角和折射角的大小取決于兩種介質(zhì)的中聲速。C1入射波聲速 入射角 反射角L 縱波S 橫波 7、指向性 聲束集中向一個方向輻射的性質(zhì)，叫做聲波的指向性，探傷采用高頻超聲波，其理由之一就是希望它具有指向性，便于超聲波探傷發(fā)現(xiàn)缺陷，確定缺陷位置。 8、近場區(qū)和遠場區(qū) 在超聲波探頭的聲場中，按聲場變化的規(guī)律分為近場區(qū)和遠場區(qū)。 在近場區(qū)

10、，聲束可粗略地認(rèn)為是圓柱形的，且與傳感器晶片的直徑相同，在近場區(qū)以外的遠場區(qū)，聲束會以圓錐形擴散：六、結(jié)構(gòu)完整性檢測6.2 超聲波檢測技術(shù) 9、小物體上的超聲波反射 在超聲波探傷中，缺陷尺寸的檢出極限為超聲波波長的一半。缺陷尺寸越大，越容易反射。六、結(jié)構(gòu)完整性檢測6.2 超聲波檢測技術(shù) 近場區(qū)遠場區(qū)幅值距離近場區(qū)遠場區(qū)Y0指數(shù)規(guī)律衰減因干涉波動6.2.2 超聲波檢測原理及方法 超聲波檢測利用超聲波通過兩種介質(zhì)的界面時發(fā)生反射和折射的特性來探測零件內(nèi)部的缺陷。 由于超聲波在異質(zhì)界面上會發(fā)生反射、折射等現(xiàn)象，尤其是不能通過氣體固體界面。如果金屬中有氣孔、裂紋、分層等缺陷(缺陷中有氣體)或夾雜，超聲

11、波傳播到金屬與缺陷的界面處時，就會全部或部分反射。反射回來的超聲波被探頭接收，通過檢測儀器處理，可得到不同高度和有一定間距的波形，根據(jù)波形的變化特征可以判斷缺陷在工件中的深度、位置和形狀。六、結(jié)構(gòu)完整性檢測6.2 超聲波檢測技術(shù) 6.2.2 超聲波檢測原理及方法 1、脈沖反射法 將具有一定持續(xù)時間和一定頻率間隔的超聲脈沖發(fā)射到被測工件上，當(dāng)超聲波在工件內(nèi)部遇到缺陷時，就會產(chǎn)生反射，根據(jù)反射信號的時差變化及在顯示器上的位置就可以判斷缺陷大小及深度。 可以通過改變?nèi)肷浣堑姆椒òl(fā)現(xiàn)不同方位的缺陷，利用表面波可以檢測復(fù)雜形狀零件的表面缺陷，利用板波可以檢測薄板的缺陷。六、結(jié)構(gòu)完整性檢測6.2 超聲波檢

12、測技術(shù) 1）垂直探傷法（縱波法） 當(dāng)把脈沖振蕩器發(fā)生的電壓加到晶片上時，晶片振動，產(chǎn)生超聲波脈沖。如果被檢物是鋼的話，超聲波以5900米/秒的固定速度在鋼內(nèi)傳播，超聲波碰到缺陷時，一部分從缺陷反射回到晶片，而另一部分未碰到缺陷的超聲波繼續(xù)前進，直到被檢底面才反射回來。六、結(jié)構(gòu)完整性檢測6.2 超聲波檢測技術(shù) 脈沖發(fā)生器接收放大器探頭工件缺陷TFBT發(fā)射波F缺陷波B底波 垂直探傷法能發(fā)現(xiàn)與探傷面平行或近于平行的缺陷，適用于厚鋼板、軸類、輪等幾何形狀簡單的工件。2）斜射探傷法（橫波法） 在斜射法探傷時，由于超聲波在被檢物中是斜向傳播的，超聲波是斜射向底面不會有底面回波。 斜射探傷法能發(fā)現(xiàn)與探測表面

13、成角度的缺陷，常用于焊縫、環(huán)狀鍛件、管材的檢查。六、結(jié)構(gòu)完整性檢測6.2 超聲波檢測技術(shù) TTFTB斜射探傷：無缺陷波形斜射探傷：含缺陷波形斜射探傷：板端反射波形 2、共振法 若某一頻率的聲波在被測工件內(nèi)傳播，當(dāng)工件的厚度是超聲波半波長的整數(shù)倍時，將引起共振，儀器顯示出共振頻率，利用相鄰兩個共振頻率差，可確定被測工件的厚度：六、結(jié)構(gòu)完整性檢測6.2 超聲波檢測技術(shù) 共振法主要用于測量壁厚；依據(jù)前后檢測共振點變化，可檢測復(fù)合材料膠合質(zhì)量、板材點焊質(zhì)量、均勻腐蝕和板材內(nèi)部夾層等。設(shè)備簡單、測量精確。 3、透射法 利用超聲波穿透工件后的能量變化來判斷工件缺陷情況。六、結(jié)構(gòu)完整性檢測6.2 超聲波檢測

14、技術(shù) 當(dāng)工件無缺陷時，能量衰減小，接收探頭得到的信號強；當(dāng)存在缺陷時，由于反射或折射導(dǎo)致接收探頭得到的信號較弱，依據(jù)接收信號大小可判斷缺陷位置及大小。發(fā)射探頭接收探頭 適合探測較薄工件的缺陷和超聲波衰減大的勻質(zhì)材料，設(shè)備簡單、操作方便，速度快，對形狀簡單、批量大的工件易實現(xiàn)連續(xù)檢測；不能檢測缺陷深度、小缺陷，探傷靈敏度低，對探頭安裝位置要求高。 4、接觸測量與液浸測量 接觸測量利用探頭與工件表面之間的一層耦合劑直接接觸進行探傷。耦合劑要求有較高聲阻抗且透聲性好。 操作方便，但對工件表面粗糙度要求高。 液浸測量將探頭與工件全部浸入液體，或?qū)⑻筋^與工件局部充入液體進行探傷。液浸法當(dāng)用水作耦合介質(zhì)時

15、，稱作水浸法。水浸法探傷時，探頭常采用聚焦探頭以保證靈敏度。 探頭與工件不直接接觸，檢測速度高，易實現(xiàn)自動化檢測。六、結(jié)構(gòu)完整性檢測6.2 超聲波檢測技術(shù) 6.2.3 超聲波檢測儀器 1、A型顯示探傷儀：波形顯示：橫坐標(biāo)代表聲波的傳播時間(或距離)，縱坐標(biāo)代表反射波的幅度。由反射波的位置可以確定缺陷位置，由反射波的幅度可估算缺陷大小。 2、B型顯示探傷儀：圖象顯示：橫坐標(biāo)靠機械掃描代表探頭掃查軌跡，縱坐標(biāo)靠電子掃描代表聲波的傳播時間(距離)，可直觀地顯示出被探工件任一縱截面上缺陷分布及深度。 3、C型顯示探傷儀：圖象顯示：橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)都是靠機械掃描來代表探頭在工件表面的位置。探頭接收信號幅度

16、以光點輝度表示；當(dāng)探頭在工件表面移動時，熒光屏上可顯示出工件內(nèi)部缺陷的平面圖象，但不能顯示缺陷的深度。 六、結(jié)構(gòu)完整性檢測6.2 超聲波檢測技術(shù) 六、結(jié)構(gòu)完整性檢測6.2 超聲波檢測技術(shù) 六、結(jié)構(gòu)完整性檢測6.2 超聲波檢測技術(shù) 6 .2.3 超聲波檢測的應(yīng)用范圍及特點1、適應(yīng)范圍廣：金屬、非金屬、復(fù)合材料均可，勻質(zhì)2、對工件無任何損傷，可檢測微小不連續(xù)缺陷；3、單側(cè)檢驗，便于復(fù)雜工件應(yīng)用；4、穿透力強、靈敏度高，可檢測極厚部件；5、面積型缺陷檢出率高，體積型檢測率低；6、檢驗成本低，速度快，儀器輕小，便于現(xiàn)場應(yīng)用；7、對確定內(nèi)部缺陷的大小、位置、取向、埋深、性質(zhì)等有綜合優(yōu)勢；8、對缺陷在工件

17、厚度方向上定位準(zhǔn)確；9、對人體及環(huán)境無害。六、結(jié)構(gòu)完整性檢測 6.2.4 超聲波檢測的局限性1、接觸測量對接觸可靠性要求高，快速檢測受影響；2、液浸測量時，對液體質(zhì)量要求高，雜質(zhì)會影響檢測結(jié)果；3、材質(zhì)、晶粒度、內(nèi)部組織對探傷有影響；4、工件不規(guī)則的外形和一些結(jié)構(gòu)會影響檢測結(jié)果；5、不平或粗糙的表面會影響耦合和掃查，從而影響檢測精度和可靠性。六、結(jié)構(gòu)完整性檢測 目前用于檢測磁場的方法有多種，在具體選擇時，著重考慮如下因素：（1）檢測磁場范圍；（2）靈敏度；（3）頻率響應(yīng)范圍，能否實現(xiàn)高速檢測；（4）抗干擾能力（如抗溫度漂移的能力）；（5）檢測信號的動態(tài)性能；（6）工作壽命；（7）對提離效應(yīng)的敏

18、感程度；（8）檢測傳感器的綜合成本（包括檢測電路的復(fù)雜程度、使用成本等）；（9）檢測傳感器的尺寸和體積，能否實現(xiàn)高分辨率檢測。六、結(jié)構(gòu)完整性檢測6.3 電磁檢測技術(shù)表2-1 不同磁敏元件的磁場檢測范圍磁檢測技術(shù)磁場范圍價格(元)10-1010-610-2102106鐵磁線圈磁通門1,000-10萬霍爾元件10-1萬磁阻元件10-100巨磁阻10-1000SQUID*1萬-100萬六、結(jié)構(gòu)完整性檢測 磁通門和超導(dǎo)量子磁強計（SQUID）的體積龐大，價格高昂，一般用于特殊領(lǐng)域，而不適合于一般的無損檢測領(lǐng)域。鐵磁線圈、霍爾元件、磁阻元件則是磁場檢測的常用手段，巨磁阻檢測技術(shù)則是近年來迅速發(fā)展的新技術(shù)

19、。1.鐵磁線圈 鐵磁線圈傳感器是在無損檢測中使用最多、歷史最悠久的傳感器，一般由線圈和軟磁芯組成，其響應(yīng)函數(shù)很容易采用經(jīng)典的法拉第電磁感應(yīng)定律推導(dǎo)，在變磁場作用下，線圈中產(chǎn)生的電壓可表示為：fNrdtdBrNVsignal22=p六、結(jié)構(gòu)完整性檢測其中，N為線圈匝數(shù)，r2 為線圈截面積；dB/dt 為磁場變化率，與工作頻率f成正比。顯然，線圈輸出信號的幅度可通過增加線圈匝數(shù)加以提高，然而隨著線圈匝數(shù)的增多，導(dǎo)線總長度增加，電阻將會提高，導(dǎo)致附加的電阻噪聲，由此導(dǎo)致的線圈輸出電壓噪聲為：這樣鐵磁線圈傳感器的信噪比SNR與N線圈匝數(shù)無關(guān)，而與r5/2成正比： 顯然，鐵磁線圈傳感器的信噪比隨著截面尺

20、寸的減小迅速降低，或隨工作頻率的降低而減小.因此，這類傳感器在高分辨率低頻應(yīng)用場合的檢測效能將變得很差。rNVnosie/5frVVSNRnosiesignal2/=六、結(jié)構(gòu)完整性檢測2.霍爾元件 霍爾效應(yīng)緣于洛倫茲力對磁場中電子軌道的的作用。在霍爾器件中，電壓與通過導(dǎo)體或半導(dǎo)體載流產(chǎn)生的磁場成正比?；魻杺鞲衅鞣浅１阋饲液苋菀自诩呻娐分薪M合。然而，霍爾器件與磁阻元件相比靈敏度要低得多,正逐步為磁阻元件所替代.霍爾傳感器已成功地在無損檢測中得到廣泛應(yīng)用，其主要缺點在于靈敏度有限，也正是由于這個原因，霍爾傳感器的檢測效果很容易受檢測距離變化的顯著影響，提離效應(yīng)比較嚴(yán)重。六、結(jié)構(gòu)完整性檢測3.磁阻

21、元件（MR） 磁阻元件是利用磁阻效應(yīng)感應(yīng)磁場的磁敏元件。當(dāng)磁性或半導(dǎo)體材料受到外部磁場作用時，其電阻發(fā)生變化的現(xiàn)象，即磁阻效應(yīng)。磁阻效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，推動了能夠在多種場合替代應(yīng)用成本較高的線圈傳感器的固態(tài)測磁傳感器的發(fā)展。材料的磁阻效應(yīng)品質(zhì)一般采用磁阻率來表示，其定義為：%100minminmax%-=RRRMR六、結(jié)構(gòu)完整性檢測 磁阻率反映出通過磁阻傳感器可獲得的最大信號強度。一般各向異性磁阻傳感器（AMR）的磁阻率為1-2%，而巨磁阻元件（GMR）的磁阻率可達20-50%。 由于磁阻率較為顯著，在實際磁場檢測中得到廣泛應(yīng)用的是各向異性磁阻敏感元件（AMR），這種元件的磁致電阻變化取決于通過薄膜電

22、阻條的電流與外場磁化方向之間的夾角；當(dāng)外磁場方向與電流方向平行時，磁致電阻達到最大值，而當(dāng)外磁場方向與電流方向垂直時，磁致電阻具有最小值；若外磁場與電流方向之間的夾角為時，AMR磁敏元件的電阻為：)(cos20qRRRD+=六、結(jié)構(gòu)完整性檢測圖2-1 AMR的磁阻變化機理解釋 顯然，AMR在外磁場與電流方向之間成45夾角時，具有最高的靈敏度且線性度最佳。因此，實際磁阻元件中AMR材料普遍作成45斜條狀結(jié)構(gòu)。 六、結(jié)構(gòu)完整性檢測圖2-2 AMR的結(jié)構(gòu)形式及經(jīng)適當(dāng)偏置時的磁電阻與磁場關(guān)系 六、結(jié)構(gòu)完整性檢測(a)四個AMR構(gòu)成的惠斯登電橋 (b)電橋中具有不同方位結(jié)構(gòu)電阻圖2-3 惠斯登電橋與磁阻

23、傳感器工作原理六、結(jié)構(gòu)完整性檢測 為減小外界環(huán)境對傳感器穩(wěn)定性的影響，集成的磁阻傳感器芯片中一般采用四個相同的AMR電阻器制成惠斯登電橋，這樣，當(dāng)有外磁場作用時，不同結(jié)構(gòu)方位布置的電阻器因磁化而發(fā)生關(guān)于角對稱的增減（圖2-3），電橋產(chǎn)生的輸出為：在線性范圍內(nèi)，傳感器的輸出與外加磁場成正比，即： 其中，S為傳感器的靈敏度，H為外加磁場的大小。磁阻傳感器的其靈敏度與線性范圍的大小成反比，既線性范圍越寬，其靈敏度越差。 六、結(jié)構(gòu)完整性檢測磁阻傳感器具有以下特點：（1）尺寸?。唬?）高靈敏度，允許傳感器距被測鐵磁工件有一段較長的距離；（3）內(nèi)阻抗小，對電磁噪聲和干擾不敏感；（4）可靠性高；（5）可方便

24、地裝入線路板中，實施成本低。 AMR磁阻傳感器存在的最大問題是磁場檢測范圍偏低（最大10 Oe）。 六、結(jié)構(gòu)完整性檢測4.巨磁阻效應(yīng)（GMR） GMR是法國的Baibich等人于1988年在多層薄膜中發(fā)現(xiàn)的一種新的磁致電阻效應(yīng)，與傳統(tǒng)的磁阻效應(yīng)相比，這種效應(yīng)產(chǎn)生的磁阻率高出一個數(shù)量級，可達20-50%。 巨磁阻元件由兩層或多層鐵磁性金屬（如NiFe, CoFe等）膜組成，各層之間為超薄的非磁性金屬隔離層?？梢詫㈣F磁層看成電子自旋的極化過濾器，隔離層可在允許電子穿過的同時，允許薄膜層的磁場方向相反。六、結(jié)構(gòu)完整性檢測4.巨磁阻效應(yīng)（GMR） 當(dāng)磁性層的按相同方向排列時，一層膜當(dāng)中產(chǎn)生的電子可以相

25、當(dāng)自由地穿過到另一層。然而，如果磁化方向相反，一層膜中產(chǎn)生的電子，將受到鄰近層的封鎖，電子的自由運動受到阻礙，導(dǎo)致電阻的增加。如圖2-4(c)的曲線所示，當(dāng)外磁場為零時，處于正反磁化方向排列的薄膜層存在大量電子散射，電子自由運動受到阻斷，元件具有最大的電阻；當(dāng)受到外磁場作用達到飽和時，電子可以自由地穿過隔離層，電阻最小。 六、結(jié)構(gòu)完整性檢測圖2-4 多層膜GMR 電阻變化機理解釋 六、結(jié)構(gòu)完整性檢測 多層膜元件的一種改進結(jié)構(gòu)如圖2-5所示，這種結(jié)構(gòu)的巨磁阻僅由兩層磁性金屬薄膜組成，底層膜直接沉積在一個抗磁性固化層上?？勾艑颖旧聿黄鸫?，但能夠保持鄰近的鐵磁層磁化方向固定。而另一鐵磁層則可以響應(yīng)外

26、磁場作用，自由改變磁化方向，這種結(jié)構(gòu)的可形象地稱作“自旋閥”，它可以像一個閥門一樣，通過外磁場的作用改變上層薄膜的磁化方向，控制著通過元件的自旋電子流量。在一個經(jīng)過適當(dāng)偏置的自旋閥中，自由層的靜態(tài)位置設(shè)置成與固定鐵磁層垂直，以取得最大的靈敏度和信號振蕩。自旋閥沿固定層方向?qū)ν饧哟艌龅捻憫?yīng)在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)呈線性。這使得磁致電阻R與磁場H之間的關(guān)系為奇函數(shù)且通過零點。六、結(jié)構(gòu)完整性檢測圖2-5 自旋閥GMR工作原理解釋 六、結(jié)構(gòu)完整性檢測 巨磁阻傳感器一般也采用由四個電阻器構(gòu)成惠斯登電橋的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其中兩個電阻為巨磁電阻，另外兩個為磁屏蔽電阻（電阻值不隨磁場變化）。對圖2-6所示的惠斯登電橋，設(shè)R

27、1為巨磁電阻，R2為磁屏蔽電阻，當(dāng)受到外磁場作用時，R1因巨磁阻效應(yīng)而降低，此時電橋的輸出電壓為：boutVRRRRV2121+-=六、結(jié)構(gòu)完整性檢測電流輸入端R1R1R2R2輸出端輸出端R1R2R1R2當(dāng)無外磁場作用時，R1=R2當(dāng)存在外磁場作用時，R10.8T,連續(xù)無法檢測部位如螺紋根部、筒內(nèi)表面，分辯表面/近表面缺陷操作程序預(yù)處理磁化施加磁液檢驗退磁后處理操作特點通電時間0.25-1s,施加磁液2-3遍確保充分潤濕；工件如在磁液中，充磁時間10-20S后取出檢驗優(yōu)點檢測效率、靈敏度、缺陷顯示重復(fù)性及可靠性高，目視可達性好易實現(xiàn)自動化缺點近限于剩磁和矯頑力達到要求的材料，檢測缺陷深度小，對

28、近表面缺陷靈敏度差，不適于干法檢測，不能用多向磁化，交流磁化受斷電相位影響六、結(jié)構(gòu)完整性檢測6.3 電磁檢測技術(shù)3、磁粉檢測方法濕法磁粉檢測定義將磁粉懸浮于載液中進行磁粉檢測應(yīng)用特點大批量工件檢查，對表面微小缺陷檢測效果好，尤其適合壓力容器、宇航工件等高靈敏度要求場合操作特點采用軟管淋澆或浸漬法施加磁懸液，使整個表面完全被覆蓋局限性對大裂紋和近表面缺陷的靈敏度差干法磁粉檢測定義以空氣為載體進行磁粉檢測應(yīng)用特點適合于大型鑄、鍛、焊結(jié)構(gòu)件局部檢測，靈敏度要求不高；適合現(xiàn)場檢測、對大裂紋和近表面缺陷靈敏度高，操作特點磁粉直接噴撒在被測區(qū)域，并除去過量磁粉。局限性磁粉不易回收，污染、浪費多，不能用于剩

29、磁法六、結(jié)構(gòu)完整性檢測6.3 電磁檢測技術(shù)3、磁粉檢測方法橡膠鑄型法磁粉探傷（MT-RC法）定義將磁粉檢測顯示出的缺陷磁痕“鑲嵌”在室溫硫化硅橡膠加固化劑后形成的橡膠鑄型表面，然后對固化的磁痕進行觀察分析應(yīng)用特點可記錄缺陷磁痕，適于剩磁法檢測，可檢測工件孔徑3mm的內(nèi)壁和難以觀察到部位的缺陷；靈敏度高，可精確測量鑄型上的裂紋長度，工藝穩(wěn)定可靠，磁痕顯示重復(fù)性好，可永久記錄局限性可檢測孔深受橡膠扯斷強度限制，檢驗過程慢，不適合大面積檢測，對孔壁粗糙、復(fù)雜、同心度差的多層結(jié)構(gòu)，脫模難六、結(jié)構(gòu)完整性檢測6.3 電磁檢測技術(shù)3、磁粉檢測方法磁橡膠法磁粉探傷（MRI法）定義將磁粉彌散在室溫硫化硅化橡膠液

30、中，加入固化劑后，再倒入受檢部位，磁化工件后在缺陷漏磁場作用下，磁粉在橡膠液中重新遷移和排列。膠液固化后即得含有缺陷顯示的橡膠鑄型。應(yīng)用特點適于水下檢測，可檢測小孔內(nèi)壁和難以觀察到的缺陷，可間斷跟蹤檢測疲勞裂紋的產(chǎn)生和擴展速度。局限性缺點同MT-RC法，固化與磁化時間難以控制，靈敏度比MT-RC差六、結(jié)構(gòu)完整性檢測6.3 電磁檢測技術(shù)4、磁粉檢測設(shè)備磁化裝置（主體裝置）降壓變壓器式蓄電器充放電式可控制單脈沖式電磁鐵式交叉線圈式附屬裝置：退磁裝置、工件夾持裝置、磁懸液噴撒裝置、剩磁測定裝置、缺陷圖像觀察裝置。固定式探傷機移動式探傷機便攜式探傷機類型六、結(jié)構(gòu)完整性檢測6.3 電磁檢測技術(shù)4、磁粉檢

31、測設(shè)備固定式磁粉探傷機 移動式磁粉探傷機 便攜式磁粉探傷儀 六、結(jié)構(gòu)完整性檢測6.3 電磁檢測技術(shù)5、磁粉檢測技術(shù)總結(jié) 利用缺陷部位的漏磁效應(yīng)，通過外加磁場對導(dǎo)磁金屬進行磁化，并借助顯示介質(zhì)來檢測缺陷特性特點適合檢測鐵磁工件或表面非金屬涂層50m的鐵磁工件；對表面或近表面缺陷（裂紋、折疊、夾層、未焊透）等敏感，可直觀顯示缺陷大小、位置、形狀和嚴(yán)重程度，易定性；檢測缺陷深度：交流磁化，2mm;直流磁化，6mm;局限性僅限鐵磁工件的表面或近表面缺陷檢測，單一磁化檢測易受工件復(fù)雜幾何形狀影響；存在非相關(guān)顯示，通電法和觸頭法磁化，易打火燒傷。適用范圍原材料、半成品、成品及在役和使用過的鐵磁工件；管、板

32、、棒等型材，鑄、鍛、焊件；被測表面近表面尺寸很小，間隙很小的鐵磁材料，可檢測0.1mm,微米級寬度的裂紋及目測不易發(fā)現(xiàn)的缺陷；可檢測有磁不銹鋼；不適缺陷：寬淺/針孔/磁力線夾角20六、結(jié)構(gòu)完整性檢測6.3 電磁檢測技術(shù)6.3.2 漏磁檢測技術(shù) 指鐵磁材料被磁化后，表面和近表面缺陷在材料表面形成漏磁場，通過檢測漏磁場來發(fā)現(xiàn)缺陷的檢測技術(shù)。 1、基本原理： 當(dāng)用磁飽和器磁化被測的鐵磁材料時，若材料的材質(zhì)連續(xù)、均勻的，則材料中的磁感應(yīng)線將被約束在材料中，磁通是平行于材料的表面的，幾乎沒有磁感應(yīng)線從表面穿出，被檢表面沒有磁場。但當(dāng)材料中存在著切割磁力線的缺陷時，材料表面的缺陷或組織狀態(tài)變化會使磁導(dǎo)率發(fā)

33、生變化，由于缺陷處的磁導(dǎo)率很小，磁阻很大，使得磁路中的磁通發(fā)生畸變，磁感應(yīng)線會改變途徑，除了一部分的磁通會直接通過缺陷或是在材料內(nèi)部繞過缺陷外，還有部分磁通會離開材料的表面，通過空氣繞過缺陷再重新進入材料，在材料表面缺陷處形成漏磁場。可以通過磁敏感傳感器檢測到漏磁場的分布及大小，從而達到檢測缺陷的目的。六、結(jié)構(gòu)完整性檢測6.3 電磁檢測技術(shù)六、結(jié)構(gòu)完整性檢測6.3 電磁檢測技術(shù)6.3.2 漏磁檢測技術(shù) 2、漏磁檢測系統(tǒng)的磁化方法： 磁化方法對漏磁檢測起重要作用，會影響被檢測對象的磁場信號。按磁化范圍分：局部磁化、整體磁化；按所用勵磁磁源分：交變磁場磁化、直流磁場磁化、永久磁鐵磁化法。 交變磁場

34、磁化方法以交流電激勵電磁鐵進行磁化，電流頻率的增高，磁化的深度減小，磁化后鐵磁性材料不會產(chǎn)生剩磁，不需要退磁； 直流磁場磁化方法以直流電流激勵電磁鐵產(chǎn)生磁場進行磁化，磁化的強度可通過控制電流來實現(xiàn)； 永久磁鐵磁化法以永久磁鐵作為勵磁磁源，其效果相當(dāng)于固定直流磁化。一般采用稀土永磁，它磁能高，體積小。 直流磁化和永久磁化會產(chǎn)生剩磁，退磁與否根據(jù)具體要求而定，對檢測速度參數(shù)沒有特定的要求。磁化強度的選擇一般在于以確保檢測靈敏度和減輕磁化器使缺陷或結(jié)構(gòu)特征產(chǎn)生的磁場能夠被檢測到為目標(biāo)。六、結(jié)構(gòu)完整性檢測6.3 電磁檢測技術(shù)漏磁法檢測管件縱向缺陷 漏磁法檢測管件橫向缺陷 六、結(jié)構(gòu)完整性檢測6.3 電磁

35、檢測技術(shù)6.3.2 漏磁檢測技術(shù) 3、漏磁檢測特點： 由于漏磁場檢測是用磁傳感器檢測缺陷，相對也磁粉、滲透等方法，有以下優(yōu)點：（1）漏磁檢測主要是傳感器獲得信號，計算機進行處理判斷，易于實現(xiàn)自動化。（2）相對于磁粉和滲透到肉眼觀察，這有更高的檢測可靠性。（3）可以實現(xiàn)缺陷的初步量化。（4）高效、無污染、自動化檢測可以獲得很高的檢測效率。（5）在管道檢測中，在厚度達到30mm的壁厚范圍內(nèi)，可以同時檢測內(nèi)外壁缺陷。六、結(jié)構(gòu)完整性檢測6.3 電磁檢測技術(shù)6.3.2 漏磁檢測技術(shù) 3、磁漏檢測的主要應(yīng)用領(lǐng)域： （1）鋼鐵冶金行業(yè)，對鋼結(jié)構(gòu)件、鋼坯、圓鋼、鋼纜，金屬棒、管、線、焊縫等等（2）石油石化行業(yè)

36、，如油氣管道、儲油罐底板，高壓容器等（3）鐵路領(lǐng)域，鐵軌及車輪 六、結(jié)構(gòu)完整性檢測6.3 電磁檢測技術(shù)6.3.3 渦流檢測技術(shù) 1、基本原理： 渦流的產(chǎn)生源于電磁感應(yīng)現(xiàn)象。當(dāng)將交流電施加到導(dǎo)體，磁場將在導(dǎo)體內(nèi)和環(huán)繞導(dǎo)體的空間內(nèi)產(chǎn)生磁場。渦流就是感應(yīng)產(chǎn)生的電流，如果將一個導(dǎo)體放入該變化的磁場中，渦流將在那個導(dǎo)體中產(chǎn)生，而渦流也會產(chǎn)生自己的磁場，該磁場隨著交流電流上升而擴張，隨著交流電流減小而消隱。當(dāng)導(dǎo)體表面或近表面出現(xiàn)缺陷或測量金屬材料的一些性質(zhì)發(fā)生變化時，將影響到渦流的強度和分布，通過檢測渦流的變化情況，可以間接的知道道題內(nèi)部缺陷的存在及金屬性能變化。六、結(jié)構(gòu)完整性檢測6.3 電磁檢測技術(shù)6.3.3 渦流檢測技術(shù) 2、渦流檢測的應(yīng)用領(lǐng)域： 渦流作為一種NDT工具的一大優(yōu)點是它能夠做多種多樣的檢查和測量。在適當(dāng)?shù)沫h(huán)境下，渦流可以用于：（1）裂縫、缺陷檢查 （