无损检测技术及其复合材料领域的应用课件.ppt

高分子与复合材料系,张博明教授,无损检测技术及其复合材料领域的应用,课时安排,目录,综述,无损检测技术方法介绍,超声无损检测,复合材料领域的应用,航空航天标准整理,综述,定义：无损检测技术,无损检测技术是一门新兴的综合性应用学科。它是在不损伤被检测对象的条件下，利用材料内部结构异常或缺陷存在所引起的对热、声、光、电、磁等反应的变化，来探测各种工程材料、零部件、结构件等内部和表面缺陷，并对缺陷的类型、性质、数量、形状、位置、尺寸、分布及其变化作出判断和评价。,综述,内容：NDT、NDI、NDE,无损检测NDT(NondestructiveTesting)：仅仅是检测出缺陷无损检查NDI（NondestructiveInspection）：以NDT检测结果为判定基础,对检测对象的使用可能性进行判定,含有检查无损评价NDE(NondestructiveEvaluation)：掌握对象的负载条件、环境条件（如断裂力学中预测材料的安全性及寿命等）下，对构件的完整性、可靠性及使用性能等综合评价,综述,无损检测技术的特点,（1）无损检测技术不会对构件造成任何损伤,无损检测技术是一种在不破坏构件的条件下，利用材料物理性质因有缺陷而发生变化的现象，来判断构件内部和表面是否存在缺陷，而不会对材料、工件和设备造成任何损伤。,（2）无损检测技术为查找缺陷提供了一种有效方法,任何结构、部件或设备在加工和使用过程中，由于其内外部各种因素的影响和条件变化，不可避免地会产生缺陷。操作使用人员不但要知道其是否有缺陷，还要查找缺陷的位置、大小及其危害程度，并要对缺陷的发展进行预测和预报，无损检测技术为此提供了一种有效方法。,综述,无损检测技术的特点,（3）无损检测技术能够对产品质量实现监控,产品在加工和成形过程中，如何保证产品质量及其可靠性是提高效率的关键。无损检测技术能够在铸造、锻造、冲压、焊接、切削加工等每道工序中，检查该工件是否符合要求，可避免徒劳无益的加工，从而降低了产品成本，提高了产品质量和可靠性，实现了对产品质量的监控。,（4）无损检测技术能够防止因产品失效引起的灾难性后果,机械零部件、装置或系统，在制造或服役过程中丧失其规定功能而不能工作，或不能继续可靠地完成其预定功能称为失效。失效是一种不可接受的故障。,综述,（5）无损检测技术具有广阔的应用范围,无损检测技术可适用于各种设备、压力容器、机械零件等缺陷的检测诊断。例如金属材料（磁性和非磁性，放射性和非放射性）、非金属材料（水泥、塑料、炸药）、锻件、铸件、焊件、板材、棒材、管材以及多种产品内部和表面缺陷的检测。因此，无损检测诊断技术受到工业界的普遍重视。,综述,使用时应注意的问题,（1）关于检测结果的可靠性,不管采用哪一种检测方法，要完全检测出结构的异常部分是比较困难的。因为缺陷与表征缺陷的物理量之间并非是一一对应关系。因此，需要根据不同情况选用不同的物理量，有时甚至同时使用两种或多种无损检测方法，才能对结构异常做出可靠判断。特别是大型复杂设备或结构。,（2）关于检测结果的评价,无损检测结果必须与一定数量的破坏性检测结果相比较，才能建立可靠的基础和得到合理的评价，而且这种评价只能作为材料或构件质量和寿命评定的依据之一，而不应仅仅据此做出片面结论。,（3）关于无损检测的实施时间,无损检测应该在对材料或工件质量有影响的每道工序之后进行。,综述,无损检测方法概述,综述,无损检测方法概述,综述,无损检测方法选择,不同体积型缺陷可采用的无损检测方法,综述,无损检测方法选择,不同平面型缺陷可采用的无损检测方法,综述,无损检测方法选择,表面缺陷和内部缺陷可采用的无损检测方法,综述,无损检测方法选择,不同厚度工件可采用的无损检测方法,综述,无损检测方法选择,不同材质可采用的无损检测方法,综述,缺陷检出的可靠性,无损检测的可靠性是指无损检测方法对缺陷的检出能力，是对用超声的方法检出特定类型、特定尺寸缺陷有效性的一种定量度量。,缺陷检出概率（POD）：经过培训的无损检测人员运用给定的检测方法，检出特定类型、特定尺寸缺陷的概率。置信度（confidencelevel，CL）：检出概率数值的可信程度检出概率为95%而置信度为90%就表示：在95%的检出概率中有10%是对实际的检出概率估计过高的。,检测试件的制备,缺陷级别的定义及划分,检测数据的统计处理,缺陷检出概率曲线确定,给定置信水平下缺陷检出概率,缺陷测量的灵敏度分析,损伤容限额定值估算,缺陷检测可靠性定量表征分析流程图,定量评价的主要内容,给出3种方法,综述,综述,二项式分布法获得POD曲线,缺陷检出概率曲线POD的确定,通过对试件的检查，按缺陷尺寸区间检出数求出区间检出概率的点估计公式如下,二项式分布原理：对试件进行检测结果只有两种可能，检出或是漏检（假设几率相同）则对某一区间n次检测，检出数服从二项式分布。假设在检验过程中检出有缺陷的试样数为S，其值从0到N，这样二项式分布概率函数的表示形式如下,P-真正的检出概率q-正真的漏检概率,综述,缺陷检出概率曲线POD的确定,通过检出/漏检（hit/miss）获得POD曲线,无损检测得缺陷检出/漏检数据格式,n-检测裂纹编号k-检测仪器（或人员）编号0-缺陷漏检（miss）1-缺陷检出（hit）,无损检测采集hit/miss数据表,hit1miss0,综述,缺陷检出概率曲线POD的确定,通过信号响应分析(Signalresponse)获得POD曲线,无损检测得到缺陷所对应的响应数据（幅值）,n-检测裂纹编号k-检测仪器（或人员）编号,无损检测采集到的幅值信号,目录,综述,无损检测技术方法介绍,超声无损检测,复合材料领域的应用,航空航天标准整理,射线检测,射线检测,射线检测（探伤）有X射线、射线和中子射线等检测方法。其原理是利用各种射线源对材料的透射性能及不同材料射线衰减程度的不同，使底片感光成黑度不同的图像来观察。射线检测用来检测产品的气孔、夹渣、铸造孔洞等立体缺陷。当裂纹方向与射线平行时就能被检查出来。,射线检测的优点是检测结果可作为档案资料长期保存，检测图像较直观，对缺陷尺寸和性质判断比较容易。射线检测的缺点是当裂纹面与射线近于垂直时就很难检查出来，对工件中平面型缺陷（裂纹、未熔合等缺陷）也具有一定的检测灵敏度，但与其它常用的无损检测技术相比，对微小裂纹的检测灵敏度较低，并且生产成本高于其它无损检测技术，其检验周期也较其它无损检测技术长，并且射线对人体有害!需要有防护设备。,射线检测,X射线的一般性质：X射线与可见光一样以光速传播，并沿直线方向前进；但其波长比可见光的波长短，是一种不可见光线。X射线的光子呈电中性,在电场和磁场中不偏转。X射线和物质相互作用时，会产生光电效应，康普顿效应和电子对效应等物理现象并使物质电离、产生二次辐射和热效应等。X射线对生物组织有破坏作用，因此对生物机体既有辐射损伤，又有治疗作用。X射线具有透射、反射、折射、偏振、相干和不相干散射、衍射等光学性质。,射线检测,X射线的产生机理,射线照相探伤中使用的低能X射线机主要由四部分组成：X射线管、高压发生器、冷却系统、控制系统。,X射线机工作原理1-射线管；2-高压变压器；3-灯丝变压器；4-X射线,当具有充分动能的带电质点被迅速减速时，将产生X射线。一般情况下，带电质点是电子，在X射线管的电子源(阴极)和阳极间施加高电压，加速电子，高速电子撞击到阳极靶上产生X射线。电子撞击阳极靶时的动能绝大部分转变为热，只有很小部分转变为X射线。,射线检测,铑制阳极靶的X射线谱图,图2-1表明，X射线谱由两部分组成：连续谱和特征谱（铑的特征谱）。连续谱X射线产生于轫致辐射过程。连续谱X射线的强度随波长的分布由加速电子的电压决定，还与被撞击物体的原子序数及单位时间撞击到物体的电子数（X射线管管电流）相关。,射线检测,射线是继、射线后发现的第三种原子核射线。原子核衰变和核反应均可产生射线。射线具有比X射线还要强的穿透能力。当射线通过物质并与原子相互作用时会产生光电效应、康普顿效应和正负电子对三种效应。,X射线和射线从本质和性质上讲没有区别，只是其产生方式有所不同。,X射线通过高速电子轰击金属靶原子产生，因此其强度和能量都能够控制和调节；射线则完全不同，是放射性原子核在衰变之后放射出来的，因此它的能量和强度是无法通过仪器设备加以控制和调节的。,射线检测,不同的射线设备具有不同的设计，但概括起来各种射线设备大体上都是由四部分构成：射线源、源容器、输源机构、控制机构。,典型射线设备结构示意图a)旋转式；b)通道式。1-提手；2-外壳；3-聚氨脂填料；4-屏蔽层；5-密封盒；6-接插器；7-连接器；8-线源。,射线检测,X射线与射线的衰减规律,单色窄束射线的衰减规律入射到物体的射线，因为一部分能量被吸收、一部分能量被散射而受到减弱，使其强度发生了衰减。实验表明，射线穿透物体时其强度的衰减与吸收体（射线入射的物体）的性质、厚度及射线光量子的能量相关。衰减系数与半厚度线衰减系数表示的是入射光量子在物体中穿行单位距离时(例如1cm),发生各种相互作用的可能性。它表示单位厚度的吸收体引起的射线相对衰减程度。线衰减系数表示了射线穿透物体时,由于吸收与散射其强度衰减的特性,它既相关于射线的能量,也相关于射线所穿过物质的原子序数.在多数情况下主要决定于吸收过程的作用。,射线检测,X射线与射线的衰减规律,宽束连续谱射线的衰减规律,宽束与窄束射线示意图a)窄束射线;b)宽束射线。1-工件;2-准直器;3-检测器。,在实际X射线照相检验中经常遇到的是宽束、连续谱射线情况，这时由于存在散射线及不同能量射线的衰减不同，不能简单地以单色射线衰减规律处理这时的射线衰减规律。,射线检测,射线检测基本原理,如图所示，如果物体局部区域存在缺陷，它将改变物体对射线的衰减，引起透射射线强度的变化，采用一定的检测器（常规射线照相中采用胶片）检测透射射线强度，就可以判断物体中是否存在缺陷。,射线检测中应用最广泛的射线照相检测技术是X射线和射线常规射线照相检测技术,电学检测,电学方法检测包括：涡流检测；电流检测；电流微扰检测等,涡流检测,涡流检测是以研究涡流与试件的相互关系为基础的一种常规无损检测方法。当试件被放在通有交变电流的激励线圈中或其附近时，进入试件的交变磁场可在试件中感生出方向与激励磁场相垂直的、呈旋涡状流动的电流（涡流），这涡流会转而产生一与激励磁场方向相反的磁场使线圈中的原磁场有部分减小，从而引起线圈阻抗的变化。,涡流的激励与检测a)放置线圈法;b)穿过线圈法,影响线圈阻抗的因素电导率、磁导率、频率、裂纹以及管壁厚度等的变化都会引起阻抗变化，其变化方向各不相同。可采用相位分离法将需要检测的因素与干扰因素分离开来达到检测目的。,涡流检测,涡流检验方法的分类在金属材料的涡流检验中，为了满足不同试件形状和不同试件大小的检测要求，设计了多种形式的检测探头，亦称为检测线圈。按检测时线圈和试样的相互位置关系，检测线圈可分为三大类：穿过式线圈；内通过式线圈；放置式线圈。,检测时线圈和试样的相互位置关系（a）穿过式线圈；（b）内通过式线圈；c）放置式线圈,涡流检测,涡流检测的主要优点是检测速度快，线圈与试件可不直接接触，无需耦合剂。主要缺点是：只限用于导电材料对形状复杂试件难作检查由于存在趋肤效应只能检查薄试件或厚试件的近表面部位铁磁性材料及制件常须完全直流磁化到饱和以免在涡流检测期间磁化状态有任何变化而影响检测，且随后又须将此试件退磁缺陷必须能截断涡流方可被检出检测结果尚不直观，判断缺陷性质、大小及形状尚难对多参量敏感时解释的是否正确取决于作业者的水平,电流检测,一定值的电流通过试件时，在试件的不同部位，由于几何形状不同，尺寸不同或存在缺陷，电位的分布可以不同，如图所示。通过测量这种电位分布来得到有关试件壁厚，表面裂纹深度等信息的方法称为电位差法。,图有裂纹试件与无裂纹试件的电位分布（a）无裂纹试件；（b）有裂纹试件,电流检测,电位差法的特点是仅须从试件的一侧进行测量而不受背面条件的限制,操作方便,适用于一切导电试件。电位差法需要试件的电阻率均一且各向同性，对于大多数金属材料，这条件是可以满足的。,电流检测,电流检测（又称电位法检测）原理是几何形状不同，尺寸不同或是否存在缺陷的工件，在通过一定值电流后，在工件的不同部位产生不同的电位分布。它可用于测量表面裂纹深度及材料厚度，亦可以根据电阻率的差异进行材料分选。因而电流检测广泛使用于焊缝区熔合程度、管道腐蚀的检查，也可在磁粉检测或渗透检测出裂纹后，对其深度及倾斜角进行测量。由于它能从工件一侧进行检测而不受背面条件的限制，所以具有操作方便，结果可靠和适用于一切导电金属的检验等优点。,电流微扰检测,电流微扰是一种电磁无损检测方法，将电流引入试件的受检区，这将产生一磁场，缺陷或其他异常区的出现可扰乱电流的正常流动使磁场发生变化，用磁敏器件探测这变化，可对试件作出表征。参见图,图电流微扰原理示意图a)无缺陷情况;b)有缺陷情况,电流微扰检测,优点：试件形状可以比较复杂；可用以探测比较小的缺陷。局限性：不适用于非铁磁性金属试件，如钛合金和铝合金制件；限于探测表面和近表面缺陷。,磁学检测,磁学方法检测包括：磁粉检测；漏磁场检测；Barkhausen噪声检测；磁声发射检测等。,磁粉检测,当被磁化的铁磁性材料表面或近表面存在缺陷，或组织状态的变化，从而导致该处的磁阻有足够的变大时，在材料表面空间可形成漏磁场。,经磁化的铁磁性材料缺陷处漏磁场的形成,将微细的铁磁性粉末（磁粉）施加在此表面上，漏磁场吸附磁粉形成磁痕显示出缺陷的存在及形状，是为磁粉检测。,磁粉检测通常由三个基本步骤组成：在被检工件中建立起一定的磁场；在被检工件表面施加磁粉或磁悬液；观察被检表面聚集的磁痕。,磁粉检测,磁粉检测,磁粉检测的分类,磁化方式：周向磁化、纵向磁化和复合磁化,周向磁化将工件直接通电，或者使电流流过贯穿工件中心孔的导体，在工件中建立一个环绕周向的，并与工件轴线垂直的闭合磁场。周向磁化主要用于发现工件中纵向的缺陷，但无法检出与磁感应线平行的缺陷。,纵向磁化纵向磁化是指工件在磁化时所产生的磁感应线与工件轴向一致。检查工件横向裂纹时应采用纵向磁化。纵向磁化有线圈法、绕线法和磁轭法等。,复合磁化磁粉检测时，磁感应线方向只有在与缺陷垂直时，才能达到最高灵敏度，而磁感应线与缺陷平行时，不能发现缺陷。若要使工件中不同取向的缺陷都能得到显示，一般应对每个区域进行两次以上不同方向的磁化，而两次的磁化方向应大致垂直。,磁粉检测,磁粉检测的优点：,能直观显示缺陷的形状、位置、大小，可大致确定其性质；具有高的灵敏度；可检出的缺陷最小宽度可为约1m；几乎不受试件大小和形状的限制；检测速度快，工艺简单，费用低廉。,磁粉检测,磁粉检测的局限性：,只能用于铁磁性材料；只能发现表面和近表面缺陷，可探测的深度一般在12mm；磁化场的方向应与缺陷的主平面相交，夹角应在4590，有时，还需从不同方向进行多次磁化；不能确定缺陷的埋深和自身高度，宽而浅的缺陷也难以检出；不是所有铁磁性材料都能采用；检测后常需退磁和清洗；试件表面不得有油脂或其他能粘附磁粉的物质。,漏磁场检测,所谓漏磁场检测是指铁磁材料被磁化后，其表面和近表面缺陷在材料表面形成漏磁场，通过检测漏磁场来发现缺陷的无损检测技术。从这个意义上讲，磁粉检测也是一种漏磁场检测，但习惯上人们把用传感器测量检测漏磁通的检测方法称为漏磁场检测，而把用磁粉漏磁通的磁粉检测和漏磁场检测并列为两个概念。,漏磁场检测,漏磁场检测是用磁传感器检测缺陷，相对于磁粉、渗透等方法有以下优点：（1）易于实现自动化（2）较高的检测可靠性（3）可以实现缺陷的初步量化（4）在管道的检测中，在厚度高达30mm的壁厚范围内,可同时检测内外壁缺陷（5）高效、无污染,漏磁场检测,局限性：只适用于铁磁材料。只有铁磁材料被磁化后，表面或近表面缺陷才能在试件表面产生漏磁通。检测灵敏度低。由于检侧传感器不可能象磁粉一样紧贴被检测表面，不可避免地和被检测面有一定的提离值，从而降低了检测的灵敏度。缺陷的量化粗略。缺陷的形态是复杂的，而漏磁通检测得到的信号相对简单，在实际的检测中，缺陷的形状特征和检测的信号特征不存在一一对应关系，因而漏磁场检测只能给出缺陷的初步量化受被检测工件的形状限制。由于采用传感器检测漏磁通，漏磁场方法不适合检测形状复杂的试件。,Barkhausen噪声检测和磁声发射检测,若将一导体线圈置于材料表面，并对材料施一交变磁化场，则材料畴壁的不可逆跳跃将在线圈内感应一系列电压脉冲信号，放大后通过扩音器可听到沙沙的噪声，这一现象首先是德国物理学家Barkhausen于1919年发现的，故称巴克好森效应，相应磁噪声称磁巴克好森噪声，简称MBN。,MBN和MAE信号的接收,磁畴的不可逆运动，除了产生磁噪声，同时还激发出一种称为磁声发射（MAE）的弹性波，它可通过压电晶体传感器加以接收。,光学检测,目视检验,目视检验是指仅用人的肉眼或肉眼与各种放大装置相结合对试件表面作直接观察，典型的是将目视检验限制在电磁谱的可见范围红外紫外之间的区域。,目视检验主要优点是简单、快速。主要缺点是仅及表面情况，表面可能须作某些准备如清洗，去除油漆氧化皮及尘土，可能需要喷砂或喷丸，某些部位有难以接近的问题，当可接受的缺陷很小而检查面积很大时有漏检的可能。根据不同的目视检验手段可以将目视检验分为放大镜检验、内窥镜检测等。,目视检验,放大镜检验（1）透镜所有透镜不是凸的、凹的就是平的，多半是这些形式的组合，透镜有三个固有的不完善，但均是可修正的。畸变图像看来不真实，这与透镜、材料磨削和抛光的质量有关。球面像差通过透镜中心和通过外侧边的光线聚焦在不同的点处，这可通过微微修改弯曲表面来修正。色像差这是棱镜效应，当分解成彩色时，光线不聚焦在相同的位置，这可用复合透镜来修正。,目视检验,下面是一些经修正透镜制成的简单放大镜,图7-1带磨槽的双凸透镜磨槽可消除边缘光线而改善图像质量,目视检验,图7-2双平凸放大镜可使色像差得到部分修正和使视场变得平些,目视检验,图7-3三合透镜这是一种多透镜放大镜，对球面像差和色像差均作了修正，在所有带柄放大镜中这是最好的一种。,目视检验,（2）袖珍式显微镜显微镜是两个相隔一定距离的光学放大系统物镜和目镜用镜筒连接起来的组合体。已开发出一种超小型视频显微镜，对目视检验来说也是很有用的，其特点：体积小重量轻，可置于手掌中；放大倍数2580；用单镜反射型相机拍摄，也可接专用高分辨力视频显示系统进行图像观察，所有图像可记录在专用超小型图像记录仪；用磁性夹具可将之吸附在容器上和管道上进行观测；所有现场观测均不用交流电。,内窥镜检测内窥镜最早应用于医学领域，早在19世纪，就有人制造出用镜子通过细管反射烛光的原始内窥镜，它允许医生直观的观察病人身体内部。最早应用于工业的内窥镜是用于检查枪膛和炮筒，因此称为管道镜。它由一个空心管子和镜子组成。第二代内窥镜由目镜、传送图像的一组透镜、物镜组成，即最早的硬性镜。同第一代的镜子比较，图像质量得到大大的提高，但由于不能弯曲，只能直线观察。,目视检验,随着纤维光学的发展，纤维镜很快发展起来。很多医学研究者开始用纤维缆（束）传送光学图像。世界第一台柔性、可拐弯的光纤内窥镜是由日本奥林巴斯光学仪器厂在1950年首次发明的，并应用在医院的肠胃检查上。后来，无损工作者开始把光纤内窥镜应用于机器内部检查。,目视检验,工业内窥镜一般分为三大类：直杆硬性镜、光纤内窥镜、视频内窥镜。直杆硬性镜是由一组透镜来传送图像，因此成像质量好，价格较便宜，但长度有限，不能弯曲。光纤内窥镜可以在一定弯曲角度的情况下使用，相对直杆内窥镜长度要长得多(最长可做到6m)。但其监视图像清晰度一般。普通的视频内窥镜可以经遥控视觉检查对所检测的物件予以定位，并确定其大小尺寸，但要获取精确的数据是十分困难的。,目视检验,光全息术检测,全息照相是一种对一些具有任意形状目标的漫散射建立完整的图像也就是三维图像的工艺。是一种记录和又接着重建目标所反射或穿透的波前的方法。由于记录和重建的是完整的波前，而不是仅为二维的图像，从而就能观察到带有完备的场深、位置和视差的原目标的像。,光全息术检测,全息照相是以光波干涉原理为基础的，其最主要特点是把被侧物光波的全部信息（振幅、位相）记录在介质上。全息照相工艺包括两步：通过编码将目标发射的任何形式的相干波动信息记录在适当介质内；波动通过工艺中的相干束得到重建。,光全息术检测,光全息照相在无损评定中具特效的应用包括：检测蜂窝夹芯结构内的脱粘、失粘、夹芯压碎、夹芯拼接不良；检测复合材料构件的脱粘或分层；检测充气轮胎和其他叠层内部的未粘合；检测橡胶与金属件粘接的密封件脱粘；检测液压系统装置内的裂缝；涡轮叶片的质量评定；检测火箭固体燃料中固体药柱与包覆层间的脱粘；检测金属零件的微细裂纹与监视应力腐蚀。,光全息术检测,光全息照相干涉测量的优点：可以应用于任何类型的固体材料。铁磁的或非铁的，金属，非金属或复合材料。可用于检测几乎是任何尺寸形状的目标，只要能对目标提供应力存在的机制或用其他方法激励目标。像其他光学检测技术一样，具固有非浸染性和不要求与目标表面接触。作为非浸染工艺，它能检测目标在最纯净状态感兴趣的信息。,光全息术检测,脉冲激光技术允许所检测的目标处于不稳定或恶劣的环境中。不依赖于逐点检测或扫查过程的数据接收。由于不需要扫查，它克服了诸如超声C扫查因扫查带来的在动态或在线工序检测的阻碍。具有至少光波波长1/2或约125nm位移和变形的干涉灵敏度。提供输出的灵活性。检测结果可永久保存，可以在过后的任何时间重建，以实施以前所记录的测试结果的三维重现。,光全息术检测,应用光全息照相干涉测量的局限：全息照相检测操作技术的成功与否极大地依赖于固定装置和应力机械的恰当设计与其实际性能；为了对缺陷区的相应表面提供足够大的位移，又不能使所加的应力造成被检目标刚体运动或损伤，这就限制了被检目标的壁厚或整体厚度；全息照相方法对强吸收材料和镜面反射表面，通常需喷以可去除的高反射系数涂层；除脉冲激光技术外，通常的全息照相，对检测装置与试验环境的隔振要求严格。,错位散斑干涉,相干光（例如激光）照射物体光学粗糙表面时，物面漫射的光也是相干光，它们在物面前方的空间彼此干涉形成无数随机分布的亮点和暗点，称为散斑。散斑的测量方法很多，归纳起来有两类：一类也叫散斑照相，也叫单光束散斑干涉，包括单光束单孔径记录和单光束多孔径记录；另一类叫散斑干涉，包括双光束散斑干涉和错位散斑干涉。,散斑测量范围与精度,错位散斑干涉,错位照相技术的主要优点：非接触、无污染，检测不受工件材料几何外形和尺才限制；全场检测，视频显示（黑/白或彩色）；检测速率很高，一次检测面积可达1m2，一小时可检测数十平方米；缺陷尺寸与面积的数字化测量；不用避光，不必专门隔震，决速实时可用于产品和现场检测。缺点：检测时必须对构件加载检测灵敏度随缺陷埋藏深度的增加而下降。,热学检测,热释电检测,热释电效应某些晶体（例如硫酸三甘肽、铌酸锂、铌酸锶钡等）受光照时温度升高，从而在晶体的特定方向上由于自发极化随温度变化而引起表面电荷的变化，这种现象称为热释电效应。热释电探测器是一种利用热释电效应制成的新型热探测器。与其它热探测器相比，热释电探测器的工作频率可达几百千赫以上，远远超过只适于低频工作的其它热探测器。,热释电探测器的特点：有效时间常数可达1s或更小;探测率高；可以有大面积均匀的光敏面，且不需偏压；与热敏电阻测辐射热计相比，受环境温度变化的影响较小；制造比较简便，强度和可靠性比其它多数热探测器都要好；热释电材料属压电晶类，故易受外界振动影响，并且它对于恒定辐射没有响应，只限于交变的入射辐射,热释电检测,几种热释电传感器TGS（硫酸三甘肽）及其同晶体探测器SBN（铌酸锶钡）热释电探测器LiTaO3（钽酸锂）热释电探测器压电陶瓷热释电探测器PVF2（聚二氟乙烯）热释电探测器,热释电检测,红外检测,红外线处在微波与可见光的红光之间，它占有的电磁波谱范围的波长是0.761000m，跨过10个倍频程,与可见光相比,红外线的波谱范围要宽广得多。一般又把红外线分为四个较小的波段范围，即近红外0.763m，中红外36m，远红外615m，极远红外201000m。红外诊断技术实施的第一步是红外检测，红外检测实质是红外测温。红外测温区别于传统的接触测温，它是非接触测温。其原理是通过测量表征被测温度的物理参数来求得被测温度的，它不存在热接触和热平衡带来的缺点和应用范围的限制。,红外检测,红外测温，测温速度快、测温范围宽、灵敏度高、对被测温度场无干扰、热隋性误差小，因此应用广泛：温度很高的、有腐蚀性的、高纯度的物体导热性差的、小热容量的、微小的目标运动的物体显微和远距离测温固体、液体表面温度的测量,红外检测,表8-1红外测温和接触测温方式的性能比较,红外检测,红外检测的分类：主动式红外检测主动式红外检测是在进行红外检测之前对被测目标主动加热，加热源可来自被测目标的外部或在其内部。,被动式红外检测指进行红外检测时不对被测目标加热，仅仅利用被测目标的温度不同于周围环境温度的条件，在被测目标与环境的热交换过程中进行红外检测的方式。,红外检测,影响红外辐射的主要因素大气的衰减作用红外辐射通过大气所导致的衰减，主要是因为大气分子的吸收、散射，以及云雾、雨、雪等其他微粒的散射作用所造成的。背景辐射的影响物体的发射率材料性质的影响温度的影响表面状态的影响,目录,综述,无损检测技术方法介绍,超声无损检测,复合材料领域的应用,航空航天标准整理,超声检测定义,超声检测一般是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。超声检测是利用超声波的众多特性（如反射和衍射），通过观察有关超声波在被检材料或工件中发生的传播变化，来判定被检材料和工件的内部和表面是否存在缺陷，从而在不破坏或不损害被检材料和工件的情况下，评估其质量和使用价值。超声波是频率大于20kHz的一种机械波（相对于频率范围在20Hz20kHz的声波而言）。超声检测用的超声波，其频率范围一般在0.25MHz15MHz之间。,超声波,声波：机械振动在弹性介质中的传播称为弹性波（声波）可闻声波：频率大于20Hz，小于20kHz超声波：频率大于20kHz的声波次声波：频率小于20Hz的声波,超声波的种类,体波：在介质体内传播的波，远离边界，激励的波长相对试件检测厚度很小。导波：在有边界的介质内传播，波的传播常常以反射和折射的形式与边界发生相互作用且发生纵波与横波间的模态转换，激励的波长与试件检测厚度可比较。,体波：普通意义上的横波和纵波,超声波,导波：兰姆波管道内的导波表面波,横波(剪切波)：波的传播方向与质点振动方向垂直。纵波(压缩波)：波的传播方向与质点振动方向平行。,特点：波的传播速度跟频率没有关系，没有频散现象，操作简单，检测效率低。,超声波的种类,兰姆波薄板内传播的波。管道内的导波空心管道内传播的波。表面波结构表面传播的波。,特点：波的传播速度跟频率有关，不同的结构有不同的频散现象，操作复杂，检测效率高。,超声波的种类,超声波的波型,当平面波垂直入射到一个光滑平面界面时，将产生一个与入射波方向相反的反射波和一个与入射波方向相同的透射波从介质A垂直入射到介质B时的反射和透射,超声平面波在大平界面上的垂直入射行为,超声平面波在大平界面入射,当平面波斜入射到一个光滑平面界面时，如果两种材料的声速不同，在界面上可产生波的反射、折射和波型变换现象从介质A斜入射到介质B时的反射和透射，假设以纵波入射，则产生反射纵波、反射横波、折射纵波和折射横波,超声平面波在大平界面上的斜入射行为,超声平面波在大平界面入射,超声波特点,声束指向性好（能量集中）；声压声强大（能量高），传播距离远；穿透能力强；在界面处会产生反射、透射（或折射）和波型转换，以及产生衍射等,作用于材料的超声强度有足够的低，最大作用应力远低于弹性极限可用于金属、非金属、复合材料制件的无损评价对确定内部缺陷的大小、位置、取向、埋深、性质等参量较之其他无损方法有综合优势仅需从一侧接近试件设备轻便，对人体及环境无害，可作现场检测所用参数设置及有关波形均可存储供以后调用成本低，结构简单指向性好,超声波检测的优点,对材料及制件缺陷作精确的定性、定量表征仍需作深入的研究为使超声波能以常用的压电换能器为声源进入试件一般需用耦合剂对试件形状的复杂性有一定限制,超声波检测的局限性,按波源不同可分为：连续波、脉冲波；按波型不同可分为：纵波、横波、表面波、板波、爬波；按接收方式不同可分为：回波（反射）、穿透；按耦合方式不同可分为：接触式、液浸式；按探头数不同可分为：单探头、双探头、多探头。,超声波检测的分类,1、穿透法由超声源发射的超声波借助耦合剂穿过试件为接收器所接收，当试件中声特性阻抗或声衰减有某些变化（如存在宏观缺陷或微观组织结构有变化）时，接收到的超声能量可有变化，这可用仪表来指示。,超声波检测的方法,装置：超声源、接收器、试件及适当的耦合剂。,图3-1穿透法示意图,穿透法设备简单，结果易于说明，但其使用范围不如脉冲反射法广泛是由于：缺陷的可检性随缺陷面积与波束面积之比、缺陷相对于波束的取向、缺陷与探头之间距离的不同而异；不能确定缺陷在试件中距表面的距离；试件几何形状的微小变化可引起接收信号幅度的变化；须从两侧接近试件。,超声波检测的方法,超声波检测的方法,脉冲回波（脉冲反射）技术超声检测中最常用的一种技术，其所用的超声波是一种脉冲波，即波源振动持续时间很短（通常是微秒数量级）、仅在很短一段时间内有振幅（间歇发射）的一种机械波动。,超声波检测的方法,超声检测面示意图,以纵波接触式脉冲回波法为例：探头放置在探测面上，电脉冲激励的超声脉冲通过耦合剂进入工件,超声波检测的方法,接触式脉冲回波法检测原理如工件中无缺陷，超声脉冲可一直传播到工件的底面，如果底面光滑且平行于探测面，按照反射原理，超声脉冲被底面反射而返回探头。探头又将返回的声脉冲变为电脉冲，由仪器显示出来。如果工件有缺陷，超声脉冲的一部分被缺陷反射回探头，其余部分到达底面后再返回探头,超声波检测的方法,始波T:激励脉冲底波B：探头接收到的底面反射声波缺陷波F：探头收到的缺陷反射声波,缺陷与波型的关系1.缺陷尺寸缺陷大时，缺陷波信号增大，底波信号减小缺陷小时，缺陷波信号减小，底波信号增大,裂纹比较小：始波，缺陷波，底波,裂纹比较大：始波，缺陷波,超声波检测的方法,2.缺陷位置T-F的时间代表了超声脉冲从探头到缺陷又返回探头的传播时间；T-B的时间代表了超声脉冲从探头到底面又返回探头的传播时间。根据介质声速和传播时间，可确定缺陷的位置,两个缺陷时的波形,工件底面不平行检测面时的波形,超声波检测的方法,超声波检测的方法,检测仪组成发射电路：接收电路：显示器：A型显示：显示反射面在试件中埋藏深度及反射信号的幅度；B型显示：显示反射面在试件纵截面上的分布；C型显示显示反射面在平面视图上的分布。超声传感器：超声探头,超声波检测的方法,A型反射法,A型显示超声仪的基本电路框图,汕头超声仪器厂生产的CTS-8005A型模拟式超声波探伤仪（A型显示）,北京时代公司生产的UTD210型数字式超声波探伤仪（A型显示）,检测过程可分为以下几个步骤：同步电路以给定的频率（仪器的脉冲重复频率）产生周期性同步脉冲信号，一方面触发发射电路产生激励电脉冲加到探头上产生脉冲超声波，另一方面控制基电路产生锯齿波加到示波管X轴偏转板上使光点从左到右随时间动；超声波通过耦合剂射入试件遇到界面即产生反射；回波由己停止激振的原探头接收（单探头工作方式）或由另一探头接收（双探头工作方式）转换成相应的电脉冲经放大电路放大加到示波管的Y轴偏转板上；光点不仅在X轴上按时间作线性移动尚受Y轴偏转极上电压的影响作垂直运动,从而在时间基线上出现波形;根据反射波在时间基线上的位置可确定反射面与超声入射面的距离；根据回波幅度可确定回波声压大小。,超声波检测的方法,波形高低（回波振幅）表示接收超声信号的幅度大小，它与接收到的超声回波声压大小成正比，在荧光屏刻度板上表示为纵坐标；以波形水平位置表示超声波在被检材料中的传播距离或传播时间，它与超声波的传播时间成正比，在荧光屏刻度板上表示为横坐标。利用A型显示的检测结果，根据所显示的回波振幅高度评估缺陷大小，根据显示回波在水平扫描基线上出现的位置，判断缺陷在被检材料中的深度。检测结果不直观。实际检测时对于缺陷分布、缺陷的几何形状、缺陷的性质判断以及定量评定等还受到操作人员的技术水平、知识经验等主观因素的影响，但其设备相对最简单、轻便、成本最低，是工业超声检测技术中应用最多的显示方式。,超声波检测的方法,超声波检测的方法,B型反射法,图B型显示超声仪的基本电路框图,以纵坐标显示被检材料的截面厚度和缺陷埋藏深度（以超声波传播时间为基础），以横坐标显示超声波探头在探测面上的移动位置，从而构成了被检材料的横截面图形，与医用B超的显示模式基本相似。B型显示能直观地显示出探测面下的缺陷在垂直截面上的分布位置及相对形状大小、水平延伸长度等（二维图像），即能获得断面直观图，但是它无法定量地显示出回波信号的大小强弱，从而在缺陷的定量评定上存在客观困难。,超声波检测的方法,超声波检测的方法,超声波检测的方法,C型反射法,图C型显示超声仪的基本电路框图,示波屏上的纵坐标与横坐标分别表示被检测面的纵坐标与横坐标，显示的结果是以反射回波作为辉度调制信号，在扫查过程中，缺陷回波显示的亮点连成了缺陷平面投影形状，可以方便地评估缺陷平面投影面积的大小，结合缺陷所在的位置，有助于判断缺陷的性质。,C型显示的新发展是使荧光屏上的回波亮点其亮度（辉度）与缺陷回波的强弱和缺陷埋藏深度联系起来，利用人眼对颜色分辨率高的特性，发展成为彩色C扫描，用不同的颜色或灰度等级来显示缺陷回波的强弱,超声波检测的方法,超声传感器压电效应：某些单晶材料的结构具有非对称特性，当这些材料受到外加应力作用而产生应变时，其内部晶格结构的变化（形变）会破坏原来宏观表现为电中性的状态，产生极化电场（电极化），所产生的电场（电极化强度）与应变的大小成正比，这种现象称为正压电效应。具有正压电效应的材料在受到外加电场作用时，会有应力和应变发生，其应变与外加电场的大小成正比，此即逆压电效应。压电效应是晶体结构的一个特性，它与晶体结构的非对称性有关，而压电效应的大小及性质则与施加的应力或电场对晶体结晶轴的相对方向有关。,超声波检测的方法,具有压电效应的单晶材料种类很多，最常用的如天然石英（SiO2）晶体，以及人工单晶材料如硫酸锂（Li2SO4）、铌酸锂（LiNbO3）、碘酸锂（LiIO3）等等。实验表明，在一定限度内的压电效应与逆压电效应是线性的。这就是说，在压电效应时，压电晶体表面电荷密度与应变的大小成正比，当应变改变符号时，电荷也改变符号；在逆压电效应时，压电晶体在外电场作用下应变的大小与电场强度成正比，当电场反向时，应变也反向。但是，如果外加电场或应力过大时，所出现的压电效应及其逆效应则呈现非线性关系。,超声波检测的方法,压电换能器根据探头的用途和结构特点来分类,大致上有:普通直探头普通斜探头：横波探头，表面波探头兰姆波探头，可变角探头组合双晶探头聚焦探头其他特殊(专用)探头：超声测厚探头，钢轨探头电磁超声探头，相控阵探头，可变聚焦阵列探头,超声波检测的方法,超声波检测的方法,超声换能器的选择根据检验对象，合理选择探头，主要是频率、晶片尺寸和角度等方面的选择。频率：频率高时，波长短，声束窄，扩散角小，能量集中，发现小缺陷能力强，分辨率高。扫查空间小，高频超声波在材料中衰减大，穿透能力差。频率低时，波长长，声束宽，扩散角大，能量不集中，发现小缺陷能力差，分辨率差。扫查空间大，低频超声波在材料中衰减小，穿透能力强,超声波检测的方法,晶片尺寸：晶片尺寸大，发射能量大，扩散角小，扫查空间大，发现远距离小缺陷的能力高，适合大型工件探伤。小直径晶片的探头在近场范围内声束窄，有利于缺陷定位，适宜于较小厚度工件的探伤。角度：横波、表面波、兰姆波探伤时考虑。,超声波检测的方法,目录,综述,无损检测技术方法介绍,超声无损检测,复合材料领域的应用,航空航天标准整理,快速高效自动化检测技术,如空客研发的超声多通道检测技术，检测速度加快30倍平面结构可达80个检测通道数，曲面结构可达16个检测通道数无损检测和缺陷评估方面已形成规范标准体系,ATR72机翼下蒙皮浸于水中超声检测,A380复合材料超声自动检测,制造缺陷,服役损伤,国外检测评价,复合材料结构缺陷损伤成因及分类,检测,热膨胀系数不匹配，储存时间过长,增强材料未经处理,含胶量过低,粘接剂不合理，胶结强度低,铺层间隔时间过长,树脂提前固化,分层,压缩强度和刚度,固化工艺不合理,复合材料结构典型的最严重的缺陷,复合材料结构缺陷对性能的影响,无损检测技术在飞机结构设计中的作用,静强度设计,安全寿命设计,损伤容限设计,基本思想是保证结构的静强度，不考虑寿命。无损检测只是考虑缺陷对静强度的影响，回答“多小的裂纹可检查出来”的问题。,由疲劳问题引出了安全寿命设计。此设计方法不考虑初始缺陷和服役过程中可能产生裂纹的事实，因而不能够有效地保证结构在寿命期内的安全性。,基于断裂力学理论和对缺陷检测可靠性的定量评价技术。该设计方法承认结构中带有初始缺陷，并能能够接受裂纹存在、在给定检修期内扩展，但不导致破坏。,复合材料典型的各向异性和层状介质,声波在复合材料中传播规律,超声无损检测方法对复合材料缺陷定性定量准确,超声无损检测最为重要和广泛的方法,超声无损检测在复合材料领域的应用,超声无损检测在复合材料领域的应用,复合材料结构超声无损检测,检测设备的性能参数对检测结果的影响,常规超声检测设备关键的参数：激励能量（幅值）、滤波器频带、放大器增益、数据采样率采样位数（精度）,典型的性能指标：增益范围：0100dB，可调步进量0.1dB频率范围：0.535MHz；带宽：0.5-15MHz（-3dB）脉冲发生器：可调电压（最大500V）脉冲重复频率：0.110KHz,影响检测结果的因素分析：理论分析和试验对比,复合材料结构超声无损检测,信号阈值、位置的选取对扫描图像的影响,超声检测扫描图像的生成来源于检测信号中所表征的材料内部特征,缺陷信号特征的定性分析,不同的信号阈值（闸门高度）和位置将形成不同扫描图像。,复合材料结构中，由于衰减和散射比较严重，所以检测信号的信噪比较低,超声波在缺陷处会发生反射和散射等现象，可能获得缺陷的类型、损伤程度等信息通过扫描成像结果也可以对结构内部特征进行分析,复合材料结构超声无损检测,T700试样检测分析采用水浸底波衰减法，应用超声C扫描系统对碳纤维等厚层合板进行检测。,复合材料结构超声无损检测,5MHz探头,1MHz探头,调整闸门值,复合材料结构超声无损检测,塑料片和塑料膜片夹层,局部减薄,纤维褶皱,油膜夹层,复合材料结构超声无损检测,超声探头参数的选择高频探头对材料内部特性的微小变化更敏感；若试样内直径较大（大于