超声工业检测技术.doc

超声工业检测技术发展综述摘要：系统介绍了超声检测技术的发展概况。较全面地展示了传统超声检测技术的应用领域综述了非接触检测技术和超声导波技术等超声检测新技术的最新研究成果。最后，讨论了超声检测技术的发展方向。关键词：超声检测；无损检测；技术应用；发展趋势1、超声检测技术的地位和作用无损检测(NDT)是现代工业领域中保证产品质量与性能、稳定生产工艺的重要手段。其技术水平能反映该部门、该行业、该地区甚至该国家的工业技术水平。无损检测技术所能带来的经济效益十分明显，统计资料显示，经过无损检测后的产品增值情况为，机械产品为5，国防、宇航和原子能产品为1218，火箭为20。例如，德国奔驰公司汽车几千个零件经过无损检测后，整车运行公里数提高了一倍，大大增强了产品在国际市场的竞争能力；日本汽车在30零件采用无损检测后，质量迅速超过美国。因此，世界上的发达国家越来越重视无损检测技术的应用。日本在其制定的21世纪优先发展的四大技术之一的设备延寿技术中,把无损检测技术放在十分重要的位置。而超声检测技术(UT)一直都是无损检测研究的热点,国外无损检测的文献资料中,有关超声检测内容的比例约占45%,超声检测技术也是五大常规无损检测技术中使用得最多的一种。与其它常规无损检测技术相比，它具有检测对象范围广，检测深度大；缺陷定位准确，灵敏度高；成本低，使用方便；速度快，对人体无害以及便于现场使用等特点。因此，UT是国内外应用最广泛、使用频率最高，且发展较快的一种无损检技术，这体现在改进产品质量、产品设计、加工制造、成品检测以及设备服役的各个阶段和保证机器零件的可靠性和安全性上。2、超声检测的发展历程利用超声技术来进行无损检测始于20世纪20年代，苏联科学家在1929年提出了用超声波来检测金属内部缺陷的建议，并在战后研制成第一种穿透式检测仪器对材料进行检测。但是这种方法检测灵敏度低应用范围小，因此很快就被淘汰了。直到20世纪四五十年代，脉冲反射法和仪器的出现，给了超声检测技术新的生命，超声检测技术才迅速发展起来。40年代，美国的firestone公司先发制人，率先介绍了脉冲回波式超声检测仪，利用该技术，超声波可以从物体的同一侧发射并接收，且它能够检测小缺陷，较为准确的定位缺陷位置及缺陷尺寸。随后，美国和英国就开始讲这一仪器用于锻钢和厚钢板的检测。60年代，超声检测仪在灵敏度、分辨率和放大器线性等主要性能上取得了突破性进展，焊缝检测问题得到了很好的解决。脉冲回波技术至今仍是通用性最好，使用最为广泛的一种超声检测技术。在此基础上，超声检测发展成为一个有效而可靠的无损检测手段，并得到了广泛的工业应用。直到70年代以后，由于IC(集成电路)技术迅速发展，使实用的超声检测技术得以迅速发展，80年代末和90年代初，计算机和信号处理技术的迅速发展，促进了超声检测技术的研究和应用深度、广度的大力发展，数字式超声检测仪开始出现，并将在日后逐步取代传统的模拟式超声检测仪器。近20年来，超声检测技术取得了巨大进步，确立了重要的地位，其技术日趋成熟，几乎渗透到所有工业及医疗部门，如作为基础工业的钢铁工业、机器制造业、建筑业、石油化工业、铁路运输业、造船业、航空航天工业高速发展中的新技术产业如集成电路工业、核电工业及医学诊断等重要部门。在某些场合如大型油罐的在役测试，超声技术已成为唯一可行的检测手段。目前超声检测相关理论和方法及应用的基础研究正在逐步深入，本文第六节将介绍当今超声检测技术的研究方向和发展趋势。我国超声检测技术的研究、应用和仪器研制队伍正在不断扩大，技术水平不断提高，表明我国超声检测技术发展已经走出低谷，向新的高峰攀登。预计随着新一代全数字化超声仪器和功能强大的信号处理软件的问世尤其是人们对超声检测技术理论的更深层次的研究与认识超声检测技术将经历一个更高层次的发展阶段并获得更广泛的应用。3、超声检测基本原理众所周知,2020000Hz为声波的频率范围,频率高于20000的机械波称为超声波。超声检测所用的频率一般在0.510MHz之间，对钢等金属材料的检验，常用的频率为15MHz。工业用超声波方向性好,能量高，能在界面上产生反射、折射、衍射和波形转换，穿透能力强，在大多数介质中传播时，能量损失小，传播距离大，在一些金属材料中穿透能力可达数米，这是其它检测方法无法比拟的。超声波检测主要是基于超声波在工件中的传播特性，由于不同的介质声阻抗不同,超声波遇到杂质或媒质分界面就有显著的反射。超声波在介质中的传播特性,如波速、衰减、吸收等都与介质的各种宏观的非声学的物理量有着密切的关系,如声速与介质的弹性模量、密度、温度等有关;声强的衰减与材料的空隙率、粘滞性等有关。通过各种对超声传播特性中特征信息量的提取,可实现非声量检测,如浓度、密度、强度、硬度、湿度、流量、物位、厚度、弹性的测量,还能对物体的缺陷进行检测和探伤,对材料进行物性评价。超声波频率越高,波长越短,扩散角越小,声束越窄,能量越集中,分辨率越高,对缺陷的定位越准确。高频超声波传播特性是方向性好,能定向传播。频率在1520MHz以上,主要用于金属材料工件的超声检测。混凝土等非金属材料的超声检测应选用较低频率的超声波,常用频率为20500KHz,因为混凝土为非均匀材料,散射作用使材料对声波的衰减较大,方向性差,频率越高,传播距离越小,绕过颗粒的能力越差。超声检测系统重要部件探头(换能器)是压电晶片,是一种具有逆压电效应的压电元件,其在交流电作用下产生机械振动。材料包括石英晶体、PZT(锆钛酸铅)和偏铌酸锂等。探头种类繁多,在不同场合需要用不同形式、不同频率的探头。4、超声检测技术应用领域随着超声检测技术的发展，其应用领域越来越宽，应用的深度和频度也在逐渐加大。以下是超声检测技术当前的主要应用领域：(1)目前大量应用于金属材料和构件质量在线监控和产品的在役检查。如钢板、管道，焊缝、堆焊层、复合层、压力容器及高压管道、路轨和机车车辆零部件、核元件及集成电路引线的检测等。正确的检测方法和技术是超声检测取得成功的关键。近20年来，国内外开发了许多有用的检测方法和技术，如美国国家航空航天管理局LEWIS研究中心采用025MHa的激光聚焦束在高温材料sicsic激发超声波。通过触点换能器得到超声波衰减信号来检测高温材料；美国国家标准和技术研究所发表论文“利用电磁超声技术(EMAT)测量机翼的受力状态”；美国EMATUT换能器公司利用EMAT换能技术对已经埋入地下的输气管环焊缝进行检测试验研究；美国国家标准和技术研究所利用EMAT技术预测沉淀硬化钢的强度；日本大阪大学大阪瓦斯公司利用SH波的EMAT技术监测管道的腐蚀。我国的钢板超声多次重合探伤法；厚壁高压管焊口焊接高压三通超声波探伤法、多层粘结的超声波自动检测法与技术；复合材料UT技术；奥氏体不锈钢UT技术；电磁超声技术(EMAT)；固体内超声动态聚焦扫描技术及各种超声自动探伤法和超声成像检测法与技术等日趋成熟。(2)各种新材料的检测，如有机基复合材料、金属基复合材料、结构陶瓷材料、陶瓷基复合材料等，超声检测技术已成为复合材料的支柱。如德国富郎霍夫研究所推出用超声波显微镜对金属包覆层材料压合特征的研究，为改进压合工艺提供了可靠参数；我国台湾新竹交大提出了用超声研究金属板与橡胶板粘合面的结合质量；H本KANSAI能源公司和TOUOKU大学提出了用超声波显微技术对球形样品疲劳破损的监测。(3)非金属的检测。如混凝土、岩石、桩基和路面等质量检验包括对其内部缺陷、内应力、强度的检测应用也逐渐增多。(4)大型结构、压力容器和复杂设备的检测。如不锈钢焊缝及堆焊层、厚壁高压管焊口、铝镁合金及高压螺栓等超声波探伤,裂缝自身高度和高温超声检测、铁路进口钢轨自动检测车超声自动检测系统等方面都有很大进展。与现代工业高速度、高精度、高分辨力、高可靠性等要求的超声检测设备的自动化和仪器的计算机化,已成为微机控制自动超声检测系统。许多企业已拥有我国自己设计和制造的大中小型多坐标、多通道的自动超声检测系统,满足特殊情况下的探伤、检测变速箱齿轮焊缝、钢轨自动检测等要求。许多厂家致力于将超声信号处理的研究成果融合到仪器中去,以逐步实现智能化,如我国汕头超声电子公司等厂生产数字式或全数字式超声探伤仪,应用缺陷模式识别和模糊聚类技术,100MHz高频超声检测仪可检测钛合金、结构陶瓷等材料数十微米级的缺陷。由于超声成像直观易懂,检测精度较高,因此,近几年我国集超声成像技术及超声信号处理技术等多学科前沿成果于一体的超声机器人检测系统已研制成功,为复杂形状构件的自动扫描超声成像检测提供了有效手段。(5)核电工业的超声检测。如板形元件的结合质量、板形元件组件的水道间隙、各种管道容器的焊缝、容器与焊管的交贯面等超声检测。我国已能按标准和业主的要求,使用国际先进设备,执行国际通用法,完成核电厂和核设施的役前及在役检查。(6)其它方面的超声检测。医学诊断广泛应用超声检测技术就是一个非常好的例子，我们通常说的B超就是利用超声波进行医学诊断工作的一个实例;目前,人们正试图将超声检测技术用于开辟其它新领域和行业,如人们正努力将超声检测技术用于液压控制系统进行系统作非接触检测、辨识、性能分析和故障诊断等。这方面研究仅处于探索阶段,还不够成熟。5、超声检测新技术及其应用针对近年来超声检测技术的发展，可以总结出超声检测的新技术和新方法：(1)超声导波技术:超声导波的频散曲线对分层和脱胶等严重危害复合材料的现象较灵敏。用人工神经网络技术可准确有效地对复杂的频散曲线及频谱曲线进行反演,由获得的超声参量推测出被测体的状况。用于火箭壳体和航空结构件进行无损检测与评价。(2)声发射新技术:对构件的安全性和失效行为进行动态检测与评价。如:泄露的监测和定位,材料与构件中裂缝的检测与分析,构件在役条件下的失效的报警等。(3)新型非接触超声换能方法:电磁超声法、空气耦合法、激光超声法。前者距离近,后面二者距离远,有发展前途。电磁超声法:在接近材料表面的位置激发磁场,材料表面部位产生感应电流,引起超声振动。探头为强铁磁材料和高频线圈,当线圈内有电流时,材料内部产生高频电流和磁场作用下,罗伦兹力使材料粒子振动。发出超声波入射到材料内部,即为电磁超声波,使表面不平或高温材料的探伤成为可能。空气耦合法:固体气体声阻抗相差5个数量级,在气固界面有极大的能量损耗,高频空气超声换能器发射功率要大,要有良好的匹配和声匹配。能量损失大,工业中应用领域不广,俄罗斯将该技术用于特殊航天构件,尤其是非金属复合材料构件检测与评价。激光超声法:利用脉冲激光产生窄脉冲超声信号,再用光干涉法检测超声波。具有时间和空间上的高分辨率。可适合高温环境测量。激光束可利用光学的方法进行扫描,可实现连续快速运动物体的非接触检测。不管激光束的入射方向如何,激光激发的超声波总是垂直于被测物表面,所以比较适合于形状复杂的工件的检测。激光超声的脉冲宽度窄,检测微小缺陷能力强和尺寸较小的工件检测,如金刚石构件、人工晶体和薄膜材料。(4)超声信息处理与模式识别。现代数字信号处理技术在超声检测中的应用于20世纪80年代开始,引入目的:定量化;分离和识别复杂的检测信号。目前工业用超声无损检测大多还停留在了解材料和构件是否有缺陷,或者凭经验大致判断缺陷的大小和位置。但目前的理论和实验研究表明,采用多参量的超声数字信号处理与模式识别技术可给出检测的量化结果,如缺陷的大小、位置、形状或性质。现代超声技术与断裂力学知识相结合,可望进一步对构件的强度与剩余寿命进行评估。超声检测新技术的应用,还包括超声波应力与残余应力测量技术、超声显微镜技术及超声层析成像技术。超声成像技术是对缺陷进行定量扫描的有效途径,优点是可提高信息量。超声检测新技术的出现,使得超声检测中定性、定位和定量的可靠性得到提高,也使在高温和复杂结构中的超声检测变成现实。6、超声检测技术的发展趋势工业技术的发展一方面对超声检测技术提出了更高的要求，一方面也为超声检测技术提供了技术上的支持，这些效应主要体现在：(1)工业生产中的质量意识不断提高以及在役设备寿命预测技术的要求;(2)复合材料、精细陶瓷等新材料的应用,使传统的超声检测方法遇到障碍,促使人们探索特殊的超声检测途径;(3)现代信息科学为超声检测技术的发展注入了新的活力,可对复杂的检测信号和过程迅速有效地提取和解读。微机技术的发展带动了传统超声检测技术水平的提高,使检测结果更直观,如用二维、三维形式成像;(4)特殊的构件对超声检测提出了非接触的要求,促使超声检测从换能方法上有了新的突破。工业发展对超声检测技术的要求和支持，有力的促进了该技术的发展，同时也指明了其发展方向。根据工业发展的实际需要，对超声检测技术新要求主要有:(1)提高缺陷检测的分辨率:检测微小缺陷,材料内部特定位置检测,缺陷形状检测。可以利用声透镜使超声波束聚焦成点或线,提高内部特定位置探伤分辨率。(2)提高自动化水平:手动探伤到自动探伤,包括生产线上材料特定部位自动连续探伤。(3)尽可能做成非接触式探伤,这对于不平或高温材料的探伤是非常有必要的。根据上文中提到的工业要求，超声检测技术的发展趋势可以总结如下:(1)向高精度、高分辨率方向发展。(2)高温条件下的测量明显增多,在线检测、动态检测增多。(3)在若干领域向超声无损评价发展,使得超声检测内容有了新的内涵。如超声检测技术与断裂力学相结合,对重要构件进行剩余寿命评价;超声检测技术与材料科学相结合,对材料进行物理评价。(4)在无损检测方面向定量化、图像化方向发展,超声检测系统将进一