機械工程測試技術教材

1、機械工程測試技術（討論課）紅外無損探傷班級:成員：指導教師：完成日期：2015.09.23目錄 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark13 o Current Document 前言：2 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 紅外傳感器21.1定義21.2原理2 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 1.3分類3 HYPERLINK l bookmark23 o Current Document 1.4組成成分3 HYPERLINK l bookmark26 o Curre

2、nt Document 1.5基本部件及作用 4 HYPERLINK l bookmark37 o Current Document 紅外無痕探傷5 HYPERLINK l bookmark41 o Current Document 2.1原理5 HYPERLINK l bookmark44 o Current Document 2.2工業(yè)探測應用62.2.1焊接缺陷的無損檢測 62.2.2焊件內部缺陷探測72.2.3疲勞裂紋探測72.3原理圖8 HYPERLINK l bookmark47 o Current Document 紅外傳感器的其他應用8 HYPERLINK l bookmark

3、51 o Current Document 3.1夜視技術8 HYPERLINK l bookmark54 o Current Document 3.2紅外探測器9 HYPERLINK l bookmark57 o Current Document 3.3紅外氣體分析儀9 HYPERLINK l bookmark60 o Current Document 發(fā)展前景9 HYPERLINK l bookmark67 o Current Document 項目感想10 HYPERLINK l bookmark71 o Current Document 參考文獻11前言：隨著科學技術的日益發(fā)展，傳感器

4、的應用也隨處可見?，F如今， 傳感器也被大力應用于工業(yè)生產中，例如：電阻式傳感器、溫度傳感 器、濕度傳感器等。在工業(yè)生產中還有一種傳感器被廣泛引用，那就 是紅外傳感器。紅外傳感器在紅外無損探傷上的應用極大的提高了對 工業(yè)產品的檢測技術，而且對于了解產品內部品質也有很大幫助。本討論課以紅外無損探傷為切入點，通過查閱相關資料，對該技 術的原理、使用方法加以解釋。隨后粗略介紹該傳感器在其他領域的 其他的應用及發(fā)展前景。本次討論課的分工如下：關鍵詞：紅外傳感器、紅外無損探傷、紅外輻射、金屬紅外傳感器1.1定義紅外傳感器是能將紅外輻射能轉換成電能的光敏器件。1.2原理工作機理：利用紅外輻射的熱效應，探測器

5、的敏感元件吸收輻射能后引起溫度升高，進而使某些有關物理參數發(fā)生相應變化，通過測 量物理參數的變化來確定所吸收的紅外輻射。應用基本定律有：基爾霍夫定律、玻爾茲曼定律、維恩位移定律。FET管座高阻引腳三紅外FET管座高阻引腳三紅外ffi射J % 高值電E TAnT 一 +H+-地3二70靖榆圈1.3分類紅外傳感系統(tǒng)是用紅外線為介質的測量系統(tǒng)，按照功能能夠分成 五類：輻射計，用于輻射和光譜測量；搜索和跟蹤系統(tǒng)，用于搜 索和跟蹤紅外目標，確定其空間位置并對它的運動進行跟蹤；（3）熱成 像系統(tǒng)，可產生整個目標紅外輻射的分布圖像;（4）紅外測距和通信系 統(tǒng)；（5 ）混合系統(tǒng)，是指以上各類系統(tǒng)中的兩個或者多

6、個的組合。紅外傳感器根據探測機理可分成為:光子探測器（基于光電效應） 和熱探測器（基于熱效應）。1.4組成成分紅外線傳感器包括光學系統(tǒng)，檢測元件和轉換電路.光學系統(tǒng)按結構不同可分為透射式和反射式兩類。檢測元件按工 作原理可分為熱敏檢測元件和光電檢測元件.熱敏元件應用最多的是 熱敏電阻.熱敏電阻受到紅外線輻射時溫度升高,電阻發(fā)生變化，通過 轉換電路變成電信號輸出。光電檢測元件常用的是光敏元件，通常由 硫化鉛，硒化鉛，砷化銦,砷化銻，碲鎘汞三元合金，鍺及硅摻雜等材料 制成。1.5基本部件及作用1）待測目標：根據其紅外輻射特性來對紅外系統(tǒng)進行設定2）大氣衰減：待測物的紅外輻射通過大氣層時會受到多種物

7、質的影響 發(fā)生衰減現象3）光學接收器：用于接受部分紅外輻射并將其傳輸至紅外傳感器4）輻射調制器：又稱為調制盤或斬波器，用于將紅外輻射調制成交變 的形式以提供待測物的方位信息，并濾除干擾信號5）紅外探測器：是紅外系統(tǒng)的核心，用于探測紅外輻射6）探測器制冷器：用于給系統(tǒng)制冷以提高工作效率7）信號處理系統(tǒng)：將信號進行放大、濾波等處理以提取所需信息并將 有效信息輸送至顯示設備8）顯示設備：是紅外系統(tǒng)的終端設備，用于有效信息的顯示紅外無痕探傷2.1原理紅外無損探傷儀可以用來檢查部件內部缺陷，對部件結構無任 何損傷。例如，檢查兩塊金屬板的焊接質量，利用紅外輻射探傷儀能 十分方便地檢查漏焊或缺焊;為了檢測金

8、屬材料的內部裂縫,也可利 用紅外探傷儀。將紅外輻射對金屬板進行均勻照射，利用金屬對紅外 輻射的吸收與縫隙（含有某種氣體或真空）對紅外輻射的吸收所存在 的差異，可以探測出金屬斷裂空隙。當紅外輻射掃描器連續(xù)發(fā)射一定 波長的紅外光通過金屬板時，在金屬板另一側的紅外接收器也同時連 續(xù)接收到經過金屬板衰減的紅外光；如果金屬板內部無斷裂,輻射掃 描器在掃描過程中，紅外接收器收到的是等量的紅外輻射;如果金屬 板內部存在斷裂，紅外接收器在輻射掃描器在掃描到斷裂處時所接收 到的紅外輻射值與其他地方不一致，利用圖像處形技術，就可以顯示 出金屬板內部缺陷的形狀。2.2工業(yè)探測應用2.2.1焊接缺陷的無損檢測焊口表面

9、起伏不平，采用X光、超聲波、渦流等方法難于發(fā)現缺 陷。紅外無損檢測則不受表面形狀限制，能方便和快速地發(fā)現焊接區(qū) 域的各種缺陷。如下圖有兩塊焊接的金屬板，其中（a）圖焊接區(qū)無缺陷；（b） 圖焊接區(qū)有一氣孔。若將一交流電壓加載焊接區(qū)的兩端，在焊口上會 有交流電流通過。由于電流的集膚效應，靠近表面的電流密度將比下 層大。由于電流的作用，焊口將產生一定的熱量，熱量的大小正比于 材料的電導率和電流密度的平方。在沒有缺陷的焊接區(qū)內，電流分布 是均勻的，各處（氣孔）的電阻很大，在這一區(qū)域損耗增加，溫度升 高。應用于紅外測溫設備即可清楚地測量出熱點，由此可以斷定熱點 下面存在著焊接缺陷。采用交流電加熱的好處是

10、可以通過改變電源頻率來控制電流的 透入深度。低頻電流透過較深，對發(fā)現內部深處缺陷有利；高頻電流 集膚效應強，表面溫度特性比較明顯。但表面電流密度增加后，材料 可能達到飽和狀態(tài)，它可變更電流沿深度方向分布，使近表面產生的 電流密度趨向均勻，給探測造成不利。圖5-60焊接缺陷檢測表面電流情況 a）無焊接缺陷b）有焊接缺陷2.2.2焊件內部缺陷探測當紅外無損探傷時，只需在鑄件內部通過液態(tài)氟利昂冷卻，使冷 卻通道內有最好的冷卻效果。然后利用紅外熱成像儀快速掃描鑄件整 個表面，如果通道內有殘余型芯或壁厚不均，在熱圖即可明顯地看出。 冷卻通道通暢，冷卻效果良好，熱圖顯示一系列均勻的白色條紋；加 入通道阻塞

11、，冷卻液體受阻，則在受阻處顯示黑色條紋。2.2.3疲勞裂紋探測下圖為對飛機或導彈蒙皮進行疲勞裂紋探測示意圖。為了探測出 疲勞裂紋位置，采用一個點輻射在蒙皮表面一個小面積上注入能量， 然后，用紅外輻射溫度計測量表面溫度。如果在蒙皮表面或附近存在 疲勞裂紋，則熱傳導受到影響，在裂紋附近能量不能很快傳輸出去， 使裂紋附近表面溫度很快升高。輻射汁熱源&位置圖5-61疲勞裂紋探測樣品掃描示意圖2.3原理圖紅外傳感器的其他應用3.1夜視技術照相機中利用紅外線傳感器實現夜視功能。黑暗環(huán)境下，攝像機 會發(fā)出肉眼看不到的紅外光線去照亮被拍攝的物體，關掉紅外濾光鏡, 不阻擋紅外線進入CCD,紅外線經物體反射后進入

12、鏡頭進行成像，得到 由紅外線反射所成的影像，即此時可拍攝到下肉眼看不到的影像。3.2紅外探測器紅外系統(tǒng)的核心是紅外探測器，按照探測的機理的不同，可以分 為熱探測器和光子探測器兩大類.以熱探測器為來分析。熱探測器是 利用輻射熱效應，使探測元件接收到輻射能后引起溫度升高，使探測 器中依賴于溫度的性能發(fā)生變化。檢測其中某一性能的變化，便可探 測出輻射。多數情況下是通過熱電變化來探測輻射的。當元件接收輻 射，引起非電量的物理變化時，可以通過適當的變換后測量相應的電 量變化。3.3紅外氣體分析儀紅外線氣體分析儀,是利用紅外線進行氣體分析，它基于待分析 組分的濃度不同,吸收的輻射能不同，剩下的輻射能使得檢

13、測器里的 溫度升高不同，動片薄膜兩邊所受的壓力不同,從而產生一個電容檢 測器的電信號，這樣，就可間接測量出待分析組分的濃度，根據紅外 輻射在氣體中的吸收帶的不同,可以對氣體成分進行分析。發(fā)展前景紅外探測器應用可以用于非接觸式的溫度測量，氣體成分分析， 無損探傷，熱像檢測，紅外遙感以及軍事目標的偵察，搜索，跟蹤和通 信等。紅外傳感器的應用前景隨著現代科學技術的發(fā)展，將會更加廣 闊。在將來的發(fā)展中，主要在紅外傳感器的性能和靈敏度將會二較大 的提高。發(fā)展趨勢主要有：智能化：目前的紅外傳感器主要結合外圍設備來使用,而智能 傳感器內置微處理器，能夠實現傳感器與控制單元的雙向通信，具有 小型化，數字通信，

14、維護簡單等優(yōu)點，能夠單獨作為一個模塊獨立工 作。微型化:傳感器微型化一個必然趨勢?，F在應用中，由于紅外 傳感器的體積問題，導致其使用程度遠不如熱電隅來的好。所以紅外 傳感器微型化便攜與否對其發(fā)展前途的影響是不可忽略的。高靈敏度及高性能：在醫(yī)學上，人體體溫測試方面，紅外傳感 器因測量的快速性而得到了相當的應用，但局限于其準確度不高而沒 辦法取代現有的體溫測量方法。因此，紅外傳感器高靈敏度及高性是 其未來發(fā)展的必然趨勢。雖然現階段的紅外傳感器還有很多的不足，但紅外傳感器已經 在現代化的生產實踐中發(fā)揮著它的巨大作用，隨著探測設備和其他部 分的技術的提高，紅外傳感器能夠擁有更多的性能和更好的靈敏度， 也將有更廣闊的應用范圍。項目感想經過本次討論課，我們通過查找資料了解紅外