材料測(cè)試與控制技術(shù)基礎(chǔ)讀書報(bào)告及超聲波無損檢測(cè)技術(shù)及其發(fā)展概述

材料測(cè)試與控制技術(shù)基礎(chǔ)PAGEPAGE1東南大學(xué)材料測(cè)試與控制技術(shù)基礎(chǔ)讀書報(bào)告姓名：學(xué)號(hào)：成績(jī)：2010年6月材料測(cè)控知識(shí)點(diǎn)概述檢測(cè)是科學(xué)地認(rèn)識(shí)各種現(xiàn)象的基礎(chǔ)性的方法和手段。從這種意義上講，檢測(cè)技術(shù)是所有科學(xué)基礎(chǔ)的基礎(chǔ)。檢測(cè)技術(shù)又是科學(xué)技術(shù)的重要分支，是具有特殊性的專門科學(xué)和專門技術(shù)。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，檢測(cè)技術(shù)也正在迅速地發(fā)展，反過來檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展又進(jìn)一步促進(jìn)著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步。同眼、耳、鼻等感覺器官對(duì)于人類的重要作用相類似，測(cè)量裝置（傳感器、儀器儀表等）作為科學(xué)性的感覺器官，在工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究和企業(yè)的科學(xué)管理方面是不可缺少的。企業(yè)越是科學(xué)地高度發(fā)展，越需要科學(xué)的檢測(cè)。一．檢測(cè)系統(tǒng)一個(gè)具體的檢測(cè)系統(tǒng)由傳感器、變換及測(cè)量裝置、記錄及顯示裝置和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析處理裝置組成。有時(shí)還存在著實(shí)驗(yàn)激發(fā)裝置（如下圖）。被測(cè)系統(tǒng)被測(cè)系統(tǒng)傳感器非電信號(hào)變換及測(cè)量裝置記錄顯示裝置數(shù)據(jù)處理裝置激發(fā)裝置電信號(hào)系統(tǒng)的特性是指系統(tǒng)的輸出和輸入的關(guān)系，為了真實(shí)地傳輸信號(hào)，系統(tǒng)必須具備一些必要的特性，常用靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性來描述。（一）靜態(tài)特性檢測(cè)系統(tǒng)的靜態(tài)特性是在靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行標(biāo)定的，并可由此做出靜態(tài)特性曲線。曲線可由一個(gè)相應(yīng)的代數(shù)方程來描述：檢測(cè)系統(tǒng)的主要靜態(tài)性能指標(biāo)有線性度、靈敏度、變差等；其余還有靈敏限，分辨力，精確度，準(zhǔn)確度，精密度，漂移等。1.線性度。在實(shí)際應(yīng)用時(shí),由于各種原因,系統(tǒng)輸入量與輸出量之間的關(guān)系并不是完全線形的。通常用檢測(cè)裝置的標(biāo)定曲線與某種擬合直線之間的偏差程度作為線性度的一種度量，以輸出最大偏差與滿量程輸出比值的百分?jǐn)?shù)來表示其大小，即：δi：線性度；△max：特性曲線與參考直線的最大偏差；△F.S：滿量程輸出的平均值。2．靈敏度。指檢測(cè)裝置在靜態(tài)測(cè)量時(shí)，輸出量的增量與輸入量的增量之比的極限（希望為常數(shù)），即：靈敏度越高，系統(tǒng)反映輸入微小變化的能力就越強(qiáng)。在電子測(cè)量中，靈敏度越高往往容易引入噪聲并影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性及測(cè)量范圍，在同等輸出范圍的情況下，靈敏度越大測(cè)量范圍越小，反之則越大。3.變差。當(dāng)輸入信號(hào)變化方向不同，對(duì)應(yīng)同一輸入值輸出的值不同，輸出量之間的差值，稱之為滯后誤差或變差。δn：滯后誤差；△hmax：輸出在正反行程間的最大滯后量；△F.S：滿量程輸出。（二）動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性指的是當(dāng)輸入信號(hào)隨時(shí)間發(fā)生變化時(shí)，輸出信號(hào)與輸入信號(hào)之間的關(guān)系，通常用微分方程來描述。為了使問題簡(jiǎn)化，我們希望測(cè)試裝置具有線性時(shí)不變性。二．傳感器系統(tǒng)1.傳感器作用與分類傳感器是借助檢測(cè)元件將一種形式的信息轉(zhuǎn)換成另一種信息的裝置。又由于目前傳感器轉(zhuǎn)換后的信號(hào)大多為電信號(hào)。因而從狹義上講，傳感器是把外界輸入的非電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的裝置。它是檢測(cè)系統(tǒng)中的重要組成部分。關(guān)于傳感器的分類：按傳感器輸入端被測(cè)物理量分類：機(jī)械量、熱工量、物性參量、光學(xué)量、化學(xué)量等。按傳感器輸出端被測(cè)物理量分類：電參數(shù)型傳感器：被測(cè)量使傳感器本身的電參量R、L、C改變，這種傳感器工作時(shí)必須有外加電源，故又稱為無源型；電量型傳感器（發(fā)電型）：被測(cè)量使傳感器產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)、電流、電荷，所以又稱為有源型，如熱電偶、壓電型傳感器等。但由于能量有限，通常還要接放大器。按能量關(guān)系分類：能量轉(zhuǎn)換型，直接由被測(cè)對(duì)象輸入能量使其工作，例如:熱電偶溫度計(jì),壓電式加速度計(jì)；能量控制型，從外部供給能量并由被測(cè)量控制外部供給能量的變化，例如:電阻應(yīng)變片。按傳感器結(jié)構(gòu)參量是否變化分類：物性型，依靠敏感元件材料本身物理性質(zhì)的變化來實(shí)現(xiàn)信號(hào)變換，如:壓電傳感器；結(jié)構(gòu)型，依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)變，例如:電容式和電感式傳感器.2.電參數(shù)型傳感器被測(cè)量使傳感器本身的電參量R、L、C改變，這種傳感器工作時(shí)必須有外加電源，又稱為無源型。（1）電阻式傳感器即被測(cè)非電量的變化引起電阻器阻值改變的變換元件。電阻變化量又通過中間變換器（如電橋）轉(zhuǎn)變成電流或電壓的變化，便可進(jìn)行測(cè)量、記錄。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、工作可靠性高、輸出信號(hào)大。電阻式傳感器基本類型有三種：A．利用電刷來回移動(dòng)，改變L，也稱電位器式傳感器，用于檢測(cè)線位移或角位移。按結(jié)構(gòu)形式，分線繞式、薄膜式、光電式等；按輸出特性，分線性電位器和非線性電位器。B．利用應(yīng)力、應(yīng)變使電組絲變形，改變r(jià)、L、A，而改變R，稱為電阻應(yīng)變式傳感器，一般用于檢測(cè)應(yīng)力、應(yīng)變等參量，或通過彈性元件來測(cè)量力、位移、壓力、加速度等物理參量。C．利用熱或其它物理量使傳感器的r變化，如檢測(cè)溫度。（2）電容式傳感器電容式傳感器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)具有可變參數(shù)的電容器，通過電容傳感元件將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)化為電容量的變化。3.電量型傳感器此類傳感器輸出量為電量（電壓、電流、電荷），如:能量轉(zhuǎn)換型傳感器(磁電式傳感器、壓電式傳感器、熱電式傳感器、光電式傳感器)，能量控制型傳感器（PN結(jié)、集成電路溫度傳感器）三．材料科學(xué)與工程常用檢測(cè)技術(shù)材料科學(xué)與工程中常用的技術(shù)是在不損壞工件的條件下檢測(cè)工件表面或內(nèi)部的缺陷，又稱無損檢測(cè)，主要有：1．零件應(yīng)變和應(yīng)力狀態(tài)的檢測(cè)技術(shù)，包括應(yīng)力檢測(cè)和計(jì)算及殘余應(yīng)力的檢測(cè)。常用電阻應(yīng)變法、磁彈性法、x射線衍射法、NiTi形狀記憶合金薄膜殘余應(yīng)力測(cè)量等方法。2．材料表面性能電測(cè)技術(shù)，包括表面粗糙度的檢測(cè)，如樣塊比較法、觸針式表面輪廓儀法；覆蓋層厚度的檢測(cè)，如磁法、渦流法、超聲法、射線法、光學(xué)法、電容法、微波法、熱電勢(shì)法、石英震蕩法等。3．工件表面缺陷電測(cè)技術(shù)，可用渦流探傷法（一般材料）和磁力探傷法檢測(cè)。4．工件內(nèi)部缺陷電測(cè)技術(shù)，主要方法有X射線法、超聲波法、均為非電量電測(cè)法。四．溫度檢測(cè)溫度的測(cè)量方法通常分為兩大類，即接觸式測(cè)溫法和非接觸式測(cè)溫法。接觸式測(cè)溫是使被測(cè)物體與溫度計(jì)的感溫元件直接接觸，使其溫度相同，便可以得到被測(cè)物體的溫度。非接觸式測(cè)溫是溫度計(jì)的感溫元件不直接與被測(cè)物體相接觸，而是利用物體的熱輻射原理或電磁原理得到被測(cè)物體的溫度，如全輻射溫度計(jì)、光學(xué)高溫計(jì)、光電高溫計(jì)、比色高溫計(jì)、紅外測(cè)溫計(jì)等。溫度計(jì)常用的有：1．熱電阻溫度計(jì)。其被廣泛地用于低溫及中溫(-200～500℃)范圍內(nèi)的溫度測(cè)量，目前應(yīng)用范圍已擴(kuò)展到1～5K的超低溫領(lǐng)域。同時(shí)，在1000～1200℃的高溫范圍內(nèi)，也具有較好特性。常用的有鉑熱電阻、銅熱電阻、半導(dǎo)體熱敏電阻等。2．熱電偶溫度計(jì)。熱電偶是基于熱電勢(shì)效應(yīng)原理的測(cè)溫用傳感器，熱電勢(shì)由接觸電勢(shì)、溫差電勢(shì)兩部分組成。熱電偶的基本定律有均勻電路定律、中間溫度定律、中間導(dǎo)體定律、標(biāo)準(zhǔn)電極定律等。常用熱電偶有：鉑銠－鉑銠、鉑銠—鉑、鎳鉻－鎳硅(鋁)、鎳鉻－銅鎳(康銅)等。五．流量檢測(cè)技術(shù)流量的基本概念包括：瞬時(shí)流量（流量）、總流量（累計(jì)流量）、體積流量（qv）、質(zhì)量流量（qM）。同時(shí)我們也要了解紊流和層流、雷諾數(shù)等概念。流量計(jì)有容積式流量計(jì)、差壓式流量計(jì)、流體阻力式流量計(jì)、測(cè)速式流量計(jì)等。1．容積式流量計(jì):主要有橢圓齒輪流量計(jì)和腰輪轉(zhuǎn)子流量計(jì)兩種。橢圓齒輪流量計(jì)是借助于固定的容積來計(jì)量流量的，與流體的流動(dòng)狀態(tài)及粘度無關(guān)。當(dāng)通過流量計(jì)的流量為恒定時(shí)，橢圓齒輪在一周的轉(zhuǎn)速是變化的，但每周的平均角速度是不變的。由于角速度的脈動(dòng)，測(cè)量瞬時(shí)轉(zhuǎn)速并不能表示瞬時(shí)流量，而只能測(cè)量整數(shù)圈的平均轉(zhuǎn)速來確定平均流量。2．差壓式流量計(jì)：是利用流體流經(jīng)節(jié)流裝置或均速管時(shí)產(chǎn)生的壓力差的原理來實(shí)現(xiàn)流量測(cè)量的，其中用節(jié)流裝置和差壓計(jì)所組成的差壓式流量計(jì)是目前應(yīng)用最廣的一種流量計(jì)。3．流體阻力式流量計(jì)：分為轉(zhuǎn)子流量計(jì)，其在工業(yè)上和實(shí)驗(yàn)室最常用；靶式流量計(jì)，是以管內(nèi)流動(dòng)的流體給予插入管中的靶的推力F來測(cè)量流量的一種測(cè)量裝置。4．測(cè)速式流量計(jì)：主要有渦輪流量計(jì)、超聲波流量計(jì)和電磁流量計(jì)。其中渦輪流量計(jì)主要由渦輪、導(dǎo)流器、殼體和磁電傳感器等組成。當(dāng)流體通過流量計(jì)時(shí)，推動(dòng)渦輪使其以一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，此轉(zhuǎn)速是流體流量的函數(shù)。而裝在殼體外的非接觸式磁電轉(zhuǎn)速傳感器輸出脈沖信號(hào)的頻率與渦輪的轉(zhuǎn)速成正比。因此，測(cè)定傳感器的輸出頻率即可確定流體的流量。六．成分檢測(cè)技術(shù)所謂化學(xué)成分是指一種化合物或混合物的組成分子、原子或原子團(tuán)的種類和比例。依據(jù)工作原理，可將成分分析儀器分為8類：電化學(xué)、熱學(xué)式、磁學(xué)式、光學(xué)式、射線式、色譜儀、電子光學(xué)和離子光學(xué)儀、依據(jù)其它原理工作的成分分析儀器。依據(jù)儀器的工作對(duì)象，又可將成分分析儀器分為：氣體成分分析儀器、液體成分分析儀器、金屬成分分析儀器、酸堿度成分分析儀器等。本章主要講述氣體和溶液成分分析儀器。１．氧含量測(cè)量：測(cè)量氣體中含氧量的儀器有兩類：磁性式氧分析儀和氧化鋯探頭。２．紅外線氣體分析測(cè)量：主要依據(jù)對(duì)紅外線的吸收特征來分析氣體組分含量。在氣體中，單原子氣體和同原子的雙原子氣體（如Ar、He、H2、N2等）一般不吸收紅外線；而不對(duì)稱結(jié)構(gòu)的雙原子或多原子氣體（如CO2、CO、CH4）則對(duì)紅外線選擇吸收。３．水蒸氣的含量測(cè)量：由于水的飽和汽壓與溫度有關(guān)(隨溫度升高而增大)，因此可以通過測(cè)定混合氣體中，水蒸汽飽和汽壓所對(duì)應(yīng)的溫度而測(cè)得其相對(duì)含量。這個(gè)溫度就是水的露點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)中通常露點(diǎn)被認(rèn)為是氣體中水蒸氣開始起霧(即有部分水蒸氣凝結(jié)成水)的溫度。常用測(cè)定露點(diǎn)的儀器有露點(diǎn)杯、氯化鋰露點(diǎn)儀和光電式露點(diǎn)儀等幾種。七．總結(jié) 本學(xué)期我們學(xué)習(xí)了關(guān)于材料測(cè)控的一些知識(shí)，除了上述總結(jié)的以外，我們還學(xué)習(xí)了關(guān)于自動(dòng)控制技術(shù)的知識(shí)，測(cè)控技術(shù)是自動(dòng)控制技術(shù)中的關(guān)鍵。另外，作為基礎(chǔ)，我們還學(xué)習(xí)了理論誤差和數(shù)據(jù)處理方面的知識(shí)。材料測(cè)控的核心思想就是通過傳感器將非電信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。因此我們這學(xué)期的學(xué)習(xí)也是主要圍繞傳感器展開的，并講了各種具體檢測(cè)技術(shù)。通過這學(xué)期的學(xué)習(xí)，我感覺受益匪淺。本課程學(xué)習(xí)過程中的一些心得體會(huì)光陰荏苒，日月如梭，一學(xué)期的課程學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)眼就要結(jié)束了，首先感謝儲(chǔ)老師在這一學(xué)期中對(duì)我們的辛勤教導(dǎo)。根據(jù)教學(xué)大綱的要求，為了適應(yīng)新時(shí)期國(guó)民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)的需要，我們?cè)谶@一學(xué)期學(xué)習(xí)了關(guān)于材料測(cè)試與控制技術(shù)的一些基礎(chǔ)知識(shí)。這門課程包括理論課和實(shí)驗(yàn)課，通過理論與實(shí)踐相結(jié)合，我們更好的掌握了關(guān)于材料測(cè)控方面的知識(shí)。例如我們做了爐溫控制的實(shí)驗(yàn)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)完整的模擬了爐溫控制這一最簡(jiǎn)單的自動(dòng)控制過程。很好的闡述了“溫度檢測(cè)技術(shù)”這章內(nèi)容。其實(shí)這學(xué)期上課的時(shí)間并不多，關(guān)于材料測(cè)控這一課程我們只是學(xué)了些皮毛，但是這門技術(shù)的應(yīng)用卻很廣泛,因此剩下的需要我們?cè)谝院蟮膶W(xué)習(xí)工作中結(jié)合實(shí)際需要繼續(xù)學(xué)習(xí)。最后希望在馬上進(jìn)行的考試中，能考個(gè)好成績(jī)。超聲波無損檢測(cè)技術(shù)及其發(fā)展概述超聲波形成機(jī)理的研究始于19世紀(jì)初，但它在無損檢測(cè)中的應(yīng)用大約是從20世紀(jì)20年代才開始。在30年代，超聲波技術(shù)才廣泛應(yīng)用于無損檢測(cè)。在隨后的1955年，超聲波技術(shù)發(fā)展迅速，技術(shù)的進(jìn)步促進(jìn)了超聲波設(shè)備的快速發(fā)展。從20世紀(jì)80年代直到今天，計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步使得超聲波設(shè)備體積更小、性能更穩(wěn)定、功能更強(qiáng)大。最近幾年，超聲波測(cè)繪技術(shù)得到了極大的發(fā)展。超聲波探測(cè)試驗(yàn)中需要采集精確的數(shù)據(jù)，這種需求進(jìn)一步推動(dòng)了定量測(cè)量技術(shù)的發(fā)展。同時(shí)，基于超聲波能量形成和非接觸檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展也促進(jìn)了激光器和電磁傳感器的技術(shù)進(jìn)步。如今，便攜式設(shè)備中已經(jīng)運(yùn)用了相控陣式激光技術(shù)。采用這種技術(shù)，單一發(fā)生器定時(shí)或定相發(fā)射的超聲波元素陣列，能夠精確截取被測(cè)對(duì)象的超聲波波形。多數(shù)情況下，用于無損檢測(cè)的超聲波是采用壓電轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生和檢測(cè)試件的。壓電轉(zhuǎn)換器需要一個(gè)耦合器在轉(zhuǎn)換器和試件間傳輸超聲波。壓電轉(zhuǎn)換器具有一個(gè)壓電晶體（比如鈦酸鋇、鋯酸鉛、鈦酸鉛等），當(dāng)通電后能迅速改變形狀。當(dāng)它們被快速加壓時(shí)會(huì)發(fā)生相反的變化，產(chǎn)生一個(gè)電磁場(chǎng)。用于無損檢測(cè)超聲波的產(chǎn)生和檢測(cè)也可通過其它方法實(shí)現(xiàn)。其中之一是利用非接觸空氣耦合轉(zhuǎn)換器，它是基于微電子機(jī)械系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱MEMS）的基礎(chǔ)；另一種方法是通過試件表面的快速熱膨脹和融蝕產(chǎn)生非接觸激光超聲波，采用激光干涉儀或空氣耦合換能器檢測(cè)產(chǎn)生的超聲波。此外，磁性金屬也能通過超聲波探傷，主要采用非接觸電子機(jī)械聲波轉(zhuǎn)換器（簡(jiǎn)稱EMATS）同時(shí)產(chǎn)生和檢測(cè)超聲波。超聲波通常通過以下一種或幾種方法檢查裂紋和缺陷。1．通過材料邊界或缺陷處分界面的反射聲波檢測(cè)。2．通過超聲波的切換時(shí)間或傳播時(shí)間檢測(cè)。3．通過超聲波的衰減程度檢測(cè)。4．通過透射信號(hào)或折射信號(hào)的頻譜響應(yīng)特征檢測(cè)。目前超聲波檢測(cè)設(shè)備已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，但是隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)檢測(cè)技術(shù)的要求越來越高，具體可分為以下幾個(gè)方面：不斷提高超聲波檢測(cè)儀器的性能、可靠性、擴(kuò)大應(yīng)用范圍。儀器的可靠性對(duì)儀表的質(zhì)量來說已成為一個(gè)重要因素，其內(nèi)容包括了儀表可靠性和故障率的數(shù)學(xué)模型和計(jì)算方法的研究，儀表可靠性設(shè)計(jì)、預(yù)測(cè)、檢驗(yàn)和分析實(shí)驗(yàn)的研究，儀表系統(tǒng)組件可靠性對(duì)儀表整體性能的影響和確定整機(jī)可靠性方法的研究。擴(kuò)大應(yīng)用范圍則是要儀器能在極高溫和極低溫條件下正常工作。研究材料、器件、電路一體化的超聲波檢測(cè)儀器為了減少傳感器與測(cè)量電路分開所