材料測試與控制技術基礎讀書報告及超聲波無損檢測技術及其發(fā)展概述

材料測試與控制技術基礎PAGEPAGE1東南大學材料測試與控制技術基礎讀書報告姓名：學號：成績：2010年6月材料測控知識點概述檢測是科學地認識各種現(xiàn)象的基礎性的方法和手段。從這種意義上講，檢測技術是所有科學基礎的基礎。檢測技術又是科學技術的重要分支，是具有特殊性的專門科學和專門技術。隨著科學技術的進步和社會經濟的發(fā)展，檢測技術也正在迅速地發(fā)展，反過來檢測技術的發(fā)展又進一步促進著科學技術的進步。同眼、耳、鼻等感覺器官對于人類的重要作用相類似，測量裝置（傳感器、儀器儀表等）作為科學性的感覺器官，在工業(yè)生產、科學研究和企業(yè)的科學管理方面是不可缺少的。企業(yè)越是科學地高度發(fā)展，越需要科學的檢測。一．檢測系統(tǒng)一個具體的檢測系統(tǒng)由傳感器、變換及測量裝置、記錄及顯示裝置和實驗結果的分析處理裝置組成。有時還存在著實驗激發(fā)裝置（如下圖）。被測系統(tǒng)被測系統(tǒng)傳感器非電信號變換及測量裝置記錄顯示裝置數(shù)據(jù)處理裝置激發(fā)裝置電信號系統(tǒng)的特性是指系統(tǒng)的輸出和輸入的關系，為了真實地傳輸信號，系統(tǒng)必須具備一些必要的特性，常用靜態(tài)特性和動態(tài)特性來描述。（一）靜態(tài)特性檢測系統(tǒng)的靜態(tài)特性是在靜態(tài)標準下進行標定的，并可由此做出靜態(tài)特性曲線。曲線可由一個相應的代數(shù)方程來描述：檢測系統(tǒng)的主要靜態(tài)性能指標有線性度、靈敏度、變差等；其余還有靈敏限，分辨力，精確度，準確度，精密度，漂移等。1.線性度。在實際應用時,由于各種原因,系統(tǒng)輸入量與輸出量之間的關系并不是完全線形的。通常用檢測裝置的標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數(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。指檢測裝置在靜態(tài)測量時，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。在電子測量中，靈敏度越高往往容易引入噪聲并影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性及測量范圍，在同等輸出范圍的情況下，靈敏度越大測量范圍越小，反之則越大。3.變差。當輸入信號變化方向不同，對應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）動態(tài)特性動態(tài)特性指的是當輸入信號隨時間發(fā)生變化時，輸出信號與輸入信號之間的關系，通常用微分方程來描述。為了使問題簡化，我們希望測試裝置具有線性時不變性。二．傳感器系統(tǒng)1.傳感器作用與分類傳感器是借助檢測元件將一種形式的信息轉換成另一種信息的裝置。又由于目前傳感器轉換后的信號大多為電信號。因而從狹義上講，傳感器是把外界輸入的非電信號轉換成電信號的裝置。它是檢測系統(tǒng)中的重要組成部分。關于傳感器的分類：按傳感器輸入端被測物理量分類：機械量、熱工量、物性參量、光學量、化學量等。按傳感器輸出端被測物理量分類：電參數(shù)型傳感器：被測量使傳感器本身的電參量R、L、C改變，這種傳感器工作時必須有外加電源，故又稱為無源型；電量型傳感器（發(fā)電型）：被測量使傳感器產生電動勢、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。按能量關系分類：能量轉換型，直接由被測對象輸入能量使其工作，例如:熱電偶溫度計,壓電式加速度計；能量控制型，從外部供給能量并由被測量控制外部供給能量的變化，例如:電阻應變片。按傳感器結構參量是否變化分類：物性型，依靠敏感元件材料本身物理性質的變化來實現(xiàn)信號變換，如:壓電傳感器；結構型，依靠傳感器結構參數(shù)的變化實現(xiàn)信號轉變，例如:電容式和電感式傳感器.2.電參數(shù)型傳感器被測量使傳感器本身的電參量R、L、C改變，這種傳感器工作時必須有外加電源，又稱為無源型。（1）電阻式傳感器即被測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）轉變成電流或電壓的變化，便可進行測量、記錄。優(yōu)點是結構簡單、價格便宜、工作可靠性高、輸出信號大。電阻式傳感器基本類型有三種：A．利用電刷來回移動，改變L，也稱電位器式傳感器，用于檢測線位移或角位移。按結構形式，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．利用應力、應變使電組絲變形，改變r、L、A，而改變R，稱為電阻應變式傳感器，一般用于檢測應力、應變等參量，或通過彈性元件來測量力、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，如檢測溫度。（2）電容式傳感器電容式傳感器實質上是一個具有可變參數(shù)的電容器，通過電容傳感元件將被測物理量轉化為電容量的變化。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、集成電路溫度傳感器）三．材料科學與工程常用檢測技術材料科學與工程中常用的技術是在不損壞工件的條件下檢測工件表面或內部的缺陷，又稱無損檢測，主要有：1．零件應變和應力狀態(tài)的檢測技術，包括應力檢測和計算及殘余應力的檢測。常用電阻應變法、磁彈性法、x射線衍射法、NiTi形狀記憶合金薄膜殘余應力測量等方法。2．材料表面性能電測技術，包括表面粗糙度的檢測，如樣塊比較法、觸針式表面輪廓儀法；覆蓋層厚度的檢測，如磁法、渦流法、超聲法、射線法、光學法、電容法、微波法、熱電勢法、石英震蕩法等。3．工件表面缺陷電測技術，可用渦流探傷法（一般材料）和磁力探傷法檢測。4．工件內部缺陷電測技術，主要方法有X射線法、超聲波法、均為非電量電測法。四．溫度檢測溫度的測量方法通常分為兩大類，即接觸式測溫法和非接觸式測溫法。接觸式測溫是使被測物體與溫度計的感溫元件直接接觸，使其溫度相同，便可以得到被測物體的溫度。非接觸式測溫是溫度計的感溫元件不直接與被測物體相接觸，而是利用物體的熱輻射原理或電磁原理得到被測物體的溫度，如全輻射溫度計、光學高溫計、光電高溫計、比色高溫計、紅外測溫計等。溫度計常用的有：1．熱電阻溫度計。其被廣泛地用于低溫及中溫(-200～500℃)范圍內的溫度測量，目前應用范圍已擴展到1～5K的超低溫領域。同時，在1000～1200℃的高溫范圍內，也具有較好特性。常用的有鉑熱電阻、銅熱電阻、半導體熱敏電阻等。2．熱電偶溫度計。熱電偶是基于熱電勢效應原理的測溫用傳感器，熱電勢由接觸電勢、溫差電勢兩部分組成。熱電偶的基本定律有均勻電路定律、中間溫度定律、中間導體定律、標準電極定律等。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．流量檢測技術流量的基本概念包括：瞬時流量（流量）、總流量（累計流量）、體積流量（qv）、質量流量（qM）。同時我們也要了解紊流和層流、雷諾數(shù)等概念。流量計有容積式流量計、差壓式流量計、流體阻力式流量計、測速式流量計等。1．容積式流量計:主要有橢圓齒輪流量計和腰輪轉子流量計兩種。橢圓齒輪流量計是借助于固定的容積來計量流量的，與流體的流動狀態(tài)及粘度無關。當通過流量計的流量為恒定時，橢圓齒輪在一周的轉速是變化的，但每周的平均角速度是不變的。由于角速度的脈動，測量瞬時轉速并不能表示瞬時流量，而只能測量整數(shù)圈的平均轉速來確定平均流量。2．差壓式流量計：是利用流體流經節(jié)流裝置或均速管時產生的壓力差的原理來實現(xiàn)流量測量的，其中用節(jié)流裝置和差壓計所組成的差壓式流量計是目前應用最廣的一種流量計。3．流體阻力式流量計：分為轉子流量計，其在工業(yè)上和實驗室最常用；靶式流量計，是以管內流動的流體給予插入管中的靶的推力F來測量流量的一種測量裝置。4．測速式流量計：主要有渦輪流量計、超聲波流量計和電磁流量計。其中渦輪流量計主要由渦輪、導流器、殼體和磁電傳感器等組成。當流體通過流量計時，推動渦輪使其以一定的轉速旋轉，此轉速是流體流量的函數(shù)。而裝在殼體外的非接觸式磁電轉速傳感器輸出脈沖信號的頻率與渦輪的轉速成正比。因此，測定傳感器的輸出頻率即可確定流體的流量。六．成分檢測技術所謂化學成分是指一種化合物或混合物的組成分子、原子或原子團的種類和比例。依據(jù)工作原理，可將成分分析儀器分為8類：電化學、熱學式、磁學式、光學式、射線式、色譜儀、電子光學和離子光學儀、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．氧含量測量：測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．紅外線氣體分析測量：主要依據(jù)對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；而不對稱結構的雙原子或多原子氣體（如CO2、CO、CH4）則對紅外線選擇吸收。３．水蒸氣的含量測量：由于水的飽和汽壓與溫度有關(隨溫度升高而增大)，因此可以通過測定混合氣體中，水蒸汽飽和汽壓所對應的溫度而測得其相對含量。這個溫度就是水的露點，實驗中通常露點被認為是氣體中水蒸氣開始起霧(即有部分水蒸氣凝結成水)的溫度。常用測定露點的儀器有露點杯、氯化鋰露點儀和光電式露點儀等幾種。七．總結 本學期我們學習了關于材料測控的一些知識，除了上述總結的以外，我們還學習了關于自動控制技術的知識，測控技術是自動控制技術中的關鍵。另外，作為基礎，我們還學習了理論誤差和數(shù)據(jù)處理方面的知識。材料測控的核心思想就是通過傳感器將非電信號轉換為電信號。因此我們這學期的學習也是主要圍繞傳感器展開的，并講了各種具體檢測技術。通過這學期的學習，我感覺受益匪淺。本課程學習過程中的一些心得體會光陰荏苒，日月如梭，一學期的課程學習轉眼就要結束了，首先感謝儲老師在這一學期中對我們的辛勤教導。根據(jù)教學大綱的要求，為了適應新時期國民經濟生產的需要，我們在這一學期學習了關于材料測試與控制技術的一些基礎知識。這門課程包括理論課和實驗課，通過理論與實踐相結合，我們更好的掌握了關于材料測控方面的知識。例如我們做了爐溫控制的實驗，這個實驗完整的模擬了爐溫控制這一最簡單的自動控制過程。很好的闡述了“溫度檢測技術”這章內容。其實這學期上課的時間并不多，關于材料測控這一課程我們只是學了些皮毛，但是這門技術的應用卻很廣泛,因此剩下的需要我們在以后的學習工作中結合實際需要繼續(xù)學習。最后希望在馬上進行的考試中，能考個好成績。超聲波無損檢測技術及其發(fā)展概述超聲波形成機理的研究始于19世紀初，但它在無損檢測中的應用大約是從20世紀20年代才開始。在30年代，超聲波技術才廣泛應用于無損檢測。在隨后的1955年，超聲波技術發(fā)展迅速，技術的進步促進了超聲波設備的快速發(fā)展。從20世紀80年代直到今天，計算機技術的進步使得超聲波設備體積更小、性能更穩(wěn)定、功能更強大。最近幾年，超聲波測繪技術得到了極大的發(fā)展。超聲波探測試驗中需要采集精確的數(shù)據(jù)，這種需求進一步推動了定量測量技術的發(fā)展。同時，基于超聲波能量形成和非接觸檢測技術的發(fā)展也促進了激光器和電磁傳感器的技術進步。如今，便攜式設備中已經運用了相控陣式激光技術。采用這種技術，單一發(fā)生器定時或定相發(fā)射的超聲波元素陣列，能夠精確截取被測對象的超聲波波形。多數(shù)情況下，用于無損檢測的超聲波是采用壓電轉換器產生和檢測試件的。壓電轉換器需要一個耦合器在轉換器和試件間傳輸超聲波。壓電轉換器具有一個壓電晶體（比如鈦酸鋇、鋯酸鉛、鈦酸鉛等），當通電后能迅速改變形狀。當它們被快速加壓時會發(fā)生相反的變化，產生一個電磁場。用于無損檢測超聲波的產生和檢測也可通過其它方法實現(xiàn)。其中之一是利用非接觸空氣耦合轉換器，它是基于微電子機械系統(tǒng)（簡稱MEMS）的基礎；另一種方法是通過試件表面的快速熱膨脹和融蝕產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產生的超聲波。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械聲波轉換器（簡稱EMATS）同時產生和檢測超聲波。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。2．通過超聲波的切換時間或傳播時間檢測。3．通過超聲波的衰減程度檢測。4．通過透射信號或折射信號的頻譜響應特征檢測。目前超聲波檢測設備已經得到了廣泛的應用，但是隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，對檢測技術的要求越來越高，具體可分為以下幾個方面：不斷提高超聲波檢測儀器的性能、可靠性、擴大應用范圍。儀器的可靠性對儀表的質量來說已成為一個重要因素，其內容包括了儀表可靠性和故障率的數(shù)學模型和計算方法的研究，儀表可靠性設計、預測、檢驗和分析實驗的研究，儀表系統(tǒng)組件可靠性對儀表整體性能的影響和確定整機可靠性方法的研究。擴大應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儀器為了減少傳感器與測量電路分開所