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7.1.1 涡流检测的基本原理当导体处在变化的磁场中或相对于磁场运动时，由电磁感应定律可知，其内部会感应出电流。这些电流的特点是：在导体内部自成闭合回路，呈漩涡状流动，因此称之为涡流。例如，在含有圆柱导体芯的螺管线圈中通有交变电流时，圆柱导体芯中将出现涡流，如图6-54所示。,7.1涡流检测,第七章其它探伤水方法,图7-1 涡流,1涡流检测基本原理当载有交变电流的检测线圈靠近导电试件时，由于激励线圈磁场的作用，试件中会产生涡流。涡流的大小、相位及流动形式受到试件导电性能的影响。涡流也会产生一个磁场，这个磁场反过来又会使检测线圈的阻抗发生变化。因此，通过测定检测线圈阻抗的变化，就可以判断出被测试件的性能及有无缺陷等。,2 涡流的趋肤效应和透入深度 当直流电流通过导线时，横截面上的电流密度是均匀的。但交变电流通过导线时，导线周围变化的磁场也会在导线中产生感应电流，从而会使沿导线截面的电流分布不均匀，表面的电流密度较大，越往中心处越小，尤其是当频率较高时，电流几乎是在导线表面附近的薄层中流动，这种现象称为趋肤效应。趋肤效应的存在使感生涡流的密度从被检材料或工件的表面到其内部按指数分布规律递减。在涡流检测中，定义涡流密度衰减到其表面密度值的1e（36.8%）时对应的深度为标准透入深度，也称趋肤深度，用符号表示，其数学表达式为,图7-2 几种不同材料的标准透入深度与频率的关系,图7-3 透入半无限大导体的涡流密度与透入深度的关系,7.1.2 涡流检测的阻抗分析法,图7-4 线圈耦合电路,1 检测线圈的阻抗和阻抗归一化1）检测线圈的阻抗设通以交变电流的检测线圈（初级线圈）的自身阻抗为Z0，其中忽略了容抗，则,当初级线圈与次级线圈（被检对象）相互耦合时，由于互感的作用，闭合的次级线圈中会产生感应电流，而这个电流反过来又会影响初级线圈中的电压和电流。这种影响可以用次级线圈电路阻抗通过互感M反映到初级线圈电路的折合阻抗来体现，设折合阻抗为。,将次级线圈的折合阻抗与初级线圈自身的阻抗的和称为初级线圈的视在阻抗Zs，即,式中：为视在电阻；为视在电抗。应用视在阻抗的概念，就可认为初级线圈电路中电流和电压的变化是由于它的视在阻抗的变化引起的，而据此就可以得知次级线圈对初级线圈的效应，从而可以推知次级线圈电路中阻抗的变化。,2）阻抗归一化图7-5所示的阻抗平面图虽然比较直观，但半圆形曲线在阻抗平面图上的位置与初级线圈自身的阻抗以及两个线圈自身的电感和互感有关。另外，半圆的半径不仅受到上述因素的影响，还随频率的不同而变化。这样，如果要对每个阻抗值不同的初级线圈的视在阻抗，或对频率不同的初级线圈的视在阻抗，或对两线圈间耦合系数不同的初级线圈的视在阻抗作出阻抗平面图时，就会得到半径不同、位置不一的许多半圆曲线，这不仅给作图带来不便，而且也不便于对不同情况下的曲线进行比较。为了消除初级线圈阻抗以及激励频率对曲线位置的影响，便于对不同情况下的曲线进行比较，通常要对阻抗进行归一化处理。,图7-5 初级线圈的阻抗平面图,图7-6 归一化后的阻抗平面图,2 有效磁导率和特征频率1）有效磁导率在半径为r、磁导率为、电导率为的长直圆柱导体上，紧贴密绕一螺线管线圈。在螺线管中通以交变电流，则圆柱导体中会产生一交变磁场，由于趋肤效应，磁场在圆柱导体的横截面上的分布是不均匀的。于是人们提出了一个假想模型：圆柱导体的整个截面上有一个恒定不变的均匀磁场，而磁导率却在截面上沿径向变化，它所产生的磁通等于圆柱导体内真实的物理场所产生的磁通。,这样，就用一个恒定的磁场和变化着的磁导率替代了实际上变化着的磁场和恒定的磁导率，这个变化着的磁导率便称为有效磁导率，用eff表示，同时推导出它的表达式为,2）特征频率定义使（6-54）式中贝塞尔函数变量的模为1的频率为涡流检测的特征频率。其表达式为,对于非铁磁性材料，(H/cm)，可得特征频率，d为圆柱导体的直径。,图7-7 eff与f/fg的关系曲线,3）涡流检测相似律有效磁导率eff是一个完全取决于频率比f/fg大小的参数，而eff的大小又决定了试件内涡流和磁场强度的分布。因此，试件内涡流和磁场的分布是随f/fg的变化而变化的。理论分析和推导可以证明，试件中涡流和磁场强度的分布仅仅是f/fg的函数。由此，可得出涡流检测的相似律：对于两个不同的试件，只要各对应的频率比f/fg相同，则有效磁导率、涡流密度及磁场强度的几何分布均相同。,3 影响线圈阻抗的因素1）穿过式线圈的阻抗分析内含导电圆柱体的长直载流螺线管线圈为穿过式线圈。有效磁导率的概念也是以这种线圈为基础提出的，而且假定圆柱体的直径d和线圈的直径D相同。但事实上，检测线圈和工件之间总要留有空隙以保证工件快速通过。因此有线圈填充系数=(d/D)2，1。通过对线圈和圆柱导体内磁场的分析，利用有效磁导率的概念，推导出单位长度检测线圈的归一化阻抗为,（,图7-8=1时，含铁磁性导电圆柱体的线圈复阻抗平面图,通过式可分析出影响线圈阻抗的因素是材料自身的性质和线圈与试件的电磁耦合状况，主要包括：试件的电导率、磁导率、几何尺寸、缺陷以及试验频率等。（1）电导率。根据式可知，电导率的变化对阻抗的影响主要反映在有效磁导率eff内，即只影响了eff的参变量f/fg=2fr2，因而，材料电导率的改变将使检测线圈的阻抗值沿阻抗曲线的切向变化。据此可利用涡流检测来进行材料电导率的测量和材质的分选等工作。,（2）磁导率。对于非铁磁性材料有=r00，因而一般磁导率对检测线圈的阻抗没有影响。但是对于铁磁性材料就不同了，由于r1，所以需要考虑磁导率的影响。当填充系数=1时，含铁磁性试件线圈的复阻抗平面图如图6-61所示。根据式可以看出，铁磁性材料的磁导率对线圈阻抗的影响是双重的：一方面改变了eff的参变量f/fg=2fr2，使阻抗值沿着同一条曲线移到变化后的f/fg点上；另一方面，它还改变了式（）中的r0eff值，使阻抗值落到新的r值的曲线上。这样影响的综合结果是使磁导率变化引起的效应方向发生在图7-8所示的弦向曲线方向上。,（3）试件的几何尺寸。当圆柱体直径改变时，一方面频率比f/fg随之变化，另一方面使填充系数r改变，其综合结果是线圈阻抗将沿弦向变化，这和磁导率对阻抗的影响类同。这表明若不采取特殊措施，要想区分磁导率和直径对线圈阻抗的影响是不可能的。,（4）缺陷。缺陷对线圈阻抗的影响可以看做是电导率和几何尺寸两个参数影响的综合结果，因此，它的效应方向应该介于电导率和半径效应之间。由于缺陷的位置、深度和形状等各种因素的综合影响，使缺陷效应的大小很难进行理论计算，所以，通常都是借助模型进行试验来研究缺陷对阻抗的效应，取各种不同材料、形状、尺寸和位置的缺陷，在不同的频率下进行试验，得到的结果制成参考图表，为试验提供依据。图7-9为频率比f/fg=15，对于不同位置、形状、宽度裂纹的非铁磁性圆柱体进行模型试验得出的阻抗测量数据，从而绘制出的裂纹对线圈视在阻抗变化影响的曲线。,图7-9 裂纹对线圈视在阻抗变化的影响,（5）检测频率。由式()可以看出，检测频率对线圈阻抗的影响表现在影响eff的参变量f/fg=2fr2上。因此，试验频率f和电导率两者的效应方向在阻抗图上是一致的。在实际的涡流检测中，为了分析各种影响因素(诸如前面讨论的电导率效应、直径效应、裂纹效应等)，有必要选择最佳的试验频率，而最佳试验频率的选择随检测目的和对象有所不同。通常最佳检测频率要大于特征频率fg若干倍。,2）其他常用类型检测线圈的阻抗分析（1）内含导电管材的穿过式线圈。薄壁管件。对非铁磁性材料的薄壁管件，特征频率为,式中：di为管件内径；w为管件壁厚。管件的填充系数=(da/dc)2，其中，da为管件外径，dc为线圈内径。同样用式（6-56）来分析各种因素对线圈阻抗的影响。厚壁管件。厚壁管穿过式线圈的阻抗曲线位于圆柱体和薄壁管两者的曲线之间。,（2）导电管件的内通式线圈。将线圈插入并通过被检管材(或管道)内部进行检测的线圈为内通式线圈。薄壁管件。用内通式线圈检测薄壁管件时，其线圈阻抗的变化情况可借用穿过式线圈的阻抗图加以分析。厚壁管件。对于非铁磁性材料的厚壁管件，其特征频率为,（,式中：di为管件内径。,（3）放置式线圈。在检测过程中以轴线垂直于被检工件表面的方位放置在其上的线圈为放置式线圈。用放置式线圈检测板材时，线圈阻抗的变化不仅与材料的电导率、磁导率等因素的变化有关，而且还受线圈至板材表面的距离变化的影响，此即所谓“提离效应”。当测定材料表面涂层或镀层厚度时，要利用放置式线圈的提离效应。而为了测量材料的电导率或进行材料探伤时，则要设法通过选择频率来减小提离效应的干扰。提高检测结果的准确性和可靠性。,4 涡流检测线圈（1）按感应方式分类。按照感应方式不同，检测线圈可分为自感式线圈和互感式线圈（又称为参量式线圈和变压器式线圈），见图7-10。自感式线圈由单个线圈构成，该线圈产生激励磁场，在导电体中形成涡流，同时又是感应、接收导电体中涡流再生磁场信号的检测线圈，故名自感线圈。互感线圈一般由两个或两组线圈构成，其中一个（组）是用于产生激励磁场在导电体中形成涡流的激励线圈(又称一次线圈)，另一个(组)线圈是感应、接收导电体中涡流再生磁场信号的检测线圈(又称二次线圈)。,图7-10 不同感应方式的检测线圈(a)自感式线圈；(b)互感式线圈,（2）按应用方式分类。按照应用方式不同，检测线圈可分为外通过式线圈、内穿过式线圈和放置式线圈(见图7-11)。放置式线圈又称为探头式线圈。在应用过程中，外通过式线圈和内穿过式线圈的轴线平行于被检工件的表面，而放置式线圈的轴线垂直于被检工件的表面。这种线圈可以设计、制作得很小，而且线圈中可以附加磁芯，具有增强磁场强度和聚焦磁场的特性，因此具有较高的检测灵敏度。,图7-11 不同应用方式的检测线圈(a)放置式线圈；(b)外通过式线圈；(c)内穿过式线圈,（3）按比较方式分类。按照比较方式不同，检测线圈可分为绝对式线圈和差动式线圈，而差动式线圈又分自比式和他比式两种(见图7-12)。绝对式线圈是一种由一个同时起激励和检测作用的线圈或一个激励线圈(一次线圈)和一个检测线圈(二次线圈)构成，仅针对被检测对象某一位置的电磁特性直接进行检测的线圈，而不与被检对象的其他部位或对比试样某一部位的电磁特性进行比较检测。,图7-12 不同比较方式的检测线圈(a)绝对式线圈；(b)自比式线圈；(c)他比式线圈,5 信号检出电路涡流检测中，通常将涡流检测线圈作为构成平衡电桥的一个桥臂。正常情况下，可通过调节平衡电桥中的可变电阻实现桥式电路的平衡，如图7-13所示。,图7-13 检测线圈作为电桥桥臂之一的平衡电路,当检测阻抗发生变化（如线圈的被检测零件中出现缺陷）时，桥路失去平衡，这时输出电压不再为零，而是一个非常微弱的信号，其大小取决于被检测零件的电磁特性。,式中：Z2、Z4为固定桥臂阻抗；Z3为检测线圈阻抗的变化，通过测量U，可间接得到Z3。,6.3.3 涡流检测的应用1 涡流检测装置涡流检测装置包括检测线圈、检测仪器和辅助装置，另外还配有标准试样和对比试样。检测线圈前面已经介绍过了，下面简要介绍其他部分。检测仪器是涡流检测的核心部分。其作用为产生交变电流供给检测线圈，对检测到的电压信号进行放大，抑制或消除干扰信号，提取有用信号，最终显示检测结果。根据检测对象和目的，涡流检测仪器分涡流探伤、涡流电导仪和涡流测厚仪三种。随着电子技术的发展，还出现了智能型涡流检测仪器。,2 涡流探伤 1）管、棒材探伤用高速、自动化的涡流探伤装置可以对成批生产的金属管材和棒材进行无损检测。首先，自动上料进给装置使管材等速、同心地进入并通过涡流检测线圈。然后，分选下料机构根据涡流检测结果，按质量标准规定将经过探伤的管材分别送入合格品、次品和废品料槽。,用于管材探伤的检测线圈是多种多样的。小直径管材(直径75mm)探伤通常采用激励线圈与测量线圈分开的感应型穿过式线圈。当管材为铁磁性材料时，外层还要加上磁饱和线圈(见图7-14)用直流电对管材进行磁化。这种线圈最适宜检测凹坑、锻屑、折叠和裂纹等缺陷，检测速度一般为0.5 ms。需要说明的是，穿过式线圈对管材表面和近表面的纵向裂纹有良好的检出灵敏度，但由于其感生出的涡流沿管材周向流动，因此该线圈对周向裂纹的检测不敏感。此外，如果管材直径过大，使得缺陷面积在整个被检面积中占的比例很小时，检测的灵敏度也会显著降低。检测管材的周向裂纹或当管材的直径超过75 mm时，宜采用小尺寸的探头式线圈(见图7-15)以探测管材上的短小缺陷。探头数量的多少取决于管径的大小。探头式线圈的优点是提高了检测灵敏度，但其探伤的效率要比穿过式线圈低。,图7-14 检测管材的穿过式线圈,图7-15 检测管材的探头式线圈,2)不规则形状材料和零件探伤适合采用放置式线圈进行检测的，既包括形状复杂的零件，也包括除管、棒材以外形状不规则的材料和零件，如板材、型材等。由于这类材料和零件的形状、结构多种多样，因此放置式线圈的形貌也多种多样。比如要采用涡流方法完成飞机维修手册所规定的全部检查项目，就要配备以下各式探头，包括笔试探头、钩式探头、平探头、孔探头和异形探头等。,3 电导率测量和材质分选电导率的测量是利用涡流电导仪测量出非铁磁性金属的电导率值，而电导率值与金属中所含杂质、材料的热处理状态以及某些材料的硬度、耐腐蚀等性能有关，所以可进行材质的分选。,4 涡流测厚用涡流检测方法可以测量金属基体上的覆层以及金属薄板的厚度，利用的是探头式线圈的提离效应。这一厚度一般在几微米至几百微米的范围。用涡流法测量金属薄板的厚度时，检测线圈既可按反射工作方式布置在被检测薄板的同一侧，也可按透射方式布置在其两侧。但都是根据在测量线圈上测得的感应电压值来推算金属薄板厚度的。,5 涡流检测技术的新发展随着工业的发展，对材料、产品检测要求的不断提高，并由于涡流检测自身的特点，人们逐步认识到常规涡流检测方法的一些局限性，它对解决某些问题显得无能为力。例如高频磁场激励的涡流，由于极强的趋肤效应，使它对更深层缺陷和材料特性的检测受到限制；由于对提离效应敏感，使得检测线圈与被检试件间精确、稳定的耦合十分困难；干扰信号同有用信号混淆在一起，无法分离、辨别；检测易受工件形状限制等。针对以上这些问题，提出了很多新的基于电磁原理的检测设想，经过逐步发展，形成了一些相对独立的新的检测方法，如远场涡流、电流扰动、磁光涡流、涡流相控阵检测技术等。它们同常规的涡流检测方法一道组成了电磁涡流检测技术，这些技术方法的分类并不是非常分明的，而是相互融合和交叉的，且各有优势。,7.2 声 发 射 检 测,7.2.1 声发射检测的原理及特点1.声发射检测的原理声发射(Acoustic Emission，AE)是指材料或结构受内力或外力作用产生形变或破坏，并以弹性波形式释放出应变能的现象。声发射是一种常见的物理现象，大多数材料变形和断裂时都有声发射现象产生，如果释放的应变能足够大，就产生可以听得见的声音，如在耳边弯曲锡片，就可以听见噼啪声，这是锡受力产生孪晶变形的声音。,图7-16 声发射技术基本原理,声发射检测的主要目标是：确定声发射源的部位；分析声发射源的性质；确定声发射发生的时间或载荷；评定声发射源的严重性。一般而言，对超标声发射源，要用其他无损检测方法进行局部复检，以精确确定缺陷的性质与大小。,2 声发射信号1）声发射源材料在应力作用下的变形与裂纹扩展是结构失效的重要机制。这种直接与变形和断裂机制有关的源，通常称为典型声发射源。近年来，流体泄漏、摩擦、撞击、燃烧等与变形和断裂机制无直接关系的另一类弹性波源，也被划到声发射源范畴，称为其他声发射源或二次声发射源。,2）声发射信号的传播 声发射源处的声发射波形，一般为宽频带尖脉冲，包含着声发射源的定量信息。然而，所测得的信号波形，由于介质的传播特性和传感器频响特性的影响而变得非常复杂，与原波形有很大差异，从而大大地淡化了所测得波形特性参数的物理意义。因此，波的传播对波形的影响，是在实验条件设置、数据分析及评价中均需考虑的主要问题。（1）波的传播模式。声发射波在介质中的传播，根据质点的振动方向和传播方向的不同，可构成纵波、横波、表面波、板波等不同的传播模式。,（2）波的反射、折射与模式转换。固体介质中局部变形时，不仅产生体积变形，而且产生剪切变形，因此将激起两种波，即纵波(压缩波)和横波(切变波)。当遇到不同介质的界面时会产生反射和折射，在全内反射时则会出现非均匀波；在半无限体自由表面上，一定的条件下还可转换成表面波，见图6-17；厚度接近波长的薄板中，还会产生板波。,图7-17 波的反射与模式转换,若在半无限大固体中的某一点产生声发射波，当传播到表面上某一点时，纵波、横波和表面波相继到达，互相干涉而呈现复杂的模式见图（见7-17)。与地震的情况一样，首先到达的是纵波，其次到达的是横波，最后到达的是表面波。在实际的声发射应用中，经常遇到的是像高压容器那样的厚钢板。声发射波在厚钢板中的传播方式如图7-18所示，波在传播过程中在两个界面上发生多次反射，每次反射都要发生模式变换。,图7-18 声发射波在厚板中的传播示意图,图7-19波形的分离与持续时间/ms,(3)衰减。衰减是指波的幅度随传播距离的增加而下降的现象。引起声发射波衰减的三个主要机制为：波的几何扩展、材料吸收和散射。,3）凯塞效应和费利西蒂效应（1）凯塞效应。材料受载时，重复载荷到达原先所加最大载荷以前不发生明显的声发射现象，这种声发射不可逆的性质称为凯塞效应。多数金属材料中，可观察到明显的凯塞效应。但是，重复加载前，如产生新裂纹或其他可逆声发射机制，则凯塞效应会消失。凯塞效应在声发射技术中有着重要用途，包括：在役构件的新生裂纹的定期过载声发射的检测；岩体等原先所受最大应力的推定；疲劳裂纹起始与扩展声发射的检测；通过预载措施消除夹具的噪声干扰；加载过程中常见的可逆性摩擦噪声的鉴别等。,图7-20 费利西蒂效应,（2）费利西蒂效应。对某些材料重复加载时，重复载荷到达原先所加最大载荷前发生明显声发射的现象，称为费利西蒂效应，也可认为是反凯赛效应。重复加载时的声发射起始载荷(PAE)对原先所加最大载荷(Pmax)之比，称为费利西蒂比(PAEPmax)。该效应的示意图如图7-20所示。费利西蒂比作为一种定量参数，可较好地反映材料中原先所受损伤或结构缺陷的严重程度，已成为缺陷严重性的重要评定判据。,（2）费利西蒂效应。对某些材料重复加载时，重复载荷到达原先所加最大载荷前发生明显声发射的现象，称为费利西蒂效应，也可认为是反凯赛效应。重复加载时的声发射起始载荷(PAE)对原先所加最大载荷(Pmax)之比，称为费利西蒂比(PAE Pmax)。该效应的示意图如图6-73所示。费利西蒂比作为一种定量参数，可较好地反映材料中原先所受损伤或结构缺陷的严重程度，已成为缺陷严重性的重要评定判据。,4）声发射信号分析声发射信号有突发型和连续型两种基本类型，见图7-22。突发型信号是指在时域上可分离的波形。实际上，所有声发射源的发射过程，均为突发过程，如断续的裂纹扩展、复合材料的纤维断裂等。不过，当声发射频度高达时域上不可分离的程度时，就以连续型信号显示出来，如塑性变形声发射过程前期的信号、泄漏信号、燃烧信号等。在实际检测中，也会出现其混合型。对不同的信号类型，要采用不同的信号处理方法。近年来的通用系统，可同时采集两类信号。,图7-22 声发射信号类型(a)突发型；(b)连续型,（1）信号特征参数。超过门槛的声发射信号由特征提取电路变换为几个信号特征参数。连续信号参数包括：振铃计数、平均信号电平和有效值电压。突发信号参数包括：撞击(事件)计数、振铃计数、幅度、能量计数、上升时间、持续时间和时差等。常用突发信号特征参数的示意如图7-23所示。,图7-23 突发信号特征参数,表7-1 常用信号特征参数的含义和用途,(2)信号波形特征。波形是声发射传感器输出电压随时间变化的曲线，它可以用示波器从前置放大器或主放大器的输出端观察到，也可以从瞬态记录仪或波形记录装置上记录下来。典型的突发信号的波形如图7-24（a）所示，它的上升段比较迅速，而下降段呈现指数衰减振荡的现象，其包络线的形态则呈三角形。声发射源的一次突发发射实际上是一个突发脉冲，传感器输出的信号呈现复杂的波形，则是信号在介质中传播过程的反射、折射、波形变换、传感器的谐振等多种因素合成的结果。,图7-24突发型声发射信号波形和频谱曲线(a)波形；(b)频谱,图7-25 连续型声发射信号波形和频谱曲线(a)波形；(b)频谱,3 声发射技术的特点声发射检测是一种动态无损检测方法，可用来判断缺陷的性质。一个同样大小、同样性质的缺陷，当它所处的位置和所受的应力状态不同时，对结构的损伤程度也不同，而其声发射特征也是有差别的。明确了来自缺陷的声发射信号，就可以长期连续地监视缺陷的安全性，这是其他无损检测方法难以实现的。声发射技术与其他无损检测方法相比，具有两个基本差别：检测动态缺陷而不是静态缺陷，如缺陷扩展；缺陷本身发出缺陷信息，而不是用外部输入对缺陷进行扫查。这种差别导致该技术具有以下优点和局限性。,声发射检测技术的主要优点有：（1）可检测对结构安全更为有害的活动性缺陷。由于提供了缺陷在应力作用下的动态信息，因此适于评价缺陷对结构的实际有害程度。（2）对大型构件，可提供整体范围的快速检测。由于不必进行繁杂的扫查操作，而只要布置好足够数量的传感器，经一次加载或实验过程，就可以确定缺陷的部位，从而易于提高检测效率。,（3）可提供缺陷随载荷、时间、温度等外变量而变化的实时或连续信息，因而适用于工业过程的在线监控及早期或临近破坏的预报。（4）对于被检件的接近要求不高、而其他方法难于或不能接近环境下的检测，如高低温、核辐射、易燃、易爆及剧毒等环境。（5）由于对构件的几何形状不敏感，因此适宜检测其他检测方法受到限制的形状复杂的构件。,声发射检测技术的主要局限性有：（1）声发射特性对材料甚为敏感，又易受到机电噪声的干扰。因此，对数据的正确解释要有更为丰富的数据库和现场检测经验。（2）声发射检测一般需要适当的加载程序。多数情况下，可利用现成的加载条件，但有时还需要特殊准备。（3）由于声发射的不可逆性，实验过程的声发射信号不可能通过多次加载重复获得，因此，每次检测过程的信号获取是非常宝贵的，应避免因人为疏忽而造成数据的丢失。（4）声发射检测所发现的缺陷的定性定量，仍需依赖于其他无损检测方法。,6.4.2 声发射检测定位方法1 区域定位区域定位是一种处理速度快、简便而又粗略的定位方式，主要用于复合材料等由于声发射频度过高或传播衰减过大、检测通道数有限、各向异性等难以采用时差定位的场合。区域定位主要包含两种方式：独立通道控制方式和按信号到达顺序定位方式。独立通道控制定位方式是按信号衰减的影响将试件分为若干区域，每个区域的中心布置一个传感器，每个传感器主要接收其周边区域发生的声发射波，而来自该区的声发射波首先被该传感器接收。区域定位按各传感器监视各区域的方式粗略确定声发射源所处的区域。,图7-26 源定位分类,图7-27 区域定位(a)独立通道控制定位；(b)按信号到达顺序区域定位,2 时差定位1）一维(线)定位一维(线)定位就是在一维空间中确定声发射源的位置坐标，亦称直线定位法。一维定位是声源定位中最简单的方法，多用于焊缝缺陷的定位。一维定位至少要采用两个传感器和单时差，其原理见图6-80。若声发射波从波源Q到达传感器S1和S2的时间差为t，波速为v，则可得下式：,|QS1-QS2|=t,（）,图7-28 一维定位法,2）二维（平面）定位二维定位至少需要三个传感器和两组时差，但为了得到单一解，一般需要四个传感器和三组时差。传感器阵列可任意选择，但为了运算简便，常采用简单阵列形式，如三角形、长方形、正方形、菱形等。近年来，任意三角形阵列及连续多阵列方式也得到了应用。就原理而言，波源的位置均为两组或三组双曲线的交点所确定。由四个传感器构成的菱形阵列平面定位原理见图7-29。,图7-29 二维(平面)定位法,若由传感器S1和S3间的时差tX所得的双曲线为l，由传感器S2和S4间的时差tY所得双曲线为2，波源Q离传感器S1和S3，S2和S4的各距离差分别为Lx和Ly，波速为，两组传感器间距分别为a和b，那么，波源就位于两条双曲线的交点Q(X，Y)上，其坐标可表示为：,3）柱形、球面的定位柱面定位是一种常见的定位方式，许多压力容器都是圆柱体，柱面定位实际上是平面定位的一种特例。将一个圆柱面按某一母线剖开就是一个矩形，如图7-30所示，声音在柱面上的传播与在平面上的传播是相似的，只不过需要考虑的是矩形的两边是连接的，图7-30为柱形的剖面AB与CD实际是连接的，声音从S点传到P点后不是反射，而是从P继续向Q传播，因此计算方法上要考虑信号传播AB和BD的接续。,图7-30 柱面定位示意图,3）三维空间定位在现代声发射仪器中开发了三维空间定位的定位软件。这种定位方式主要用于大型物体内部的缺陷监测，如岩体、大坝、变压器内部放电等。,4）时差定位的局限性时差定位通过对时差、波速、传感器间距参数的测量及复杂的算法运算，可确定波源的坐标或位置，是一种精确而又复杂的定位方式，广泛用于试样和构件的检测。不过，时差定位易丢失大量的低幅度信号，其定位精度又受波速、衰减、波形、构件形状等许多易变量的影响，因而在实际应用中难以得到满意的结果，也受到种种限制。在复合材料中，特别是在纤维缠绕复合材料中，由于其各向异性，声波在不同方向上传播的速度不相同，往往不能使用时差定位方法而采用区域定位方法。,6.4.3 声发射检测仪器自20世纪60年代末首台声发射仪问世以来，声发射仪已更新换代多次，它们在结构、功能、数字化程度和价格上均有很大差异。声发射仪一般可分为功能单一的单通道型(或双通道型)、多通道多功能的通用型、全数字化型和工业专用型，其特点与适用范围如表7-2所示。,表7-2 声发射仪的类型、特点与适用范围,1 声发射检测仪器的组成典型的单通道声发射检测仪的基本组成如图6-83所示，一般由传感器、前置放大器、主放大器、信号参数测量、数据计算、记录与显示等基本单元构成。,图7-31 单通道声发射仪,2.单通道声发射仪单通道声发射仪的基本组成见图7-31。传感器的输出信号，经前置放大器放大，滤波器频率鉴别，主放大器进一步放大，门槛电路探测、测量模块提取信号特性参数，分析模块运算，最后输出到记录与显示模块。特征参数的测量、分析和显示，随检测仪的类型有很大差异。例如，对于最早期的单通道仪器而言，主放大器的输出信号，经门槛比较电路形成振铃计数脉冲，再经计数器计数及数模转换，便供x-y记录仪记录。这类最简单的类型已被淘汰，逐步为多参数测量电路所取代。,3.多通道声发射系统随着微机技术的发展，多通道声发射系统的应用从早期源定位计算，相继扩展到数据采集、存储、分析和显示等更为一般化的功能。与此同时，信号处理从计数类参数的测量发展到事件或撞击参数类的测量与分析，并在数字化程度、实时性、精确性、综合性、通用性方面均有了很大进展。微机控制式多通道系统如图7-31所示，它采用多处理器并行处理结构，由高速采集用独立通道控制器、协调用总通道控制器和数据分析用主计算机构成。,图7-31 计算机控制式多通道系统,4.数字式多通道声发射系统随着数字信号处理技术的发展，数字式多功能声发射检测系统成功推广并将逐步成为今后的主流。其最大特点是经前置放大的信号不必再经过一系列模拟电路而直接转换成数字信号，再同时进行常规特性参数提取与波形记录。这不仅改善了电路的稳定性和可靠性，而且大大强化了系统信号处理能力。,6.4.4 声发射检测的应用根据声发射的特点，现阶段声发射技术主要用于其他方法难以或不能适用的对象与环境、重要构件的综合评价、与安全性和经济性关系重大的对象等。因此，声发射技术不是替代传统的方法，而是一种新的补充手段。（1）石油化工工业：各种压力容器、压力管道和海洋石油平台的检测和结构完整性评价，常压贮罐底部、各种阀门和埋地管道的泄漏检测等。（2）电力工业：高压蒸汽汽包、管道和阀门的检测与泄漏监测，汽轮机叶片的检测，汽轮机轴承运行状况的监测，变压器局部放电的检测等。,（3）材料试验：材料的性能测试、断裂试验、疲劳试验、腐蚀监测和摩擦测试，铁磁性材料的磁声发射测试等。（4）民用工程：楼房、桥梁、起重机、隧道、大坝的检测，水泥结构裂纹开裂和扩展的连续监视等。（5）航天和航空工业：航空器壳体和主要构件的检测与结构完整性评价，航空器的时效试验、疲劳试验检测和运行过程中的在线连续监测，固体推进剂药条燃速测试等。,（6）金属加工：工具磨损和断裂的探测，打磨轮或整形装置与工件接触的探测，修理整形的验证，金属加工过程的质量控制，焊接过程监测，振动探测，锻压测试，加工过程的碰撞探测和预防。（7）交通运输业：长管拖车、公路和铁路槽车及船舶的检测与缺陷定位，铁路材料和结构的裂纹探测，桥梁和隧道的结构完整性检测，卡车和火车滚子轴承与轴连轴承的状态监测，火车车轮和轴承的断裂探测。,（8）矿山地质：边坡、巷道稳定性监测，山体滑坡监测。（9）其他：硬盘的干扰探测，带压瓶的完整性检测，庄稼和树木的干旱应力监测，磨损摩擦监测，岩石探测，地质和地震上的应用，发动机的状态监测，转动机械的在线过程监测，钢轧辊的裂纹探测，汽车轴承强化过程的监测，铸造过程的监测，LiMnO2电池的充放电监测，耳鼓膜声发射检测、人骨头的摩擦、受力和破坏特性试验，骨关节状况的监测等,7.3 红 外 检 测,7.3.1 红外无损检测技术的特点红外无损检测技术的特点决定了它的适用范围。红外无损检测的优点为操作安全、灵敏度高、检测效率高。由于进行红外无损检测时不需要与被检对象直接接触，所以操作十分安全。这个优点在带电设备、转动设备及高空设备的无损检测中非常突出。现代红外探测器对红外辐射的探测灵敏度很高，目前的红外无损检测设备可以检测出0.1的温度差，因此能检测出设备或结构件等热状态的细微变化。由于红外探测器的响应速度高达纳秒级，所以可迅速采集、处理和显示被检对象的红外辐射，提高检测效率。一些新型的红外无损检测仪器还可与计算机相连或自身带有微处理器，实现数字化图像处理，扩大了其功能和应用范围。另外，红外辐射不受可见光的影响，可昼夜进行测量。大气对某些特定波长范围内的红外线吸收甚少，适用于遥感和遥测。,7.3.2 红外无损检测基础1 红外辐射及传输1）红外辐射红外辐射是位于可见光中红光以外的光线，故又称红外线，它是一种人眼看不见的光线。其波长范围大致在0.751000 m的频谱范围之内，相对应的频率大致在4101431011 Hz之间。任何物体，只要其温度高于绝对零度就有红外线向周围空间辐射。,2）红外辐射的传输和所有电磁波一样，红外辐射是以波的形式在空间直线传播的。它在真空中的传播速度等于光在真空中的传播速度，即,式中：为红外辐射的波长；f 为红外辐射的频率；C为光在真空中的传播速度。,红外辐射在大气中传播时，由于大气中的气体分子、水蒸气以及固体微粒、尘埃等物质的散射、吸收作用，使辐射在传输过程中逐渐衰减。图6-85为红外辐射通过1海里长度大气的透过率曲线。它在通过大气层时由于大气有选择的吸收使其被分割成三个波段，即22.5 m、35 m和814 m，统称为“大气窗口”。这三个大气窗口对红外技术应用特别重要，因此一般红外仪器都工作在这三个窗口之内。,2 红外探测器 红外探测器是能将红外辐射能转换成电能的光敏元件，用来监测物体辐射的红外线。它是红外检测系统中最重要的器件之一。这里简单介绍它的分类和性能参数。,图7-32 红外辐射通过1海里长度大气的透过率曲线,1）常用红外探测器的分类红外探测器分热电型和光电型两类。这两类探测器不仅在性能上有差异，而且在工作原理上也不相同。热电型红外探测器是利用热电元件、热敏电阻或热电偶等元件的热效应进行工作的。它们一般灵敏度低、响应慢，但有较宽的红外波长响应范围，且价廉，常用于温度的测量及自动控制。光电型红外探测器可直接把红外光能转换成电能，灵敏度高、响应快，但其红外波长响应范围窄，有的还需在低温条件下才能使用。光电型红外探测器广泛应用在遥测、遥感、成像、测温等方面。,2）红外探测器的性能参数不同的红外探测器不但工作原理不同，而且其探测的波长范围、灵敏度和其他主要性能都不同。下面的几个参数常用来衡量各种红外探测器的主要性能。(1）响应率。响应率表示红外探测器把红外辐射转换为电信号的能力。它等于输出信号电压与输入红外辐射能之比。,(2)响应波长范围（光谱响应）。它表示探测器的电压响应率与入射波波长之间的关系，一般用光谱响应曲线来表示。对任何波长的红外辐射响应率都相等的红外探测器，称为无选择性探测器。如果红外探测器对不同波长的红外辐射响应率不相等，则称为选择性探测器。热电型探测器一般可认为是无选择性探测器，而光电型探测器为有选择性探测器。一般将响应率最大的值所对应的波长称为峰值波长，而把响应率下降到响应值的一半所对应的波长称为截止波长。响应波长范围也表示红外探测器使用的波长范围。,(3)噪声等效功率。红外探测器的输出电压较低，外界噪声对它的影响很大，因此要用噪声等效功率参数来衡量红外探测器的性能。噪声等效功率是输出信噪比为1时所对应的红外入射功率值，也即红外探测到的最小辐射功率，该值越小，探测器越灵敏。,（4）探测率。探测率为噪声等效功率的倒数。（5）响应时间。输出信号滞后于红外辐射的时间，称为探测器的响应时间。它反映红外探测器的输出信号随红外辐射变化的速率。,3 红外无损检测方法将热量注入工件表面，其扩散进入工件内部的速度及分布情况由工件内部性质决定。另外，材料、装备及工程结构件等在运行中的热状态是反映其运行状态的一个重要方面。热状态的变化和异常，往往是确定被测对象的实际工作状态和判断其可靠性的重要依据。红外检测按其检测方式分为主动式和被动式两类。前者是在人工加热工件的同时或加热后经过延迟扫描记录和观察工件表面的温度分布，适用于静态件检测；后者是利用工件自身的温度不同于周围环境的温度，在两者的热交换过程中显示工件内部的缺陷，适用于运行中设备的质量控制。,7.3.3 红外无损检测仪器1 红外测温仪红外测温仪是用来测量设备、结构、工件等表面某一局部区域的平均温度的。通过特殊的光学系统，可以将目标区域限制在1 mm以内甚至更小，因此有时也将其称为红外点温仪。它主要是通过测定目标在某一波段内所辐射的红外辐射能量的总和，来确定目标的表面温度。其响应时间可小于1 s，测温范围可达03000。图7-33为红外测温仪的结构原理图。它由光学系统、调制器、红外探测器、放大器、显示器等部分组成。红外测温仪的主要技术参数有温度范围、工作波段、响应时间、目标尺寸、距离系数和辐射率范围等。,图7-33红外测温仪的结构原理图,2 红外热像仪红外检测的主要设备是红外热像仪。红外辐射符合几何光学的一些定律，利用红外辐射进行物体成像不需要外加光源。红外成像时需要特殊的光学系统红外光学系统。红外测温仪所显示的是被测物体的某一局部的平均温度；红外热像仪则显示的是一幅热图，是物体红外辐射能量密度的二维分布图。要想将物体的热像显示在监视器上，首先需将热像分解成像素，然后通过红外探测器将其变成电信号，再经过信号处理，在监视器上成像。图像的分解一般采用光学机械扫描方法。目前高速的热像仪可以做到实时显示物体的红外热像。,热像仪除了具有红外测温仪的各种优点外，还具有以下特点：（1)快速有效，结果直观。热像仪能显示物体的表面温度场，并以图像的形式显示。（2）分辨力强。现代热像仪可以分辨0.1甚至更小的温差。（3）显示方式灵活多样。温度场的图像可以采用伪彩色显示，也可以通过数字化处理，采用数字显示各点的温度值。(4)能与计算机进行数据交换，便于存储和处理。,7.3.4 红外无损检测技术的应用1 红外无损检测在热加工中的应用 在热加工中应用红外无损检测技术的场合比较多。1）点焊焊点质量的无损检测采用外部热源给焊点加热，利用红外热像仪检测焊点的红外热图及其变化情况来判断焊点的质量。无缺陷的焊点，其温度分布是