常用無(wú)損檢測(cè)方法

常用無(wú)損檢測(cè)方法1超聲檢測(cè)

2射線檢測(cè)

3渦流檢測(cè)

4聲發(fā)射檢測(cè)

5紅外檢測(cè)

6激光全息檢測(cè)

7其他無(wú)損檢測(cè)方法

1.超聲波的特點(diǎn)超聲波波長(zhǎng)很短，這決定了超聲波具有一些重要特性，使其能廣泛應(yīng)用于無(wú)損檢測(cè)。

1)方向性好超聲波具有像光波一樣定向束射的特性。

2）穿透能力強(qiáng)對(duì)于大多數(shù)介質(zhì)而言，它具有較強(qiáng)的穿透能力。例如在一些金屬材料中，其穿透能力可達(dá)數(shù)米。

3）能量高超聲檢測(cè)的工作頻率遠(yuǎn)高于聲波的頻率，超聲波的能量遠(yuǎn)大于聲波的能量。

4）遇有界面時(shí)，將產(chǎn)生反射、折射和波型的轉(zhuǎn)換。利用超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)這些物理現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)巧妙的設(shè)計(jì)，使超聲檢測(cè)工作的靈活性、精確度得以大幅度提高。1超

聲

檢

測(cè)

聲衰減系數(shù)超聲波的衰減指的是超聲波在材料中傳播時(shí)，聲壓或聲能隨距離的增大逐漸減小的現(xiàn)象。引起衰減的原因主要有三個(gè)方面：一是聲束的擴(kuò)散；二是由于材料中的晶?；蚱渌⑿☆w粒引起聲波的散射；三是介質(zhì)的吸收。在超聲檢測(cè)中，談到超聲波在材料中的衰減時(shí)，通常關(guān)心的是散射衰減和吸收衰減，而不包括擴(kuò)散衰減。

對(duì)于平面波來(lái)說(shuō)，

聲壓幅值衰減規(guī)律可用下式表示：

（6-10）

介質(zhì)中超聲波的衰減系數(shù)α與超聲波的頻率關(guān)系密切，通常情況下，衰減系數(shù)隨頻率的增高而增大。

將式(6-10)兩邊取對(duì)數(shù)可轉(zhuǎn)換為以下關(guān)系式：

（6-11）

此時(shí)，的單位為dB／mm(分貝／毫米)。

在超聲檢測(cè)中，直接可測(cè)量的量是兩個(gè)聲壓比值的分貝數(shù)。因此衰減系數(shù)可通過(guò)超聲波穿過(guò)一定厚度（Δx）材料后聲壓衰減的分貝（ΔdB）數(shù)進(jìn)行測(cè)量，將衰減量(ΔdB)除以厚度即為衰減系數(shù)α。

超聲波在介質(zhì)中的傳播特性

1.超聲波垂直入射到平界面上的反射和透射

如圖6-7所示，當(dāng)超聲波垂直入射到兩種介質(zhì)的界面時(shí)，一部分能量透過(guò)界面進(jìn)入第二種介質(zhì)，成為透射波(聲強(qiáng)為It)，波的傳播方向不變；另一部分能量則被界面反射回來(lái)，沿與入射波相反的方向傳播，成為反射波(聲強(qiáng)為Ir)。聲波的這一性質(zhì)是超聲波檢測(cè)缺陷的物理基礎(chǔ)。6.1.5超聲波檢測(cè)方法

1.超聲檢測(cè)設(shè)備和器材超聲檢測(cè)設(shè)備和器材包括超聲波檢測(cè)儀、探頭、試塊、耦合劑和機(jī)械掃查裝置等。超聲檢測(cè)儀和探頭對(duì)超聲檢測(cè)系統(tǒng)的性能起著關(guān)鍵性的作用，是產(chǎn)生超聲波并對(duì)經(jīng)材料中傳播后的超聲波信號(hào)進(jìn)行接收、處理、顯示的部分。由這些設(shè)備組成一個(gè)綜合的超聲檢測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)的總體性能不僅受到各個(gè)分設(shè)備的影響，還在很大程度上取決于它們之間的配合。隨著工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化程度的提高，對(duì)檢測(cè)的可靠性、速度提出了更高的要求，以往的手工檢測(cè)越來(lái)越多地被自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)取代。

1)超聲波檢測(cè)儀超聲波檢測(cè)儀是超聲檢測(cè)的主體設(shè)備，是專門用于超聲檢測(cè)的一種電子儀器。

(1)超聲波檢測(cè)儀的作用。它的作用是產(chǎn)生電振蕩并加于換能器——探頭，激勵(lì)探頭發(fā)射超聲波，同時(shí)將探頭送回的電信號(hào)進(jìn)行放大處理后以一定方式顯示出來(lái)，從而得到被探測(cè)工件內(nèi)部有無(wú)缺陷及缺陷的位置和大小等信息。

圖6-17A型顯示原理圖

②按缺陷顯示方式分類：脈沖式檢測(cè)儀按回波信號(hào)的顯示方式又可分為A型顯示、B型顯示和C型顯示三種類型。

A型顯示是一種波形顯示，屏幕的橫坐標(biāo)代表聲波的傳播時(shí)間（或距離），縱坐標(biāo)代表反射波的聲壓幅度?？梢哉J(rèn)為該方式顯示的是沿探頭發(fā)射聲束方向上一條線上的不同點(diǎn)的回波信息。圖6-17為A型顯示原理圖。圖中，T表示發(fā)射脈沖，F(xiàn)表示來(lái)自缺陷的回波，B表示底面回波。

B型顯示顯示的是試件的一個(gè)二維截面圖，屏幕縱坐標(biāo)代表探頭在探測(cè)面上沿一直線移動(dòng)掃查的位置坐標(biāo)，橫坐標(biāo)是聲傳播的時(shí)間（或距離）。該方式可以直觀地顯示出被探工件任一縱截面上缺陷的分布及缺陷的深度等信息。圖6-18B型顯示原理圖

C型顯示顯示的是試件的一個(gè)平面投影圖，探頭在試件表面做二維掃查，屏幕的二維坐標(biāo)對(duì)應(yīng)探頭的掃查位置。探頭在每一位置接收的信號(hào)幅度以光點(diǎn)輝度表示。該方式可形象地顯示工件內(nèi)部缺陷的平面投影圖像，但不能顯示缺陷的深度。圖6-19為C型顯示原理圖。

圖6-19C型顯示原理圖

③按超聲波的通道分類：可分為單通道和多通道檢測(cè)儀。④按是否數(shù)字化分類：可分為數(shù)字式超聲波檢測(cè)儀和模擬式超聲波檢測(cè)儀所謂數(shù)字式主要指發(fā)射、接收電路的參數(shù)控制和接收信號(hào)的處理、顯示均采用數(shù)字方式的儀器。數(shù)字式超聲檢測(cè)儀是計(jì)算機(jī)技術(shù)和傳統(tǒng)超聲檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。它具有傳統(tǒng)模擬式檢測(cè)儀的基本功能，同時(shí)又增加了數(shù)字化帶來(lái)的先進(jìn)功能，即實(shí)現(xiàn)了儀器功能的精確、自動(dòng)控制，信號(hào)獲取和處理的數(shù)字化和自動(dòng)化，檢測(cè)結(jié)果的可記錄性和可再現(xiàn)性。以上分類中，模擬式和數(shù)字式A型脈沖反射式超聲波檢測(cè)儀在工程實(shí)際中應(yīng)用最為廣泛，其型號(hào)有CTS-22、CTS-21、JTS-5、CST-3等。圖6-20為一組超聲波檢測(cè)儀的圖片。

圖6-20超聲波檢測(cè)儀(a)、

(b)、

(c)數(shù)字式超聲檢測(cè)儀；

(d)探傷小車

2)超聲波探頭（1）超聲波探頭的作用。超聲波探頭用于實(shí)現(xiàn)聲能和電能的互相轉(zhuǎn)換。它是利用壓電晶體的正、逆壓電效應(yīng)進(jìn)行換能的。探頭是組成檢測(cè)系統(tǒng)的最重要的組件，其性能的好壞直接影響超聲檢測(cè)的效果。（2）常用超聲波探頭的類型。超聲波檢測(cè)中由于被探測(cè)工件的形狀和材質(zhì)、探測(cè)的目的、探測(cè)的條件不同，因而要使用各種不同形式的探頭。其中最常用的是接觸式縱波直探頭、接觸式橫波斜探頭、雙晶探頭、水浸探頭與聚焦探頭等。一般橫波斜探頭的晶片為方形，縱波直探頭的晶片為圓形，而聚焦聲源的圓形晶片為聲透鏡。所以聲場(chǎng)就有圓盤源聲場(chǎng)、聚焦聲源聲場(chǎng)和斜探頭發(fā)射的橫波聲場(chǎng)。

圖6-21為一組探頭的圖片。

圖6-21各種探頭(a)縱波直探頭；

(b)橫波斜探頭；

(c)雙晶探頭

3）試塊與耦合劑與一般的測(cè)量過(guò)程一樣，為了保證檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性與重復(fù)性、可比性，必須用一個(gè)具有已知固定特性的試樣(試塊)對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)。這種按一定的用途設(shè)計(jì)制作的具有簡(jiǎn)單形狀人工反射體的試件即稱為試塊。超聲檢測(cè)用試塊通常分為兩種類型，即標(biāo)準(zhǔn)試塊(校準(zhǔn)試塊)和對(duì)比試塊(參考試塊)。

當(dāng)探頭和試件之間有一層空氣時(shí)，超聲波的反射率幾乎為100％，即使很薄的一層空氣也可以阻止超聲波傳入試件。因此，排除探頭和試件之間的空氣非常重要。耦合劑就是為了改善探頭和試件間聲能的傳遞而加在探頭和檢測(cè)面之間的液體薄層。耦合劑可以填充探頭與試件間的空氣間隙，使超聲波能夠傳入試件，這是使用耦合劑的主要目的。除此之外，耦合劑有潤(rùn)滑作用，可以減少探頭和試件之間的摩擦，防止試件表面磨損探頭，并使探頭便于移動(dòng)。在液浸法檢測(cè)中，通過(guò)液體實(shí)現(xiàn)耦合，此時(shí)液體也是耦合劑。常用的耦合劑有水、甘油、

變壓器油、化學(xué)漿糊等。

2.超聲檢測(cè)方法超聲檢測(cè)的方法很多，可按原理、波型和使用探頭的數(shù)目及探頭接觸方式來(lái)分類。按原理分類，有脈沖反射法、穿透法和共振法；按顯示方式分類，有A型顯示、B型顯示和C型顯示；按波型分類，有縱波法、橫波法、表面波法和板波法；按探頭數(shù)目分類，有單探頭法、雙探頭法和多探頭法；按耦合方式分類，有接觸法和液浸法；按入射角度分類，有直射聲束法和斜射聲束法。

1）穿透法穿透法通常采用兩個(gè)探頭，分別放置在試件兩側(cè)，一個(gè)將脈沖波發(fā)射到試件中，另一個(gè)接收穿透試件后的脈沖信號(hào)，依據(jù)脈沖波穿透試件后幅值的變化來(lái)判斷內(nèi)部缺陷的情況(見(jiàn)圖6-22)。

圖6-22直射聲束穿透法(a)無(wú)缺陷；

(b)有缺陷

2）脈沖反射法脈沖反射法是由超聲波探頭發(fā)射脈沖波到試件內(nèi)部，通過(guò)觀察來(lái)自內(nèi)部缺陷或試件底面的反射波的情況來(lái)對(duì)試件進(jìn)行檢測(cè)的方法。圖6-23顯示了接觸法單探頭直射聲束脈沖反射法的基本原理。

圖6-23接觸法單探頭直射聲束脈沖反射法(a)無(wú)缺陷；

(b)有缺陷

3）液浸法液浸法是在探頭與試件之間填充一定厚度的液體介質(zhì)作耦合劑，使聲波首先經(jīng)過(guò)液體耦合劑，而后再入射到試件中，探頭與試件并不直接接觸。液浸法中，探頭角度可任意調(diào)整，聲波的發(fā)射、接收也比較穩(wěn)定，便于實(shí)現(xiàn)檢測(cè)自動(dòng)化，大大提高了檢測(cè)速度。液浸法的缺點(diǎn)是當(dāng)耦合層較厚時(shí)，聲能損失較大。另外，自動(dòng)化檢測(cè)還需要相應(yīng)的輔助設(shè)備，有時(shí)是復(fù)雜的機(jī)械設(shè)備和電子設(shè)備，它們對(duì)單一產(chǎn)品(或幾種產(chǎn)品)往往具有很高的檢測(cè)能力，但缺乏靈活性?？傊?，液浸法與直接接觸法各有利弊，應(yīng)根據(jù)被檢對(duì)象的具體情況(幾何形狀的復(fù)雜程度和產(chǎn)品的產(chǎn)量等)，

選用不同的方法。

3.超聲檢測(cè)通用技術(shù)超聲檢測(cè)方法可采用多種檢測(cè)技術(shù)，每種檢測(cè)技術(shù)在實(shí)施過(guò)程中，都有其需要考慮的特殊問(wèn)題，其檢測(cè)過(guò)程也各有特點(diǎn)。但各種超聲檢測(cè)技術(shù)又都存在著通用的技術(shù)問(wèn)題。例如，檢測(cè)的過(guò)程都可歸納為以下幾個(gè)步驟：①試件的準(zhǔn)備。②檢測(cè)條件的確定，包括超聲波檢測(cè)儀、探頭、試塊等的選擇。③檢測(cè)儀器的調(diào)整。④掃查。⑤缺陷的評(píng)定。⑥

結(jié)果記錄與報(bào)告的編寫。

1）超聲波檢測(cè)儀的選擇一般市場(chǎng)上出售的A型脈沖反射式超聲波檢測(cè)儀已具備一些基本功能，其基本性能參數(shù)(垂直線性、水平線性等)也能滿足通常超聲檢測(cè)的要求。對(duì)于給定的任務(wù)，在選擇超聲波檢測(cè)儀時(shí)，主要考慮的是該任務(wù)的特殊要求，可從以下幾方面進(jìn)行考慮：（1）所需采用的超聲頻率特別高或特別低時(shí)，應(yīng)注意頻帶寬度。（2）對(duì)薄試件檢測(cè)和近表面缺陷檢測(cè)時(shí)，應(yīng)注意發(fā)射脈沖是否可調(diào)為窄脈沖。（3）檢測(cè)大厚度試件或高衰減材料時(shí)，選擇發(fā)射功率大、增益范圍大、電噪聲低的超聲波檢測(cè)儀，有助于提高穿透能力和小缺陷顯示能力。

（4）對(duì)衰減小或厚度大的試件，選用重復(fù)頻率可調(diào)為較低數(shù)值的超聲波檢測(cè)儀，可避免幻象波的干擾。（5）室外現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)，應(yīng)選擇重量輕，熒光屏亮度好，抗干擾能力強(qiáng)的便攜式超聲波檢測(cè)儀。（6）

自動(dòng)快速掃查時(shí)應(yīng)選擇最高重復(fù)頻率高的超聲波檢測(cè)儀。

2）

探頭的選擇

（1）頻率。超聲波的頻率在很大程度上決定了其對(duì)缺陷的探測(cè)能力。頻率的選擇可以這樣考慮：對(duì)于小缺陷、近表面缺陷或薄件的檢測(cè)，可以選擇較高頻率；對(duì)于大厚度試件、高衰減材料，應(yīng)選擇較低頻率。在靈敏度滿足要求的情況下，選擇寬帶探頭可提高分辨力和信噪比。針對(duì)具體對(duì)象，適用的頻率需在上述考慮當(dāng)中取得一個(gè)最佳的平衡，既要保證所需尺寸缺陷的檢出，并滿足分辨力的要求，也要保證在整個(gè)檢測(cè)范圍內(nèi)具有足夠的靈敏度與信噪比。

（2）晶片尺寸。探頭晶片尺寸對(duì)檢測(cè)的影響主要是通過(guò)其對(duì)聲場(chǎng)特性的影響體現(xiàn)出來(lái)的。多數(shù)情況下，檢測(cè)大厚度的試件時(shí)，采用大直徑探頭較為有利；檢測(cè)厚度較小的試件時(shí)，則采用小直徑探頭較為合理。

應(yīng)根據(jù)具體情況，

選擇滿足檢測(cè)要求的探頭。

3）耦合劑的選擇選擇耦合劑主要考慮以下幾方面的要求：（1）透聲性能好。聲阻抗盡量和被探測(cè)材料的聲阻抗相近。（2）有足夠的潤(rùn)濕性、適當(dāng)?shù)母街驼扯?。?）對(duì)試件無(wú)腐蝕，對(duì)人體無(wú)損害，對(duì)環(huán)境無(wú)污染。（4）

容易清除，不易變質(zhì)，

價(jià)格便宜，來(lái)源方便。

6.1.6超聲檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用

1.典型構(gòu)件的超聲探傷技術(shù)

1）鍛件檢測(cè)鍛件的種類和規(guī)格很多，常見(jiàn)的類型有：餅盤件、環(huán)形件、軸類件和筒形件等。鍛件中的缺陷多呈現(xiàn)面積形或長(zhǎng)條形的特征。由于超聲檢測(cè)技術(shù)對(duì)面積型缺陷檢測(cè)最為有利，因此鍛件是超聲檢測(cè)實(shí)際應(yīng)用的主要對(duì)象。

（1）鍛件中的常見(jiàn)缺陷。鍛件中的缺陷主要來(lái)源于兩個(gè)方面：材料鍛造過(guò)程中形成的縮孔、縮松、夾雜及偏析等；熱處理中產(chǎn)生的白點(diǎn)、裂紋和晶粒粗大等。（2）鍛件超聲檢測(cè)的特點(diǎn)。鍛件可采用接觸法或液浸法進(jìn)行檢測(cè)。鍛件的組織很細(xì)，由此引起的聲波衰減和散射影響相對(duì)較小。因此，鍛件上有時(shí)可以應(yīng)用較高的檢測(cè)頻率(如10MHz以上)，

以滿足高分辨力檢測(cè)的要求，

以及實(shí)現(xiàn)較小尺寸缺陷檢測(cè)的目的。

圖6-24軸類件徑向和軸向檢測(cè)示意圖

2)鑄件檢測(cè)鑄件具有組織不均勻、組織不致密、表面粗糙和形狀復(fù)雜等特點(diǎn)，因此常見(jiàn)缺陷有孔洞類（包括縮孔、縮松、疏松、氣孔等）、裂紋冷隔類（冷裂、熱裂、白帶、冷隔和熱處理裂紋）、夾雜類以及成分類（如偏析）等。鑄件的上述特點(diǎn)，形成了鑄件超聲檢測(cè)的特殊性和局限性。檢測(cè)時(shí)一般選用較低的超聲頻率，如0.5～2MHz，因此檢測(cè)靈敏度也低，雜波干擾嚴(yán)重，缺陷檢測(cè)要求較低。鑄件檢測(cè)常采用的超聲檢測(cè)方法有直接接觸法、

液浸法、

反射法和底波衰減法。

3)焊接接頭檢測(cè)許多金屬結(jié)構(gòu)件都采用焊接的方法制造。超聲檢測(cè)是對(duì)焊接接頭質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)的重要檢測(cè)手段之一。焊縫形式有對(duì)接、搭接、T型接、角接等，如圖6-25所示。焊縫超聲檢測(cè)的常見(jiàn)缺陷有氣孔、夾渣、未熔合、未焊透和焊接裂紋等。

焊縫探傷一般采用斜射橫波接觸法，在焊縫兩側(cè)進(jìn)行掃查。探頭頻率通常為2.5～5.0MHz。發(fā)現(xiàn)缺陷后，即可采用三角法對(duì)其進(jìn)行定位計(jì)算。儀器靈敏度的調(diào)整和探頭性能測(cè)試應(yīng)在相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)試塊或自制試塊上進(jìn)行。

圖6-25焊接接頭形式(a)對(duì)接接頭；

(b)搭接接頭；

(c)T型接頭；

(d)角接接頭

4）復(fù)合材料檢測(cè)復(fù)合材料是由兩種或多種性質(zhì)不同的材料軋制或粘合在一起制成的。其粘合質(zhì)量的檢測(cè)主要有接觸式脈沖反射法、脈沖穿透法和共振法。

脈沖反射法適用于復(fù)合材料是由兩層材料復(fù)合而成，粘合層中的分層多數(shù)與板材表面平行的情況。用縱波檢測(cè)時(shí)，粘合質(zhì)量好的，產(chǎn)生的界面波會(huì)很低，而底波幅度會(huì)較高；當(dāng)粘合不良時(shí)，則相反。

圖6-26復(fù)合材料的C掃描圖

5）非金屬材料的檢測(cè)圖

超聲波在非金屬材料（木材、混凝土、有機(jī)玻璃、陶瓷、橡膠、塑料、砂輪、炸藥藥餅等）中的衰減一般比在金屬中的大，多采用低頻率檢測(cè)。一般為20～200kHz，也有用2～5MHz的。為了獲得較窄的聲束，需采用晶片尺寸較大的探頭。塑料零件的探測(cè)一般采用縱波脈沖反射法；陶瓷材料可用縱波和橫波探測(cè)；橡膠檢測(cè)頻率較低，可用穿透法檢測(cè)。

2射線檢測(cè)

6.2.1射線檢測(cè)的物理基礎(chǔ)

1.射線的種類和頻譜在射線檢測(cè)中應(yīng)用的射線主要是X射線、γ射線和中子射線。X射線和γ射線屬于電磁輻射，而中子射線是中子束流。

1)X射線

X射線又稱倫琴射線，是射線檢測(cè)領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的一種射線，波長(zhǎng)范圍約為0.0006～100nm(見(jiàn)圖6-27)。在X射線檢測(cè)中常用的波長(zhǎng)范圍為0.001～0.1nm。X射線的頻率范圍約為3×109～5×1014MHz。

圖6-27射線的波長(zhǎng)分布

2)γ射線

γ射線是一種波長(zhǎng)比X射線更短的射線，波長(zhǎng)范圍約為0.0003～0.1nm（見(jiàn)圖6-27），頻率范圍約為3×1012～1×1015MHz。

工業(yè)上廣泛采用人工同位素產(chǎn)生γ射線。由于γ射線的波長(zhǎng)比X射線更短，所以具有更大的穿透力。在無(wú)損檢測(cè)中γ射線常被用來(lái)對(duì)厚度較大和大型整體工件進(jìn)行射線照相。

3）中子射線中子是構(gòu)成原子核的基本粒子。中子射線是由某些物質(zhì)的原子在裂變過(guò)程中逸出高速中子所產(chǎn)生的。工業(yè)上常用人工同位素、加速器、反應(yīng)堆來(lái)產(chǎn)生中子射線。在無(wú)損檢測(cè)中中子射線常被用來(lái)對(duì)某些特殊部件(如放射性核燃料元件)進(jìn)行射線照相。

圖6-28鎢與鉬的X射線譜

2.X射線的產(chǎn)生

X射線是一種波長(zhǎng)比紫外線還短的電磁波，它具有光的特性，例如具有反射、折射、干涉、衍射、散射和偏振等現(xiàn)象。它能使一些結(jié)晶物體發(fā)生熒光、氣體電離和膠片感光。

X射線通常是將高速運(yùn)動(dòng)的電子作用到金屬靶(一般是重金屬)上而產(chǎn)生的。圖6-28是在35kV的電壓下操作時(shí)，鎢靶與鉬靶產(chǎn)生的典型的X射線譜。鎢靶發(fā)射的是連續(xù)光譜，而鉬靶除發(fā)射連續(xù)光譜之外還疊加了兩條特征光譜，稱為標(biāo)識(shí)X射線，即Kα線和Kβ線。若要得到鎢的Kα線和Kβ線，則電壓必須加到70kV以上。

圖6-34寬束射線的衰減曲線設(shè)入射線的初始強(qiáng)度為I0，通過(guò)物質(zhì)的厚度為d，射線能量的線衰減系數(shù)為μ，那么射線在透過(guò)物質(zhì)以后的強(qiáng)度Id為（6-31）

因?yàn)樯渚€的衰減包括吸收和散射，所以射線的衰減系數(shù)μ是吸收系數(shù)τ和散射系數(shù)σ之和，即μ=τ+σ。由于物質(zhì)密度愈大，射線在物質(zhì)中傳播時(shí)碰到的原子也愈多，因而射線衰減也愈大。為便于比較起見(jiàn)，通常采用質(zhì)量衰減系數(shù)，即

（6-32）

式中：ρ為物質(zhì)的密度；τ／ρ為質(zhì)量吸收系數(shù)；σ/ρ為質(zhì)量散射系數(shù)。射線的質(zhì)量吸收系數(shù)和散射系數(shù)表示如下：

（6-33）

（6-34）

式中：

C為常數(shù)；A為元素的原子數(shù)；

Z為元素的原子序數(shù)；

λ為射線的波長(zhǎng)。

當(dāng)?shù)湍苌渚€透過(guò)重元素(輕元素和波長(zhǎng)很短的射線除外)物質(zhì)時(shí)，射線的衰減主要表現(xiàn)為吸收，由射線散射所引起的衰減可忽略不計(jì)，

則

（6-35）

6.2.2Χ射線檢測(cè)的基本原理和方法

1.Χ射線檢測(cè)的基本原理

Χ射線檢測(cè)是利用Χ射線通過(guò)物質(zhì)衰減程度與被通過(guò)部位的材質(zhì)、厚度和缺陷的性質(zhì)有關(guān)的特性，使膠片感光成黑度不同的圖像來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如圖6-35所示。當(dāng)一束強(qiáng)度為I0的Χ射線平行通過(guò)被檢測(cè)試件(厚度為d)后，其強(qiáng)度Id由式（6-31）表示。若被測(cè)試件表面有高度為h的凸起時(shí)，則Χ射線強(qiáng)度將衰減為(6-36)又如在被測(cè)試件內(nèi)，有一個(gè)厚度為x、吸收系數(shù)為μ′的某種缺陷，則射線通過(guò)后，強(qiáng)度衰減為(6-37)若有缺陷的吸收系數(shù)小于被測(cè)試件本身的線吸收系數(shù)，則Ix>Id>Ih，于是，在被檢測(cè)試件的另一面就形成一幅射線強(qiáng)度不均勻的分布圖。通過(guò)一定方式將這種不均勻的射線強(qiáng)度進(jìn)行照相或轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)指示、記錄或顯示，就可以評(píng)定被檢測(cè)試件的內(nèi)部質(zhì)量，達(dá)到無(wú)損檢測(cè)的目的。圖6-35

X射線檢測(cè)原理

2.Χ射線檢測(cè)方法

Χ射線檢測(cè)常用的方法是照相法，即利用射線感光材料(通常用射線膠片)，放在被透照試件的背面接受透過(guò)試件后的Χ射線，如圖6-36所示。膠片曝光后經(jīng)暗室處理，就會(huì)顯示出物體的結(jié)構(gòu)圖像。根據(jù)膠片上影像的形狀及其黑度的不均勻程度，就可以評(píng)定被檢測(cè)試件中有無(wú)缺陷及缺陷的性質(zhì)、形狀、大小和位置。此法的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高、直觀可靠、重復(fù)性好，是Χ射線檢測(cè)法中應(yīng)用最廣泛的一種常規(guī)方法。由于生產(chǎn)和科研的需要，還可用放大照相法和閃光照相法以彌補(bǔ)其不足。放大照相可以檢測(cè)出材料中的微小缺陷。

圖6-36

X射線照相原理示意圖

6.2.4常見(jiàn)缺陷及其影像特征

1.焊件中常見(jiàn)的缺陷

1）裂紋裂紋主要是在熔焊冷卻時(shí)因熱應(yīng)力和相變應(yīng)力而產(chǎn)生的，也有在校正和疲勞過(guò)程中產(chǎn)生的，是危險(xiǎn)性最大的一種缺陷。裂紋影像較難辨認(rèn)。因?yàn)閿嗔褜挾?、裂紋取向、斷裂深度不同，使其影像有的較清晰，有的模糊不清。常見(jiàn)的有縱向裂紋、橫向裂紋和弧坑裂紋，

分布在焊縫上或熱影響區(qū)。

圖6-45焊縫裂紋照片

2）未焊透

未焊透是熔焊金屬與基體材料沒(méi)有熔合為一體且有一定間隙的一種缺陷。在膠片上的影像特征是連續(xù)或斷續(xù)的黑線，黑線的位置與兩基體材料相對(duì)接的位置間隙一致。圖6-46是對(duì)接焊縫的未焊透照片。

圖6-46對(duì)接焊縫未焊透照片

3）氣孔氣孔是在熔焊時(shí)部分空氣停留在金屬內(nèi)部而形成的缺陷。氣孔在底片上的影像一般呈圓形或橢圓形，也有不規(guī)則形狀的，以單個(gè)、多個(gè)密集或鏈狀的形式分布在焊縫上。在底片上的影像輪廓清晰，邊緣圓滑，如氣孔較大，還可看到其黑度中心部分較邊緣要深一些(見(jiàn)圖6-47)。

圖6-47焊縫氣孔照片

4）夾渣夾渣是在熔焊時(shí)所產(chǎn)生的金屬氧化物或非金屬夾雜物，因來(lái)不及浮出表面，停留在焊縫內(nèi)部而形成的缺陷。在底片上其影像是不規(guī)則的，呈圓形、塊狀或鏈狀等，邊緣沒(méi)有氣孔圓滑清晰，

有時(shí)帶棱角，

如圖6-48所示。

圖6-48焊縫夾渣照片

5）燒穿在焊縫的局部，因熱量過(guò)大而被熔穿，形成流垂或凹坑。在底片上的影像呈光亮的圓形(流垂)或呈邊緣較清晰的黑塊(凹坑)，

如圖6-49所示。

圖6-49焊縫燒穿照片

2.鑄件中常見(jiàn)的缺陷

1）夾雜夾雜是金屬熔化過(guò)程中的熔渣或氧化物，因來(lái)不及浮出表面而停留在鑄件內(nèi)形成的。在膠片上的影像有球狀、塊狀或其他不規(guī)則形狀。其黑度有均勻的和不均勻的，有時(shí)出現(xiàn)的可能不是黑塊而是亮塊，這是因?yàn)殍T件中夾有比鑄造金屬密度更大的夾雜物，如鑄鎂合金中的熔劑夾渣，如圖6-50所示。

圖6-50鑄鎂合金中的夾雜照片

2）氣孔因鑄型通氣性不良等原因，使鑄件內(nèi)部分氣體排不出來(lái)而形成氣孔。氣孔大部分接近表面，在底片上的影像呈圓形或橢圓形，也有不規(guī)則形狀的，一般中心部分較邊緣稍黑，

輪廓較清晰，

如圖6-51所示。

圖6-51鑄件中的氣孔照片

3）針孔針孔是指直徑小于或等于1mm的氣孔，是鑄鋁合金中常見(jiàn)的缺陷。在膠片上的影像有圓形、條形、蒼蠅腳形等。當(dāng)透照較大厚度的工件時(shí)，由于針孔分布在整個(gè)橫斷面，

針孔投影在膠片上是重疊的，

此時(shí)就無(wú)法辨認(rèn)出它的單個(gè)形狀了。

4）疏松澆鑄時(shí)局部溫差過(guò)大，在金屬收縮過(guò)程中，鄰近金屬補(bǔ)縮不良，產(chǎn)生疏松。疏松多產(chǎn)生在鑄件的冒口根部、厚大部位、厚薄交界處和具有大面積的薄壁處。在底片上的影像呈輕微疏散的淺黑條狀或疏散的云霧狀，嚴(yán)重的呈密集云霧狀或樹(shù)枝狀，如圖6-52所示。

圖6-52鑄件內(nèi)部疏松照片

5）裂紋裂紋一般是在收縮時(shí)產(chǎn)生，沿晶界發(fā)展。在底片上的影像是連續(xù)或斷續(xù)曲折狀黑線，

一般兩端較細(xì)，如圖6-53所示。

圖6-53鑄件裂紋照片

6）冷隔冷隔由澆鑄溫度偏低造成，一般分布在較大平面的薄壁上或厚壁過(guò)渡區(qū)，鑄件清理后有時(shí)肉眼可見(jiàn)。

在底片上的影像呈黑線，

與裂紋相似，

但有時(shí)可能中部細(xì)而兩端較粗。

4.缺陷埋藏深度的測(cè)定根據(jù)缺陷在底片上的影像，只能判定缺陷在工件中的平面位置，也就是說(shuō)，只能把缺陷位置以兩個(gè)坐標(biāo)表示出來(lái)。為了確定第三個(gè)坐標(biāo)，即決定缺陷所在位置的深度，必須進(jìn)行兩次不同方向的照射。

5.缺陷在射線方向上的厚度測(cè)定缺陷在射線束方向的厚度(如氣孔直徑或未焊透深度等)測(cè)定方法，可用測(cè)量缺陷在底片上的影像黑度來(lái)估計(jì)。

6.表面缺陷和偽缺陷

1）表面缺陷對(duì)于缺陷，主要應(yīng)檢查工件內(nèi)部缺陷，但是各種表面缺陷在膠片上的影像和內(nèi)部缺陷的影像并沒(méi)有什么區(qū)別，表面缺陷有些是允許的。因此，在膠片上發(fā)現(xiàn)有缺陷影像后，應(yīng)與工件表面仔細(xì)查對(duì)，

最后得出結(jié)論。

2）偽缺陷偽缺陷產(chǎn)生的原因很多，形狀也多種多樣，檢測(cè)人員一般憑經(jīng)驗(yàn)?zāi)茏R(shí)別大部分偽缺陷。也就是說(shuō)，對(duì)缺陷影像可根據(jù)缺陷影像的特征和產(chǎn)生的部位予以分析。此外，還可以從膠片兩側(cè)利用反光或放大鏡觀察表面是否劃傷來(lái)判斷。如仍懷疑有缺陷，則必須重照復(fù)驗(yàn)。

6.2.5γ射線檢測(cè)及中子射線檢測(cè)簡(jiǎn)介

1.γ射線檢測(cè)的特點(diǎn)

γ射線與X射線檢測(cè)的工藝方法基本上是一樣的，但是γ射線檢測(cè)有其獨(dú)特的地方。

(1)γ射線源不像X射線那樣，可以根據(jù)不同檢測(cè)厚度來(lái)調(diào)節(jié)能量(如管電壓)，它有自己固定的能量，所以要根據(jù)材料厚度、精度要求合理選取γ射線源。

(2)γ射線比X射線輻射劑量(輻射率)低，所以曝光時(shí)間比較長(zhǎng)，曝光條件同樣是根據(jù)曝光曲線選擇的，并且一般都要使用增感屏。

(3)γ射線源隨時(shí)都在放射，不像X射線機(jī)那樣不工作就沒(méi)有射線產(chǎn)生，所以應(yīng)特別注意射線的防護(hù)工作。

(4)γ射線比普通X射線穿透力強(qiáng)，但靈敏度較X射線低，它可以用于高空、水下及野外作業(yè)。在那些無(wú)水無(wú)電及其他設(shè)備不能接近的部位(如狹小的孔洞或是高壓線的接頭等)，均可使用γ射線對(duì)其進(jìn)行有效的檢測(cè)。

2.中子射線照相檢測(cè)的特點(diǎn)中子射線照相檢測(cè)與X射線照相檢測(cè)、γ射線照相檢測(cè)相類似，都是利用射線對(duì)物體有很強(qiáng)的穿透能力，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的無(wú)損檢測(cè)。對(duì)大多數(shù)金屬材料來(lái)說(shuō)，由于中子射線比X射線和γ射線具有更強(qiáng)的穿透力，對(duì)含氫材料表現(xiàn)為很強(qiáng)的散射性能等特點(diǎn)，從而成為射線照相檢測(cè)技術(shù)中又一個(gè)新的組成部分。

6.2.6射線的防護(hù)

1.屏蔽防護(hù)法屏蔽防護(hù)法是利用各種屏蔽物體吸收射線，以減少射線對(duì)人體的傷害，這是射線防護(hù)的主要方法。一般根據(jù)X射線、γ射線與屏蔽物的相互作用來(lái)選擇防護(hù)材料，屏蔽X射線和γ射線以密度大的物質(zhì)為好，如貧化鈾、鉛、鐵、重混凝土、鉛玻璃等都可以用作防護(hù)材料。但從經(jīng)濟(jì)、方便出發(fā)，也可采用普通材料，如混凝土、巖石、磚、土、水等。對(duì)于中子的屏蔽除能防護(hù)γ射線之外，

還以特別選取含氫元素多的物質(zhì)為宜。

2.距離防護(hù)法距離防護(hù)在進(jìn)行野外或流動(dòng)性射線檢測(cè)時(shí)是非常經(jīng)濟(jì)有效的方法。這是因?yàn)樯渚€的劑量率與距離的平方成反比，增加距離可顯著地降低射線的劑量率。若離放射源的距離為R1處的劑量率為P1，在另一徑向距離為R2處的劑量率為P2，則它們的關(guān)系為：

（6-49）

顯然，增大R2可有效地降低劑量率P2，在無(wú)防護(hù)或護(hù)防層不夠時(shí)，這是一種特別有用的防護(hù)方法。

3.時(shí)間防護(hù)法時(shí)間防護(hù)是指讓工作人員盡可能的減少接觸射線的時(shí)間，以保證檢測(cè)人員在任一天都不超過(guò)國(guó)家規(guī)定的最大允許劑量當(dāng)量(17mrem)。

人體接受的總劑量：D=Pt，其中，P為在人體上接受到的射線劑量率，t為接觸射線的時(shí)間。

由此可見(jiàn)，縮短與射線接觸時(shí)間t亦可達(dá)到防護(hù)目的。如每周每人控制在最大容許劑量0.1rem以內(nèi)時(shí)，則應(yīng)有D≤0.1rem；如果人體在每透照一次時(shí)所接受到的射線劑量為時(shí)，則控制每周內(nèi)的透照次數(shù)N≤0.1，亦可以達(dá)到防護(hù)的目的。

4.中子防護(hù)

1）減速劑的選擇

快中子減速作用，主要依靠中子和原子核的彈性碰撞，因此較好的中子減速劑是原子序數(shù)低的元素如氫、水、石蠟等含氫多的物質(zhì)，它們作為減速劑使用減速效果好，價(jià)格便宜，是比較理想的防護(hù)材料。

2）吸收劑的選擇對(duì)于吸收劑要求它在俘獲慢中子時(shí)放出來(lái)的射線能量要小，而且對(duì)中子是易吸收的。鋰和硼較為適合，因?yàn)樗鼈儗?duì)熱中子吸收截面大，分別為：71barn(靶)和759barn，鋰俘獲中子時(shí)放出γ射線很少，可以忽略，而硼俘獲的中子95％放出0.7MeV的軟γ射線，比較易吸收，因此常選含硼物或硼砂、硼酸作吸收劑。在設(shè)置中子防護(hù)層時(shí)，總是把減速劑和吸收劑同時(shí)考慮；如含2％的硼砂(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)、石蠟、磚或裝有2％硼酸水溶液的玻璃(或有機(jī)玻璃)水箱堆置即可，特別要注意防止中子產(chǎn)生泄漏。

3

渦流檢測(cè)3.1渦流檢測(cè)的基本原理當(dāng)導(dǎo)體處在變化的磁場(chǎng)中或相對(duì)于磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由電磁感應(yīng)定律可知，其內(nèi)部會(huì)感應(yīng)出電流。這些電流的特點(diǎn)是：在導(dǎo)體內(nèi)部自成閉合回路，呈漩渦狀流動(dòng)，因此稱之為渦流。例如，在含有圓柱導(dǎo)體芯的螺管線圈中通有交變電流時(shí)，圓柱導(dǎo)體芯中將出現(xiàn)渦流，如圖6-54所示。

圖6-54渦流

1．渦流檢測(cè)基本原理當(dāng)載有交變電流的檢測(cè)線圈靠近導(dǎo)電試件時(shí)，由于激勵(lì)線圈磁場(chǎng)的作用，試件中會(huì)產(chǎn)生渦流。渦流的大小、相位及流動(dòng)形式受到試件導(dǎo)電性能的影響。渦流也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)反過(guò)來(lái)又會(huì)使檢測(cè)線圈的阻抗發(fā)生變化。因此，通過(guò)測(cè)定檢測(cè)線圈阻抗的變化，就可以判斷出被測(cè)試件的性能及有無(wú)缺陷等。

2．渦流的趨膚效應(yīng)和透入深度當(dāng)直流電流通過(guò)導(dǎo)線時(shí)，橫截面上的電流密度是均勻的。但交變電流通過(guò)導(dǎo)線時(shí)，導(dǎo)線周圍變化的磁場(chǎng)也會(huì)在導(dǎo)線中產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而會(huì)使沿導(dǎo)線截面的電流分布不均勻，表面的電流密度較大，越往中心處越小，尤其是當(dāng)頻率較高時(shí)，電流幾乎是在導(dǎo)線表面附近的薄層中流動(dòng)，這種現(xiàn)象稱為趨膚效應(yīng)。趨膚效應(yīng)的存在使感生渦流的密度從被檢材料或工件的表面到其內(nèi)部按指數(shù)分布規(guī)律遞減。在渦流檢測(cè)中，定義渦流密度衰減到其表面密度值的1／e（36.8%）時(shí)對(duì)應(yīng)的深度為標(biāo)準(zhǔn)透入深度，也稱趨膚深度，用符號(hào)δ表示，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

（6-50）

圖6-55幾種不同材料的標(biāo)準(zhǔn)透入深度與頻率的關(guān)系

圖6-56透入半無(wú)限大導(dǎo)體的渦流密度與透入深度的關(guān)系

3.2渦流檢測(cè)的阻抗分析法

圖6-57線圈耦合電路

1．檢測(cè)線圈的阻抗和阻抗歸一化

1）檢測(cè)線圈的阻抗設(shè)通以交變電流的檢測(cè)線圈（初級(jí)線圈）的自身阻抗為Z0，

其中忽略了容抗，則

（6-51）

當(dāng)初級(jí)線圈與次級(jí)線圈（被檢對(duì)象）相互耦合時(shí)，由于互感的作用，閉合的次級(jí)線圈中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，而這個(gè)電流反過(guò)來(lái)又會(huì)影響初級(jí)線圈中的電壓和電流。這種影響可以用次級(jí)線圈電路阻抗通過(guò)互感M反映到初級(jí)線圈電路的折合阻抗來(lái)體現(xiàn)，設(shè)折合阻抗為。

（6-52）

將次級(jí)線圈的折合阻抗與初級(jí)線圈自身的阻抗的和稱為初級(jí)線圈的視在阻抗Zs，即

（6-53）

式中：為視在電阻；為視在電抗。應(yīng)用視在阻抗的概念，就可認(rèn)為初級(jí)線圈電路中電流和電壓的變化是由于它的視在阻抗的變化引起的，而據(jù)此就可以得知次級(jí)線圈對(duì)初級(jí)線圈的效應(yīng)，從而可以推知次級(jí)線圈電路中阻抗的變化。

2）阻抗歸一化圖6-58所示的阻抗平面圖雖然比較直觀，但半圓形曲線在阻抗平面圖上的位置與初級(jí)線圈自身的阻抗以及兩個(gè)線圈自身的電感和互感有關(guān)。另外，半圓的半徑不僅受到上述因素的影響，還隨頻率的不同而變化。這樣，如果要對(duì)每個(gè)阻抗值不同的初級(jí)線圈的視在阻抗，或?qū)︻l率不同的初級(jí)線圈的視在阻抗，或?qū)删€圈間耦合系數(shù)不同的初級(jí)線圈的視在阻抗作出阻抗平面圖時(shí)，就會(huì)得到半徑不同、位置不一的許多半圓曲線，這不僅給作圖帶來(lái)不便，而且也不便于對(duì)不同情況下的曲線進(jìn)行比較。為了消除初級(jí)線圈阻抗以及激勵(lì)頻率對(duì)曲線位置的影響，

便于對(duì)不同情況下的曲線進(jìn)行比較，

通常要對(duì)阻抗進(jìn)行歸一化處理。

圖6-58初級(jí)線圈的阻抗平面圖

圖6-59歸一化后的阻抗平面圖

2．有效磁導(dǎo)率和特征頻率

1）有效磁導(dǎo)率在半徑為r、磁導(dǎo)率為μ、電導(dǎo)率為σ的長(zhǎng)直圓柱導(dǎo)體上，緊貼密繞一螺線管線圈。在螺線管中通以交變電流，則圓柱導(dǎo)體中會(huì)產(chǎn)生一交變磁場(chǎng)，由于趨膚效應(yīng)，磁場(chǎng)在圓柱導(dǎo)體的橫截面上的分布是不均勻的。于是人們提出了一個(gè)假想模型：圓柱導(dǎo)體的整個(gè)截面上有一個(gè)恒定不變的均勻磁場(chǎng)，而磁導(dǎo)率卻在截面上沿徑向變化，它所產(chǎn)生的磁通等于圓柱導(dǎo)體內(nèi)真實(shí)的物理場(chǎng)所產(chǎn)生的磁通。這樣，就用一個(gè)恒定的磁場(chǎng)和變化著的磁導(dǎo)率替代了實(shí)際上變化著的磁場(chǎng)和恒定的磁導(dǎo)率，這個(gè)變化著的磁導(dǎo)率便稱為有效磁導(dǎo)率，用μeff表示，同時(shí)推導(dǎo)出它的表達(dá)式為（6-54）

其中，

。

2）特征頻率定義使（6-54）式中貝塞爾函數(shù)變量的模為1的頻率為渦流檢測(cè)的特征頻率。其表達(dá)式為

（6-55）

對(duì)于非鐵磁性材料，(H/cm)，可得特征頻率，d為圓柱導(dǎo)體的直徑。

圖6-60μeff與f/fg的關(guān)系曲線

3）渦流檢測(cè)相似律有效磁導(dǎo)率μeff是一個(gè)完全取決于頻率比f(wàn)/fg大小的參數(shù)，而μeff的大小又決定了試件內(nèi)渦流和磁場(chǎng)強(qiáng)度的分布。因此，試件內(nèi)渦流和磁場(chǎng)的分布是隨f/fg的變化而變化的。理論分析和推導(dǎo)可以證明，試件中渦流和磁場(chǎng)強(qiáng)度的分布僅僅是f/fg的函數(shù)。由此，可得出渦流檢測(cè)的相似律：對(duì)于兩個(gè)不同的試件，只要各對(duì)應(yīng)的頻率比f(wàn)/fg相同，則有效磁導(dǎo)率、渦流密度及磁場(chǎng)強(qiáng)度的幾何分布均相同。

3．影響線圈阻抗的因素

1）穿過(guò)式線圈的阻抗分析內(nèi)含導(dǎo)電圓柱體的長(zhǎng)直載流螺線管線圈為穿過(guò)式線圈。有效磁導(dǎo)率的概念也是以這種線圈為基礎(chǔ)提出的，而且假定圓柱體的直徑d和線圈的直徑D相同。但事實(shí)上，檢測(cè)線圈和工件之間總要留有空隙以保證工件快速通過(guò)。因此有線圈填充系數(shù)η=(d/D)2，η<1。

通過(guò)對(duì)線圈和圓柱導(dǎo)體內(nèi)磁場(chǎng)的分析，利用有效磁導(dǎo)率的概念，推導(dǎo)出單位長(zhǎng)度檢測(cè)線圈的歸一化阻抗為（6-56）

圖6-61η=1時(shí)，

含鐵磁性導(dǎo)電圓柱體的線圈復(fù)阻抗平面圖

通過(guò)式（6-56）可分析出影響線圈阻抗的因素是材料自身的性質(zhì)和線圈與試件的電磁耦合狀況，主要包括：試件的電導(dǎo)率σ、磁導(dǎo)率μ、幾何尺寸、缺陷以及試驗(yàn)頻率等。（1）電導(dǎo)率σ。根據(jù)式（6-56）可知，電導(dǎo)率的變化對(duì)阻抗的影響主要反映在有效磁導(dǎo)率μeff內(nèi)，即只影響了μeff的參變量f/fg=2πfμσr2，因而，材料電導(dǎo)率的改變將使檢測(cè)線圈的阻抗值沿阻抗曲線的切向變化。據(jù)此可利用渦流檢測(cè)來(lái)進(jìn)行材料電導(dǎo)率的測(cè)量和材質(zhì)的分選等工作。（2）磁導(dǎo)率μ。對(duì)于非鐵磁性材料有μ=μrμ0≈μ0，因而一般磁導(dǎo)率對(duì)檢測(cè)線圈的阻抗沒(méi)有影響。但是對(duì)于鐵磁性材料就不同了，由于μr≠1，所以需要考慮磁導(dǎo)率的影響。當(dāng)填充系數(shù)η=1時(shí)，含鐵磁性試件線圈的復(fù)阻抗平面圖如圖6-61所示。根據(jù)式(6-56)可以看出，鐵磁性材料的磁導(dǎo)率μ對(duì)線圈阻抗的影響是雙重的：一方面改變了μeff的參變量f/fg=2πfμσr2，使阻抗值沿著同一條曲線移到變化后的f/fg點(diǎn)上；另一方面，它還改變了式（6-56）中的ημrμ0μeff值，使阻抗值落到新的μr值的曲線上。這樣影響的綜合結(jié)果是使磁導(dǎo)率變化引起的效應(yīng)方向發(fā)生在圖6-61所示的弦向曲線方向上。（3）試件的幾何尺寸。當(dāng)圓柱體直徑改變時(shí)，一方面頻率比f(wàn)/fg隨之變化，另一方面使填充系數(shù)rη改變，其綜合結(jié)果是線圈阻抗將沿弦向變化，這和磁導(dǎo)率對(duì)阻抗的影響類同。這表明若不采取特殊措施，要想?yún)^(qū)分磁導(dǎo)率和直徑對(duì)線圈阻抗的影響是不可能的。（4）缺陷。缺陷對(duì)線圈阻抗的影響可以看做是電導(dǎo)率和幾何尺寸兩個(gè)參數(shù)影響的綜合結(jié)果，因此，它的效應(yīng)方向應(yīng)該介于電導(dǎo)率和半徑效應(yīng)之間。由于缺陷的位置、深度和形狀等各種因素的綜合影響，使缺陷效應(yīng)的大小很難進(jìn)行理論計(jì)算，所以，通常都是借助模型進(jìn)行試驗(yàn)來(lái)研究缺陷對(duì)阻抗的效應(yīng)，取各種不同材料、形狀、尺寸和位置的缺陷，在不同的頻率下進(jìn)行試驗(yàn)，得到的結(jié)果制成參考圖表，為試驗(yàn)提供依據(jù)。圖6-62為頻率比f(wàn)/fg=15，對(duì)于不同位置、形狀、寬度裂紋的非鐵磁性圓柱體進(jìn)行模型試驗(yàn)得出的阻抗測(cè)量數(shù)據(jù)，從而繪制出的裂紋對(duì)線圈視在阻抗變化影響的曲線。圖6-62裂紋對(duì)線圈視在阻抗變化的影響

（5）檢測(cè)頻率。由式(6-56)可以看出，檢測(cè)頻率對(duì)線圈阻抗的影響表現(xiàn)在影響μeff的參變量f/fg=2πfμσr2上。因此，試驗(yàn)頻率f和電導(dǎo)率σ兩者的效應(yīng)方向在阻抗圖上是一致的。在實(shí)際的渦流檢測(cè)中，為了分析各種影響因素(諸如前面討論的電導(dǎo)率效應(yīng)、直徑效應(yīng)、裂紋效應(yīng)等)，有必要選擇最佳的試驗(yàn)頻率，而最佳試驗(yàn)頻率的選擇隨檢測(cè)目的和對(duì)象有所不同。通常最佳檢測(cè)頻率要大于特征頻率fg若干倍。2）其他常用類型檢測(cè)線圈的阻抗分析（1）內(nèi)含導(dǎo)電管材的穿過(guò)式線圈。①

薄壁管件。

對(duì)非鐵磁性材料的薄壁管件，特征頻率為

（6-57）

式中：di為管件內(nèi)徑；w為管件壁厚。管件的填充系數(shù)η=(da/dc)2，其中，da為管件外徑，dc為線圈內(nèi)徑。同樣用式（6-56）來(lái)分析各種因素對(duì)線圈阻抗的影響。②厚壁管件。厚壁管穿過(guò)式線圈的阻抗曲線位于圓柱體和薄壁管兩者的曲線之間。（2）導(dǎo)電管件的內(nèi)通式線圈。將線圈插入并通過(guò)被檢管材(或管道)內(nèi)部進(jìn)行檢測(cè)的線圈為內(nèi)通式線圈。①薄壁管件。用內(nèi)通式線圈檢測(cè)薄壁管件時(shí)，其線圈阻抗的變化情況可借用穿過(guò)式線圈的阻抗圖加以分析。②

厚壁管件。對(duì)于非鐵磁性材料的厚壁管件，其特征頻率為

（6-58）

式中：

di為管件內(nèi)徑。

（3）放置式線圈。在檢測(cè)過(guò)程中以軸線垂直于被檢工件表面的方位放置在其上的線圈為放置式線圈。用放置式線圈檢測(cè)板材時(shí)，線圈阻抗的變化不僅與材料的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率等因素的變化有關(guān)，而且還受線圈至板材表面的距離變化的影響，此即所謂“提離效應(yīng)”。當(dāng)測(cè)定材料表面涂層或鍍層厚度時(shí)，要利用放置式線圈的提離效應(yīng)。而為了測(cè)量材料的電導(dǎo)率或進(jìn)行材料探傷時(shí)，則要設(shè)法通過(guò)選擇頻率來(lái)減小提離效應(yīng)的干擾。提高檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

4．渦流檢測(cè)線圈（1）按感應(yīng)方式分類。按照感應(yīng)方式不同，檢測(cè)線圈可分為自感式線圈和互感式線圈（又稱為參量式線圈和變壓器式線圈），見(jiàn)圖6-63。自感式線圈由單個(gè)線圈構(gòu)成，該線圈產(chǎn)生激勵(lì)磁場(chǎng)，在導(dǎo)電體中形成渦流，同時(shí)又是感應(yīng)、接收導(dǎo)電體中渦流再生磁場(chǎng)信號(hào)的檢測(cè)線圈，故名自感線圈?；ジ芯€圈一般由兩個(gè)或兩組線圈構(gòu)成，其中一個(gè)（組）是用于產(chǎn)生激勵(lì)磁場(chǎng)在導(dǎo)電體中形成渦流的激勵(lì)線圈(又稱一次線圈)，另一個(gè)(組)線圈是感應(yīng)、接收導(dǎo)電體中渦流再生磁場(chǎng)信號(hào)的檢測(cè)線圈(又稱二次線圈)。

圖6-63不同感應(yīng)方式的檢測(cè)線圈(a)自感式線圈；

(b)互感式線圈

（2）按應(yīng)用方式分類。按照應(yīng)用方式不同，檢測(cè)線圈可分為外通過(guò)式線圈、內(nèi)穿過(guò)式線圈和放置式線圈(見(jiàn)圖6-64)。放置式線圈又稱為探頭式線圈。在應(yīng)用過(guò)程中，外通過(guò)式線圈和內(nèi)穿過(guò)式線圈的軸線平行于被檢工件的表面，而放置式線圈的軸線垂直于被檢工件的表面。這種線圈可以設(shè)計(jì)、制作得很小，而且線圈中可以附加磁芯，具有增強(qiáng)磁場(chǎng)強(qiáng)度和聚焦磁場(chǎng)的特性，因此具有較高的檢測(cè)靈敏度。

圖6-64不同應(yīng)用方式的檢測(cè)線圈(a)放置式線圈；

(b)外通過(guò)式線圈；

(c)內(nèi)穿過(guò)式線圈

（3）按比較方式分類。按照比較方式不同，檢測(cè)線圈可分為絕對(duì)式線圈和差動(dòng)式線圈，而差動(dòng)式線圈又分自比式和他比式兩種(見(jiàn)圖6-65)。

絕對(duì)式線圈是一種由一個(gè)同時(shí)起激勵(lì)和檢測(cè)作用的線圈或一個(gè)激勵(lì)線圈(一次線圈)和一個(gè)檢測(cè)線圈(二次線圈)構(gòu)成，僅針對(duì)被檢測(cè)對(duì)象某一位置的電磁特性直接進(jìn)行檢測(cè)的線圈，

而不與被檢對(duì)象的其他部位或?qū)Ρ仍嚇幽骋徊课坏碾姶盘匦赃M(jìn)行比較檢測(cè)。

圖6-65不同比較方式的檢測(cè)線圈(a)絕對(duì)式線圈；

(b)自比式線圈；

(c)他比式線圈

5．信號(hào)檢出電路渦流檢測(cè)中，通常將渦流檢測(cè)線圈作為構(gòu)成平衡電橋的一個(gè)橋臂。正常情況下，可通過(guò)調(diào)節(jié)平衡電橋中的可變電阻實(shí)現(xiàn)橋式電路的平衡，

如圖6-66所示。

圖6-66檢測(cè)線圈作為電橋橋臂之一的平衡電路

當(dāng)檢測(cè)阻抗發(fā)生變化（如線圈的被檢測(cè)零件中出現(xiàn)缺陷）時(shí)，橋路失去平衡，這時(shí)輸出電壓不再為零，

而是一個(gè)非常微弱的信號(hào)，

其大小取決于被檢測(cè)零件的電磁特性。

（6-59）

式中：

Z2、Z4為固定橋臂阻抗；ΔZ3為檢測(cè)線圈阻抗的變化，通過(guò)測(cè)量U，可間接得到ΔZ3。3.3渦流檢測(cè)的應(yīng)用

1．渦流檢測(cè)裝置

渦流檢測(cè)裝置包括檢測(cè)線圈、檢測(cè)儀器和輔助裝置，另外還配有標(biāo)準(zhǔn)試樣和對(duì)比試樣。檢測(cè)線圈前面已經(jīng)介紹過(guò)了，下面簡(jiǎn)要介紹其他部分。檢測(cè)儀器是渦流檢測(cè)的核心部分。其作用為產(chǎn)生交變電流供給檢測(cè)線圈，對(duì)檢測(cè)到的電壓信號(hào)進(jìn)行放大，抑制或消除干擾信號(hào)，提取有用信號(hào)，最終顯示檢測(cè)結(jié)果。根據(jù)檢測(cè)對(duì)象和目的，渦流檢測(cè)儀器分渦流探傷、渦流電導(dǎo)儀和渦流測(cè)厚儀三種。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，還出現(xiàn)了智能型渦流檢測(cè)儀器。

2．渦流探傷

1）管、棒材探傷用高速、自動(dòng)化的渦流探傷裝置可以對(duì)成批生產(chǎn)的金屬管材和棒材進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。首先，自動(dòng)上料進(jìn)給裝置使管材等速、同心地進(jìn)入并通過(guò)渦流檢測(cè)線圈。然后，分選下料機(jī)構(gòu)根據(jù)渦流檢測(cè)結(jié)果，按質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定將經(jīng)過(guò)探傷的管材分別送入合格品、

次品和廢品料槽。

用于管材探傷的檢測(cè)線圈是多種多樣的。小直徑管材(直徑≤75mm)探傷通常采用激勵(lì)線圈與測(cè)量線圈分開(kāi)的感應(yīng)型穿過(guò)式線圈。當(dāng)管材為鐵磁性材料時(shí)，外層還要加上磁飽和線圈(見(jiàn)圖6-67)用直流電對(duì)管材進(jìn)行磁化。這種線圈最適宜檢測(cè)凹坑、鍛屑、折疊和裂紋等缺陷，檢測(cè)速度一般為0.5m／s。需要說(shuō)明的是，穿過(guò)式線圈對(duì)管材表面和近表面的縱向裂紋有良好的檢出靈敏度，但由于其感生出的渦流沿管材周向流動(dòng)，因此該線圈對(duì)周向裂紋的檢測(cè)不敏感。此外，如果管材直徑過(guò)大，使得缺陷面積在整個(gè)被檢面積中占的比例很小時(shí)，檢測(cè)的靈敏度也會(huì)顯著降低。檢測(cè)管材的周向裂紋或當(dāng)管材的直徑超過(guò)75mm時(shí)，宜采用小尺寸的探頭式線圈(見(jiàn)圖6-68)以探測(cè)管材上的短小缺陷。探頭數(shù)量的多少取決于管徑的大小。探頭式線圈的優(yōu)點(diǎn)是提高了檢測(cè)靈敏度，但其探傷的效率要比穿過(guò)式線圈低。

圖6-67檢測(cè)管材的穿過(guò)式線圈

圖6-68檢測(cè)管材的探頭式線圈

2)不規(guī)則形狀材料和零件探傷適合采用放置式線圈進(jìn)行檢測(cè)的，既包括形狀復(fù)雜的零件，也包括除管、棒材以外形狀不規(guī)則的材料和零件，如板材、型材等。由于這類材料和零件的形狀、結(jié)構(gòu)多種多樣，因此放置式線圈的形貌也多種多樣。比如要采用渦流方法完成飛機(jī)維修手冊(cè)所規(guī)定的全部檢查項(xiàng)目，就要配備以下各式探頭，包括筆試探頭、

鉤式探頭、

平探頭、

孔探頭和異形探頭等。

3．電導(dǎo)率測(cè)量和材質(zhì)分選電導(dǎo)率的測(cè)量是利用渦流電導(dǎo)儀測(cè)量出非鐵磁性金屬的電導(dǎo)率值，而電導(dǎo)率值與金屬中所含雜質(zhì)、材料的熱處理狀態(tài)以及某些材料的硬度、耐腐蝕等性能有關(guān)，所以可進(jìn)行材質(zhì)的分選。

4．渦流測(cè)厚用渦流檢測(cè)方法可以測(cè)量金屬基體上的覆層以及金屬薄板的厚度，利用的是探頭式線圈的提離效應(yīng)。這一厚度一般在幾微米至幾百微米的范圍。用渦流法測(cè)量金屬薄板的厚度時(shí)，檢測(cè)線圈既可按反射工作方式布置在被檢測(cè)薄板的同一側(cè)，也可按透射方式布置在其兩側(cè)。但都是根據(jù)在測(cè)量線圈上測(cè)得的感應(yīng)電壓值來(lái)推算金屬薄板厚度的。

5．渦流檢測(cè)技術(shù)的新發(fā)展隨著工業(yè)的發(fā)展，對(duì)材料、產(chǎn)品檢測(cè)要求的不斷提高，并由于渦流檢測(cè)自身的特點(diǎn)，人們逐步認(rèn)識(shí)到常規(guī)渦流檢測(cè)方法的一些局限性，它對(duì)解決某些問(wèn)題顯得無(wú)能為力。例如高頻磁場(chǎng)激勵(lì)的渦流，由于極強(qiáng)的趨膚效應(yīng)，使它對(duì)更深層缺陷和材料特性的檢測(cè)受到限制；由于對(duì)提離效應(yīng)敏感，使得檢測(cè)線圈與被檢試件間精確、穩(wěn)定的耦合十分困難；干擾信號(hào)同有用信號(hào)混淆在一起，無(wú)法分離、辨別；檢測(cè)易受工件形狀限制等。針對(duì)以上這些問(wèn)題，提出了很多新的基于電磁原理的檢測(cè)設(shè)想，經(jīng)過(guò)逐步發(fā)展，形成了一些相對(duì)獨(dú)立的新的檢測(cè)方法，如遠(yuǎn)場(chǎng)渦流、電流擾動(dòng)、磁光渦流、渦流相控陣檢測(cè)技術(shù)等。它們同常規(guī)的渦流檢測(cè)方法一道組成了電磁渦流檢測(cè)技術(shù)，這些技術(shù)方法的分類并不是非常分明的，而是相互融合和交叉的，

且各有優(yōu)勢(shì)。

6.4聲

發(fā)

射

檢

測(cè)

6.4.1聲發(fā)射檢測(cè)的原理及特點(diǎn)

1.聲發(fā)射檢測(cè)的原理聲發(fā)射(AcousticEmission，AE)是指材料或結(jié)構(gòu)受內(nèi)力或外力作用產(chǎn)生形變或破壞，并以彈性波形式釋放出應(yīng)變能的現(xiàn)象。聲發(fā)射是一種常見(jiàn)的物理現(xiàn)象，大多數(shù)材料變形和斷裂時(shí)都有聲發(fā)射現(xiàn)象產(chǎn)生，如果釋放的應(yīng)變能足夠大，就產(chǎn)生可以聽(tīng)得見(jiàn)的聲音，如在耳邊彎曲錫片，就可以聽(tīng)見(jiàn)噼啪聲，這是錫受力產(chǎn)生孿晶變形的聲音。

圖6-69聲發(fā)射技術(shù)基本原理

聲發(fā)射檢測(cè)的主要目標(biāo)是：①確定聲發(fā)射源的部位；②分析聲發(fā)射源的性質(zhì)；③確定聲發(fā)射發(fā)生的時(shí)間或載荷；④評(píng)定聲發(fā)射源的嚴(yán)重性。一般而言，對(duì)超標(biāo)聲發(fā)射源，要用其他無(wú)損檢測(cè)方法進(jìn)行局部復(fù)檢，以精確確定缺陷的性質(zhì)與大小。

2．聲發(fā)射信號(hào)

1）聲發(fā)射源材料在應(yīng)力作用下的變形與裂紋擴(kuò)展是結(jié)構(gòu)失效的重要機(jī)制。這種直接與變形和斷裂機(jī)制有關(guān)的源，通常稱為典型聲發(fā)射源。近年來(lái)，流體泄漏、摩擦、撞擊、燃燒等與變形和斷裂機(jī)制無(wú)直接關(guān)系的另一類彈性波源，也被劃到聲發(fā)射源范疇，稱為其他聲發(fā)射源或二次聲發(fā)射源。

2）聲發(fā)射信號(hào)的傳播聲發(fā)射源處的聲發(fā)射波形，一般為寬頻帶尖脈沖，包含著聲發(fā)射源的定量信息。然而，所測(cè)得的信號(hào)波形，由于介質(zhì)的傳播特性和傳感器頻響特性的影響而變得非常復(fù)雜，與原波形有很大差異，從而大大地淡化了所測(cè)得波形特性參數(shù)的物理意義。因此，波的傳播對(duì)波形的影響，是在實(shí)驗(yàn)條件設(shè)置、數(shù)據(jù)分析及評(píng)價(jià)中均需考慮的主要問(wèn)題。（1）波的傳播模式。聲發(fā)射波在介質(zhì)中的傳播，根據(jù)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向和傳播方向的不同，可構(gòu)成縱波、橫波、表面波、板波等不同的傳播模式。

（2）波的反射、折射與模式轉(zhuǎn)換。固體介質(zhì)中局部變形時(shí)，不僅產(chǎn)生體積變形，而且產(chǎn)生剪切變形，因此將激起兩種波，即縱波(壓縮波)和橫波(切變波)。當(dāng)遇到不同介質(zhì)的界面時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射和折射，在全內(nèi)反射時(shí)則會(huì)出現(xiàn)非均勻波；在半無(wú)限體自由表面上，一定的條件下還可轉(zhuǎn)換成表面波，見(jiàn)圖6-70；

厚度接近波長(zhǎng)的薄板中，還會(huì)產(chǎn)生板波。

圖6-70波的反射與模式轉(zhuǎn)換

若在半無(wú)限大固體中的某一點(diǎn)產(chǎn)生聲發(fā)射波，當(dāng)傳播到表面上某一點(diǎn)時(shí)，縱波、橫波和表面波相繼到達(dá)，互相干涉而呈現(xiàn)復(fù)雜的模式見(jiàn)圖（見(jiàn)6-70)。與地震的情況一樣，首先到達(dá)的是縱波，其次到達(dá)的是橫波，最后到達(dá)的是表面波。在實(shí)際的聲發(fā)射應(yīng)用中，經(jīng)常遇到的是像高壓容器那樣的厚鋼板。聲發(fā)射波在厚鋼板中的傳播方式如圖6-71所示，波在傳播過(guò)程中在兩個(gè)界面上發(fā)生多次反射，

每次反射都要發(fā)生模式變換。

圖6-71聲發(fā)射波在厚板中的傳播示意圖

圖6-72波形的分離與持續(xù)時(shí)間/ms

(3)衰減。衰減是指波的幅度隨傳播距離的增加而下降的現(xiàn)象。引起聲發(fā)射波衰減的三個(gè)主要機(jī)制為：

波的幾何擴(kuò)展、材料吸收和散射。

3）凱塞效應(yīng)和費(fèi)利西蒂效應(yīng)（1）凱塞效應(yīng)。材料受載時(shí)，重復(fù)載荷到達(dá)原先所加最大載荷以前不發(fā)生明顯的聲發(fā)射現(xiàn)象，這種聲發(fā)射不可逆的性質(zhì)稱為凱塞效應(yīng)。多數(shù)金屬材料中，可觀察到明顯的凱塞效應(yīng)。但是，重復(fù)加載前，如產(chǎn)生新裂紋或其他可逆聲發(fā)射機(jī)制，則凱塞效應(yīng)會(huì)消失。凱塞效應(yīng)在聲發(fā)射技術(shù)中有著重要用途，包括：在役構(gòu)件的新生裂紋的定期過(guò)載聲發(fā)射的檢測(cè)；巖體等原先所受最大應(yīng)力的推定；疲勞裂紋起始與擴(kuò)展聲發(fā)射的檢測(cè)；通過(guò)預(yù)載措施消除夾具的噪聲干擾；加載過(guò)程中常見(jiàn)的可逆性摩擦噪聲的鑒別等。

圖6-73費(fèi)利西蒂效應(yīng)

（2）費(fèi)利西蒂效應(yīng)。對(duì)某些材料重復(fù)加載時(shí)，重復(fù)載荷到達(dá)原先所加最大載荷前發(fā)生明顯聲發(fā)射的現(xiàn)象，稱為費(fèi)利西蒂效應(yīng)，也可認(rèn)為是反凱賽效應(yīng)。重復(fù)加載時(shí)的聲發(fā)射起始載荷(PAE)對(duì)原先所加最大載荷(Pmax)之比，稱為費(fèi)利西蒂比(PAE／Pmax)。該效應(yīng)的示意圖如圖6-73所示。

費(fèi)利西蒂比作為一種定量參數(shù)，可較好地反映材料中原先所受損傷或結(jié)構(gòu)缺陷的嚴(yán)重程度，已成為缺陷嚴(yán)重性的重要評(píng)定判據(jù)。

（2）費(fèi)利西蒂效應(yīng)。對(duì)某些材料重復(fù)加載時(shí)，重復(fù)載荷到達(dá)原先所加最大載荷前發(fā)生明顯聲發(fā)射的現(xiàn)象，稱為費(fèi)利西蒂效應(yīng)，也可認(rèn)為是反凱賽效應(yīng)。重復(fù)加載時(shí)的聲發(fā)射起始載荷(PAE)對(duì)原先所加最大載荷(Pmax)之比，稱為費(fèi)利西蒂比(PAE

／Pmax)。該效應(yīng)的示意圖如圖6-73所示。

費(fèi)利西蒂比作為一種定量參數(shù)，可較好地反映材料中原先所受損傷或結(jié)構(gòu)缺陷的嚴(yán)重程度，已成為缺陷嚴(yán)重性的重要評(píng)定判據(jù)。

4）聲發(fā)射信號(hào)分析聲發(fā)射信號(hào)有突發(fā)型和連續(xù)型兩種基本類型，見(jiàn)圖6-74。

突發(fā)型信號(hào)是指在時(shí)域上可分離的波形。實(shí)際上，所有聲發(fā)射源的發(fā)射過(guò)程，均為突發(fā)過(guò)程，如斷續(xù)的裂紋擴(kuò)展、復(fù)合材料的纖維斷裂等。不過(guò)，當(dāng)聲發(fā)射頻度高達(dá)時(shí)域上不可分離的程度時(shí)，就以連續(xù)型信號(hào)顯示出來(lái)，如塑性變形聲發(fā)射過(guò)程前期的信號(hào)、泄漏信號(hào)、燃燒信號(hào)等。在實(shí)際檢測(cè)中，也會(huì)出現(xiàn)其混合型。對(duì)不同的信號(hào)類型，要采用不同的信號(hào)處理方法。近年來(lái)的通用系統(tǒng)，可同時(shí)采集兩類信號(hào)。

圖6-74聲發(fā)射信號(hào)類型(a)突發(fā)型；

(b)連續(xù)型

（1）信號(hào)特征參數(shù)。超過(guò)門檻的聲發(fā)射信號(hào)由特征提取電路變換為幾個(gè)信號(hào)特征參數(shù)。連續(xù)信號(hào)參數(shù)包括：振鈴計(jì)數(shù)、平均信號(hào)電平和有效值電壓。突發(fā)信號(hào)參數(shù)包括：撞擊(事件)計(jì)數(shù)、振鈴計(jì)數(shù)、幅度、能量計(jì)數(shù)、上升時(shí)間、持續(xù)時(shí)間和時(shí)差等。

常用突發(fā)信號(hào)特征參數(shù)的示意如圖6-75所示。

圖6-75突發(fā)信號(hào)特征參數(shù)

表6-1常用信號(hào)特征參數(shù)的含義和用途

(2)信號(hào)波形特征。波形是聲發(fā)射傳感器輸出電壓隨時(shí)間變化的曲線，它可以用示波器從前置放大器或主放大器的輸出端觀察到，也可以從瞬態(tài)記錄儀或波形記錄裝置上記錄下來(lái)。典型的突發(fā)信號(hào)的波形如圖6-76（a）所示，它的上升段比較迅速，而下降段呈現(xiàn)指數(shù)衰減振蕩的現(xiàn)象，其包絡(luò)線的形態(tài)則呈三角形。聲發(fā)射源的一次突發(fā)發(fā)射實(shí)際上是一個(gè)突發(fā)脈沖，傳感器輸出的信號(hào)呈現(xiàn)復(fù)雜的波形，則是信號(hào)在介質(zhì)中傳播過(guò)程的反射、折射、波形變換、傳感器的諧振等多種因素合成的結(jié)果。

圖6-76突發(fā)型聲發(fā)射信號(hào)波形和頻譜曲線(a)波形；

(b)頻譜

圖6-77連續(xù)型聲發(fā)射信號(hào)波形和頻譜曲線(a)波形；

(b)頻譜

3．聲發(fā)射技術(shù)的特點(diǎn)

聲發(fā)射檢測(cè)是一種動(dòng)態(tài)無(wú)損檢測(cè)方法，可用來(lái)判斷缺陷的性質(zhì)。一個(gè)同樣大小、同樣性質(zhì)的缺陷，當(dāng)它所處的位置和所受的應(yīng)力狀態(tài)不同時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)的損傷程度也不同，而其聲發(fā)射特征也是有差別的。明確了來(lái)自缺陷的聲發(fā)射信號(hào)，就可以長(zhǎng)期連續(xù)地監(jiān)視缺陷的安全性，這是其他無(wú)損檢測(cè)方法難以實(shí)現(xiàn)的。聲發(fā)射技術(shù)與其他無(wú)損檢測(cè)方法相比，具有兩個(gè)基本差別：①檢測(cè)動(dòng)態(tài)缺陷而不是靜態(tài)缺陷，如缺陷擴(kuò)展；②缺陷本身發(fā)出缺陷信息，而不是用外部輸入對(duì)缺陷進(jìn)行掃查。這種差別導(dǎo)致該技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)和局限性。

聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)有：（1）可檢測(cè)對(duì)結(jié)構(gòu)安全更為有害的活動(dòng)性缺陷。由于提供了缺陷在應(yīng)力作用下的動(dòng)態(tài)信息，因此適于評(píng)價(jià)缺陷對(duì)結(jié)構(gòu)的實(shí)際有害程度。（2）對(duì)大型構(gòu)件，可提供整體范圍的快速檢測(cè)。由于不必進(jìn)行繁雜的掃查操作，而只要布置好足夠數(shù)量的傳感器，經(jīng)一次加載或?qū)嶒?yàn)過(guò)程，就可以確定缺陷的部位，從而易于提高檢測(cè)效率。

（3）可提供缺陷隨載荷、時(shí)間、溫度等外變量而變化的實(shí)時(shí)或連續(xù)信息，因而適用于工業(yè)過(guò)程的在線監(jiān)控及早期或臨近破壞的預(yù)報(bào)。（4）對(duì)于被檢件的接近要求不高、而其他方法難于或不能接近環(huán)境下的檢測(cè)，如高低溫、核輻射、易燃、易爆及劇毒等環(huán)境。（5）

由于對(duì)構(gòu)件的幾何形狀不敏感，因此適宜檢測(cè)其他檢測(cè)方法受到限制的形狀復(fù)雜的構(gòu)件。

聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)的主要局限性有：（1）聲發(fā)射特性對(duì)材料甚為敏感，又易受到機(jī)電噪聲的干擾。因此，對(duì)數(shù)據(jù)的正確解釋要有更為豐富的數(shù)據(jù)庫(kù)和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)。（2）聲發(fā)射檢測(cè)一般需要適當(dāng)?shù)募虞d程序。多數(shù)情況下，可利用現(xiàn)成的加載條件，但有時(shí)還需要特殊準(zhǔn)備。（3）由于聲發(fā)射的不可逆性，實(shí)驗(yàn)過(guò)程的聲發(fā)射信號(hào)不可能通過(guò)多次加載重復(fù)獲得，因此，每次檢測(cè)過(guò)程的信號(hào)獲取是非常寶貴的，應(yīng)避免因人為疏忽而造成數(shù)據(jù)的丟失。（4）

聲發(fā)射檢測(cè)所發(fā)現(xiàn)的缺陷的定性定量，仍需依賴于其他無(wú)損檢測(cè)方法。

6.4.2聲發(fā)射檢測(cè)定位方法

1．區(qū)域定位

區(qū)域定位是一種處理速度快、簡(jiǎn)便而又粗略的定位方式，主要用于復(fù)合材料等由于聲發(fā)射頻度過(guò)高或傳播衰減過(guò)大、檢測(cè)通道數(shù)有限、各向異性等難以采用時(shí)差定位的場(chǎng)合。區(qū)域定位主要包含兩種方式：獨(dú)立通道控制方式和按信號(hào)到達(dá)順序定位方式。獨(dú)立通道控制定位方式是按信號(hào)衰減的影響將試件分為若干區(qū)域，每個(gè)區(qū)域的中心布置一個(gè)傳感器，每個(gè)傳感器主要接收其周邊區(qū)域發(fā)生的聲發(fā)射波，而來(lái)自該區(qū)的聲發(fā)射波首先被該傳感器接收。區(qū)域定位按各傳感器監(jiān)視各區(qū)域的方式粗略確定聲發(fā)射源所處的區(qū)域。

圖6-78源定位分類圖6-79區(qū)域定位(a)獨(dú)立通道控制定位；

(b)按信號(hào)到達(dá)順序區(qū)域定位

2．時(shí)差定位

1）一維(線)定位一維(線)定位就是在一維空間中確定聲發(fā)射源的位置坐標(biāo)，亦稱直線定位法。一維定位是聲源定位中最簡(jiǎn)單的方法，多用于焊縫缺陷的定位。一維定位至少要采用兩個(gè)傳感器和單時(shí)差，其原理見(jiàn)圖6-80。

若聲發(fā)射波從波源Q到達(dá)傳感器S1和S2的時(shí)間差為Δt，波速為v，則可得下式：

|QS1-QS2|=υΔt（6-60）

圖6-80一維定位法

2）二維（平面）定位二維定位至少需要三個(gè)傳感器和兩組時(shí)差，但為了得到單一解，一般需要四個(gè)傳感器和三組時(shí)差。傳感器陣列可任意選擇，但為了運(yùn)算簡(jiǎn)便，常采用簡(jiǎn)單陣列形式，如三角形、長(zhǎng)方形、正方形、菱形等。近年來(lái)，任意三角形陣列及連續(xù)多陣列方式也得到了應(yīng)用。就原理而言，波源的位置均為兩組或三組雙曲線的交點(diǎn)所確定。由四個(gè)傳感器構(gòu)成的菱形陣列平面定位原理見(jiàn)圖6-81。

圖6-81二維(平面)定位法

若由傳感器S1和S3間的時(shí)差ΔtX所得的雙曲線為l，由傳感器S2和S4間的時(shí)差ΔtY所得雙曲線為2，波源Q離傳感器S1和S3，S2和S4的各距離差分別為L(zhǎng)x和Ly，波速為υ，兩組傳感器間距分別為a和b，那么，波源就位于兩條雙曲線的交點(diǎn)Q(X，Y)上，其坐標(biāo)可表示為：（6-61）

（6-62）

3）柱形、球面的定位柱面定位是一種常見(jiàn)的定位方式，許多壓力容器都是圓柱體，柱面定位實(shí)際上是平面定位的一種特例。將一個(gè)圓柱面按某一母線剖開(kāi)就是一個(gè)矩形，如圖6.82所示，聲音在柱面上的傳播與在平面上的傳播是相似的，只不過(guò)需要考慮的是矩形的兩邊是連接的，圖6.82為柱形的剖面AB與CD實(shí)際是連接的，聲音從S點(diǎn)傳到P點(diǎn)后不是反射，而是從P繼續(xù)向Q傳播，因此計(jì)算方法上要考慮信號(hào)傳播AB和BD的接續(xù)。圖6.82柱面定位示意圖

3）三維空間定位在現(xiàn)代聲發(fā)射儀器中開(kāi)發(fā)了三維空間定位的定位軟件。這種定位方式主要用于大型物體內(nèi)部的缺陷監(jiān)測(cè)，如巖體、大壩、變壓器內(nèi)部放電等。

4）時(shí)差定位的局限性時(shí)差定位通過(guò)對(duì)時(shí)差、波速、傳感器間距參數(shù)的測(cè)量及復(fù)雜的算法運(yùn)算，可確定波源的坐標(biāo)或位置，是一種精確而又復(fù)雜的定位方式，廣泛用于試樣和構(gòu)件的檢測(cè)。不過(guò)，時(shí)差定位易丟失大量的低幅度信號(hào)，其定位精度又受波速、衰減、波形、構(gòu)件形狀等許多易變量的影響，因而在實(shí)際應(yīng)用中難以得到滿意的結(jié)果，也受到種種限制。在復(fù)合材料中，特別是在纖維纏繞復(fù)合材料中，由于其各向異性，聲波在不同方向上傳播的速度不相同，往往不能使用時(shí)差定位方法而采用區(qū)域定位方法。

6.4.3聲發(fā)射檢測(cè)儀器自20世紀(jì)60年代末首臺(tái)聲發(fā)射儀問(wèn)世以來(lái)，聲發(fā)射儀已更新?lián)Q代多次，它們?cè)诮Y(jié)構(gòu)、功能、數(shù)字化程度和價(jià)格上均有很大差異。聲發(fā)射儀一般可分為功能單一的單通道型(或雙通道型)、多通道多功能的通用型、全數(shù)字化型和工業(yè)專用型，其特點(diǎn)與適用范圍如表6-2所示。

表6-2聲發(fā)射儀的類型、特點(diǎn)與適用范圍

1．聲發(fā)射檢測(cè)儀器的組成典型的單通道聲發(fā)射檢測(cè)儀的基本組成如圖6-83所示，一般由傳感器、前置放大器、主放大器、信號(hào)參數(shù)測(cè)量、數(shù)據(jù)計(jì)算、

記錄與顯示等基本單元構(gòu)成。

圖6-83單通道聲發(fā)射儀

2.單通道聲發(fā)射儀單通道聲發(fā)射儀的基本組成見(jiàn)圖6-83。傳感器的輸出信號(hào)，經(jīng)前置放大器放大，濾波器頻率鑒別，主放大器進(jìn)一步放大，門檻電路探測(cè)、測(cè)量模塊提取信號(hào)特性參數(shù)，分析模塊運(yùn)算，最后輸出到記錄與顯示模塊。特征參數(shù)的測(cè)量、分析和顯示，隨檢測(cè)儀的類型有很大差異。例如，對(duì)于最早期的單通道儀器而言，主放大器的輸出信號(hào)，經(jīng)門檻比較電路形成振鈴計(jì)數(shù)脈沖，再經(jīng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)及數(shù)模轉(zhuǎn)換，便供x-y記錄儀記錄。這類最簡(jiǎn)單的類型已被淘汰，逐步為多參數(shù)測(cè)量電路所取代。

3.多通道聲發(fā)射系統(tǒng)隨著微機(jī)技術(shù)的發(fā)展，多通道聲發(fā)射系統(tǒng)的應(yīng)用從早期源定位計(jì)算，相繼擴(kuò)展到數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、分析和顯示等更為一般化的功能。與此同時(shí)，信號(hào)處理從計(jì)數(shù)類參數(shù)的測(cè)量發(fā)展到事件或撞擊參數(shù)類的測(cè)量與分析，并在數(shù)字化程度、實(shí)時(shí)性、精確性、綜合性、通用性方面均有了很大進(jìn)展。微機(jī)控制式多通道系統(tǒng)如圖6-84所示，它采用多處理器并行處理結(jié)構(gòu)，由高速采集用獨(dú)立通道控制器、協(xié)調(diào)用總通道控制器和數(shù)據(jù)分析用主計(jì)算機(jī)構(gòu)成。

圖6-84計(jì)算機(jī)控制式多通道系統(tǒng)

4.數(shù)字式多通道聲發(fā)射系統(tǒng)

隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字式多功能聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)成功推廣并將逐步成為今后的主流。其最大特點(diǎn)是經(jīng)前置放大的信號(hào)不必再經(jīng)過(guò)一系列模擬電路而直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再同時(shí)進(jìn)行常規(guī)特性參數(shù)提取與波形記錄。這不僅改善了電路的穩(wěn)定性和可靠性，而且大大強(qiáng)化了系統(tǒng)信號(hào)處理能力。

6.4.4聲發(fā)射檢測(cè)的應(yīng)用

根據(jù)聲發(fā)射的特點(diǎn)，現(xiàn)階段聲發(fā)射技術(shù)主要用于其他方法難以或不能適用的對(duì)象與環(huán)境、重要構(gòu)件的綜合評(píng)價(jià)、與安全性和經(jīng)濟(jì)性關(guān)系重大的對(duì)象等。因此，聲發(fā)射技術(shù)不是替代傳統(tǒng)的方法，而是一種新的補(bǔ)充手段。（1）石油化工工業(yè)：各種壓力容器、壓力管道和海洋石油平臺(tái)的檢測(cè)和結(jié)構(gòu)完整性評(píng)價(jià)，常壓貯罐底部、各種閥門和埋地管道的泄漏檢測(cè)等。（2）電力工業(yè)：高壓蒸汽汽包、管道和閥門的檢測(cè)與泄漏監(jiān)測(cè)，汽輪機(jī)葉片的檢測(cè)，汽輪機(jī)軸承運(yùn)行狀況的監(jiān)測(cè)，

變壓器局部放電的檢測(cè)等。

（3）材料試驗(yàn)：材料的性能測(cè)試、斷裂試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)、腐蝕監(jiān)測(cè)和摩擦測(cè)試，鐵磁性材料的磁聲發(fā)射測(cè)試等。（4）民用工程：樓房、橋梁、起重機(jī)、隧道、大壩的檢測(cè)，水泥結(jié)構(gòu)裂紋開(kāi)裂和擴(kuò)展的連續(xù)監(jiān)視等。（5）航天和航空工業(yè)：航空器殼體和主要構(gòu)件的檢測(cè)與結(jié)構(gòu)完整性評(píng)價(jià)，航空器的時(shí)效試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)檢測(cè)和運(yùn)行過(guò)程中的在線連續(xù)監(jiān)測(cè)，

固體推進(jìn)劑藥條燃速測(cè)試等。

（6）金屬加工：工具磨損和斷裂的探測(cè)，打磨輪或整形裝置與工件接觸的探測(cè)，修理整形的驗(yàn)證，金屬加工過(guò)程的質(zhì)量控制，焊接過(guò)程監(jiān)測(cè)，振動(dòng)探測(cè)，鍛壓測(cè)試，加工過(guò)程的碰撞探測(cè)和預(yù)防。（7）交通運(yùn)輸業(yè)：長(zhǎng)管拖車、公路和鐵路槽車及船舶的檢測(cè)與缺陷定位，鐵路材料和結(jié)構(gòu)的裂紋探測(cè)，橋梁和隧道的結(jié)構(gòu)完整性檢測(cè)，卡車和火車滾子軸承與軸連軸承的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，

火車車輪和軸承的斷裂探測(cè)。

（8）礦山地質(zhì)：邊坡、巷道穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)，山體滑坡監(jiān)測(cè)。（9）其他：硬盤的干擾探測(cè)，帶壓瓶的完整性檢測(cè)，莊稼和樹(shù)木的干旱應(yīng)力監(jiān)測(cè)，磨損摩擦監(jiān)測(cè)，巖石探測(cè)，地質(zhì)和地震上的應(yīng)用，發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械的在線過(guò)程監(jiān)測(cè)，鋼軋輥的裂紋探測(cè)，汽車軸承強(qiáng)化過(guò)程的監(jiān)測(cè)，鑄造過(guò)程的監(jiān)測(cè)，Li／MnO2電池的充放電監(jiān)測(cè)，耳鼓膜聲發(fā)射檢測(cè)、

人骨頭的摩擦、受力和破壞特性試驗(yàn)，骨關(guān)節(jié)狀況的監(jiān)測(cè)等

6.5紅

外

檢

測(cè)

6.5.1紅外無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)紅外無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)決定了它的適用范圍。紅外無(wú)損檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)為操作安全、靈敏度高、檢測(cè)效率高。由于進(jìn)行紅外無(wú)損檢測(cè)時(shí)不需要與被檢對(duì)象直接接觸，所以操作十分安全。這個(gè)優(yōu)點(diǎn)在帶電設(shè)備、轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備及高空設(shè)備的無(wú)損檢測(cè)中非常突出。現(xiàn)代紅外探測(cè)器對(duì)紅外輻射的探測(cè)靈敏度很高，目前的紅外無(wú)損檢測(cè)設(shè)備可以檢測(cè)出0.1℃的溫度差，因此能檢測(cè)出設(shè)備或結(jié)構(gòu)件等熱狀態(tài)的細(xì)微變化。由于紅外探測(cè)器的響應(yīng)速度高達(dá)納秒級(jí)，所以可迅速采集、處理和顯示被檢對(duì)象的紅外輻射，提高檢測(cè)效率。一些新型的紅外無(wú)損檢測(cè)儀器還可與計(jì)算機(jī)相連或自身帶有微處理器，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化圖像處理，擴(kuò)大了其功能和應(yīng)用范圍。另外，紅外輻射不受可見(jiàn)光的影響，可晝夜進(jìn)行測(cè)量。大氣對(duì)某些特定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的紅外線吸收甚少，

適用于遙感和遙測(cè)。

6.5.2紅外無(wú)損檢測(cè)基礎(chǔ)

1．紅外輻射及傳輸

1）紅外輻射紅外輻射是位于可見(jiàn)光中紅光以外的光線，故又稱紅外線，它是一種人眼