《無損檢測（第2版）》 課件 第5-7章 滲透檢測、聲發(fā)射檢測、無損檢測新技術

無損檢測（第2版）

第五章滲透檢測第一節(jié)滲透檢測的物理基礎2滲透檢測特點：（一）、優(yōu)勢不受被檢部件的形狀、大小、組織結(jié)構(gòu)、化學成分和缺陷方位的限制。廣泛適用于各種加工工藝及材料的質(zhì)量檢驗。滲透檢測不需要特別復雜的設備，操作簡單，檢測費用低。缺陷顯示直觀，檢測靈敏度高，對復雜零件可一次檢測出各個方向的缺陷。（二）、劣勢受被檢物體表面粗糙度的影響較大，只能檢出表面開口的缺陷，對內(nèi)部缺陷無能為力。不適于檢查多孔性疏松材料制成的工件和表面粗糙的工件。難以確定缺陷的實際深度，難以定量評價缺陷，檢出結(jié)果受操作者影響大。一、滲透檢測的基本原理3液體滲透檢測的基本原理是利用滲透液的潤濕作用和毛細現(xiàn)象而進入表面開口的缺陷，隨后被吸附和顯像。滲透作用的深度和速度與滲透液的表面張力、粘附力、內(nèi)聚力、滲透時間、材料的表面狀況、缺陷的大小及類型等因素有關。（一）表面張力液體的表面張力是兩個共存相之間出現(xiàn)的一種界面現(xiàn)象，是液體表面層收縮趨勢的表現(xiàn)。液體表面層中的分子一方面受到液體內(nèi)部的吸引力，稱為內(nèi)聚力；另一方面受到其相鄰氣體分子的吸引力。由于后一種力比內(nèi)聚力小，因而液體表面層中的分子有被拉進液體內(nèi)部的趨勢。一、滲透檢測的基本原理4（二）液體的潤濕作用固體被液體潤濕的程度可以用液體對固體表面的接觸角來表示。接觸角θ是液面在接觸點的切線與包括該液體的固體表面之間的夾角。接觸角愈小，說明液體對固體表面的潤濕能力愈好。潤濕作用與液體的表面張力有關系。內(nèi)聚力大的液體，其表面張力系數(shù)也大，對固體的接觸角也大。（三）液體的毛細現(xiàn)象將一根很細的管子插入盛有液體的容器中，如果液體不能潤濕管子，管內(nèi)的液面就會低于容器的液面，通常將這種潤濕管壁的液體在細管中上升，而不潤濕管壁的液體在細管中下降的現(xiàn)象稱為毛細現(xiàn)象。圖5-1毛細現(xiàn)象一、滲透檢測的基本原理5（四）液體滲透檢測的基本原理將零件表面的開口缺陷看作是毛細管或毛細縫隙。由于所采用的滲透液都是能潤濕零件的，因此滲透液在毛細作用下能滲入表面缺陷中去，使用顯像劑進行顯像，放大的缺陷顯示，大大提高靈敏度。顯像過程也是利用滲透的作用原理，顯像劑是一種細微粉末，顯像劑微粉之間可形成很多半徑很小的毛細管，這種粉末又能被滲透液所潤濕。圖5-2留在裂紋中的滲透液逸出表面及粉末顯像劑的作用原理6滲透劑的分類：按顯示方式可分為熒光滲透劑和著色滲透劑兩種；按清洗方法可分為水洗型滲透劑、后乳化型滲透劑和溶劑去除型滲透劑三種。滲透劑的性能：滲透性能好，容易滲入缺陷中去。易被清洗，容易從零件表面清洗干凈。對于熒光滲透液，要求其熒光輝度高；對于著色滲透劑，則要求其色彩艷麗。其酸堿度應呈中性，這樣可對被檢部件無腐蝕，毒性小，對人無傷害，對環(huán)境污染亦小。閃點高，不易著火。制造原料來源方便，價格低廉。一、滲透檢測的基本原理二、乳化作用7如果在油水混合的容器中加入少量的表面活性劑，如加入肥皂或洗滌劑，再經(jīng)攪拌混合后，可形成穩(wěn)定的乳濁液，這種使不相容的液體混合成穩(wěn)定乳化液的表面活性劑叫作乳化劑。液體滲透檢測中，使用的乳化劑將零件表面的后乳化型滲透劑與水形成乳化液，以便能用水洗去。要求乳化劑具有良好的洗滌作用，高閃點和低的蒸發(fā)速率，無毒、無腐蝕作用、抗污染能力強。第二節(jié)滲透檢測技術8一、滲透檢測材料滲透檢測材料是滲透劑、清洗劑和顯像劑等材料的總稱。滲透檢測材料的選擇決定了滲透檢測系統(tǒng)的靈敏度。使用靈敏度等級合適的滲透劑，對檢測出需要控制的不連續(xù)至關重要。同時，還要控制好檢測工藝，最大限度地顯示工件上的不連續(xù)。決定使用哪個靈敏度等級的滲透劑由被檢工件的檢測要求決定，通常檢測要求會對滲透劑的靈敏度有明確規(guī)定。同時，滲透檢測材料也必須是同族組的，即完成一個特定的滲透檢測過程須使用特定的滲透材料組合系統(tǒng)。二、滲透檢測的基本步驟9（一）預清洗零件在使用滲透液之前必須進行預清洗，用來去除零件表面的油脂、鐵屑、鐵銹，以及各種涂料、氧化皮等，防止這些污物堵塞缺陷，阻塞滲透液的滲入，也防止油污污染滲透液，以便使?jié)B透液容易滲入缺陷中去，同時還可防止?jié)B透液存留在這些污物上產(chǎn)生虛假顯示。去除方法可分為：（1）機械方法，包括吹砂、拋光、鋼刷及超聲波清洗等。（2）化學方法，包括酸洗和堿洗等。（3）溶劑去除法，利用三氯乙烯、酒精、丙酮等化學溶劑進行液體清洗。但預清洗后的零件必須進行充分的干燥。（二）滲透滲透是將滲透液覆蓋被測零件的表面，覆蓋的方法有噴涂、刷涂、流涂、靜電噴涂或浸涂等多種方法。對于有些零件在滲透的同時可給零件加載荷，使細小的裂縫張開，有利于滲透劑的滲入，以便可檢測到細微的裂紋。二、滲透檢測的基本步驟10（三）清洗多余的滲透劑在涂覆滲透劑并經(jīng)適當?shù)臅r間保持之后，則應從零件表面去除多余的滲透劑，但又不能將已滲入缺陷中的滲透劑清洗出來，以保證取得最高的檢驗靈敏度。水洗型滲透劑可用水直接去除；后乳化型滲透劑在乳化后，用水去除，但要注意乳化的時間應根據(jù)乳化劑和滲透劑的性能以及零件的表面粗糙度來決定。溶劑去除型滲透劑用溶劑予以擦除。（四）干燥干燥的目的是去除零件表面的水分。干燥的方法分別有：干凈的布擦干、壓縮空氣吹干、熱風吹干、熱空氣循環(huán)烘干等方法。干燥的溫度不能太高，以防止將缺陷中的滲透劑也同時烘干，致使在顯像時滲透劑不能被吸附到零件表面上來，并且應盡量縮短干燥時間。在干燥過程中，防止零件表面被污染，而產(chǎn)生虛假的缺陷顯示。二、滲透檢測的基本步驟11（五）顯像顯像就是用顯像劑將零件表面缺陷內(nèi)的滲透劑吸附至零件表面，形成清晰可見的缺陷圖像，也增加缺陷顯示和背景之間的對比度，同時減小工件表面光的反射。根據(jù)顯像劑的不同，顯像方式可分為干式、水型和非水型，也有不加顯像劑的自顯法。（六）觀察在著色檢驗時，顯像后的零件可在自然光或白光下觀察，不需要特別的觀察裝置。在熒光檢驗時，則應將顯像后的零件放在暗室內(nèi)，在紫外線燈的照射下進行觀察。三、常見缺陷的顯像特征12在滲透檢測中，檢出的缺陷種類繁多，常見的缺陷有：縮裂、熱裂、冷裂、鍛造裂紋、焊接裂紋、熱影響區(qū)裂紋，弧坑裂紋、磨削裂紋、淬火裂紋、應力腐蝕裂紋、疲勞裂紋、冷隔、折疊、分層、氣孔、夾雜、氧化夾雜、疏松等。（一）氣孔氣孔是零件澆鑄時，鋼液中（或鐵液、鋁液等）進入了氣體，在鑄件凝固時，氣泡沒能排出來，而在零件內(nèi)部形成呈球形的缺陷。這種氣孔在機加工后露出表面時，利用滲透檢驗可予以發(fā)現(xiàn)。（二）疏松疏松是鑄件在凝固結(jié)晶過程中，補縮不足而形成的不連續(xù)、形狀不規(guī)則的孔洞。這些孔洞多存在于零件的內(nèi)部，經(jīng)拋光或機加工后便露出零件表面。（三）非金屬夾雜根據(jù)來源的不同，非金屬夾雜又可分為鋼錠或鑄件中的非金屬夾雜、鑄件表面夾渣、鑄件表面的氧化皮夾雜。三、常見缺陷的顯像特征13（四）鑄造裂紋鑄造裂紋是當金屬熔液接近凝固溫度時，如果相鄰區(qū)域由于冷卻速度不同而產(chǎn)生了內(nèi)應力，在凝固收縮過程中，由于內(nèi)應力的作用，便可在鑄件中產(chǎn)生裂紋。（五）鑄件的冷隔冷隔是一種線性鑄造缺陷。在澆鑄時，若兩股金屬液流到一起而沒有真正融合，當其延伸至鑄件的表面時，則會呈現(xiàn)出緊密、斷續(xù)或連續(xù)的線狀表面缺陷。在進行熒光檢測時，冷隔表現(xiàn)為光滑的線狀。（六）折疊折疊是在鑄造和軋制零件的過程中，由于模具太大，材料在模子中放置位置不正確，坯料太大等原因，而產(chǎn)生的一些金屬重疊在零件表面上的缺陷。（七）縫隙在輥軋、拉制棒材時，若棒材的表面上出現(xiàn)一種縱向且很直的表面缺陷，尤如棒材上有一條裂縫一樣，則稱之為縫隙型缺陷。三、常見缺陷的顯像特征14（八）焊接缺陷焊縫上最常見的缺陷為根部未焊透（或根部未熔合）和裂紋。未焊透是指焊縫背面由于沒達到溶化溫度而殘留有未焊合的基體金屬縫隙。焊縫上的裂紋是由于焊縫處的金屬在凝固過程中，受組織應力和熱應力的共同作用而造成的金屬開裂。（九）磨削裂紋零件在磨削加工過程中，由于砂輪的粒度不當或砂輪太鈍、磨削進刀量過大、冷卻條件不好或零件上碳化物偏析等原因，可能引起表面局部過熱。在熱應力和加工應力的共同影響下，將產(chǎn)生磨削裂紋。（十）疲勞裂紋零件在使用過程中，若長期受交變應力的作用，可能在應力集中區(qū)域產(chǎn)生疲勞裂紋。疲勞裂紋往往始于零件表面的劃傷、刻槽、截面突變的拐角處及表面缺陷處。四、缺陷顯像的判別15（一）真實缺陷的顯示零件表面的真實缺陷大致可分為以下四類：連續(xù)線狀缺陷：包括裂紋、冷隔、鑄造折疊等缺陷；斷續(xù)線狀缺陷：這類缺陷的顯像可能排列在一條直線或曲線上，或是由相近的單個曲線組成。當零件進行磨削、噴丸、吹砂、鍛造或機加工時，零件表面的線性缺陷有可能被部分堵住，滲透檢驗缺陷的顯像表現(xiàn)為斷續(xù)的線狀。圓形顯像：通常為鑄件表面的氣孔、針孔、鐵豆或疏松等缺陷形成，較深的表面裂紋顯像時，由于能吸出較多的滲透劑，也可能顯示出圓形的影像。小點狀顯像：是由針孔、顯微疏松等產(chǎn)生的影像。四、缺陷顯像的判別16（二）虛假的顯像產(chǎn)生虛假顯像的原因1、操作者手上的滲透劑對被檢部件的污染；2、檢驗工作臺上的滲透劑對被檢部件的污染；3、顯像劑受到滲透劑的污染；4、清洗時，滲透劑飛濺到干凈的零件表面上；5、擦布或棉紗纖維上的滲透劑污染；6、零件筐、吊具上殘存的滲透劑與清洗干凈的零件接觸而造成的污染；7、已清洗干凈的零件上又有滲透劑滲出，污染了相鄰的零件表面。虛假顯像辨別方法用蘸有酒精的棉球擦拭，虛假的顯像容易被擦掉，且不再重新顯像。復習思考題17滲透劑有何性能要求?分為幾類?滲透檢測的六個主要步驟是什么?虛假顯像產(chǎn)生的原因是什么?如何避免?無損檢測（第2版）

第六章聲發(fā)射檢測圖6.1聲發(fā)射檢測原理示意圖第一節(jié)聲發(fā)射檢測的基本原理19聲發(fā)射檢測是一種通過探測和分析材料中聲發(fā)射源的信號

來評定材料性能或結(jié)構(gòu)完整性的無損檢測方法。從聲發(fā)射源發(fā)射的彈性波傳播至被檢測材料表面時，由于波的振動引起了材料表面位移的變化，可以用聲發(fā)射傳感器探測位移變化情況，進而將其轉(zhuǎn)換為電信號，然后再被放大、濾波等處理后進行存儲，最后可對聲發(fā)射信號進行分析及判定。若對聲發(fā)射信號進行實時檢測，就可以連續(xù)監(jiān)測材料或結(jié)構(gòu)內(nèi)部變化的整個過程。一、聲發(fā)射源20當材料或結(jié)構(gòu)受應力作用時，由于其微觀結(jié)構(gòu)的不均勻以及缺陷的存在，導致局部產(chǎn)生應力集中，造成不穩(wěn)定的應力分布。當這種不穩(wěn)定狀態(tài)下的應變能積累到一定程度時，不穩(wěn)定的高能狀態(tài)一定要向穩(wěn)定的低能狀態(tài)過渡。在此過程中將產(chǎn)生應變能并被釋放，其中一部分以彈性應力波的形式釋放出來，這種以彈性應力波的形式釋放應變能的現(xiàn)象即所謂的“聲發(fā)射”。產(chǎn)生應力波的部位即為聲發(fā)射源（下簡稱“源”），通過分析“源”釋放的聲信號可以確定材料發(fā)生損傷以及缺陷的位置，甚至可以評價出損傷程度和缺陷大小。圖6.2裂紋擴展期間釋放應變能的分配過程一、聲發(fā)射源21（一）突發(fā)型和連續(xù)型聲發(fā)射聲發(fā)射信號的頻率范圍很寬，從次聲頻、聲頻直到超聲頻，而且它的幅度動態(tài)范圍亦很廣，從微弱的位錯運動直到強烈的地震波。目前人們根據(jù)聲發(fā)射時間是否可區(qū)分將聲發(fā)射信號分為突發(fā)型和連續(xù)型兩類。（a）突發(fā)型信號波源

（b）突發(fā)型信號頻譜曲線圖6.3突發(fā)型聲發(fā)射信號類型及相應的頻譜曲線（a）連續(xù)型信號波源

（b）連續(xù)型信號頻譜曲線圖6.4連續(xù)型聲發(fā)射信號類型及相應的頻譜曲線一、聲發(fā)射源22（二）金屬材料中的聲發(fā)射源引起聲發(fā)射的材料局部變化稱為聲發(fā)射事件，而聲發(fā)射源是指材料局部產(chǎn)生聲發(fā)射現(xiàn)象的物理源點。在金屬材料中，有許多種損傷與破壞機制可產(chǎn)生聲發(fā)射源。（三）非金屬材料中的聲發(fā)射源目前，人們已經(jīng)對巖石、玻璃、陶瓷和混凝土等非金屬材料這類脆性材料進行了聲發(fā)射現(xiàn)象的研究和應用，發(fā)現(xiàn)這些材料中的“源”主要為微裂紋開裂和宏觀開裂。圖6.5金屬材料中的聲發(fā)射源23一、聲發(fā)射源（四）復合材料中的聲發(fā)射源復合材料是由基體材料和分布于整個基體中的第二相材料熔融固化制備而成的。根據(jù)第二相材料的不同，可將復合材料分為擴散增強復合材料、顆粒增強復合材料和纖維增強復合材料。在擴散增強和顆粒增強復合材料中，“源”主要包括基體開裂和第二相顆粒與基體的脫粘。而在纖維增強復合材料中，聲發(fā)射源類型主要包括：1）基體開裂；2）纖維與基體的脫開；3）纖維拔出；4）纖維斷裂；5）纖維松弛；6）分層；7）摩擦。（五）其他聲發(fā)射源1）常壓貯罐的底部泄漏，閥門的泄漏和埋地管道的泄漏；2）氧化物或氧化層的開裂；3）夾渣開裂；4）摩擦源；5）液化和固化；6）元件松動、間歇接觸；7）流體和非固體；8）裂紋閉合；9）變壓器局部放電。第二節(jié)聲發(fā)射檢測的物理基礎24一、凱賽爾效應凱賽爾效應指的是聲發(fā)射現(xiàn)象是不可逆的，是應變能快速釋放不可逆性的反映。產(chǎn)生凱賽爾效應的原因包括位錯、滑移、塑性變形和裂紋生成、擴展及斷裂等。凱賽爾效應在聲發(fā)射技術中的重要用途包括：（1）在役構(gòu)件新生裂紋的定期過載聲發(fā)射檢測；（2）巖體等原先所受最大應力的推測；（3）疲勞裂紋起始與擴展的聲發(fā)射檢測；（4）通過預載措施消除加載銷孔的噪聲干擾；（5）加載過程中常見的可逆性摩擦噪聲的鑒別。凱賽爾效應反映了聲發(fā)射現(xiàn)象的實時性，

連續(xù)檢測材料的聲發(fā)射信號可以獲得實時的物體內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的變化信息。圖6.6凱賽爾效應二、費利西蒂效應25材料重復加載時，重復載荷到達原先所加最大載荷前發(fā)生明顯聲發(fā)射的現(xiàn)象，稱為費利西蒂效應，也稱為反凱賽爾效應。重復加載時的聲發(fā)射起始載荷P1對原先最大載荷P2之比P1/P2，稱為費利西蒂比，它可以反映材料中原先所受損傷或結(jié)構(gòu)缺陷的嚴重程度，已成為缺陷嚴重性的重要評定判據(jù)。費利西蒂比大于或等于1（一些復合材料中為0.95）表示凱賽爾效應成立，反之則表示不成立。三、聲波的傳播26彈性波傳播是材料對于不平衡或者動態(tài)力的響應。對于聲發(fā)射檢測而言，當固體材料受到外部的拉伸力或擠壓力時，會出現(xiàn)局部的彈性形變，隨著力的增加，彈性形變到達極限形成了固體的剪切變形，在這個過程中會產(chǎn)生兩種類型的波，一種是縱波（也稱壓縮波），另外一種是橫波（也稱切變波）。上述兩種聲波在“源”處產(chǎn)生后，將向四周進行傳播，當傳播到材料表面時，一部分聲波會被放置在材料表面且位于該聲波傳播路徑上的聲發(fā)射傳感器直接采集到，形成聲發(fā)射信號。三、聲波的傳播271、聲波的波速聲波在介質(zhì)中的傳播速度，取決于介質(zhì)的彈性模量、密度和泊松比等參數(shù)，對于理想的均勻介質(zhì)，縱波聲速與橫波聲速可分別由下式表示：式中，VL是縱波速度；VT是橫波速度；s是泊松比；E是楊氏模量；G是切變模量；r是密度。材料縱波聲速（km/s）橫波聲速（km/s）空氣0.34—水1.48—油1.7—鋁6.33.1鑄鐵4.52.5鋼5.93.23302不銹鋼5.563.12表6-1常見材料的聲速值三、聲波的傳播282、聲波的衰減（1）幾何衰減指的是聲波傳播中因波陣面擴張引起的聲強減小。當聲波由一個局域的源所產(chǎn)生時，波動將從“源”部位向所有的方向傳播，即使在無損耗的介質(zhì)中，隨著波傳播距離的增加，波的幅度逐漸減小。（2）頻散是在某些物理系統(tǒng)中波速（光波、聲波和電磁波等）隨頻率變化引起的一種現(xiàn)象。實際的聲發(fā)射信號包含多種頻率成分，由于頻散效應，隨著波傳播距離的增加，各頻率成分發(fā)生分離或擴展，導致信號幅度下降。（3）散射和衍射衰減聲波在具有復雜邊界或不連續(xù)（如空洞、裂紋、夾雜物等）的介質(zhì)中傳播時，會與上述幾何不連續(xù)發(fā)生相互作用，產(chǎn)生損耗。（4）材質(zhì)衰減在非理想介質(zhì)中，由于存在材料內(nèi)摩擦作用、塑性形變以及裂紋擴展等因素，因此聲波傳播在其內(nèi)部傳播的總機械能是逐漸衰減的。（5）其它因素引起的衰減一種是因聲波向相鄰介質(zhì)“泄漏”而造成波的幅度下降。四、聲發(fā)射檢測技術特點29優(yōu)點：（1）受被檢測工件的形狀影響小，可以檢測不同形狀的工件；（2）對缺陷的動態(tài)變化較為敏感，能夠檢測出動態(tài)缺陷的微量增長；（3）受外部環(huán)境的限制小，高低溫、輻射等惡劣環(huán)境下均可適用；（4）可提供缺陷隨載荷、時間、溫度等變量改變而實時或連續(xù)變化的信息，因而適用于工業(yè)過程在線監(jiān)控及材料早期損壞預報；（5）可采用多個通道同時檢測，能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)整體損傷的高效率檢測。缺點：（1）聲發(fā)射特性對材料特性本身十分敏感，又易受到各類環(huán)境噪聲的干擾，因此對檢測數(shù)據(jù)的解釋依賴于數(shù)據(jù)庫和現(xiàn)場檢測經(jīng)驗；（2）聲發(fā)射檢測通常需要適當?shù)募虞d程序。多數(shù)情況下，可利用現(xiàn)成的加載條件，但有時需要針對性地進行特殊準備；（3）聲發(fā)射檢測目前只能給出“源”的位置和強度，不能直接給出缺陷的性質(zhì)和大小。第三節(jié)聲發(fā)射信號處理和分析方法30對聲發(fā)射信號進行處理和分析的主要目的包括：1）確定“源”的位置；2）分析“源”的性質(zhì)；3）確定聲發(fā)射信號發(fā)生的時間或載荷；4）評定“源”的級別。最終確定被檢工件中是否含有缺陷及其狀態(tài)。根據(jù)聲發(fā)射信號處理系統(tǒng)性能和功能，聲發(fā)射信號的分析和處理主要包括：（1）信號識別（定性）通過對感興趣的信號或信號成分的提取和識別，來推斷“源”的性質(zhì)以及判斷“源”的類型；（2）信號評估（定量）通過定量分析聲發(fā)射信號強度和頻度等參數(shù)，來評價材料或構(gòu)件的損傷程度；（3）源定位（定位）通過傳感器接收“源”信號的時間參數(shù)來確定“源”的位置。第三節(jié)聲發(fā)射信號處理和分析方法31根據(jù)聲發(fā)射信號分析對象，可將聲發(fā)射信號處理和分析方法分為：聲發(fā)射信號特征參數(shù)分析，是指借助信號分析處理技術直接分析聲發(fā)射信號的特征參數(shù)，然后依據(jù)參數(shù)分析結(jié)果來對“源”進行評價，該方法可以實現(xiàn)分析數(shù)據(jù)的可視化，在實際檢測應用中具有較好的可行性。聲發(fā)射信號波形分析，則是根據(jù)所獲取信號的時域波形及其頻域參量、相關函數(shù)等來獲取聲發(fā)射信號所含信息的方法，常見的方法如快速傅里葉變換（FastFourierTransform，F(xiàn)FT）以及小波變換等。因具有優(yōu)越的噪聲濾除性能，其工程實用性較好。一、聲發(fā)射波形特征參數(shù)的定義32聲發(fā)射特征參數(shù)是指從聲發(fā)射波形中提取的一系列描述波形的參數(shù)。根據(jù)突發(fā)型聲發(fā)射信號波形模型可以得到如下的聲發(fā)射特征參數(shù)：

1）撞擊（事件）計數(shù)；2）振鈴計數(shù)；3）能量；4）幅度；5）持續(xù)時間；6）上升時間。

對于連續(xù)型聲發(fā)射信號，上述模型中只有振鈴計數(shù)和能量參數(shù)可以使用。為了更確切地描述連續(xù)型聲發(fā)射信號的特征，需要引入平均信號電平和有效電壓值兩個特征參數(shù)。圖6.7聲發(fā)射信號簡化波形參數(shù)的定義一、聲發(fā)射波形特征參數(shù)的定義33實際的聲發(fā)射信號因受被檢測材料的幾何效應影響，其波形往往如圖6.8所示，即呈現(xiàn)一系列波形包絡信號。引入聲發(fā)射信號撞擊定義時間（HitDefinitionTime,HDT），將一連串的波形包絡劃入一個撞擊信號。當聲發(fā)射檢測儀器設定的HDT大于兩個波包過門限的時間間隔T時，則這兩個波包被視為同一個聲發(fā)射撞擊信號；但如儀器設定的HDT小于T時，則這兩個波包被劃歸為兩個獨立的聲發(fā)射撞擊信號。圖6.8聲發(fā)射撞擊信號的定義參數(shù)含義特點與用途撞擊計數(shù)超過閾值并使某一通道獲取數(shù)據(jù)的任何信號稱為一個撞擊，可分為總計數(shù)、計數(shù)率反映AE活動的總量和頻度，常用于AE活動性評價事件計數(shù)由一個或幾個撞擊，鑒別所得AE事件的個數(shù)，可分為總計數(shù)、計數(shù)率反映AE事件的總量和頻度，用于源的活動性和定位集中度評價振鈴計數(shù)越過門檻信號的振蕩次數(shù)，可分為總計數(shù)和計數(shù)率粗略反映信號強度和頻度，廣泛用于AE活動性評價，但甚受門檻的影響幅值事件信號波形的最大振幅值，通常用dB表示直接決定事件的可測性，常用于波源的類型鑒別、強度及衰減的測量能量計數(shù)事件信號檢波包絡線下的面積，可分為總計數(shù)和計數(shù)率反映事件的相對能量或強度?？扇〈疋徲嫈?shù)，也用于波源的類型鑒別持續(xù)時間事件信號第一次越過門檻到最終降至門檻所經(jīng)歷的時間間隔，以μs表示與振鈴計數(shù)十分相似，但常用于特殊波源類型和噪聲鑒別上升時間事件信號第一次越過門檻至最大振幅所經(jīng)歷的時間間隔，以μs表示因甚受傳播的影響而其物理意義變得不明確，有時用于機電噪聲鑒別有效值電壓RMS采樣時間內(nèi)信號電平的均方根值，以V表示與AE的大小有關。不受門檻的影響，主要用于連續(xù)型AE活動性評價平均信號電平ASL采樣時間內(nèi)信號電平的均值，以dB表示對幅度動態(tài)范圍要求高而時間分辨率要求不高的連續(xù)型信號，尤為有用。也用于背景噪聲水平的測量時差同一個AE波到達各傳感器的時間差，以μs表示決定于波源的位置、傳感器間距和傳播速度，用于波源的位置計算外變量試驗過程外加變量，包括經(jīng)歷時間、載荷、位移、溫度及疲勞周次不屬于信號參數(shù)，但屬于撞擊信號參數(shù)的數(shù)據(jù)集，用于AE活動性分析一、聲發(fā)射波形特征參數(shù)的定義34表6-3聲發(fā)射信號特征參數(shù)二、聲發(fā)射特征參數(shù)分析方法35（一）聲發(fā)射信號單參數(shù)分析方法1、計數(shù)分析法當材料局部發(fā)生變化時，可產(chǎn)生突發(fā)型聲發(fā)射脈沖信號，計數(shù)分析法是處理該信號的一種常用方法。聲發(fā)射計數(shù)，亦稱為振鈴計數(shù)，是指聲發(fā)射信號超過某一設定門限的次數(shù)，而信號單位時間超過門限的次數(shù)則稱為計數(shù)率。對于一個聲發(fā)射事件，由聲發(fā)射傳感器探測到的聲發(fā)射計數(shù)可以表示為：式中，f0是傳感器響應中心頻率；β是波的衰減系數(shù)；Vp是峰值電壓；Vt是閾值電壓。計數(shù)分析法的缺點是易受樣品幾何形狀、傳感器的特性及連接方式、門限壓、放大器和濾波器的工作狀況等因素的影響。二、聲發(fā)射特征參數(shù)分析方法36（一）聲發(fā)射信號單參數(shù)分析方法2、能量分析法在對連續(xù)型聲發(fā)射信號進行分析時，多采用基于聲發(fā)射信號能量分析方法。通常選用均方根電壓（Vrms）或均方電壓（Vms）進行測量。以突發(fā)型聲發(fā)射信號為例，可以對每個撞擊的能量進行測量，一個信號V(t)的均方電壓和均方根電壓定義如下：式中，ΔT是平均時間；V(t)是隨時間變化的信號電壓。根據(jù)電子學理論，可知Vms隨時間的變化量即為聲發(fā)射信號的能量變化率，聲發(fā)射信號從t1到t2時間內(nèi)的總能量E可表示為，聲發(fā)射信號能量的測量可與材料的重要物理參數(shù)直接關聯(lián)，且可解決小幅度連續(xù)型聲發(fā)射信號的測量問題。此外，Vrms和Vms不依賴于任何閾值電壓，對電子系統(tǒng)增益和傳感器耦合狀態(tài)的微小變化不敏感。Vrms和Vms與連續(xù)型聲發(fā)射信號的能量有直接關系，分析過程較為簡單。二、聲發(fā)射特征參數(shù)分析方法37（一）聲發(fā)射信號單參數(shù)分析方法3、幅度分析法信號幅度與材料中“源”的強度有直接關系，而幅度分布則與材料的形變機制密切相關，因此信號幅度及其分布進行分析可以更多地反映“源”信息。在聲發(fā)射信號幅度的測量過程中，傳感器的響應頻率、阻尼特性以及門限電壓水平等因素均會對測量結(jié)果產(chǎn)生影響。目前，已經(jīng)建立了描述聲發(fā)射信號的幅度、撞擊和計數(shù)關系的經(jīng)驗公式：式中，N是聲發(fā)射信號累加振鈴計數(shù)；P是聲發(fā)射信號撞擊總計數(shù)；f是傳感器的響應頻率：τ是聲發(fā)射撞擊的下降時間；b是幅度分布的斜率參數(shù)。二、聲發(fā)射特征參數(shù)分析方法38（二）聲發(fā)射信號其他分析方法1、經(jīng)歷圖分析法經(jīng)歷圖分析法是指通過對聲發(fā)射信號的某一個特征參數(shù)隨時間或其他外變量的經(jīng)歷變化進行分析，從而獲取“源”在整個實驗過程中的狀態(tài)和發(fā)展趨勢。采用經(jīng)歷圖分析方法對“源”進行分析，可以實現(xiàn)如下目的：（1）聲發(fā)射源的活動性評價（2）凱賽爾效應和費利西蒂比（3）恒載聲發(fā)射評價（4）起裂點測量圖6.9壓力容器加壓過程中

裂紋擴展聲發(fā)射信號隨時間的變化經(jīng)歷圖二、聲發(fā)射特征參數(shù)分析方法39（二）聲發(fā)射信號其他分析方法2、分布圖分析法分布分析是對聲發(fā)射撞擊或事件計數(shù)在某個聲發(fā)射參數(shù)上統(tǒng)計分布的一種聲發(fā)射信號分析方法。分析時通常以持續(xù)時間、幅值或能量等作為橫軸，聲發(fā)射撞擊數(shù)等作為縱軸，進而觀察聲發(fā)射計數(shù)在某一參數(shù)上的分布情況。分布圖分析法多用于故障損傷的鑒別，此外，該方法也可用于評價“源”的強度。圖6.10壓力容器加壓過程中裂紋擴展聲發(fā)射信號隨時間的參數(shù)分布圖二、聲發(fā)射特征參數(shù)分析方法40（二）聲發(fā)射信號其他分析方法3、關聯(lián)圖分析法關聯(lián)分析方法是聲發(fā)射信號分析中最常用的方法之一，該方法可對任意兩個聲發(fā)射信號的波形特征參數(shù)之間的關聯(lián)圖進行分析。將某兩個聲發(fā)射信號波形參數(shù)分別作為橫坐標和縱坐標，而圖上每個點則代表一個聲發(fā)射撞擊，因此可通過對這兩個參數(shù)的關聯(lián)性分析來獲取“源”的特征，也可用于噪聲的鑒別。圖6.11壓力容器加壓過程中裂紋擴展和泄露聲發(fā)射信號參數(shù)的關聯(lián)圖三、聲發(fā)射源定位技術41在缺陷的聲發(fā)射定位檢測過程中，其核心問題是由傳感器接收到的聲發(fā)射信號反推“源”的問題，即所謂的“反向源”或“逆源”問題。通常的做法是將幾個壓電傳感器按一定的幾何關系放置于被檢測材料的指定位置上，從而組成傳感器陣列，通過測定從“源”發(fā)射的聲波傳播到各傳感器的時間，據(jù)此求出相對時差，然后將這些時差代入滿足該陣列幾何關系的方程組中求解，從而得到“源”的位置坐標，即完成了缺陷的定位檢測。三、聲發(fā)射源定位技術42（一）直線定位法當被檢物體的長度與半徑之比很大時，可采用直線定位進行聲發(fā)射檢測，如管道、棒材、橋梁拉索以及鋼梁等。等直線定位法是在一維空間中放置兩個傳感器，它們所確定的“源”位置必須在兩個傳感器連線上，“源”位置可以由下式確定：式中T1是聲發(fā)射信號到達1號傳感器的時間；T2是聲發(fā)射信號到達2號傳感器的時間；D是兩傳感器之間的距離；V是聲波在被檢測材料中的傳播速度。圖6.12聲發(fā)射源時差直線定位原理圖三、聲發(fā)射源定位技術43（二）平面三角形定位法當需要監(jiān)測一個相對較大的平面區(qū)域時，可以采用平面三角形定位檢測法進行“源”定位。通過三個傳感器來確定聲發(fā)射信號到達時間及兩個時差，則可由下式計算出“源”位置。圖6.13聲發(fā)射源時差三角形法定位原理圖三、聲發(fā)射源定位技術44假設根據(jù)傳感器S2和S3之間的時差

tx計算得到雙曲線為1，而由傳感器S1和S4之間的時差ty所得雙曲線為2，“源”為Q，傳感器S2和S3間距為a，S1和S4的間距為b，則“源”位于兩條雙曲線的交點Q

(X,Y)上，其坐標可計算得到：（三）四傳感器陣列平面定位法四傳感器陣列平面定位法實際上是對上面的平面三角形定位法的改進，某些條件下求解會得到雙曲線的兩個交點，此時將存在1個真實的“源”和1個偽“源”，而如果增加一個傳感器，四個傳感器構(gòu)成的菱形陣列進行平面定位，則只會得到一個真實的“源”。圖6.14聲發(fā)射源時差四傳感器法定位原理圖式中Lx=

txV，Ly=tyV。三、聲發(fā)射源定位技術45（四）聲發(fā)射源定位的影響因素由于材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的非勻質(zhì)性、各向異性以及加載條件、受載歷史的不同等，會對聲發(fā)射信號的傳播速度等產(chǎn)生一定影響，從而影響到“源”的定位精度。波速的影響聲發(fā)射信號在材料內(nèi)部的傳播過程中若遇到不連續(xù)結(jié)構(gòu)，則會引起聲波傳播路徑的改變，同時波速也可能會有所改變。衰減的影響當傳感器與“源”距離較大時，使得本應該被采集到的聲發(fā)射信號因為衰減信號幅值過低而被傳感器漏掉，造成較大的誤差甚至漏檢。傳感器位置的影響聲發(fā)射傳感器位置的坐標是作為已知參數(shù)的，將對“源”定位產(chǎn)生直接影響。時差的影響聲發(fā)射信號本身的復雜性與隨機性，會在不同程度上降低定位的準確性。四、聲發(fā)射信號處理技術46（一）基于FFT的頻譜分析技術頻譜分析是一種將復雜信號分解為較簡單信號的技術。找出一個信號在不同頻率下的信息（如振幅、功率、強度或相位等）的做法即為頻譜分析。聲信號處理中通常采用離散傅里葉變換（DiscreteFourierTransform,DFT）對檢測信號進行頻域分析：

式中，X(k)是離散頻譜的第k個值，x(n)是時域采樣的第n個值。時域與頻域的采樣數(shù)目相同均為N。

（k＝0,1,…N-1）

（n＝0,1,…N-1）四、聲發(fā)射信號處理技術47（二）小波分析技術小波變換同時具有在時域和頻域描述信號局部特征的能力，既可以反映出某個局部時間范圍內(nèi)信號的頻譜信息，又可以給出某一頻率范圍內(nèi)信息對應的時域信息情況。定義任意平方可積的函數(shù)為，其傅利葉變換為，如果滿足：式中，是小波基函數(shù)，將進行伸縮和平移后可以得到一個小波序列：式中，a是尺度因子，b是時間因子。對于任意平方可積的函數(shù)，其連續(xù)小波變換的定義為：若對a和b進行離散化處理，則可定義的離散小波變換函數(shù)。由于小波函數(shù)具有可變的時窗和頻窗，因此小波變換在時域和頻域同時具有良好的局部化特性，

對于含有瞬態(tài)變化特征的聲發(fā)射信號具有較好的適用性。四、聲發(fā)射信號處理技術48（三）人工神經(jīng)網(wǎng)絡模式識別分析技術研究人員通過對大量的聲發(fā)射信號進行人工神經(jīng)網(wǎng)絡模式識別分析，發(fā)現(xiàn)這種技術能夠?qū)δ承┞暟l(fā)生源的性質(zhì)進行判斷。在眾多人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型中，誤差反向傳播（backpropagation，BP）訓練算法的神經(jīng)網(wǎng)絡模型應用較為廣泛，該模型包含輸入層、隱含層和輸出層，其中隱含層內(nèi)可以包含一層或多層神經(jīng)節(jié)點。采用該方法可以對壓力容器產(chǎn)生聲發(fā)射源信號的機制進行定量分析，包括表面裂紋、深埋裂紋、夾渣未焊透、殘余應力和機械撞擊摩擦等。第四節(jié)聲發(fā)射檢測的應用49一、聲發(fā)射在材料特性研究中的應用（一）材料脆性表征聲發(fā)射技術特別適用于監(jiān)測脆性材料失穩(wěn)開裂演化過程，可以連續(xù)、實時地監(jiān)測載荷作用下脆性材料內(nèi)部微裂紋的產(chǎn)生和擴展，而且可以對其破壞位置進行定位。（二）材料損傷表征聲發(fā)射特征參數(shù)可用于表征金屬構(gòu)件的損傷演化，可以通過試件在某一特定荷載或特定時刻的累積聲發(fā)射參數(shù)與最大荷載作用時的聲發(fā)射累積參數(shù)的比值，來表征材料的損傷狀態(tài)。此外，應用聲發(fā)射技術還可以研究應力腐蝕斷裂，氫脆斷裂和監(jiān)測馬氏體相變等。第四節(jié)聲發(fā)射檢測的應用50二、聲發(fā)射在焊接質(zhì)量檢測中的應用（一）焊接質(zhì)量監(jiān)測聲發(fā)射技術可以通過檢測裂紋等缺陷產(chǎn)生時釋放的聲信號，有效地對其進行定位檢測，這種方法對于氬弧焊、電阻焊、自動焊、電子束焊以及攪拌摩擦焊等工藝過程均適用，在電子束焊接中的應用具有較強的代表性。

（二）壓力容器在役檢測目前，聲發(fā)射技術已成為金屬壓力容器檢測和安全評定的重要無損檢測方法之一，聲發(fā)射技術在壓力容器的應用主要有以下幾個方面：（1）實時監(jiān)測裂紋擴展情況。（2）檢測機械摩擦導致的容器磨損情況。（3）檢測焊接殘余應力釋放情況。（4）監(jiān)測壓力容器中泄漏部位。第四節(jié)聲發(fā)射檢測的應用51三、聲發(fā)射在土木結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的應用（一）確定損傷位置采用多個聲發(fā)射傳感器對土木結(jié)構(gòu)進行的實時監(jiān)測?？梢杂嬎愠鑫⑿￠_裂信號產(chǎn)生的具體位置。（二）開裂類型識別聲發(fā)射監(jiān)測另一個主要應用是判定聲發(fā)射開裂信號的性質(zhì)。目前，用于開裂類型識別的方法主要包括基于聲發(fā)射參數(shù)特征判別法、基于矩張量分析的簡化格林函數(shù)分析方法以及基于機器學習的信號分類方法。（三）破壞前兆信息分析結(jié)構(gòu)在失穩(wěn)破壞前會出現(xiàn)一段低水平撞擊數(shù)的“平靜期”現(xiàn)象，“平靜期”可作為失穩(wěn)破壞的前兆判別信息。第四節(jié)聲發(fā)射檢測的應用52四、聲發(fā)射在管道泄漏監(jiān)測中的應用管道泄漏引起內(nèi)部介質(zhì)和泄漏孔的摩擦進而釋放出應力波，該應力波攜帶了泄漏源信息并且會沿著管壁進行傳播。具體來說，在泄漏點處由于管內(nèi)外存在壓差，導致管道中的流體在泄漏處形成了多相湍射流，這不僅紊亂了管道內(nèi)流體的正常流動，而且引起管道及周圍介質(zhì)相互作用，進而不斷地向外輻射能量，其中一部分能量將在管壁上形成高頻應力波，即聲發(fā)射信號。該聲發(fā)射信號將沿管壁向兩側(cè)傳播，布置在管道外壁的聲波傳感器可監(jiān)測到聲發(fā)射信號的大小和位置。聲發(fā)射在管道泄漏監(jiān)測應用中的優(yōu)點是檢測速度快、成本低、環(huán)境適應性強；缺點是檢測距離短。復習思考題53什么是聲發(fā)射？金屬材料中的聲發(fā)射源有哪些？聲發(fā)射檢測方法的特點？為什么要用其它無損檢測方法對聲發(fā)射源進行評價？

常用的無損檢測方法有哪些？什么是彈性變形和塑性變形？什么是凱賽爾效應（Kaisereffect）？什么是費利西蒂效應（Felicityeffect）？什么是費利西蒂比？什么是突發(fā)型聲發(fā)射信號？什么是連續(xù)型聲發(fā)射信號？造成聲波衰減的主要因素有哪些？聲波在固體介質(zhì)中的傳播速度與哪些因素有關？無損檢測（第2版）

第七章無損檢測新技術第一節(jié)激光超聲檢測激光超聲檢測是指用脈沖激光在物體中激勵產(chǎn)生和接收超聲波的過程，激光發(fā)射系統(tǒng)在被檢測物體上產(chǎn)生高熱量，從而產(chǎn)生超聲脈沖信號。當檢測激光照射到樣品表面時，超聲振動會對它的反射光進行調(diào)制，使超聲振動信息轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑畔?。激光干涉儀能夠測量細微的表面位移或振動，它把光信號攜帶的超聲振動信息解調(diào)出來。目前，激光超聲檢測技術已被廣泛應用于材料缺陷探測和定位，內(nèi)部損傷過程監(jiān)測，斷裂機理研究等工程領域中。55一、激光超聲檢測的優(yōu)勢非接觸：通過激光脈沖在構(gòu)件上激勵超聲、用激光光學方法檢測超聲，實現(xiàn)了完全意義上的非接觸檢測。發(fā)射源到被測物之間的距離可遠至10m，能夠在高溫、高壓、有毒或放射性等惡劣條件下進行遠距離非接觸無損檢測。寬帶：激光超聲在時間和空間上都具有極高的分辨率，激發(fā)的超聲脈沖寬度可達lns，頻率可達GHz，而相應的波長只有幾微米，這就提高了探測微小缺陷的能力和測量的精度，非常適合超薄材料缺陷的無損檢測和物質(zhì)微結(jié)構(gòu)的研究。實時在線：由于激光超聲的激發(fā)和檢測都是在瞬間完成的，能夠快速實現(xiàn)檢測，是工業(yè)上定位、在線監(jiān)測、快速超聲掃描成像的極好手段。適用面廣：激光激發(fā)超聲現(xiàn)象在固體、液體和氣體中均存在，而且對樣品的形狀基本沒有限制，使得激光超聲技術有著很廣泛的應用領域。56二、激光超聲激發(fā)原理（一）熱彈性激發(fā)原理熱彈效應對應使用的激光功率密度較低，照射到固體表面的激光會使其局部溫度迅速升高，表面發(fā)生熱脹冷縮的機械變形。固體表面同時受到外部約束和內(nèi)部的相互約束，在不斷發(fā)生熱脹冷縮的過程中，固體表層就會產(chǎn)生相應的應變和應力，從而激發(fā)出超聲縱波、橫波和表面波。由于固體淺表層的局部升溫并沒有導致材料的任何相變，所以熱彈效應激發(fā)具有無損的特點，它是激光超聲使用最廣泛的方法。（二）燒蝕性激發(fā)原理燒蝕激發(fā)對應使用的激光功率密度一般高于固體表面的損傷閾值，相應的溫升速度更快，在激發(fā)過程中甚至可以使固體表面部分材料被氣化、電離產(chǎn)生等離子體，這個現(xiàn)象可能會產(chǎn)生垂直于材料表面的反作用力脈沖，從而激發(fā)超聲波。這種機制的超聲激發(fā)效率比熱彈效應的高幾個數(shù)量級，可以獲得大幅度的縱波、橫波和表面波；但是，由于它每次會對表面產(chǎn)生微米尺度的損傷，只能僅限于某些需要較強超聲信號的場合。57三、激光超聲檢測原理（一）非干涉儀檢測非干涉儀檢測方法是利用超聲到達樣品表面或沿著表面?zhèn)鞑r，樣品表面形狀或反射率改變，導致反射光的位置或強度變化來實現(xiàn)。常用的非干涉儀檢測方法有：1.光偏轉(zhuǎn)法光偏轉(zhuǎn)法又稱刀刃法，是光檢測方法中最基本和最簡單的方法，在激光超聲非接觸檢測中應用最多的一種方法。一束直徑為D的激光束經(jīng)過焦距為F1的透鏡L1聚焦到樣品表面上，在樣品表面受到聲擾動時，并且入射于表面的探測光斑的尺寸比要檢測的最短聲波長小時，會因為樣品表面的聲擾動，發(fā)生變形使反射光發(fā)生偏轉(zhuǎn)。反射光通過焦距為F2的聚焦透鏡L2后，一半被刀刃擋住，另一半透過L3聚焦進入光電二極管，若表面收到聲擾動，光通量發(fā)生相應的變化，光電二極管輸出的電流便攜帶了聲脈沖的信息。圖7-1刀刃法技術原理圖58三、激光超聲檢測原理2.光柵衍射法其原理是將聲表面波的位移作為電場振幅來檢測。當入射光斑的尺寸相當于幾個聲波長時，由于Bragg效應或者Raman-Nath效應，光束發(fā)生衍射，出現(xiàn)一級或者多級衍射光分布在鏡式反射的零級光的一側(cè)或者兩側(cè)。衍射光的傳播方向與聲波和光波有關。采用光柵衍射方法測量聲信號振幅，要求事先知道材料的聲波頻率和速度。該方法已用于材料表面聲波的測量，其缺點是效率低，且要求滿足鏡面反射。時：當入射角為其中λ與λ0分別為光波長與聲波長，當聲振幅比光波長小得多時，第一級和零級衍射光的相對強度為：式中，J1(k0u)是第一類一階貝塞爾函數(shù)，u是峰值表面位移。圖7-2表面柵衍射原理圖59三、激光超聲檢測原理式中是光波矢，，是聲位移的振幅，相位調(diào)制可以用兩種技術將其轉(zhuǎn)換成光電流：一種是將相位調(diào)制轉(zhuǎn)換成光電流振幅，也叫做零差干涉技術；一種是把相位調(diào)制轉(zhuǎn)換成射頻電流的相位，即外差干涉儀。

（二）干涉儀檢測干涉儀檢測方法是基于超聲在表面?zhèn)鞑セ虻竭_樣品表面時的位移引起光束的相位和頻率調(diào)制。常用的干涉儀檢測方法有：1.零差干涉儀技術基于零差干涉儀原理建立的光探針檢測儀，可以測量任何垂直于表面的位移。一束激光垂直照射在樣品的振動表面，從表面反射的光的相位受到垂直表面位移的調(diào)制。設振動位移為，則光相位的變化為：圖7-3零差干涉儀原理圖60三、激光超聲檢測原理式中是和

表面法線的角，

和分別是面內(nèi)和面外的位移。按貝塞爾函數(shù)展開，由載頻和兩個邊頻的高度求出平面內(nèi)垂直于平面的位移。因此這種方法適用檢測平行于表面的位移。當其采用零差時

，和是兩束探測光的波矢量。2.差分干涉儀技術差分干涉儀是將來自同一光源的兩束光照射到樣品的同一點以得到差分干涉探測。兩束探測光可以是相同頻率，也可以使其中一束通過Bragg聲光調(diào)制產(chǎn)生頻移。然后接收從表面反射的光束，若有N個散斑的平均光強被探測器接收，則檢測光強為：圖7-4差分干涉儀原理圖61三、激光超聲檢測原理令表面位移引起R光的相移為，則S光的相移為，光電流的表達式為：3.速度（時延）干涉儀技術速度干涉儀原理是基于來自振動的樣品表面散斑光與自身經(jīng)歷時間延遲后的散射光相干涉的原理?？梢詰糜诖植诒砻鏅z測，且不受低頻振動的影響。速度干涉儀有雙波束干涉儀和多波束干涉儀。式中是在一臂中引入的相移，為了保證干涉儀相位平方律檢測條件

。當，上式的交流分量為：這種干涉儀的缺點是檢測效率低且只適用于高頻超聲。圖7-5時延干涉儀原理圖62四、激光超聲檢測應用幾何尺寸測量。

如厚度、高度等。采用激光超聲可實現(xiàn)高溫環(huán)境下工件的厚度檢測。通過對超聲信號差值和互相關處理，可實現(xiàn)高溫壓力容器壁厚的無損檢測。力學特性評價。

如測量殘余應力、彈性模量。在已知材料聲彈性系數(shù)的基礎上，只要測量出具有殘余應力材料中的表面波聲速變化分布，就可以檢測出表面殘余應力的分布。缺陷檢測。

激光超聲檢測技術對包括縱波、橫波和瑞利波在內(nèi)的整個超聲波都具有較高的靈敏度，所以可以通過選擇不同的波型來探測體內(nèi)、表面和亞表面的缺陷。63第二節(jié)紅外無損檢測紅外無損檢測是基于紅外輻射原理，通過掃描、記錄或觀察被檢測對象的紅外熱輻射信號，進行工件表面及內(nèi)部缺陷檢測或分析材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的無損檢測方法。紅外無損檢測具有直觀、快速、單次掃描面積大、可遠距離及非接觸檢測等優(yōu)點，近年來得到快速發(fā)展。一、紅外無損檢測基礎(一)紅外輻射概念紅外輻射是一種電磁波，它的波長范圍是760nm~1mm，介于微波與可見光之間。根據(jù)波長不同，紅外輻射又分為三個波段：（1）近紅外波段，波長0.75~3mm；（2）中紅外波段，波長3.0~20mm；（3）遠紅外波段，波長20mm~1mm。（二）紅外輻射理論基爾霍夫定律基爾霍夫定律描述了物體的輻射出射度與吸收比之間的關系：在熱力學平衡的條件下，相同溫度的不同物體對相同波長的單色輻射出射度與單色吸收比的比值都相等，且等于該溫度下黑體對同一波長的單色輻射出射度。數(shù)學表達式可寫為：式中，

是黑體的輻射出射度，

是黑體的吸收比，數(shù)值為1?；鶢柣舴蚨杀砻?，物體的輻射能力越大，它的吸收能力也越大。65一、紅外無損檢測基礎普朗克輻射定律由基爾霍夫定律的描述以及量子學相關理論，普朗克推導出黑體輻射的普朗克公式。普朗克輻射定律是黑體輻射的基本定律，其確定了物體波長和溫度與黑體輻射出射度的關系：式中c為真空中的光速，c=3×108m/s；h為普朗克常數(shù)，h=6.6256×10-34J·S；KB為玻爾茲曼常數(shù)，KB=1.38054×10-23J/K；C1為第一輻射常數(shù)，C1=2πhc2；C2為第二輻射常數(shù)，C2=hc/KB；T為絕對溫度；λ為波長；Mbλ(λ,T)為輻射出射度。66一、紅外無損檢測基礎斯蒂芬-玻爾茲曼定律根據(jù)基爾霍夫定律和普朗克公式，斯蒂芬-玻爾茲曼定律被提出描述黑體的全波段輻射出射度與溫度T的關系，該定律是所有紅外測溫的基礎定律。此處給出運算及化簡后的表達式：式中，表示斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)。由該定律可知，物體紅外輻射的能量密度與其自身的熱力學溫度T的四次方成正比。因此，材料表面微弱的溫度變化可以引起非常大的輻射功率變化。67一、紅外無損檢測基礎（三）紅外輻射在大氣中的傳輸紅外輻射作為一種電磁波，它在傳輸方面具有自己的特點。當紅外輻射在大氣中傳輸時，大氣中的水蒸氣、二氧化碳、臭氧、一氧化碳等氣體的分子會有選擇地吸收一定波長的紅外輻射，導致紅外輻射的能量發(fā)生衰減，且這種衰減具有選擇性。實驗表明，能夠順利地透過大氣的紅外輻射主要有三個波長范圍：1~2.5mm、3~5mm和8~14mm。一般將這三個波長范圍叫做“大氣窗口”。68二、紅外無損檢測技術特點紅外無損檢測技術的優(yōu)點有：適用范圍廣。任何溫度高于絕對零度（0K）的物體都有紅外輻射，因此，紅外無損檢測具有廣泛的適應性。檢測結(jié)果直觀。采用紅外熱像儀或熱電視，可以以圖像的方式，測取被檢物表面的溫度場，被檢物表面各處的溫度分布一目了然。檢測效率高。紅外探測器的響應速度可以達到納秒級，且能夠?qū)嵤┐竺娣e快速掃描，檢測效率非常高。檢測靈敏度高。目前的紅外探測器對紅外輻射的探測靈敏度很高，可以檢測出0.01°C的溫度差，能夠捕捉到被檢測對象熱狀態(tài)的細微變化。操作安全。紅外無損檢測可以實現(xiàn)遠距離的非接觸式檢測，安全性好，尤其適合監(jiān)測電氣設備、動力機械設備及高溫設備等的運轉(zhuǎn)狀況。69二、紅外無損檢測技術特點紅外無損檢測技術的主要局限性有：確定溫度值困難。被檢物體的紅外輻射除與其溫度有關外，還受其它因素的影響，特別是物體表面狀態(tài)的影響，因此很難準確地確定出被檢對象上某一點確切的溫度值。難于確定被檢物體的內(nèi)部熱狀態(tài)。物體的紅外輻射主要是其表面的紅外輻射，主要反映了表面的熱狀態(tài)，而不可能直接反映出物體內(nèi)部的熱狀態(tài)。價格昂貴。紅外無損檢測儀器是高技術產(chǎn)品，更新?lián)Q代迅速，生產(chǎn)批量不大，價格昂貴。70三、紅外無損檢測技術及原理紅外無損檢測技術根據(jù)是否依賴于外部熱激勵源，可分為被動紅外檢測和主動紅外檢測。被動紅外檢測是利用被測目標的溫度與周圍環(huán)境溫度不同的條件，在被測目標與環(huán)境的熱交換過程中進行檢測。主動紅外檢測是指通過增加主動激勵源的方式來增強被檢測對象表面的熱輻射，以得到溫度差異更明顯的熱圖，提高檢測精度?；谥鲃蛹t外熱像技術的無損檢測，影響其檢測效果的主要是熱激勵、表面熱圖采集及圖像數(shù)據(jù)處理等三方面內(nèi)容。71三、紅外無損檢測技術及原理（一）熱激勵熱激勵的目的是將外部能量輸入檢測對象，提高缺陷處與周圍正常區(qū)域的溫度差，并且將這一溫度差反應到材料表面。熱燈激勵：熱燈激勵包括熱效率較高的大功率鹵素白熾燈和紅外線燈。超聲波激勵：超聲激勵是將超聲波脈沖發(fā)射到樣品中，利用聲能在工件中衰減而轉(zhuǎn)化成的熱能來進行檢測。主要依據(jù)是缺陷及損傷區(qū)域的彈性性質(zhì)與鄰近無缺陷區(qū)域存在不同。超聲波激勵對缺陷具有選擇性加熱的特點，受背景噪聲影響小，得到的熱圖像對比度高。但接觸式超聲激勵需要耦合劑，復雜形貌構(gòu)件的檢測受限。72三、紅外無損檢測技術及原理（一）熱激勵電磁激勵：電磁激勵是基于電磁渦流感應原理的一種激勵方式，優(yōu)點是速度快、非接觸，信噪比高，特別適合于金屬材料的裂紋檢測；缺點是對弱導電材料和絕緣材料不適用，且由于電流的趨膚效應，探測深度較淺。其他激勵方式：微波作為紅外熱像無損檢測技術的熱激勵源，對陶瓷、木制品等材料具有良好的熱激勵效果，不適用于金屬零件。此外，還有研究者將激光作為主動紅外熱像無損檢測的激勵源進行研究。激光激勵雖然具有能量集中的優(yōu)勢，但是激勵源設備復雜，操作不當易對人員和材料造成損傷。73三、紅外無損檢測技術及原理（二）紅外圖像采集紅外熱波無損檢測技術的核心設備之一是紅外熱像儀，用于接收被測目標的紅外輻射能量并獲得紅外熱像圖，即將物體發(fā)出的不可見紅外能量轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姷臒釄D像，它的性能直接影響到對缺陷的檢測效果。溫度分辨率是表征紅外熱像儀測溫精度的關鍵參數(shù)，決定熱像儀溫度分辨率的核心元件是紅外探測器。根據(jù)使用的傳感器不同，目前的紅外熱像儀可分為制冷型和非制冷型兩種。制冷型使用紅外光子探測器，優(yōu)點是靈敏度高、響應快，缺點是探測波段窄、需在低溫下工作（一般低于200K）。非制冷型使用熱探測器，優(yōu)點是可以在常溫下工作，無需制冷，缺點是靈敏度低、響應慢。74三、紅外無損檢測技術及原理75（三）紅外圖像處理在紅外無損檢測中，由于受到環(huán)境噪聲、加熱不均勻以及實際溫度變化等情況的影響，可能會使原始紅外圖像出現(xiàn)信噪比低、缺陷信號弱、噪聲覆蓋缺陷信息的情況，因此需要對紅外序列數(shù)據(jù)進行處理，消除噪聲干擾、提高信噪比、增強缺陷圖像信息，提高缺陷識別度。紅外圖像的處理依賴于各種數(shù)字圖像處理技術，目前在主動紅外熱像檢測技術中應用較多的圖像處理方法主要有：原始熱圖的濾波降噪、缺陷特征提取和邊緣檢測、序列熱圖的處理方法等。三、紅外無損檢測應用76（一）材料、結(jié)構(gòu)的損傷檢測紅外熱成像檢測不受材料性質(zhì)的限制，目前主要集中應用于復合材料領域的檢測，對裂紋、脫黏、沖擊損傷等缺陷的檢出率較高，亦可用于復合材料膠接質(zhì)量、蒙皮鉚接質(zhì)量、局部密度等的檢測。（二）焊接過程檢測采用紅外點溫儀在焊接過程中實時檢測焊縫或熱影響區(qū)某點或多點溫度，進行焊接參數(shù)的實時修正。采用紅外熱像儀檢測焊接過程中的熔池及其附近區(qū)域的紅外圖像，經(jīng)過分析處理，獲得焊縫寬度、焊道的熔透情況等信息，對焊接過程質(zhì)量與焊縫尺寸進行實時控制。三、紅外無損檢測應用77（三）設備狀態(tài)的紅外熱像診斷電力和石化目前是紅外無損檢測技術的兩個主要應用領域。采用紅外無損檢測方法能夠獲取電器和石化設備運行狀態(tài)的大量信息，從而判斷出設備是否正常運行。（四）渦輪葉片及涂層檢測采用紅外熱成像技術對航空設備的渦輪葉片內(nèi)部冷卻風道的缺陷進行檢測，將紅外技術與聲發(fā)射方法配合使用，能夠?qū)u輪葉片損傷進行動態(tài)監(jiān)測。此外，紅外無損檢測技術還可用于航空發(fā)動機渦輪葉片熱障涂層損傷檢測、冷卻通道堵塞檢測等方面。第三節(jié)太赫茲檢測78太赫茲(THz)波的頻率介于微波和紅外之間，是電磁波譜的一部分。近年來，伴隨著半導體和超快電子技術的發(fā)展，太赫茲無損檢測技術也逐步重新成為了人們關注的熱點，并且在許多領域得到了廣泛研究。一、太赫茲檢測特點79太赫茲波是某一頻段的電磁波，其波的頻率范圍為0.1THz~10THz，波長為0.03~3mm，在電磁波譜中的位置處于微波與紅外光之間，也被稱為遠紅外射線。與微波相比，太赫茲波段具有更高的頻率和更寬的頻帶寬，因此可以承載更多的信息，并且可以提高通信速率以及分辨率；與紅外光相比，太赫茲波的穿透性好，便于實現(xiàn)透射成像，并且在惡劣環(huán)境下也具有更好的成像能力。太赫茲具有“指紋”特性，太赫茲波具有識別和鑒別物質(zhì)的能力。圖7-6太赫茲波譜二、太赫茲檢測方法80（一）太赫茲成像檢測1.太赫茲層析成像檢測當太赫茲波入射到被測物體上時，由于太赫茲波與物體作用會發(fā)生衍射、散射、折射等，導致發(fā)射波的能量在穿過非均質(zhì)物體之后產(chǎn)生不同程度的衰減，通過這種不同程度的衰減就可以對物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行還原。與X射線的層析成像相比較，太赫茲層析成像穿透性較差且其分辨率較低，但是太赫茲波照射到物體時不會產(chǎn)生電離效應，因此更加適用于對安全性要求更高的場合。2.太赫茲干涉成像檢測太赫茲干涉成像檢測的理論基礎是光學領域的范希特-澤尼克定理，該定理主要描述了目標源強度分布與其復相干度所滿足的傅里葉變換關系。根據(jù)此定理，在不同的基線距離下對目標輻射信號進行復相關接收獲得復可視度函數(shù)序列，然后通過傅里葉逆變換即可獲取目標圖像。太赫茲干涉成像技術可以有效提高成像分辨率，并且在探測元數(shù)目較少的情況下，可以高質(zhì)量地重建目標圖像。二、太赫茲檢測方法81（二）太赫茲光譜技術太赫茲光譜技術通常是指太赫茲時域光譜技術，其采用脈沖式時域相干測量，具有光譜帶寬大的特性，可提供物質(zhì)在THz波段的豐富光譜信息。太赫茲時域光譜技術主要由飛秒激光源、光電導天線或光整流晶體發(fā)射器、電光采樣探測器、時域延遲裝置和計算機組成。通過分光器將飛秒激光分為兩束：一束為泵浦光束，其用于產(chǎn)生THz波；一束為探測光束，其經(jīng)過延遲裝置與透射或者反射樣本后的THz光束共同入射到電光采樣探測器中，最后經(jīng)過計算機分析提取延時函數(shù)，得到時域光譜圖形，通過傅里葉變換可以得到頻域光譜。三、太赫茲檢測應用821.復合材料檢測太赫茲技術具有分辨率高、穿透性好等優(yōu)點，近年來已成為一種很有前途的復合材料缺陷無損檢測技術。通過太赫茲脈沖成像（TPI）測量太赫茲脈沖波形（如圖7-7），之后利用快速傅里葉變換可以得到時域THz波、頻率幅值以及相應的相位信息，由此可以得到復合材料的內(nèi)部信息，可檢測出復合材料中的分層、孔隙等缺陷。圖7-7測量得到的太赫茲脈沖波形：

(a)時域波形；(b)傅里葉變換得到的頻譜圖7-8玻璃纖維復合材料的THz無損檢測圖7-9纖維復合材料的探傷成像：

(a)太赫茲脈沖成像；(b)超聲成像三、太赫茲檢測應用832.熱障涂層檢測TBC是一種應用于高溫金屬表面的先進材料系統(tǒng)，如燃氣渦輪和航空發(fā)動機。通常，TBC系統(tǒng)包括陶瓷面漆和金屬基板上的金屬粘結(jié)涂層。在TBC結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的服役過程中，一些