工程无损检测的基本原理何小军2019年12月62课件

工程无损检测的基本原理何小军2019年12月无损检测技术概述无损检测技术的发展历程无损检测的主要方法概述无损检测技术的发展历程—无损检测技术的发展阶段2无损检测3检测评价1无损探伤早在20世纪30年代，人们就开始无损检测技术的研究，大体来讲，分为以下3个阶段：第一阶段：无损探伤阶段（NDInspection），探测试件是否存在缺陷；第二阶段：无损检测阶段（NDTest），探测试件是否存在缺陷及其结构、性质、位置等；第三阶段：无损评价阶段（NDEvaluate），不仅要掌握缺陷的有无、属性、位置、大小等信息，还要评估分析其对被检构件的影响程度。无损检测技术的发展历程无损检测技术方法

21世纪以后，由于计算机技术、数字化与图像识别技术、人工神经网络技术和机电一体化技术的快速发展，无损检测的方法和种类日益繁多，射线、激光、红外、微波、液晶等技术都被应用于无损检测。CT声纳/超声波无损检测技术的发展历程无损检测的主要方法概述工程无损检测主要方法分类情况分类代表检测方法检测量波动振动类冲击弹性波、超声波、AE、打声法振幅、频率、相位、时间、速度电磁波类电磁诱导、微波（探地雷达）振幅、频率、相位、时间、速度红外线、可见光（激光）、颜色、灰度、相干等X射线法射线的衰减其它类回弹法等回弹值无损检测的主要方法概述

冲击弹性波法、超声法

利用机械式或者压电式在测试对象内部或表面产生一个微小扰动，再利用接收装置接收该微小扰动，从而检测对象内部状态的方法。

核心在于物体粒子本身在运动（振动）冲击弹性波检测仪超声检测仪冲击弹性波法超声法采用机械式激振，振动传感器接收信号，频率通常在数KHz～50KHz采用压电式晶体激振和接收，激发的信号频率超过20KHz，一般在数百KHz及以上能量较大，可适用于大型构件受钢筋等的影响小、测试结果稳定性好测试方法多样、频域/时域能量小，一般适用于小型构件VS无损检测的主要方法概述对缺陷敏感，受钢筋、骨料等的影响大测试方法较为单一、不适合频域分析在交通工程中，除了钢结构缺陷检测外，冲击弹性波法均具有优势红外热像法X射线雷达法电磁感应原理：通过发射的电磁微波在对象物体的反射来判别。特点：只需一个测试面，对金属敏感缺点：对材料力学特性钝感原理：物体向外进行热辐射，并通过采集热辐射信号检测表面温度，然后以图像方式表现特点：无接触、遥感测试面积大缺点：检测范围浅，受天气影响原理：利用射线穿过物质，并被其衰减特点：穿透力强、结果直观、分辨率高劣势：放射性强、设备庞大、检测费用高无损检测的主要方法概述

以上各种方法均具有局限性检测人员的水平、现场操作状态等均对检测结果带来影响可选用多种方法以相互印证

必要时还可采用取芯等微破坏的方式加以验证无损检测的主要方法概述1、冲击弹性波基本原理冲击弹性波的基本概念冲击弹性波信号测试及分析基础代表无损检测技术简介冲击弹性波检测的应用1.1基本概念振动和波的概念弹性波的分类振动波动的基本要素冲击弹性波的产生激振信号强弱对测试的影响冲击弹性波的传播（波速）冲击弹性波的反射特性1.1.1振动和波的概念物体在一定位置附近来回往复运动，称为振动。简谐振动是最基本的振动。振动是物质的一种运动形式，波动是振动的传播过程。振动VS波动对于连续介质，当某一质点振动时，该质点的振动能量就会传递到周围质点上，从而引起周围质点的振动。这种振动能量在介质内部的传播过程称为波动。振动概念波动概念1.1.2弹性波的分类■P波（纵波/压缩波/疏密波）质点的振动方向与波的传播方向平行波速最快■

S波（横波/剪切波）质点的振动方向与波的传播方向垂直

波峰—波形凸起部分波谷—波形凹下部分分类标准：介质质点的振动方向与波动的传播方向的关系P波、S波也称为体波，可传播到物体内部和深处。1.1.2弹性波的分类■瑞利波（表面波）沿半无限弹性介质自由表面传播用符号“R”表示根据激振方式分类稳态瑞利波→激振器瞬态瑞利波→锤击

稳态1.1.2弹性波的分类■板波（Lame波）在板状介质中传播对称型（S型）非对称型（A型）■其他波弯曲波

爬波楔波分类P波S波R波L波速度最快约为P波波速的60%约为P波波速的55%随频率而变化对材料力学特性的依存性主要依存于E主要依存于G主要依存于G依存于E、G弹性波主要成分特点1.1.3振动波动的基本要素简谐振动方程设定义：凡是决定其位置的坐标按余弦或正弦函数规律随时间变化的振动都是简谐振动。解上式得1.1.3振动波动的基本要素波的传播速度：V，即波动在媒介中传播的速度波动的基本要素相位：θ，与振动相似，描述波的起始位置。波长：

，一个周期内波动传播的距离波数：k1.1.4冲击弹性波的产生

激振信号频率

激振锤越小、产生的频率越高

打击对象越硬、激振锤与被测体间的接触时间越短，信号频率也越高1.1.5激振信号强弱对测试的影响

冲击弹性波的激振力度无法精确地控制。激振信号的强弱对于检测结果的影响可以分为三类：有直接影响：如果需要明确知道激振信号幅值的测试，如利用冲击特性的检测技术（落球检测技术等）；有间接影响：如利用反射振幅、能量衰减特性的检测技术。这类技术需要使用信号的相对幅值，以每次激发信号的幅值为基准；理论上影响很小：如采用弹性波频率、传播时间、相位的检测技术。这类技术不使用信号的幅值或相对幅值。1.1.6冲击弹性波的传播（波速）P波E为弹性模量，u为泊松比，ρ为密度。S波G为材料的切变模量R波L波Lame波的速度，不仅取决于材料特性，还与波长L及厚度H相关，其理论解非常复杂。1.1.7冲击弹性波的反射特性■弹性波的反射在两种媒介垂直入射的情况中间有不同夹层的情况1.2信号测试及分析基础标准信号采集系统的组成AD转换的概念，采样和采样精度及采样频率频谱分析技术种类1.2.1标准冲击弹性波采集系统的组成■传感器■信号调理模块■

A/D转换模块0102031.2.2标准信号采集系统的组成能感受规定的被测量元件并按照一定规律转换成可用信号的器件或装置通常由敏感元件和转换元件组成。■传感器■传感器的分类按物理量分类：加速度、位移、温（湿）度、压力、流量、液位、转矩、力等传感器按工作原理分类：振动、湿（磁、气）敏、电（光）学式、电荷、半导体、谐振式等传感器1.2.2标准冲击弹性波采集系统的组成■信号调理低通LPF高通HPF带通带阻基本形式主要分类高通滤波器（HPF）对输入信号放大、滤波等将输入信号转换成处理模块能够识别的信号

滤波是抑制、消除噪声的主要手段：尽可能使有用信号通过，衰减无用信号1.2.2AD转换的概念，采样和采样精度及采样频率■A/D转换的概念把模拟信号转换成数字信号

把连续信号转换成离散信号（采样）A/D转换过程1.2.2AD转换的概念，采样和采样精度及采样频率将连续信号转换成离散信号的过程称为采样。

采样精度通常用Bit（比特）数来表示。1个Bit可以将采样区间分解为1/2，N个Bit则可将采样区间分解为1/2N。

根据噪声范围，可以选择最优化采样精度■采样及采样精度1.2.2AD转换的概念，采样和采样精度及采样频率

在时间轴上对信号进行量子化的频率（时间间隔）即称为采集频率或采样间隔。常用Ksps和Msps来表示每秒采样千/百万次。采集频率越高（间隔越短），对模拟信号的再现性越好。一般应高于对象信号频率的5倍；

过高的采样频率造成数据量过大。■采样频率（采样间隔）1.2.3信号分析■频谱分析■降噪

FFT

MEM■信号提取相关分析小波分析（Wavelet）

功率谱滤波解耦1.3冲击弹性波检测的应用1.3冲击弹性波检测的应用

利用冲击弹性波的激发、传播、反射以及振动特性，可检测结构的各种力学特性和健全性。■应用领域弹性波的激发（打击冲击特性）施工管理，地基材料的力学特性混凝土表层刚性、粘着强度弹性波的激发（AE）结构物健全性监测1.3冲击弹性波检测的应用■应用领域