《其它超声检测》PPT课件.ppt

2-3 超声检测新技术2-3-1 电磁超声检测 当金属材料处于毛面状态、高温状态以及具有氧化皮表面时，采用常用的压电换能器来进行检测比较困难，这是由于很难实现正常的耦合。在接触法超声检测时，毛面需要加工打磨，以符合一定表面粗糙度的要求。,而高温状态又往往使压电晶片即使在居里点以下也很难正常工作。液浸法虽对部分毛面探伤有所改善广但对高温状态由于工件使液体汽化也难以应用。接触法也难以实观高速探伤，特别对有氧化皮覆盖的材料，不但耦合时损耗能量极大，而且也不稳定。,对横波换能器来说，由于难以与工件耦合，使它在超声检测中的应用大大受到限制。在理论上，SH横波对检测奥氏体不锈钢焊缝有效，但液体耦合剂传播横波有困难。因此，希望能有一种非接触式的、损耗比较低的超声检测方法。,电磁超声有可能用来解决上述问题，它的依据是电磁学与超声学的结合，它综合了电磁感应和金属中超声波产生等原理而获得的。与涡流法相同，根据法拉第电磁感应定律，当金属表面存在交变电流线圈时，金属表面将感生涡流，其频率与线圈内电流的频率一致。,任何一个载有电流的导体放在磁场中都将受到力的作用，力的大小与导体的长度、导体中电流、导体所处位置磁场以及导体与磁场的夹角的正弦成正比，如下式所示式中 A-常数，F-导体所受力，I导体中电流，H-导体所处的磁场强度，L-导体长度，-导体和磁场间的夹角,力 F 的方向垂直于电流 I 和磁场 H 所决定的平面，可用左手法则来确定。如果磁场 H 的方向不变，那末线圈上所受力的变化完全由线圈中电流的方向而定。当线圈通过交变电流时，此力也将是交变的，而且其频率与线圈中电流的频率一样。,由此可知，在交变的磁场中，金属导体内将产生涡流。在产生涡流的同时，任何一个电流在磁场中都将受到力的作用。因此金属介质在交变应力的作用下将产生应力波，超声频范围的应力波即为超声波。,当把表面载有交变电流的金属导体放在一个固定的磁场内时，在金属表面的涡流透入深度内的质点将承受交变力。该力使透入深度内的质点产生振动，致使在金属中产生超声波。与此相反，由于这种效应的可逆性，返回声压使质点的振动在磁场的作用下，也会使涡流线圈两端的电压发生变化。,可以通过适当的接收装置进行接收，然后经过放大进行显示，用这种方法激发和接收的超声波称为电磁超声。在此方法中，超声换能器已不单是通有交变电流的线圈以及外部固定磁场的组合体。而金属表面也是换能器的一个组成部分，电声的转换是靠金属表面来完成的。,由于电磁超声只能在导电介质中才能产生，因此它也只能用于导电材料工件。根据上述原理，可以在金属材料中激发出不同波型的超声波。因为当改变线圈内电流方向时，放在固体磁场中的线圈各部分的受力方向发生改变。而同一线圈放在不同取向的磁场中时，线圈的受力方向又会发生变化。,(1)金属中纵波的产生 图a是一种激发纵波的示意图，扁平的涡流线圈贴近于金属表面，磁铁放置位置促使金属内的磁力线平行于金属表面。,当线圈内通以高频电流时，将在金属表面感应出涡流，而且涡流平面与磁力线平行，在磁场作用下，涡流上将受一个力的作用。,例如某时刻质点受力向上，半个周期后受力向下。质点在此力作用下产生一个与作用力方向一致的弹性波，该弹性波为纵波。,(2)金属中横波的产生图b是一种激发横波的示意图，磁力线垂直于金属表面，当涡流线圈通以高频电流时，作用在涡流上的力平行于金属表面。,某时刻涡流如图，此时质点受力向右，半个周期后受力向左。质点在此力的作用下产生与作用力垂直的弹性波，该弹性波为横波。,(3)斜声束的激发 用电磁方法对纵波和横波的激发，这两种波的主声束在金属中部垂直于金属表面。为了获得不同入射角的超声束，可把若干小线圈置于同一恒定磁场中。按照不同延时顺序激发各个小线圈，整个声束波前与金属表面将产生一个夹角，于是获得了一束具有一定入射角的超声束。,改变小线圈之间位置(间距)、几何尺寸和延迟时间，就可以改变声束入射角大小。当这一角度大到一定程度时，也可以对不同被检对象激发出板波和表面波。,(4)聚焦声束的激发 在平的金属表面上，电磁超声方法一般很难激发聚焦声束，但当金属面是圆弧形时，很容易获得聚焦声束。这是因为涡流在金属圆弧表面各点所受的力将不在同一个方向上，所产生的超声波束将出现聚焦。,并且这一聚焦声束的焦距为曲率半径R，即焦点落在圆心上。因此，用这种方法产生的聚焦声束的聚焦情况和焦点都是由工件的表面曲率所决定的。,(5)电磁超声的接收 与声束和金属表面的取向有关，因为只有导体切割磁力线时，才能在导体中感生产生涡流，是磁场对质点垂直振动作功的结果。而接收线圈两端所感应的电信号的幅度则将正比于涡流强度，并与声束入射方向和金属表面法线间的夹角有关。,因此，当接收金属中的返回超声波时，电磁接收探头将不是“接收”某一给定的波型的波。而是接收金属表面上由超声波所引起的质点振动、在某一给定方向上的分量。,(6)影响电磁超声系统灵敏度的因素 电磁超声系统的能量转换十分复杂，影响因素很多，一般认为影响电磁超声系统的因素与线圈两端输出电压U有关，经验公式为式中 I-发射线圈电流，n1-发射线圈匝数，n2-接收线圈的匝数，B-外磁场磁感应强度，-金属表面电导率，D-线圈几何因素，h-线圈与工件间距离，Z-工件特性阻抗,从上式可见，电磁超声系统的灵敏度不但受发射功率、接收线圈匝数和恒定外磁场的影响，也与工件电导率、磁导率和声阻抗等有关。因此，电磁超声对不同工件有不同的灵敏度。,在通常情况下，电磁超声的灵敏度比压电超声(PZT)低40dB左右。然而，当工件表面存在有磁性氧化皮(Fe3O4)时则情况正好相反，在最好的情况下，电磁超声可比压电超声的灵敏度高40dB左右。不过工件表面氧化皮并不都很均匀，有的甚至斑剥脱落。若要利用这种特性，可以人为地在工件表面涂刷某些含磁性氧化皮的涂层。,电磁超声检测的优点是能激发出SH横波，对核电站中用得比较多的奥氏体不锈钢焊缝特别合适，是一般超声换能器不可能做到的。目前用得比较好的电磁超声换能器的频率为2MHz，发出SH横波，折射角为45o，采用信号均值法来降低噪声、提高信噪比。,2-3-2奥氏体不锈钢焊缝的超声检测 奥氏体不锈钢焊缝晶粒粗大和各向异性，不能采用一般的超声方法进行无损检测。但是由于奥氏体不锈钢的断裂韧性高、抗蠕变和抗腐蚀性能好等优点，应用愈来愈广泛。在核电站和化工厂，奥氏体不锈钢焊缝用在重要的部位。为确保安全，超声检测必不可少。,奥氏体不锈钢对超声检测来说是一种弹性非均质材料，显著影响超声波在工件中的传播。在弹性非均质材料中，尽管传声时晶界散射较大，但当晶粒尺寸达到一定程度，声散射才会严重影响超声的正常检测。也就是说，材料的弹性非均质性是影响超声检测的基本因素，而晶粒大小又是影响超声检测的必要条件。,当材料的晶粒直径接近波长的1/5时，弹性非均质材料的超声检测就比较困难。例如当超声频率为2MHz时，由于钢中横波声速为3230m/s，波长约1.6mm。当晶粒直径达到0.8mm时就无法进行超声检测。而很多奥氏体不锈钢焊缝的平均晶粒直径一般大于0.5mm、长度往往超过10mm，因此很难用一般横波斜探头进行超声检测。,降低横波频率，从2MHz降低到1MHz，虽然超声波长相对晶粒直径有所改善，但声束容易发散和造成假信号。分割型双晶片探头的聚焦作用有利于提高信噪比，最先被用于粗晶材料的检测。但该探头覆盖深度仅约15mm，超过此范围声束很快发散。例如对厚60mm奥氏体不锈钢焊缝，需要四个探头，表面区采用70o折射角探头，后面依次为65o、60o和45o折射角探头。,粗晶材料超声检测中经常遇到的另一个问题是出现假信号，这是由于工件内部粗晶晶粒的界面反射回波叠加累积而成。采用高阻尼窄脉冲探头，可降低探头的信噪比即改善粗晶材料散射，同时还能消除假信号。高阻尼窄脉冲探头的另一个优点是有非常好的近场分辨率。,中心频率22.5MHz的窄脉冲探头适用于壁厚960mm粗晶材料，中心频率0.51MHz的窄脉冲探头可用于壁厚6090mm奥氏体钢焊缝。而最重要的措施是改善超声换能器的性能，也就是上面提到的窄脉冲纵波探头，对奥氏体不锈钢焊缝则需要采用窄脉冲纵波斜探头。,与一般常用的横波探头相比，纵波斜探头的入射角要小得多，不能采用与普通横波斜探头相似的斜楔。否则界面反射波将回到压电晶片，形成干扰杂波，影响探头的盲区和信噪比，一般是采用加高有机玻璃斜楔来减小界面反射波的影响。,2-5-5 超声成象技术 在超声检测工作中如何能够直观地了解缺陷的形状，用声来观察不透光物体的内部结构是人们早已感兴趣的问题。由于微处理机技术的迅猛发展，为超声成象技术开辟了广阔前景。,(1)P扫描成象 P扫描的意思是投影图象扫描，也就是对缺陷进行三个方向的投影扫查。正像我们可以从零件的三个视图(顶视图、正视图和侧视图)得到零件的正确形状一样。可以从三个方向对缺陷进行测定、展现缺陷的形态，位置和取向等。,P扫描技术已包括B扫描和C扫描技术，核心部分是P扫描处理器，与扫查器相联，是一种可用于生产现场的携带式装置。有四通道脉冲接收器，成象液晶显示，可存贮用于后处理或立即打印存档。扫查器可以手工操作，也可自动检测，可对焊缝位置自动跟踪，特别对晶界应力腐蚀裂纹的检测效果很好。,常规的超声检测技术都是先测定特定参考反射体(标准试块)，来预置仪器的检测灵敏度，仅当回波幅度超过预置水平时才被记录，检出缺陷的标准是预先选定的。而P扫描装置在检测过程中，把所有反射信号以及它们相应的位置坐标都记录下来，然后在任何时候，可采用任何检测灵敏度对这些信号进行处理分析。这种后处理系统称做可变显示水平，是P扫描系统的一个主要特点。,对工件腐蚀坑自动检测来说，P扫描系统带有所谓T扫描的软件，也即厚度扫描软件，它能自动找到腐蚀坑的最深部位。P扫描系统还具有能数字化、显示和记录原始的A扫描数据，以及相应探头位置，这对确定缺陷大小，以及对复杂形状工件来说很重要。最近P扫描系统还开发了新软件，核心部份是采用综合孔径成象技术，它能使非聚焦的超声换能器的检测结果具有聚焦效应。,把扫查过程中不同探头位置检测到的A型信号进行存贮、处理，采用几何统计重建方法，获得比一般成象技术更高的缺陷定量精度。目前，软件几乎可以进行实时处理，还包括点分析技术，点分析技术在回波模型比较复杂的情况下非常有用，它有利于提高检测精度。此外，在新型的P扫描系统中，还采用时间渡越衍射技术(TOFD)，对确定工件内裂纹端点的位置非常有效。,(2)ALOK成象技术 所谓超声ALOK成象技术，即幅度、传播时间与位置曲线技术。用普通换能器在工件上扫查检测，发射和接收脉冲超声波，接收信号中既有裂纹缺陷信号，又有噪声干扰信号，两者互相干涉。,通过脉冲峰值检测处理，即可得到与脉冲峰值相对应的波的传播时间和幅值。在所有扫描位置上重复检测，可以得到传播时间数据分布和对应的幅度数据分布图。用三角窗搜索方法，对传播时间数据处理，去除噪声，然后利用几何重建法或迭代重建法进行缺陷成象。,ALOK成象技术中有几个难点，首先三角搜索窗的确定带有很强的经验性，其次是几何重建法虽快但精度差，而叠代法精度高但速度慢，再者整个过程比较复杂，很难实时完成。为了完善ALOK成象系统，需设计和研制实时多通道检测仪器，达到接受更多信息和缩短检测时间的目的，在检测方法上也需要改进。,(3)SAFT成象技术 超声SAFT成象技术，是从综合孔径雷达成象技术仿照过来的。它是参考相位的光处理技术而实现，但复杂的光处理系统限制了它的发展应用。综合孔径成象技术的成象过程包括三个基本步骤，即原始数据采集、数据处理及图象重建和缺陷图象显示。,SAFT系统中，散射信号的接受和脉冲波的发射既可以用一个换能器完成，也可用两个换能器完成。既可用一般探头，也可用聚焦探头。当探头收发兼用时，聚焦探头接收的散射能量较少，信噪比低，影响重建图像的质量，而一般探头检测缺陷图像的横向分辨力较低。因此，把两者结合起来，即采用一般探头发射、聚焦探头接收，可解决SAFT成象技术中灵敏度和分辨力的矛盾。,综合孔径成象技术，具有分辨力高、与缺陷尺寸无关、信噪比高、图象显示清楚等优点，为定量超声检测提供了一种有效的方法，适用于对检测工作要求较高的场合。随着计算机技术的迅速发展以及检测方法上的不断改进，例如采用串列式探头等，使SAFT成象技术大大提高了图象重建速度。,(4)超声全息成象技术 当激光全息技术实现后，又出现了声全息成像技术，尤其正面投影技术获得迅速发展。超声全息技术发展很快，比较成功的或接近于实用的超声全息方法主要有 A 液面法，包括机械、电子、激光等扫描法 B 布喇格衍射法，C 时间参考全息法以及扫描全息法等,超声全息技术的基本原理与光全息类似，与一般超声成象技术有三个根本区别 A 采用相干超声来“照明”物体 B 用参考超声束和干涉效应，与工件信息超声波相互作用后在成象位置上形成特殊图形，C 从工件中每一点发来的信息超声波都“照”到整个成象位置上，同时成象位置上的每一点都接收到整个工件发来的信息波。,液面法超声全息是超声全息技术中发展最早的一种方法，优点是实时成象非常简便，虽然成象质量受一些限制，但仍受到重视。扫描超声全息是利用声束在工件内扫描来实现超声全息，原理与液面超声全息相同，但是在全息图形成和重现方面与液面超声全息不同。,扫描超声全息探头在工件上扫描的过程中，将超声全息信息记录在存贮器后完成全息图。由于扫描超声全息实现了脉冲声信息的逐点记录，可以通过电路处理来提高灵敏度，并且可用电信号来代替超声参考波。,2-3-4 超声显微镜 光学显微镜和电子显微镜，把人们的视力扩展到微观世界，但他们无法对不透光物体内部的细节进行观察。超声显微镜有可能解决这个问题，目前超声显微镜已经达到光学显微镜的分辨率水平。光学显微镜的极限分辨率约为0.3m，要使声显微镜的分辨率也达到0.31m，声波的频率必须为23GHz，这个频率目前可以做到。,仅从分辨率一个方面还不足以说明超声显微镜的必要性，因为超声显微镜不但能够观察物体内部微观结构(如金相组织等)。更重要的是能够观察物质的多种力学性能(如密度、弹性常数、粘滞系数及内部应力、应变状态等)的微观不均匀性，是研究物质结构与性能的有效手段。,超声显微镜可分为以下4种类型 A 用高频声波照射试样，激光系统检测信息的声光显微镜(简称SLAM)B 用光波照射试样，用声学系统检测信息的光声显微镜(简称SPAM)C 用电子束照射试样，用声学系统检测信息的声显微镜(简称SEAM)D 用声波照射试样，用声学系统检测信息的声学显微镜(简称SAM),其中以SAM发展最快，SAM的极限分辨率为0.60.8，当采用频率1GHZ超声波时，水中声波波长为1.5m，超声显微镜的分辨率为0.91.2m 超声显微镜结构与扫描电子显微镜类似，主要包括电路、声路和机械结构几部分。,由信号源发出的电磁波经换能器变换成高频声波，通过声镜聚焦，试样置于声镜焦面，接收声镜收到由试样反射或透射的声波。再由换能器转换成电信号，经放大处理后，送到荧光屏上显示出试样的图象。,为了用超声显微镜实现高分辨率，采用了比一般超声无损检测装置高两个数量级的高频超声波，必然增大了试样内部超声波的衰减。故实际可检测深度仅限于试件的表面和亚表面层。若要检测更大深度，须采较的频率。,超声显微镜可用以检测集成电路中存在的微细缺陷(裂纹、杂质、脱粘等)，大功率晶体管管芯与管壳的粘结质量，飞机发动机零件的热压焊质量等。也可在无需抛光、腐蚀试样时就可清晰地观察到金属的金相组织等方面已达实用阶段。,2-5-5 激光超声检测技术 用脉冲激光照射工件表面，可以产生超声波脉冲，激光超声波具有纵波、横波和表面波型。可以实现非接触、远距离遥控、快速全方位扫描、稳定性重复性好以及不需耦合剂等，因此可在高温、高压、有毒等恶劣环境中进行检测。,将波长短、能量高的光脉冲照射金属表面，激光导致金属表面下温度升高、体积膨胀，在材料中形成激波阵面，材料表面激发出频率很高的超声波，可达几十兆赫。这种低功率密度激光使金属表面成为热弹性状态，可以发生超声，而不会发生烧蚀现象，也就是说不会对工件表面造成损伤。,如果激光束所激发的热弹性形变处在材料内部，这种形变属伸缩形式产生纵波，但靠近材料表面，发生波型转变会产生一些横波。除了纵波和横波外，脉冲激光也可以产生表面波，它是由固体表面介质产生的横向和纵向振动合成并沿介质表面传播。,激光超声源辐射的方向性与压电超声源辐射的方向性完全不同，激光超声源将辐射能量分布在一个很宽的角度范围内，在实际检测中不便于控制和利用，降低了检测灵敏度。为了提高激光超声检测系统的灵敏度，必须把声束及其方向控制在一个很窄的范围内，可以采用光纤相阵方法来控制。,激光超声最重要的特性是能以非接触方式对工件进行无损检测，从激光发射源到被检工件之间的距离可以达到10m 只有要求检测这种表面声位移也应是非接触遥测式，才能显示出激光超声的优越性。实际检测目标，都是粗糙光学漫射面，现场有低频振动和噪声，工件形状和尺寸各异，要求检测系统必须满足上述条件。,有两种类型的光学干涉系统，一种是根据麦克尔逊干涉仪原理组成的激光干涉系统，可直接用来测量被测工件表面位移。这种系统对工件表面位移灵敏，具有对位移平直的频率响应，对周围低频噪声敏感，要被检表面具有镜面反射特性，因而适用性不强。,另一种为共焦法布里-泊罗干涉系统，其原理是表面振动引起反射或散射光的多普勒频移，对超声引起的表面速度变化灵敏，对噪声不敏感，适用于工业现场粗糙表面的检测。激光超声的产生和检测与压电超声不同，也没有耦合剂的影响，因此在超声声速高精度测量和薄壁件测厚上也有广泛应用前景。在固体中采用激光超声可使绝对声速测量精度提高10倍，通过料声速和厚度的精确测量，可更精确地计算出材料的弹性常数。,激光超声的另一个应用，是作为校准声发射检测系统的标准声源，频带宽、重复性好、稳定性好，可产生纵波、横波、表面波等。激光超声也具有一些缺点，首先是为了防止激光损伤工件表面，只能采用低功率，声振幅受到限制，影响检测灵敏度。其次是激光干涉系统的接收灵敏度也不如压电换能器。第三个缺点是设备大、成本高。,