常用无损检测方法

常用无损检测方法1超声检测

2射线检测

3涡流检测

4声发射检测

5红外检测

6激光全息检测

7其他无损检测方法

1.超声波的特点超声波波长很短，这决定了超声波具有一些重要特性，使其能广泛应用于无损检测。

1)方向性好超声波具有像光波一样定向束射的特性。

2）穿透能力强对于大多数介质而言，它具有较强的穿透能力。例如在一些金属材料中，其穿透能力可达数米。

3）能量高超声检测的工作频率远高于声波的频率，超声波的能量远大于声波的能量。

4）遇有界面时，将产生反射、折射和波型的转换。利用超声波在介质中传播时这些物理现象，经过巧妙的设计，使超声检测工作的灵活性、精确度得以大幅度提高。1超

声

检

测

声衰减系数超声波的衰减指的是超声波在材料中传播时，声压或声能随距离的增大逐渐减小的现象。引起衰减的原因主要有三个方面：一是声束的扩散；二是由于材料中的晶粒或其他微小颗粒引起声波的散射；三是介质的吸收。在超声检测中，谈到超声波在材料中的衰减时，通常关心的是散射衰减和吸收衰减，而不包括扩散衰减。

对于平面波来说，

声压幅值衰减规律可用下式表示：

（6-10）

介质中超声波的衰减系数α与超声波的频率关系密切，通常情况下，衰减系数随频率的增高而增大。

将式(6-10)两边取对数可转换为以下关系式：

（6-11）

此时，的单位为dB／mm(分贝／毫米)。

在超声检测中，直接可测量的量是两个声压比值的分贝数。因此衰减系数可通过超声波穿过一定厚度（Δx）材料后声压衰减的分贝（ΔdB）数进行测量，将衰减量(ΔdB)除以厚度即为衰减系数α。

超声波在介质中的传播特性

1.超声波垂直入射到平界面上的反射和透射

如图6-7所示，当超声波垂直入射到两种介质的界面时，一部分能量透过界面进入第二种介质，成为透射波(声强为It)，波的传播方向不变；另一部分能量则被界面反射回来，沿与入射波相反的方向传播，成为反射波(声强为Ir)。声波的这一性质是超声波检测缺陷的物理基础。6.1.5超声波检测方法

1.超声检测设备和器材超声检测设备和器材包括超声波检测仪、探头、试块、耦合剂和机械扫查装置等。超声检测仪和探头对超声检测系统的性能起着关键性的作用，是产生超声波并对经材料中传播后的超声波信号进行接收、处理、显示的部分。由这些设备组成一个综合的超声检测系统，系统的总体性能不仅受到各个分设备的影响，还在很大程度上取决于它们之间的配合。随着工业生产自动化程度的提高，对检测的可靠性、速度提出了更高的要求，以往的手工检测越来越多地被自动检测系统取代。

1)超声波检测仪超声波检测仪是超声检测的主体设备，是专门用于超声检测的一种电子仪器。

(1)超声波检测仪的作用。它的作用是产生电振荡并加于换能器——探头，激励探头发射超声波，同时将探头送回的电信号进行放大处理后以一定方式显示出来，从而得到被探测工件内部有无缺陷及缺陷的位置和大小等信息。

图6-17A型显示原理图

②按缺陷显示方式分类：脉冲式检测仪按回波信号的显示方式又可分为A型显示、B型显示和C型显示三种类型。

A型显示是一种波形显示，屏幕的横坐标代表声波的传播时间（或距离），纵坐标代表反射波的声压幅度。可以认为该方式显示的是沿探头发射声束方向上一条线上的不同点的回波信息。图6-17为A型显示原理图。图中，T表示发射脉冲，F表示来自缺陷的回波，B表示底面回波。

B型显示显示的是试件的一个二维截面图，屏幕纵坐标代表探头在探测面上沿一直线移动扫查的位置坐标，横坐标是声传播的时间（或距离）。该方式可以直观地显示出被探工件任一纵截面上缺陷的分布及缺陷的深度等信息。图6-18B型显示原理图

C型显示显示的是试件的一个平面投影图，探头在试件表面做二维扫查，屏幕的二维坐标对应探头的扫查位置。探头在每一位置接收的信号幅度以光点辉度表示。该方式可形象地显示工件内部缺陷的平面投影图像，但不能显示缺陷的深度。图6-19为C型显示原理图。

图6-19C型显示原理图

③按超声波的通道分类：可分为单通道和多通道检测仪。④按是否数字化分类：可分为数字式超声波检测仪和模拟式超声波检测仪所谓数字式主要指发射、接收电路的参数控制和接收信号的处理、显示均采用数字方式的仪器。数字式超声检测仪是计算机技术和传统超声检测技术相结合的产物。它具有传统模拟式检测仪的基本功能，同时又增加了数字化带来的先进功能，即实现了仪器功能的精确、自动控制，信号获取和处理的数字化和自动化，检测结果的可记录性和可再现性。以上分类中，模拟式和数字式A型脉冲反射式超声波检测仪在工程实际中应用最为广泛，其型号有CTS-22、CTS-21、JTS-5、CST-3等。图6-20为一组超声波检测仪的图片。

图6-20超声波检测仪(a)、

(b)、

(c)数字式超声检测仪；

(d)探伤小车

2)超声波探头（1）超声波探头的作用。超声波探头用于实现声能和电能的互相转换。它是利用压电晶体的正、逆压电效应进行换能的。探头是组成检测系统的最重要的组件，其性能的好坏直接影响超声检测的效果。（2）常用超声波探头的类型。超声波检测中由于被探测工件的形状和材质、探测的目的、探测的条件不同，因而要使用各种不同形式的探头。其中最常用的是接触式纵波直探头、接触式横波斜探头、双晶探头、水浸探头与聚焦探头等。一般横波斜探头的晶片为方形，纵波直探头的晶片为圆形，而聚焦声源的圆形晶片为声透镜。所以声场就有圆盘源声场、聚焦声源声场和斜探头发射的横波声场。

图6-21为一组探头的图片。

图6-21各种探头(a)纵波直探头；

(b)横波斜探头；

(c)双晶探头

3）试块与耦合剂与一般的测量过程一样，为了保证检测结果的准确性与重复性、可比性，必须用一个具有已知固定特性的试样(试块)对检测系统进行校准。这种按一定的用途设计制作的具有简单形状人工反射体的试件即称为试块。超声检测用试块通常分为两种类型，即标准试块(校准试块)和对比试块(参考试块)。

当探头和试件之间有一层空气时，超声波的反射率几乎为100％，即使很薄的一层空气也可以阻止超声波传入试件。因此，排除探头和试件之间的空气非常重要。耦合剂就是为了改善探头和试件间声能的传递而加在探头和检测面之间的液体薄层。耦合剂可以填充探头与试件间的空气间隙，使超声波能够传入试件，这是使用耦合剂的主要目的。除此之外，耦合剂有润滑作用，可以减少探头和试件之间的摩擦，防止试件表面磨损探头，并使探头便于移动。在液浸法检测中，通过液体实现耦合，此时液体也是耦合剂。常用的耦合剂有水、甘油、

变压器油、化学浆糊等。

2.超声检测方法超声检测的方法很多，可按原理、波型和使用探头的数目及探头接触方式来分类。按原理分类，有脉冲反射法、穿透法和共振法；按显示方式分类，有A型显示、B型显示和C型显示；按波型分类，有纵波法、横波法、表面波法和板波法；按探头数目分类，有单探头法、双探头法和多探头法；按耦合方式分类，有接触法和液浸法；按入射角度分类，有直射声束法和斜射声束法。

1）穿透法穿透法通常采用两个探头，分别放置在试件两侧，一个将脉冲波发射到试件中，另一个接收穿透试件后的脉冲信号，依据脉冲波穿透试件后幅值的变化来判断内部缺陷的情况(见图6-22)。

图6-22直射声束穿透法(a)无缺陷；

(b)有缺陷

2）脉冲反射法脉冲反射法是由超声波探头发射脉冲波到试件内部，通过观察来自内部缺陷或试件底面的反射波的情况来对试件进行检测的方法。图6-23显示了接触法单探头直射声束脉冲反射法的基本原理。

图6-23接触法单探头直射声束脉冲反射法(a)无缺陷；

(b)有缺陷

3）液浸法液浸法是在探头与试件之间填充一定厚度的液体介质作耦合剂，使声波首先经过液体耦合剂，而后再入射到试件中，探头与试件并不直接接触。液浸法中，探头角度可任意调整，声波的发射、接收也比较稳定，便于实现检测自动化，大大提高了检测速度。液浸法的缺点是当耦合层较厚时，声能损失较大。另外，自动化检测还需要相应的辅助设备，有时是复杂的机械设备和电子设备，它们对单一产品(或几种产品)往往具有很高的检测能力，但缺乏灵活性。总之，液浸法与直接接触法各有利弊，应根据被检对象的具体情况(几何形状的复杂程度和产品的产量等)，

选用不同的方法。

3.超声检测通用技术超声检测方法可采用多种检测技术，每种检测技术在实施过程中，都有其需要考虑的特殊问题，其检测过程也各有特点。但各种超声检测技术又都存在着通用的技术问题。例如，检测的过程都可归纳为以下几个步骤：①试件的准备。②检测条件的确定，包括超声波检测仪、探头、试块等的选择。③检测仪器的调整。④扫查。⑤缺陷的评定。⑥

结果记录与报告的编写。

1）超声波检测仪的选择一般市场上出售的A型脉冲反射式超声波检测仪已具备一些基本功能，其基本性能参数(垂直线性、水平线性等)也能满足通常超声检测的要求。对于给定的任务，在选择超声波检测仪时，主要考虑的是该任务的特殊要求，可从以下几方面进行考虑：（1）所需采用的超声频率特别高或特别低时，应注意频带宽度。（2）对薄试件检测和近表面缺陷检测时，应注意发射脉冲是否可调为窄脉冲。（3）检测大厚度试件或高衰减材料时，选择发射功率大、增益范围大、电噪声低的超声波检测仪，有助于提高穿透能力和小缺陷显示能力。

（4）对衰减小或厚度大的试件，选用重复频率可调为较低数值的超声波检测仪，可避免幻象波的干扰。（5）室外现场检测时，应选择重量轻，荧光屏亮度好，抗干扰能力强的便携式超声波检测仪。（6）

自动快速扫查时应选择最高重复频率高的超声波检测仪。

2）

探头的选择

（1）频率。超声波的频率在很大程度上决定了其对缺陷的探测能力。频率的选择可以这样考虑：对于小缺陷、近表面缺陷或薄件的检测，可以选择较高频率；对于大厚度试件、高衰减材料，应选择较低频率。在灵敏度满足要求的情况下，选择宽带探头可提高分辨力和信噪比。针对具体对象，适用的频率需在上述考虑当中取得一个最佳的平衡，既要保证所需尺寸缺陷的检出，并满足分辨力的要求，也要保证在整个检测范围内具有足够的灵敏度与信噪比。

（2）晶片尺寸。探头晶片尺寸对检测的影响主要是通过其对声场特性的影响体现出来的。多数情况下，检测大厚度的试件时，采用大直径探头较为有利；检测厚度较小的试件时，则采用小直径探头较为合理。

应根据具体情况，

选择满足检测要求的探头。

3）耦合剂的选择选择耦合剂主要考虑以下几方面的要求：（1）透声性能好。声阻抗尽量和被探测材料的声阻抗相近。（2）有足够的润湿性、适当的附着力和粘度。（3）对试件无腐蚀，对人体无损害，对环境无污染。（4）

容易清除，不易变质，

价格便宜，来源方便。

6.1.6超声检测技术的应用

1.典型构件的超声探伤技术

1）锻件检测锻件的种类和规格很多，常见的类型有：饼盘件、环形件、轴类件和筒形件等。锻件中的缺陷多呈现面积形或长条形的特征。由于超声检测技术对面积型缺陷检测最为有利，因此锻件是超声检测实际应用的主要对象。

（1）锻件中的常见缺陷。锻件中的缺陷主要来源于两个方面：材料锻造过程中形成的缩孔、缩松、夹杂及偏析等；热处理中产生的白点、裂纹和晶粒粗大等。（2）锻件超声检测的特点。锻件可采用接触法或液浸法进行检测。锻件的组织很细，由此引起的声波衰减和散射影响相对较小。因此，锻件上有时可以应用较高的检测频率(如10MHz以上)，

以满足高分辨力检测的要求，

以及实现较小尺寸缺陷检测的目的。

图6-24轴类件径向和轴向检测示意图

2)铸件检测铸件具有组织不均匀、组织不致密、表面粗糙和形状复杂等特点，因此常见缺陷有孔洞类（包括缩孔、缩松、疏松、气孔等）、裂纹冷隔类（冷裂、热裂、白带、冷隔和热处理裂纹）、夹杂类以及成分类（如偏析）等。铸件的上述特点，形成了铸件超声检测的特殊性和局限性。检测时一般选用较低的超声频率，如0.5～2MHz，因此检测灵敏度也低，杂波干扰严重，缺陷检测要求较低。铸件检测常采用的超声检测方法有直接接触法、

液浸法、

反射法和底波衰减法。

3)焊接接头检测许多金属结构件都采用焊接的方法制造。超声检测是对焊接接头质量进行评价的重要检测手段之一。焊缝形式有对接、搭接、T型接、角接等，如图6-25所示。焊缝超声检测的常见缺陷有气孔、夹渣、未熔合、未焊透和焊接裂纹等。

焊缝探伤一般采用斜射横波接触法，在焊缝两侧进行扫查。探头频率通常为2.5～5.0MHz。发现缺陷后，即可采用三角法对其进行定位计算。仪器灵敏度的调整和探头性能测试应在相应的标准试块或自制试块上进行。

图6-25焊接接头形式(a)对接接头；

(b)搭接接头；

(c)T型接头；

(d)角接接头

4）复合材料检测复合材料是由两种或多种性质不同的材料轧制或粘合在一起制成的。其粘合质量的检测主要有接触式脉冲反射法、脉冲穿透法和共振法。

脉冲反射法适用于复合材料是由两层材料复合而成，粘合层中的分层多数与板材表面平行的情况。用纵波检测时，粘合质量好的，产生的界面波会很低，而底波幅度会较高；当粘合不良时，则相反。

图6-26复合材料的C扫描图

5）非金属材料的检测图

超声波在非金属材料（木材、混凝土、有机玻璃、陶瓷、橡胶、塑料、砂轮、炸药药饼等）中的衰减一般比在金属中的大，多采用低频率检测。一般为20～200kHz，也有用2～5MHz的。为了获得较窄的声束，需采用晶片尺寸较大的探头。塑料零件的探测一般采用纵波脉冲反射法；陶瓷材料可用纵波和横波探测；橡胶检测频率较低，可用穿透法检测。

2射线检测

6.2.1射线检测的物理基础

1.射线的种类和频谱在射线检测中应用的射线主要是X射线、γ射线和中子射线。X射线和γ射线属于电磁辐射，而中子射线是中子束流。

1)X射线

X射线又称伦琴射线，是射线检测领域中应用最广泛的一种射线，波长范围约为0.0006～100nm(见图6-27)。在X射线检测中常用的波长范围为0.001～0.1nm。X射线的频率范围约为3×109～5×1014MHz。

图6-27射线的波长分布

2)γ射线

γ射线是一种波长比X射线更短的射线，波长范围约为0.0003～0.1nm（见图6-27），频率范围约为3×1012～1×1015MHz。

工业上广泛采用人工同位素产生γ射线。由于γ射线的波长比X射线更短，所以具有更大的穿透力。在无损检测中γ射线常被用来对厚度较大和大型整体工件进行射线照相。

3）中子射线中子是构成原子核的基本粒子。中子射线是由某些物质的原子在裂变过程中逸出高速中子所产生的。工业上常用人工同位素、加速器、反应堆来产生中子射线。在无损检测中中子射线常被用来对某些特殊部件(如放射性核燃料元件)进行射线照相。

图6-28钨与钼的X射线谱

2.X射线的产生

X射线是一种波长比紫外线还短的电磁波，它具有光的特性，例如具有反射、折射、干涉、衍射、散射和偏振等现象。它能使一些结晶物体发生荧光、气体电离和胶片感光。

X射线通常是将高速运动的电子作用到金属靶(一般是重金属)上而产生的。图6-28是在35kV的电压下操作时，钨靶与钼靶产生的典型的X射线谱。钨靶发射的是连续光谱，而钼靶除发射连续光谱之外还叠加了两条特征光谱，称为标识X射线，即Kα线和Kβ线。若要得到钨的Kα线和Kβ线，则电压必须加到70kV以上。

图6-34宽束射线的衰减曲线设入射线的初始强度为I0，通过物质的厚度为d，射线能量的线衰减系数为μ，那么射线在透过物质以后的强度Id为（6-31）

因为射线的衰减包括吸收和散射，所以射线的衰减系数μ是吸收系数τ和散射系数σ之和，即μ=τ+σ。由于物质密度愈大，射线在物质中传播时碰到的原子也愈多，因而射线衰减也愈大。为便于比较起见，通常采用质量衰减系数，即

（6-32）

式中：ρ为物质的密度；τ／ρ为质量吸收系数；σ/ρ为质量散射系数。射线的质量吸收系数和散射系数表示如下：

（6-33）

（6-34）

式中：

C为常数；A为元素的原子数；

Z为元素的原子序数；

λ为射线的波长。

当低能射线透过重元素(轻元素和波长很短的射线除外)物质时，射线的衰减主要表现为吸收，由射线散射所引起的衰减可忽略不计，

则

（6-35）

6.2.2Χ射线检测的基本原理和方法

1.Χ射线检测的基本原理

Χ射线检测是利用Χ射线通过物质衰减程度与被通过部位的材质、厚度和缺陷的性质有关的特性，使胶片感光成黑度不同的图像来实现的，如图6-35所示。当一束强度为I0的Χ射线平行通过被检测试件(厚度为d)后，其强度Id由式（6-31）表示。若被测试件表面有高度为h的凸起时，则Χ射线强度将衰减为(6-36)又如在被测试件内，有一个厚度为x、吸收系数为μ′的某种缺陷，则射线通过后，强度衰减为(6-37)若有缺陷的吸收系数小于被测试件本身的线吸收系数，则Ix>Id>Ih，于是，在被检测试件的另一面就形成一幅射线强度不均匀的分布图。通过一定方式将这种不均匀的射线强度进行照相或转变为电信号指示、记录或显示，就可以评定被检测试件的内部质量，达到无损检测的目的。图6-35

X射线检测原理

2.Χ射线检测方法

Χ射线检测常用的方法是照相法，即利用射线感光材料(通常用射线胶片)，放在被透照试件的背面接受透过试件后的Χ射线，如图6-36所示。胶片曝光后经暗室处理，就会显示出物体的结构图像。根据胶片上影像的形状及其黑度的不均匀程度，就可以评定被检测试件中有无缺陷及缺陷的性质、形状、大小和位置。此法的优点是灵敏度高、直观可靠、重复性好，是Χ射线检测法中应用最广泛的一种常规方法。由于生产和科研的需要，还可用放大照相法和闪光照相法以弥补其不足。放大照相可以检测出材料中的微小缺陷。

图6-36

X射线照相原理示意图

6.2.4常见缺陷及其影像特征

1.焊件中常见的缺陷

1）裂纹裂纹主要是在熔焊冷却时因热应力和相变应力而产生的，也有在校正和疲劳过程中产生的，是危险性最大的一种缺陷。裂纹影像较难辨认。因为断裂宽度、裂纹取向、断裂深度不同，使其影像有的较清晰，有的模糊不清。常见的有纵向裂纹、横向裂纹和弧坑裂纹，

分布在焊缝上或热影响区。

图6-45焊缝裂纹照片

2）未焊透

未焊透是熔焊金属与基体材料没有熔合为一体且有一定间隙的一种缺陷。在胶片上的影像特征是连续或断续的黑线，黑线的位置与两基体材料相对接的位置间隙一致。图6-46是对接焊缝的未焊透照片。

图6-46对接焊缝未焊透照片

3）气孔气孔是在熔焊时部分空气停留在金属内部而形成的缺陷。气孔在底片上的影像一般呈圆形或椭圆形，也有不规则形状的，以单个、多个密集或链状的形式分布在焊缝上。在底片上的影像轮廓清晰，边缘圆滑，如气孔较大，还可看到其黑度中心部分较边缘要深一些(见图6-47)。

图6-47焊缝气孔照片

4）夹渣夹渣是在熔焊时所产生的金属氧化物或非金属夹杂物，因来不及浮出表面，停留在焊缝内部而形成的缺陷。在底片上其影像是不规则的，呈圆形、块状或链状等，边缘没有气孔圆滑清晰，

有时带棱角，

如图6-48所示。

图6-48焊缝夹渣照片

5）烧穿在焊缝的局部，因热量过大而被熔穿，形成流垂或凹坑。在底片上的影像呈光亮的圆形(流垂)或呈边缘较清晰的黑块(凹坑)，

如图6-49所示。

图6-49焊缝烧穿照片

2.铸件中常见的缺陷

1）夹杂夹杂是金属熔化过程中的熔渣或氧化物，因来不及浮出表面而停留在铸件内形成的。在胶片上的影像有球状、块状或其他不规则形状。其黑度有均匀的和不均匀的，有时出现的可能不是黑块而是亮块，这是因为铸件中夹有比铸造金属密度更大的夹杂物，如铸镁合金中的熔剂夹渣，如图6-50所示。

图6-50铸镁合金中的夹杂照片

2）气孔因铸型通气性不良等原因，使铸件内部分气体排不出来而形成气孔。气孔大部分接近表面，在底片上的影像呈圆形或椭圆形，也有不规则形状的，一般中心部分较边缘稍黑，

轮廓较清晰，

如图6-51所示。

图6-51铸件中的气孔照片

3）针孔针孔是指直径小于或等于1mm的气孔，是铸铝合金中常见的缺陷。在胶片上的影像有圆形、条形、苍蝇脚形等。当透照较大厚度的工件时，由于针孔分布在整个横断面，

针孔投影在胶片上是重叠的，

此时就无法辨认出它的单个形状了。

4）疏松浇铸时局部温差过大，在金属收缩过程中，邻近金属补缩不良，产生疏松。疏松多产生在铸件的冒口根部、厚大部位、厚薄交界处和具有大面积的薄壁处。在底片上的影像呈轻微疏散的浅黑条状或疏散的云雾状，严重的呈密集云雾状或树枝状，如图6-52所示。

图6-52铸件内部疏松照片

5）裂纹裂纹一般是在收缩时产生，沿晶界发展。在底片上的影像是连续或断续曲折状黑线，

一般两端较细，如图6-53所示。

图6-53铸件裂纹照片

6）冷隔冷隔由浇铸温度偏低造成，一般分布在较大平面的薄壁上或厚壁过渡区，铸件清理后有时肉眼可见。

在底片上的影像呈黑线，

与裂纹相似，

但有时可能中部细而两端较粗。

4.缺陷埋藏深度的测定根据缺陷在底片上的影像，只能判定缺陷在工件中的平面位置，也就是说，只能把缺陷位置以两个坐标表示出来。为了确定第三个坐标，即决定缺陷所在位置的深度，必须进行两次不同方向的照射。

5.缺陷在射线方向上的厚度测定缺陷在射线束方向的厚度(如气孔直径或未焊透深度等)测定方法，可用测量缺陷在底片上的影像黑度来估计。

6.表面缺陷和伪缺陷

1）表面缺陷对于缺陷，主要应检查工件内部缺陷，但是各种表面缺陷在胶片上的影像和内部缺陷的影像并没有什么区别，表面缺陷有些是允许的。因此，在胶片上发现有缺陷影像后，应与工件表面仔细查对，

最后得出结论。

2）伪缺陷伪缺陷产生的原因很多，形状也多种多样，检测人员一般凭经验能识别大部分伪缺陷。也就是说，对缺陷影像可根据缺陷影像的特征和产生的部位予以分析。此外，还可以从胶片两侧利用反光或放大镜观察表面是否划伤来判断。如仍怀疑有缺陷，则必须重照复验。

6.2.5γ射线检测及中子射线检测简介

1.γ射线检测的特点

γ射线与X射线检测的工艺方法基本上是一样的，但是γ射线检测有其独特的地方。

(1)γ射线源不像X射线那样，可以根据不同检测厚度来调节能量(如管电压)，它有自己固定的能量，所以要根据材料厚度、精度要求合理选取γ射线源。

(2)γ射线比X射线辐射剂量(辐射率)低，所以曝光时间比较长，曝光条件同样是根据曝光曲线选择的，并且一般都要使用增感屏。

(3)γ射线源随时都在放射，不像X射线机那样不工作就没有射线产生，所以应特别注意射线的防护工作。

(4)γ射线比普通X射线穿透力强，但灵敏度较X射线低，它可以用于高空、水下及野外作业。在那些无水无电及其他设备不能接近的部位(如狭小的孔洞或是高压线的接头等)，均可使用γ射线对其进行有效的检测。

2.中子射线照相检测的特点中子射线照相检测与X射线照相检测、γ射线照相检测相类似，都是利用射线对物体有很强的穿透能力，来实现对物体的无损检测。对大多数金属材料来说，由于中子射线比X射线和γ射线具有更强的穿透力，对含氢材料表现为很强的散射性能等特点，从而成为射线照相检测技术中又一个新的组成部分。

6.2.6射线的防护

1.屏蔽防护法屏蔽防护法是利用各种屏蔽物体吸收射线，以减少射线对人体的伤害，这是射线防护的主要方法。一般根据X射线、γ射线与屏蔽物的相互作用来选择防护材料，屏蔽X射线和γ射线以密度大的物质为好，如贫化铀、铅、铁、重混凝土、铅玻璃等都可以用作防护材料。但从经济、方便出发，也可采用普通材料，如混凝土、岩石、砖、土、水等。对于中子的屏蔽除能防护γ射线之外，

还以特别选取含氢元素多的物质为宜。

2.距离防护法距离防护在进行野外或流动性射线检测时是非常经济有效的方法。这是因为射线的剂量率与距离的平方成反比，增加距离可显著地降低射线的剂量率。若离放射源的距离为R1处的剂量率为P1，在另一径向距离为R2处的剂量率为P2，则它们的关系为：

（6-49）

显然，增大R2可有效地降低剂量率P2，在无防护或护防层不够时，这是一种特别有用的防护方法。

3.时间防护法时间防护是指让工作人员尽可能的减少接触射线的时间，以保证检测人员在任一天都不超过国家规定的最大允许剂量当量(17mrem)。

人体接受的总剂量：D=Pt，其中，P为在人体上接受到的射线剂量率，t为接触射线的时间。

由此可见，缩短与射线接触时间t亦可达到防护目的。如每周每人控制在最大容许剂量0.1rem以内时，则应有D≤0.1rem；如果人体在每透照一次时所接受到的射线剂量为时，则控制每周内的透照次数N≤0.1，亦可以达到防护的目的。

4.中子防护

1）减速剂的选择

快中子减速作用，主要依靠中子和原子核的弹性碰撞，因此较好的中子减速剂是原子序数低的元素如氢、水、石蜡等含氢多的物质，它们作为减速剂使用减速效果好，价格便宜，是比较理想的防护材料。

2）吸收剂的选择对于吸收剂要求它在俘获慢中子时放出来的射线能量要小，而且对中子是易吸收的。锂和硼较为适合，因为它们对热中子吸收截面大，分别为：71barn(靶)和759barn，锂俘获中子时放出γ射线很少，可以忽略，而硼俘获的中子95％放出0.7MeV的软γ射线，比较易吸收，因此常选含硼物或硼砂、硼酸作吸收剂。在设置中子防护层时，总是把减速剂和吸收剂同时考虑；如含2％的硼砂(质量分数，下同)、石蜡、砖或装有2％硼酸水溶液的玻璃(或有机玻璃)水箱堆置即可，特别要注意防止中子产生泄漏。

3

涡流检测3.1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。

图6-54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1／e（36.8%）时对应的深度为标准透入深度，也称趋肤深度，用符号δ表示，其数学表达式为

（6-50）

图6-55几种不同材料的标准透入深度与频率的关系

图6-56透入半无限大导体的涡流密度与透入深度的关系

3.2涡流检测的阻抗分析法

图6-57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

（6-51）

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。

（6-52）

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

（6-53）

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6-58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6-58初级线圈的阻抗平面图

图6-59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μ、电导率为σ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μeff表示，同时推导出它的表达式为（6-54）

其中，

。

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

（6-55）

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6-60μeff与f/fg的关系曲线

3）涡流检测相似律有效磁导率μeff是一个完全取决于频率比f/fg大小的参数，而μeff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η=(d/D)2，η<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（6-56）

图6-61η=1时，

含铁磁性导电圆柱体的线圈复阻抗平面图

通过式（6-56）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σ、磁导率μ、几何尺寸、缺陷以及试验频率等。（1）电导率σ。根据式（6-56）可知，电导率的变化对阻抗的影响主要反映在有效磁导率μeff内，即只影响了μeff的参变量f/fg=2πfμσr2，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μ。对于非铁磁性材料有μ=μrμ0≈μ0，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μr≠1，所以需要考虑磁导率的影响。当填充系数η=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(6-56)可以看出，铁磁性材料的磁导率μ对线圈阻抗的影响是双重的：一方面改变了μeff的参变量f/fg=2πfμσr2，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（6-56）中的ημrμ0μeff值，使阻抗值落到新的μr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6-61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rη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6-62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6-62裂纹对线圈视在阻抗变化的影响

（5）检测频率。由式(6-56)可以看出，检测频率对线圈阻抗的影响表现在影响μeff的参变量f/fg=2πfμσr2上。因此，试验频率f和电导率σ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。①

薄壁管件。

对非铁磁性材料的薄壁管件，特征频率为

（6-57）

式中：di为管件内径；w为管件壁厚。管件的填充系数η=(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。②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。①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。②

厚壁管件。对于非铁磁性材料的厚壁管件，其特征频率为

（6-58）

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6-63。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6-63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6-64)。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6-64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6-65)。

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6-65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6-66所示。

图6-66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。

（6-59）

式中：

Z2、Z4为固定桥臂阻抗；ΔZ3为检测线圈阻抗的变化，通过测量U，可间接得到ΔZ3。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6-67)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0.5m／s。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75mm时，宜采用小尺寸的探头式线圈(见图6-68)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6-67检测管材的穿过式线圈

图6-68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。

6.4声

发

射

检

测

6.4.1声发射检测的原理及特点

1.声发射检测的原理声发射(AcousticEmission，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6-69声发射技术基本原理

声发射检测的主要目标是：①确定声发射源的部位；②分析声发射源的性质；③确定声发射发生的时间或载荷；④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6-70；

厚度接近波长的薄板中，还会产生板波。

图6-70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6-70)。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6-71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6-71声发射波在厚板中的传播示意图

图6-72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6-73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(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。

（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6-74。

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6-74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6-75所示。

图6-75突发信号特征参数

表6-1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6-76（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6-76突发型声发射信号波形和频谱曲线(a)波形；

(b)频谱

图6-77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：①检测动态缺陷而不是静态缺陷，如缺陷扩展；②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6-78源定位分类图6-79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Δt，波速为v，则可得下式：

|QS1-QS2|=υΔt（6-60）

图6-80一维定位法

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6-81。

图6-81二维(平面)定位法

若由传感器S1和S3间的时差ΔtX所得的双曲线为l，由传感器S2和S4间的时差ΔtY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υ，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：（6-61）

（6-62）

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6.82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6.82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6.82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6-2所示。

表6-2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6-83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6-83。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6-84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6-84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，Li／MnO2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

6.5红

外

检

测

6.5.1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。

6.5.2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