无损检测技术.docx

无损检测技术 无损检测技术即非破坏性检测，就是在不破坏待测物质原来的状态、化学性质等前提下，为获取与待测物的品质 有关的内容、性质或成分等物理、化学情报所采用的检查方法。无损检测与无损评价技术是在物理学、材料科学、断裂力学、机械工程、电子学、计算机技术、信息技术以 及人工智能等学科的基础上发展起来的一门应用工程技术。随着现代工业和科学技术的发展，无损检测与无损评 价技术正日益受到各个工业领域和科学研究部门的重视，不仅在产品质量控制中其不可替代的作用已为众多科技 人员和企业界所认同，而且对运行中设备的在役检查也发挥着重要作用。应用领域无损检测技术在食品加工领域，如材料的选购、加工过程品质的变化、流通环节的质量变化等过程中，不仅 起到保证食品质量与安全的监督作用，还在节约能源和原材料资源、降低生产成本、提高成品率和劳动生产率方 面起到积极的促进作用。作为一种新兴的检测技术，其具有以下特征：无需大量试剂；不需前处理工作，试样制 作简单；即使检测，在线检测；不损伤样品，无污染等等.无损检测技术在工业上有非常广泛的应用，如航空航天、核工业、武器制造、机械工业、造船、石油化工、铁道和高速火车、汽车、锅炉和压力容器、特种设备、 以及海关检查等等。技术进展进入21世纪以后，随着科学技术特别是计算机技术、数字化与图像识别技术、人工神经网络技术和机电一 体化技术的大发展，无损检测技术获得了快速进展。在射线检测方面，射线成像和缺陷自动识别技术、射线计算机辅助成像技术（CR）、射线实时成像技术（DR）和射线断层扫描技术（CT）都获得了广泛的应用。检测集装箱的快速X射线实时成像系统、以X射线、Y射线、 直线加速器为射线源的各种工业CT装置已被广泛地应用到各个工业领域。微焦点X射线CT可以检测微米级的微 小缺陷。在超声检测方面，各种数字化超声波探伤仪广泛使用。TOFD超声检测系统、超声成像检测系统、磁致伸 缩超声导波检测系统、相控阵超声检测系统已经获得了广泛应用。在检测方法和应用技术研究方面，主要针对自 动化超声检测技术、超声成像检测技术、人工智能与机器人检测技术、TOFD超声检测技术、超声导波检测技术、 非接触超声技术、相控阵超声检测技术、激光超声检测技术等都取得了大量的研究成果。在管棒材和焊管自动化 检测线使用的多通道超声波探伤仪，通道数多达128个，采样速率最高可达240MHz。超声导波检测系统和磁 致伸缩导波检测方法已经用于带保温层工业管道和埋地管道腐蚀缺陷的长距离检测。在电磁检测方面，常规涡流检测仪器全部实现数字化，并发展了阵列探头和多通道仪器，实现了数据转换和 分析等先进电子与信息技术的应用。远场涡流、多频涡流、脉冲涡流和磁光/涡流成像检测技术都得到了成熟发 展和应用。脉冲涡流检测技术用于带保温层钢质压力容器和管道腐蚀检测，最大可以穿透150mm厚的保温层。漏磁检测技术已广泛用于大型常压储罐底板腐蚀检测、管道制造过程的在线检测、钢丝绳检测、石油钻杆检 测和无保温层工业管道腐蚀检测等。磁记忆检测在电站锅炉、压力容器、压力管道、汽轮机、风力发电机和桥梁 等结构上已广泛应用。巴克豪森噪声技术在残余应力检测中的应用更加广泛。在声发射检测方面，各种性能先进的多通道声发射仪不断涌现。在声发射信号分析和处理方面，包括常规参 数分析、时差定位、关联图形分析、频谱分析、小波分析、模式识别、人工神经网络模式识别、模糊分析和灰色 关联分析等都获得了应用。在我国有50多个检测机构常年从事压力容器的声发射检测。在微波检测和红外检测方面，也得到了很大发展。微波检测在湿度、温度、密度、固化度等检测中广泛应 用，在胶接结构、复合材料、火箭推进剂等检测中也发挥了重要作用。 红外检测在电力工业、石油化工、房 屋建筑等领域得到了广泛应用。在金属力学试样、断裂力学和应力分析、印刷电路板故障分析和陶瓷工业等领域 也开展了应用研究。压力容器红外热成像检测已正式纳入我国的特种设备安全监察法规体系。在役检查是在用设备与结构安全监察的重要方法。在压力容器等特种设备、石油天然气管道、航空系统、 铁道系统、土木工程与钢结构、核电站等领域已广泛开展，并取得了显著的成就。在役结构可靠性评价理论和法规在国际上获得了一致的认可。无损检测技术在在用设备与结构的可靠性评价 中发挥了重要的作用。无损检测技术在应对气候变化、发展低碳经济、循环经济和绿色再制造产业中也正在起到不可替代的重要作 用。 目前，我国拥有17万无损检测人员和2000多家无损检测机构（不含企业内部探伤室），在国民经济建 设和人身与设备安全监测中发挥着重要作用。声学基础知识声学基础知识声音是空气分子的振动。物体的振动（我们称之为"声源"）引起空气分子相应的振动，传入人耳导致鼓 膜振动，通过中耳、内耳等一系列听觉器官的共同作用使人听到了声音。并不是所有的空气分子的振动都形成声 音，空气分子的振动有一定的规律，我们把它描述为"波"，下面我们对"声波"作一个简单的阐述：二. 声波把石头扔进平静的水面，会形成一组向四周扩散的水波，这是我们所能见到的比较直观的"波"，空气分 子振动形成的声波要复杂一点，它是从声源向四周立体扩散的一组疏密波，空气分子并不是从声源一直跑到您的 耳朵，而是在它本来的位置振动，从而引起与它相邻的空气分子随之振动，声音就是这样从声源很快地向外传播 的，声音在空气中的传播速度是331米/秒。举一个简单的例子，麦浪的运动跟声波很相似，粒子的振动方向与 波的运动方向是平行的。波需要通过介质来传播，麦浪的运动到田埂边就自然停止了，声波的传播介质是空气分 子，所以，真空里声音是不能传播的。三. 声音的频率声波每秒的振动次数称为频率，频率在20Hz20KHz之间称为声波；频率大于20KHz称为超声波；频率 小于20Hz称为次声波。超声波和次声波人耳是听不到的，地震波和海啸都是次声波。有些动物的耳朵比人类要 灵敏得多，比如蝙蝠就能"听到"超声波。世界上很少存在单一频率的"纯音"，我们所听到的声音大都是各种频率的复合音，如乐器发出的单音就是 周期性的复合音，语音则是非周期性的复合音。让我们对声音的频率有一个比较直观的概念：大鼓的"蓬蓬"声频率很低，大约在数十赫兹左右；人的语音频 率范围主要在200 Hz到4000 Hz之间；锣声、铃声的频率大约在2000 Hz到3000 Hz左右；在人类语音中，女声 比男声频率要高一点；童声要比成人频率高一点；"啊啊"声频率较低，"咿咿"声频率稍高，"嗤嗤、嘶嘶"声频率 最高。知道这一点很有用，在实际选配中，你可以经常用来测试病人戴助听器前后对声音频率的反应。高频和低频是相对的，在语音范围中，通常把1000 Hz以上的区域称为高频区，500 Hz -1000 Hz的区域称为 中频区，低于500 Hz的区域称为低频区。而在讨论音乐的时候四. 声音的强度其一是从物理上来描述：我们知道由于空气分子本身固有的不规则运动及相互排斥会形成一个静态的压 力，这个压力就是我们所熟知的大气压。前面我们讲过，声音是空气分子的振动，振动的空气分子对它通过的截 面就会产生额外的压力，这种额外的压力我们就称之为声压。声压比之大气压要小得多得多，举个例子，一个声 压仅仅相当于大气压的一万分之一的声音就足以把人的耳朵振聋。物理学家引入了声压级（SPL）来描述声音的大小：我们把一很小的声压p0=2x 10-5帕作为参考声压，把所 要测量的声压p与参考声压p0的比值取常用对数后乘以20得到的数值称为声压级，声压级是听力学中最重要的 参数之一，单位是分贝（dB）声音是在气体、液体或固体介质里传播的一种机械振动。因此，声音以频率、幅值和相位来表征。声音最简 单的形式为纯音，它是正弦波。日常生活中所遇到的绝大多数声音是波形复杂的复合声音，可看作是由纯音复合 而成的。声压级正常人刚能听到的微弱声音的声压是2X10-5P3，称为人耳的听阈；使人耳感觉疼痛的声压为20Pa，称为人 耳的痛阈。考虑到人对声音响度感觉与声音强度的对数成比例，所以引用了声压比的对数来表示声音的强弱，即 声压级。声压级lq (单位:dB)，噪声还可以用声强级、声功率级来描述。响度级响度级是根据人耳听觉特性而提出的一种评定环境噪声的方法。通常入耳听到的声频范围在20Hz20000Hz， 高于20kHz则为超声，低于20Hz的称为次声。人耳对声音的感受不仅和声压有关，也和频率有关，声压级相同 而频率不同的声音，听起来高频音要比低频音响得多。如果所测声音与基准声一一频率为1000Hz的纯音对比， 听起来同样的响，则此基准声的声压级(dB)，就称为该所测声音的响度级，其单位为方(phon)。按此与基准声对 比的方法，可以得到整个可所范围的纯音响度级。由大量试验得出的纯音等响度曲线如所示，图中每一条曲线相当于频率和声压级不同而听起来响度相同的声 音，即具有同一响度级(方)的声音。从等响曲线可以看出，人耳对高频声敏感，而对低频声不敏感。如70phon的响声，对100Hz的声音来说， 声压级是76dB，对1000Hz是70dB，对4000Hz是62dB，但它们都是在70phon的曲线上，听起来一样响。计权声级计权声级一般有A、B、C三种，它们是分别用设置有计权网络“A”、“B”、“C”的声学测量仪测得的噪声值， 记做dB(A)、dB(B)、dB(C)。A计权网络是模拟人耳40phon等响曲线设计的，使接受的声音通过时，对于人耳不 敏感的低频声有较大的衰减，中频衰减次之，高频不衰减。B网络是按70phon等响曲线设计的，仅在低频段有 一定衰减。C网络则仿效100phon等响曲线，在整个可听频率范围内几乎无衰减。在以上三种计权声级中，A声 级最能反映出人耳的听觉特性，目前使用广泛。频谱分析噪声通常是由大量不同频率的声音复合而成，要想在人耳可听声的频率范围内对各个不同频率的噪声逐一进 行测量很困难，在实用上，常把声频范围划分为若干个频段，即常说的频段或频程。每个频程各有中心频率和上、 下限频率，上、下限频率之差为频带宽度。表5 9倍频程频率范围表5-9倍频程频率范围中心频率31.563125250500100020004000800016000频率范围22 4545 9090 18018035535571071014001400 28002800 56005600 1120011200在噪声测量中，最常用的是倍频程(中心频率和频率范围见表5-9)和1/3倍频程。倍频程是频率范围上、 下限两个频率之比为2： 1的频程，1/3倍频程是把上述一个频程再分成3份后得到的更详细的频程。以所选用 的倍频程或1/3倍频程的中心频率为横坐标，以声压级(或声强级、声功率级)为纵坐标，作出噪声测量图形， 即频谱图，可了解频带声压级在不同频率范围内的分布情况，并据此判断出噪声的成分和性质，这就是频谱分析。超声检测超声检测超声检测（UT ）是工业上无损检测的方法之一。超声波进入物体遇到缺陷时，一部分声波会产生反 射，发射和接收器可对反射波进行分析，就能异常精确地测出缺陷来.并且能显示内部缺陷的位置和大小，测定 材料厚度等.原理超声波是频率高于20千赫的机械波。在超声探伤中常用的频率为0.55兆赫。这种机械波在材料中能 以一定的速度和方向传播，遇到声阻抗不同的异质界面（如缺陷或被测物件的底面等）就会产生反射。这种反射 现象可被用来进行超声波探伤，最常用的是脉冲回波探伤法探伤时，脉冲振荡器发出的电压加在探头上（用压电 陶瓷或石英晶片制成的探测元件），探头发出的超声波脉冲通过声耦合介质（如机油或水等）进入材料并在其中 传播，遇到缺陷后，部分反射能量沿原途径返回探头，探头又将其转变为电脉冲，经仪器放大而显示在示波管的 荧光屏上。根据缺陷反射波在荧光屏上的位置和幅度（与参考试块中人工缺陷的反射波幅度作比较），即可测定 缺陷的位置和大致尺寸。除回波法外，还有用另一探头在工件另一侧接受信号的穿透法。利用超声法检测材料的 物理特性时，还经常利用超声波在工件中的声速、衰减和共振等特性。跨孔超声检测仪应用脉冲回波探伤法通常用于锻件、焊缝及铸件等的检测。可发现工件内部较小的裂纹、夹渣、缩孔、未焊 透等缺陷。被探测物要求形状较简单，并有一定的表面光洁度。为了成批地快速检查管材、棒材、钢板等型材， 可采用配备有机械传送、自动报警、标记和分选装置的超声探伤系统。除探伤外，超声波还可用于测定材料的厚 度,使用较广泛的是数字式超声测厚仪，其原理与脉冲回波探伤法相同，可用来测定化工管道、船体钢板等易腐蚀 物件的厚度。利用测定超声波在材料中的声速、衰减或共振频率可测定金属材料的晶粒度、弹性模量（见拉伸试 验）、硬度、内应力、钢的淬硬层深度、球墨铸铁的球化程度等。此外，穿透式超声法在检验纤维增强塑料和蜂 窝结构材料方面的应用也已日益广泛。超声全息成象技术也在某些方面得到应用。优缺点超声检测法的优点是：穿透能力较大，例如在钢中的有效探测深度可达1米以上;对平面型缺陷如裂纹、 夹层等，探伤灵敏度较高，并可测定缺陷的深度和相对大小；设备轻便，操作安全，易于实现自动化检验。缺点 是：不易检查形状复杂的工件，要求被检查表面有一定的光洁度，并需有耦合剂充填满探头和被检查表面之间的 空隙，以保证充分的声耦合。对于有些粗晶粒的铸件和焊缝，因易产生杂乱反射波而较难应用。此外，超声检测 还要求有一定经验的检验人员来进行操作和判断检测结果第1章绪论1.1超声检测的定义和作用指使超声波与试件相互作用，就反射、透射和散射的波进行研究，对试件进行宏观缺陷检测、几何特性测量、组 织结构和力学性能变化的检测和表征，并进而对其特定应用性进行评价的技术。作用：质量控制、节约原材料、改进工艺、提高劳动生产率1.2超声检测的发展简史和现状超声检测工作原理主要是基于超声波在试件中的传播特性声源产生超声波，采用一定的方式使超声波进入试件；超声波在试件中传播并与试件材料以及其中的缺陷相互作用，使其传播方向或特征被改变；改变后的超声波通过检测设备被接收，并可对其进行处理和分析；根据接收的超声波的特征，评估试件本身及其内部是否存在缺陷及缺陷的特性。超声检测工作原理脉冲反射法：声源产生的脉冲波进入到试件中超声波在试件中以一定方向和速度向前传播一一遇到两侧声阻抗有差异的 界面时部分声波被反射一一检测设备接收和显示一一分析声波幅度和位置等信息，评估缺陷是否存在或存在缺陷 的大小、位置等。通常用来发现和对缺陷进行评估的基本信息为：1、是否存在来自缺陷的超声波信号及其幅度；2、入射声波与接收声波之间的传播时间；3、超声波通过材料以后能量的衰减。超声检测的分类原理：脉冲反射、衍射时差法、穿透、共振法显示方式：A、超声成像（B C D P）波型：纵波、横波、表面波、板波耦合方式：直接接触法、液浸法、EMA按探头个数：单、双、多按人工干预的程度分类：手工检测、自动检测超声检测的优点适用于金属、非金属和复合材料等多种制件的无损检测；穿透能力强，可对较大厚度范围内的试件内部缺陷进行检测。如对金属材料，可检测厚度为12mm的薄壁管材 和板材，也可检测几米长的钢锻件；缺陷定位较准确；对面积型缺陷的检出率较高；灵敏度高，可检测试件内部尺寸很小的缺陷；检测成本低、速度快，设备轻便，对人体及环境无害，现场使用较方便。超声检测的局限性对试件中的缺陷进行精确的定性、定量仍须作深入研究；对具有复杂形状或不规则外形的试件进行超声检测有困难；缺陷的位置、取向和形状对检测结果有一定影响；材质、晶粒度等对检测有较大影响；以常用的手工A型脉冲反射法检测时结果显示不直观，且检测结果无直接见证记录。超声检测的适用范围非常广从检测对象的材料来说，可用于金属、非金属和复合材料；从检测对象的制造工艺来说，可用于锻件、铸件、焊接件、胶结件等；从检测对象的形状来说，可用于板材、棒材、管材等；从检测对象的尺寸来说，厚度可小至1mm，也可大至几米；从缺陷部位来说，既可以是表面缺陷，也可以是内部缺陷。电磁超声的原理和特点超声波的工作原理超声波是频率高于20000Hz的机械波，由于超声波频率高、波长短，因此具有良好的方向性和穿透能力， 且由于超声波能量大，方便检测，因此可以用来实现无损检测。具体工过程分为以下几个过程：a. 声源产生超声波，采用一定的方式使超声波进入试件；b. 超声波在试件中传播并与试件材料以及其中的缺陷相互作用，使其传播方向或特征被改变；c. 改变后的超声波通过检测设备被接收，并可对其进行处理和分析；d. 根据接收的超声波的特征，评估试件本身及其内部是否存在缺陷及缺陷的特性。一般来说，为保证充分的声耦合，在检测时需要有耦合剂(机油或水等)填充检测探头和被检查表面之间的 空隙。电磁超声的产生机理处于交变磁场中的金属导体，其内部将产生涡流，同时由于任何电流在磁场中收到洛伦兹力的作用，而金属 介质在交变应力的作用下将产生应力波，频率在超声波范围内的应力波即为超声波。于此相反，由于此效应呈现 可逆性，返回声压使质点的振动在磁场作用下也会使涡流线圈两端的电压发生变化，因此可以通过接收装置进行 接收并放大显示。我们把用这种方法激发和接收的超声波称为电磁超声。在上述方法中，换能器已经不单单是通交变电流的涡流线圈以及外部固定磁场的组合体，金属表面也是换能 器的一个重要组成部分，电和声的转换是靠金属表面来完成的。电磁超声只能在导电介质上产生，因此电磁超声 只能在导电介质上获得应用。电磁超声的基本结构由上所述，电磁超声检测装置主要由高频线圈、外加磁场、试件本身三部分组成，如图1所示。图1，电磁超声基本结构值得一提的是，产生电磁超声的有两种效应，洛伦兹力效应和磁致伸缩效应。如上图的高频线圈通以高频激 励电流时就会在试件表面形成感应涡流，感应涡流在外加磁场的作用下会受到洛伦兹力的作用产生电磁超声；同 样，强大的脉冲电流会向外辐射一个脉冲磁场，脉冲磁场和外加磁场的复合作用会产生磁致伸缩效应，磁致伸缩 力的作用也会产生不同波形的电磁超声。洛伦兹力和磁致伸缩力两种效应具体是哪种在起着主要作用，主要是由 外加磁场的大小、激励电流的频率决定。电磁超声的特点相对于常规超声电磁超声具有以下特点：(1) 非接触检测，不需要耦合剂，可透过包覆层等EMAT的能量转换，是在工件表面的趋肤层内直接进行得。因而可将趋肤层看成是压电晶片，由于趋肤层是 工件的表面层，所以EMAT产生的超声波不需要任何耦合介质。(2) 产生波形形式多样，适合做表面缺陷检测EMAT在检测的过程中，在满足一定的激发条件时，会产生表面波、SH波和Lamb波。如果改变激励电信 号频率满足一定公式，则声波能以任何辐射角0向工件内部倾斜辐射。即在其它条件不变的前提下，只要改变电 信号频率，就可以改变声的辐射角，这是EMAT的又一特点。由于这一特点的存在，可以在不变更换能器的情 况下，实现波形模式的自由选择。(3) 适合高温检测随着国家在能源、动力企业的投入和发展，各种高温压力管道逐渐增多。作为特种设备的压力管道，一旦出 现事故，损失将非常严重。对此，国家有相关政策法规强制检测，以实现最小的事故发生率。这就使得高温压力 管道检测成为一个急需解决的问题。而电磁超声正是解决这个问题的最好选择。电磁超声相对于常规超声一个最 大的优点就是其非接触性。热体在空间辐射的温度场是按指数衰减的，探头离检测试件表面每提离一段距离，其 探头环境温度就有显著的下降，所以，电磁超声可以用于高温管道检测。(4) 对被探工件表面质量要求不高EMAT不需要与声波在其中传播的材料接触,就可向其发射和接收返回的超声波。因此对被探工件表面不要 求特殊清理,较粗糙表面也可直接探伤。(5) 检测速度快传统的压电超声的检测速度，一般都在10米/分钟左右，而EMAT可达到40米/分钟，甚至更快。(6) 声波传播距离远EMAT在钢管或钢棒中激发的超声波，可以绕工件传播几周。在进行钢管或钢棒的纵向缺陷检测时，探头与 工件都不用旋转，使探伤设备的机械结构相对简单。(7) 所用通道与探头数量少在实现同样功能的前提下，EMAT探伤设备所用的通道数和探头数都少于压电超声。特别在板材EMAT探 伤设备上就更为明显，压电超声要进行板面的探伤需要几十个通道及探头，而EMAT则只需要四个通道及相应 数量的探头就可以了。(8) 发现自然缺陷的能力强EMAT对于钢管表面存在的折叠、重皮、孔洞等不易检出的缺陷都能准确发现。上面都是有点，但同时，EMAT也有不可忽视的缺点：(1) 它的换能效率要比传统压电换能器低2040dB。当然，这个缺点可以用精心设计与制造电子发射机与 接收机、换能器来弥补。(2) 高频线圈与工件间隙不能太大。线圈从工件表面每提高一个绕线波长的距离，声信号幅度就要下降107dB 和 96dB。电磁超声的工业应用电磁超声的工业应用很多：可以应用于测厚，探伤，材料晶格结构检测，材料应力检测等。EMAT测厚电磁超声测厚是电磁超声检测技术工业应用的一个重要方面。可用于测厚的超声波有体波和SV波。通过检 测超声波在试件中传播时延就可以折算出检测试件的厚度。传统压电探头的测厚精度易受耦合介质的影响，故EMAT在此方面尤其独特优点。EMAT测厚的关键是波 模纯、声束窄、脉冲窄(但要有足够的幅度)及消除工件电、磁、声性能的变化对测量的影响。由于EMAT采 用垂直入射的横波，故纵向分辨力要比压电换能器高出一倍。在这方面的典型应用是无缝钢管的检测。在冶金工业中无缝钢管是由钢锭控制成形的，因此钢管壁厚的均匀 程度是评定钢管质量的重要指标。传统的检测方法是利用尺规测量钢管的头尾尺寸，因无法得知中间部分的数据， 所以无法有效控制产品的质量。应用电磁超声技术，通过测量钢管上不同位置的壁厚，得知其壁厚的均匀程度， 从而为控制产品质量提供了一种可靠的检测手段。金属探伤金属探伤是无损检测领域中一个重要组成部分。电磁超声技术通过观察缺陷的回波与物体底面的回波来确定 物体中缺陷的位置和大小。应用电磁超声的原理在被测物体(导体)中激发超声波。此超声波就在被测物体中传播， 当遇到声阻抗不同的物体时发生反射，利用涡流线圈来接收这个反射波，通过计量此超声波在物体中的传播时间， 就可以计算出被测物体的厚度值及缺陷所在位置。国内最早将电磁超声用于金属探伤研究的是北京钢铁研究总院的张广纯等。他们通过发射机发射出大功率脉 冲信号，在厚度为18mm的钢板中产生Lamb波检测缺陷。发射机功率50kW。为消除检测的盲区，该技术采用 了两个线圈同时进行检测。航天工业总公司第二研究院研制了一套热钢板在线自动化电磁超声探伤系统。系统采 用电磁超声换能器在钢板中激发出体波，数十个探头同时在钢板上探伤。可对500r以下的钢板进行在线检测， 可确定缺陷的类别、大小及位置，测量钢板厚度可达40mm。火车轮踏面裂纹的EMA动态检测当今高速列车在许多国家已成为人们出行的重要工具之一，火车的速度越来越快。随着火车速度的不断提高， 火车机车和车辆运行的安全性越来越引起人们的关注，对火车各个部分的性能、质量也提出了更高的要求。火车 车轮作为铁路机车及车辆的重要运动和承载部件，其质量优劣对保证火车的安全运行起着至关重要的作用，一旦 引发事故，往往是灾难性的。由于现有的车轮冶金制造技术不可能完全杜绝缺陷的产生;而在车轮的运行中，原 有的冶金缺陷会不断扩展，同时新的裂纹还会不断产生，这些就使得车轮在出厂前及在使用过程中的探伤显得尤 为必要。在动态下监测车轮是否产生裂纹及其扩展情况是压电换能器难以解决的问题。近年来，人们把注意力转向 EMAT上来了。德、美、日、加拿大、中国等国研究人员近年来相继开展了这方面的研究工作。其方法是将小巧 的EMAT嵌入钢轨中，用来激发和接收表面波。当车轮从EMAT上驶过的一瞬间，声表面波以3000m/s的速度 在车轮表面传几周，实现车轮踏面裂纹的动态监测。利用电磁超声表面波动态检测车轮表面缺陷的原理如图2所示。轨道一侧，将一对EMAT和传感器嵌入到 一段特制的测量轨道中，两个EMAT之间的距离不能为车轮周长一半的整数倍。当前进的车轮通过传感器时， 传感器给系统发射信号，经过一小段延迟之后，系统分别激发两个EMAT，直接在车轮的踏面表面上激发出相向 传播的两束表面波。所激发出的声波束将沿着车轮踏面表面及近表面一定深度范围内沿周向自行传播，从而形成 对踏面表面及近表面的全覆盖检测。图2电磁超声表面波探伤原理研究证明：采用低于0.5MHz的超声表面波，可以有效探出深度为1mm的踏面上和近踏面裂纹。目前，国 内外均研制出可以在火车车轮高速运行过程中探测其表面和近表面缺陷的电磁超声表面波探伤装置。例如，中国 钢铁研究总院用了一年时间，为马鞍山钢铁公司研制出一套车轮踏面电磁超声探伤装置。这套装置采用510kHz 的声脉冲频率，能探出踏面上1mm深、20mm长的人工缺陷，信噪比达到15dB以上。深冲金属板下Y值的EMA评价随着汽车工业、包装工业的迅猛发展，深冲金属薄板的需求量越来越大。但深冲成型工艺对金属薄板的组织 性能，尤其是各向异性要求很高.衡量各向异性的重要指标是Y值。其定义是：薄板在单向拉伸情况下，试样宽 度方向与厚度方向的真应变之比称为Y值。它实际上反映板平面方向和厚度方向上金属流动的难易程度，也可以 说是板抵抗厚度减薄和破裂的能力大小。从上世纪80年代末，国外就集中了大量人力、财力开展了丫值的在线 EMA评价研究工作。研究开发出几种方法：例如在不同方向上用渡越时间法测sH波、Lamb波声速；用共振法 测声速。然后由声速算出弹性模量E，再由E值与Y值的相关关系求出Y值。这方面的研究开发工作已成熟，进 人了技术转让阶段。结语本文简要介绍了电磁超声的基本原理及其在工业中的几种典型应用。可以看到，虽然电磁超声技术在无损检 测领域中起步较晚，但发展却非常迅速。它的出现改变了过去高温被测物体无法在线测量的状况，它具有常规超 声的各种优点，检测精度高，可以实现对金属导电材料内外部缺陷及厚度的全面检测，同时又克服了常规超声必 须依赖耦合剂的缺点。它的优势已被人们充分认识，并将在生产、生活中发挥着重要作用。同时应当看到，在电磁超声探伤的作用原理方面，对磁致伸缩力的认识还不够。虽然在磁致伸缩导波检测方 面已经取得了很好的结果和一些积累，但是如何寻求运用利用现有的磁致伸缩的技术过渡到电磁超声磁致伸缩检 测仍然是一个问题。可以展望，这必将是电磁超声检测今后的一个发展方向。相控阵超声检测技术1.相控阵超声检测技术超声波相控阵检测技术是一种新型的特殊超声波检测技术，类似相控阵雷达、声纳和其他波动 物理学应用，依据惠更斯(Huyghens-Fresnel)原理：波动场的任何一个波阵面等同于一个次级波 源，次级波场可以通过该波阵面上各点产生的球面子波叠加干涉计算得到，并显示保真的(或几何 校正的)回波图像，所生成材料内部结构的图像类似于医用超声波图像。相控阵超声检测技术是通过电子系统控制换能器阵列中的各个阵元，按照一定的延迟时间规则 发射和接收超声波，从而动态控制超声束在工件中的偏转和聚焦来实现材料的无损检测。3. 相控阵检测技术原理3.1相控阵发射超声阵列换能器是由多个换能器阵元按一定形状、尺寸排列而构成的，使每个阵元按预先设计 好的方案延迟一定的时间进行超声发射，根据惠更斯原理，各阵元发射的超声子波束在空间叠加合 成，从而形成发射聚焦或声束偏转等效果，被称为相控阵发射。(a)发射偏裁(b)发我聚携图2. 3相控阵超声发射示意踢发射相控聚焦：图2.3(a)中，线性阵列换能器两端阵元最先激励，延迟一段时间后，邻近的一 对阵元开始发射，越靠近阵列的中心的阵元发射越晚。由此使各阵元的波阵面指向一个曲率中心， 各阵元的波阵面同时到达这个曲率中心，即相控焦点。发射相控偏转:如图2.3(b)，线性阵列换能器各阵元的等间隔延迟一段时间后依次被激励，使 合成的波阵面与线阵形成一定的角度，就形成了发射声束相控偏转效果。3.2相控阵接收换能器发射的超声波遇到目标后产生回波信号，其到达各阵元的时间存在差异。按照回波到达 各阵元的时间差对各阵元接收信号进行延时补偿，然后相加合成，就能将特定方向回波信号叠加增 强，而其它方向的回波信号减弱甚至抵消。同时，通过各阵元的相位、幅度控制以及声束形成等方 法，形成聚焦、变孔径、变迹等多种相控效果。相控阵接收的原理如图2.4所示（前接收偏转图£4相控阵超声接收示意图4. 相控阵检测方法4.1相控阵聚焦扫查方式相控阵的聚焦扫查形式主要包括：扇形聚焦扫查、线性平行扫查、深度聚焦、动态深度聚焦等。 图2.10是几种常用的聚焦扫查方式。若要产生波束的各种聚焦方式，需要设置探头阵元的延时时间激励阵元，完成一次聚焦偏转声束发 射接收后，重新设置另一组阵元延时时间，发射另一个不同聚焦偏转的声束，并接收。依次完成一系列的不同延时，才能将声束打在工件上的各个区域。俨平行扫者扇形扫杳护深度聚集图2,10 JL种常用的相控阵的聚焦扫查方式(1) 线性扫查线性扫查所使用的换能器一般为大尺寸的线性阵列式换能器，其阵元数较多。当换能器作超声 发射或接收时，每次只有相邻的一部分阵元参加，这一部分称之为子阵元。进行超声收发的子阵， 其声束垂直于水平线的，线性扫查是在不同的时间激励不同组的晶片，当子阵中的阵元从左至右依 次移动一个阵元，从而形成电子平行扫查。每一组有4个或8个阵元组成，声束则以恒定的0°角 度沿相控阵阵列水平方向进行扫查。图2.11所示的是阵元形成的线性扫查示意图。为了聚焦的目 的，一个子阵中的各个阵元可以按一定延时发射激励，其接收的回波也将被一定延迟后相加起来。图2.11线性扫查示意图(2) 扇形扫查相控阵扇扫所使用的换能器一般是小尺寸的线性阵列式换能器，通过控制各个阵元的延时时间 来实现波束的聚焦偏转。随着延迟时间的改变，偏向角也将随着改变，如果对各阵元的延迟时间进 行控制，就可使产生的超声波束方向在一定角度范围内变化，实现超声束在一定角度范围内扇形。 扇形扫查的扫查范围与探头的参数和延时时间有关系，图2.12所示的是阵元产生的不同的波束偏 转角度示意图。图M2扇形扫查图（3）动态聚焦聚焦声束声场中，在聚焦点的声束宽度最小，在焦点附近的有限区域内，聚焦声束宽度小于各 个阵元同时激励（即不聚焦时）的声束宽度；但在此区域之外，聚焦声束宽度反而扩散开来，大于不 聚焦声束宽度，如图2.13所示；国2.13聚焦声束宽度对于强聚焦方式，在聚焦深度内聚焦声束变细，可获得很好的侧向分辨力；但聚焦深度很短，焦区 以外的声束发散很快。为了使相控阵声束扫描的整个声场范围内都能得到均匀清晰的成像，就要对 声场中的每一个点进行发射和接收聚焦，以便在各点都有连续一致的侧向分辨率。这就要求相控阵 声束能沿扫描线多点动态聚焦。动态聚焦是在一次声束发射/接收过程中，同步地改变聚焦点的深 度。由于发射波形一般是短脉冲，发射出去就不能控制，因此不能在一次发射过程中改变焦点；而 接收信号可以具有一定持续时间，可以由浅逐渐改变焦距，即动态改变聚焦延迟，使来自各个深度 的接收声束信号都处于聚焦状态。如图2.14右图为32阵元的深度聚焦分别为15mm、30mm和 60mm的深度聚焦图。左图（a）是阵元的延迟时间。阵元歆星图动态改变聚焦深度不意图5. 应用与发展趋势5.1超声相控阵应用5.1.1超声相控阵与医学超声波开始是作为一种军事和工业检测的手段，只到20世纪50年代初，真正用于医学诊断的 超声装置才开始问世。最早将超声波用于医学诊断的是奥地利的K.T.Dussik，他采取透射式A型 示波法探测脑颅，引起了各国的许多研究工作者对超声诊断的浓厚兴趣。超声波在医学方面的应用， 主要是诊断和治疗。5.1.2医学超声诊断超声诊断借助于向人体内发射超声波，再接收超声回波获得人体器官组织信息，由此对患者进 行诊断。超声诊断具有以下优点：对受检者无痛苦、无损坏，方法简单，显像清晰，诊断率高。因 而很容易推广，深受医生和病人欢迎。目前，诊断用超声仪器又在三维显像、彩色显像、动态聚焦、全数字化数据采集和处理等方面 取得了长足的进展。超声技术在医学诊断中得到了很好的应用。国外已经利用相控阵技术研制了一 些成型的医疗设备。如图所示，全身数字化彩超(SIGMAiris 880)是法国康强公司最新推出的高 性能彩超，它采用电子环形相控阵(EAPA)新技术实现动态聚焦，能够在各种应用情况下实现卓越 的图像质量。由一个多功能探头和一个专门探头即可完成所有诊断需要。而且操作简便，可实现卓 越的二维图像、彩色多普勒图像以及连续和脉冲多普勒频谱。5.1.3医学超声治疗超声治疗学起步相对早于诊断学，其发展却不及诊断学。所谓超声治疗学，即施加一定强度的 超声波，在人体病患部位产生机械效应，温热效应，理化效应等，达到治疗效果的方法。超声在适当剂量下对人体组织有促进生长、康复和调节机能的作用。例如促进细胞内的新陈代 谢，提高酶的活性，增强核酸代谢和蛋白复合物合成，增强氧化过程。适当低剂量可以改善血液循 环，改善脏器功能，帮助美容，对消化系统、生殖系统、呼吸和泌尿系统、神经系统和运动系统等 起某种调节、康复作用，所以超声不失为一种适用范围较宽的理疗手段。此外超声加热肿瘤到43°C， 结合放射性药物治疗可以达到对癌细胞的显著抑制。因此，超声热疗机应运而生。高强度聚焦超声是近年来兴起的一项超声治疗癌症技术。以超声波为治疗源，利用超声波具有的组 织穿透性和可聚焦性等物理特性（图1.2,图1.3），将体外低能量超声波聚焦在体内癌灶处，通过 焦点区超声波产生的高能效应使靶区内组织完全毁损，不损伤靶区外组织。这种治疗方法，好比是 在体外操作，对体内肿瘤组织进行完整“切除”的无创手术。重庆海扶（HIFU）技术有限公司生产的海扶超声聚焦刀图1.3,是用于临床无创性“切”实体肿瘤 的大型医疗设备，见图1.4。5.1.4高效可视化的相控阵超声检测相控阵超声检测的一个重要用途是进行超声成像，这得益于它很好的声束扫描特性，通过电子 控制方式进行发射声束聚焦、偏转，使超声波照射到被检物体的各个区域，然后通过相控接收的方 式对回波信号进行聚焦、变孔径、变迹等多种关键技术，就可以得到物体的清晰均匀的高分辨率声 成像。能提供直观的缺陷图像。瑞典乌普萨拉大学采用超声相控阵技术检测核废料密封铜罐的电子束焊缺陷，并进行了成像显 示。检测装置和成像结果见图1.5所示。5.1.5相控阵目标定位随着计算机硬件处理速度的提高和功能的不断完善，对由传感器接收的数据处理起来也变得越 来越快。因而超声技术开始广泛应用于移动机器人的导航设备和防撞系统中。这些系统的一个最简 单的表现就是发觉声束范围内的障碍物，并给出障碍物离移动机器人的距离信息。英国Nottingham大学研制了一套相控阵目标定位系统。这套系统能更准确的测出多个目标的 距离信息和方位信息。该大学后来又研制了一套集成超声阵列技术和视觉传感器超声探测系统，该 系统能实现目标探测、目标识别、目标位置测量等功能。超声阵列和视觉传感器的结合，