安全檢測與監控主講：樊建春六、結構完整性檢測內容簡介一、結構完整性檢測概述二、超聲檢測與聲發射檢測技術三、射線檢測技術四、電磁檢測技術五、滲透檢測技術六、紅外檢測技術六、結構完整性檢測1.結構完整性(

StructuralIntegrity)6.1結構完整性問題

反映組成工程系統的構件安全可靠服役的能力。完整性良好意味著：①構件在物理上和功能上是完整的；②構件處于受控狀態；③存在持續性措施防止構件在運行階段發生事故；結構完整性與構件設計、制造、安裝、施工、運行、維護、檢修和管理的各個過程密切相關。結構完整性著重研究安全工程系統中機的問題及其影響因素。六、結構完整性檢測6.1結構完整性問題

結構完整性不足或喪失，意味著：①結構出現損傷（缺陷），難以保證安全可靠服役；②構件功能部分或完全喪失；③運行階段所采取的措施不足以預防失效事故的發生。受各種復雜因素的影響，工程系統的構件在運行過程中的結構完整性實際上是動態變化的，對結構完整性適時進行檢測與評價，是結構完整性管理的核心任務之一。六、結構完整性檢測6.1結構完整性問題六、結構完整性檢測6.1結構完整性問題六、結構完整性檢測6.1結構完整性問題六、結構完整性檢測6.1結構完整性問題

結構完整性檢測與評價的主要工作內容：1、系統工況分析，確定被測對象的檢測條件要求；2、依據條件要求，選擇合適的檢測方法；3、確定檢測實施方案；4、檢測方案實施，采集數據；5、檢測數據處理；6、檢測結果分析、解釋；7、結構完整性評價：剩余工作能力、建議措施、預測六、結構完整性檢測6.1結構完整性問題

常用結構完整性檢測方法：1、電磁檢測技術（磁粉、漏磁、渦流、磁記憶）；2、超聲檢測技術；3、聲發射檢測技術；4、射線檢測技術；5、滲透檢測技術；6、紅外檢測技術。超聲波檢測主要用于檢測試件的內部缺陷，它的應用十分廣泛。用于探傷的超聲波頻率為0.4～25MHz。6.2.1超聲波的發生及其性質1.超聲波的發生和接收壓電效應：對某些物質，當沿著一定方向施加力而使其變形時，在一定表面上將產生電荷，外力去掉后又重新回到不帶電狀態的現象。反之，如在這些物質的極化方向施加電場，這些物質又在一定方向上產生機械變形或機械應力，當外電場撤去時這些變形或應力則隨之消失，這種現象為逆壓電效應。六、結構完整性檢測6.2超聲波檢測技術超聲波的產產生（逆壓壓電效應））：對壓電材料料施加交變變電壓，從從而產生交交替的壓縮縮和拉伸，，由此產生生振動，振振動頻率與與交變電壓壓的頻率相相同，當施施加在壓電電晶體上的的交變電壓壓頻率在超超聲波范圍圍內時，產產生的振動動就是超聲聲波振動。。如將這種種振動耦合合到彈性介介質中，則則在彈性介介質中傳播播的就是超超聲波。超聲波的接接收：將超聲能轉轉變為電能能的過程，，利用壓電電材料的壓壓電效應。。超聲波檢檢測所利用用的探頭，，一方面用用于發生超超聲波，另另一方面用用于接收從從界面、缺缺陷返回的的超聲波。。六、結構完完整性檢測測6.2超聲波檢測測技術2、超聲波的的種類縱波：聲波波介質質點點的振動方方向與傳播播方向一致致；橫波：在固固體介質中中傳播的剪剪切波（質質點運動方方向垂直于于聲波傳播播方向）；；表面波：在在固體介質質表面傳播播的波（質質點運動為為橢圓形，，且橢圓的的主軸垂直直于波的傳傳播方向））；是一種種僅沿固體體表面傳播播的剪切波波；板波波（（Lamb）：：在在薄薄板板中中傳傳播播的的波波，，平平行行于于測測試試表表面面，，質質點點運運動動軌軌跡跡也也是是橢橢圓圓形形，，僅僅當當被被測測材材料料厚厚度度為為檢檢測測頻頻率率下下的的幾幾個個波波長長時時，，在在厚厚度度均均勻勻的的地地方方才才會會產產生生。。超聲聲波波檢檢測測中中，，直直探探頭頭產產生生縱縱波波，，斜斜探探頭頭產產生生橫橫波波。。六、、結結構構完完整整性性檢檢測測6.2超聲聲波波檢檢測測技技術術六、、結結構構完完整整性性檢檢測測6.2超聲聲波波檢檢測測技技術術波的類型質點振動特點傳播介質應

用縱波質點振動方向平行于波傳播方向固、液、氣體介質鋼板、鍛件探傷等橫波質點振動方向垂直于波傳播方向固體介質焊縫、鋼管探傷等表面波質點作橢圓運動，橢圓長軸垂直波傳播方向，短軸平行于波傳播方向固體介質鋼管探傷等板波對稱型(S型)上下表面：橢圓運動,中心：縱向振動固體介質(厚度與波長相當的薄板)薄板、薄壁鋼管等(δ<6mm)非對稱型(A型)上下表面；橢圓運動，中心：橫向振動3、聲聲速速聲波波在在不不同同介介質質中中的的傳傳播播速速度度：：空氣氣：：340m/s；水：：1500m/s；鋼：：5900m/s（縱縱波波））、、3230m/s（橫橫波波））、、表面面波波：：3007m/s聲速速取取決決于于傳傳播播介介質質的的彈彈性性系系數數、、密密度度和和聲聲波波的的種種類類，，與與頻頻率率和和晶晶片片無無關關。。橫波波的的聲聲速速大大約約是是縱縱波波聲聲速速的的一一半半，，表表面面波波聲聲速速約約為為橫橫波波的的0.9倍。。六、、結結構構完完整整性性檢檢測測6.2超聲聲波波檢檢測測技技術術4、波波長長波在在一一個個周周期期內內或或者者說說質質點點完完成成一一次次振振動動所所經經過過的的路路程程稱稱為為波波長長。。=V/f；V——速度度；；f——頻率率；；：：波波長長在超超聲聲波波檢檢測測中中，，能能被被檢檢測測到到的的最最小小檢檢測測體體的的主主尺尺寸寸至至少少為為檢檢測測頻頻率率下下的的半半波波長長。。如如果果已已經經知知道道要要檢檢測測的的不不連連續續的的臨臨界界尺尺寸寸，，則則有有助助于于選選擇擇合合適適的的檢檢測測頻頻率率。。例1：計計算算頻頻率率為為5MHz的縱縱波波在在鋼鋼鐵鐵中中傳傳播播的的波波長長，，設設低低碳碳鋼鋼中中的的波波速速為為5960m/s。例2：計計算算頻頻率率為為5MHz的縱縱波波在在鋁鋁中中傳傳播播的的波波長長，，設設鋁鋁中中的的波波速速為為6400m/s。六、、結結構構完完整整性性檢檢測測6.2超聲聲波波檢檢測測技技術術5、超超聲聲場場及及其其特特征征量量充滿滿超超聲聲波波的的空空間間叫叫做做超超聲聲場場，，描描述述超超聲聲場場的的特特征征量量有有聲聲壓壓、、聲聲強強、、聲聲阻阻抗抗。。6、波波的的反反射射和和透透射射（1）垂垂直直入入射射時時的的反反射射和和透透射射當超超聲聲波波垂垂直直地地傳傳到到界界面面上上時時，，一一部部分分超超聲聲波波被被反反射射，，而而剩剩余余的的部部分分就就穿穿透透過過去去，，這這兩兩部部分分的的比比率率取取決決于于兩兩種種介介質質的的聲聲阻阻抗抗。。當當鋼鋼中中的的超超聲聲波波傳傳播播到到底底面面遇遇到到空空氣氣介介質質界界面面時時，，由由于于空空氣氣和和鋼鋼中中聲聲波波傳傳播播速速度度和和密密度度相相差差很很大大，，接接近近100%的超聲波被反反射回來，而而當交接界面面為鋼和水時時，有88%的聲能被反射射。聲壓反射率：：R=(Z2-Z1)/(Z2+Z1)，Z1、Z2為兩種介質的的聲阻抗聲壓透射率：：D=2Z2/(Z2+Z1)，Z1、Z2為兩種介質的的聲阻抗（聲阻抗：超超聲場中任一一點的聲壓與與該處質點振振動速度之比比稱為聲阻抗抗；超聲場中中某一點在某某一時刻所具具有的壓強與與沒有超聲波波存在時的靜靜態壓強之差差，稱為該點點的聲壓）六、結構完整整性檢測6.2超聲波檢測技技術（2）斜射時的反反射和透射當超聲波斜射射到界面上時時，在界面上上會產生反射射和折射。六、結構完整整性檢測6.2超聲波檢測技技術i1s2sL反射角和折射射角的大小取取決于兩種介介質的中聲速速。C1—入射波聲速—入射角—反射角L—縱波S—橫波7、指向性聲束集中向一一個方向輻射射的性質，叫叫做聲波的指指向性，探傷傷采用高頻超超聲波，其理理由之一就是是希望它具有有指向性，便便于超聲波探探傷發現缺陷陷，確定缺陷陷位置。8、近場區和遠遠場區在超聲波探頭頭的聲場中，，按聲場變化化的規律分為為近場區和遠遠場區。在近場區，聲聲束可粗略地地認為是圓柱柱形的，且與與傳感器晶片片的直徑相同同，在近場區區以外的遠場場區，聲束會會以圓錐形擴擴散：六、結構完整整性檢測6.2超聲波檢測技技術9、小物體上的的超聲波反射射在超聲波探傷傷中，缺陷尺尺寸的檢出極極限為超聲波波波長的一半半。缺陷尺寸寸越大，越容容易反射。六、結構完整整性檢測6.2超聲波檢測技技術近場區遠場區幅值距離近場區遠場區Y0指數規律衰減減因干涉波動6.2.2超聲波檢測原原理及方法超聲波檢測利利用超聲波通通過兩種介質質的界面時發發生反射和折折射的特性來來探測零件內內部的缺陷。。由于超聲波在在異質界面上上會發生反射射、折射等現現象，尤其是是不能通過氣氣體固體界面面。如果金屬屬中有氣孔、、裂紋、分層層等缺陷(缺陷中有氣體體)或夾雜，超聲聲波傳播到金金屬與缺陷的的界面處時，，就會全部或或部分反射。。反射回來的的超聲波被探探頭接收，通通過檢測儀器器處理，可得得到不同高度度和有一定間間距的波形，，根據波形的的變化特征可可以判斷缺陷陷在工件中的的深度、位置置和形狀。六、結構完整整性檢測6.2超聲波檢測技技術6.2.2超聲波檢測原原理及方法1、脈沖反射法法將具有一定持持續時間和一一定頻率間隔隔的超聲脈沖沖發射到被測測工件上，當當超聲波在工工件內部遇到到缺陷時，就就會產生反射射，根據反射射信號的時差差變化及在顯顯示器上的位位置就可以判判斷缺陷大小小及深度。可以通過改變變入射角的方方法發現不同同方位的缺陷陷，利用表面面波可以檢測測復雜形狀零零件的表面缺缺陷，利用板板波可以檢測測薄板的缺陷陷。六、結構完整整性檢測6.2超聲波檢測技技術1）垂直探傷法法（縱波法））當把脈沖振蕩蕩器發生的電電壓加到晶片片上時，晶片片振動，產生生超聲波脈沖沖。如果被檢檢物是鋼的話話，超聲波以以5900米/秒的固定速度度在鋼內傳播播，超聲波碰碰到缺陷時，，一部分從缺缺陷反射回到到晶片，而另另一部分未碰碰到缺陷的超超聲波繼續前前進，直到被被檢底面才反反射回來。六、結構完整整性檢測6.2超聲波檢測技技術脈沖發生器接收放大器探頭工件缺陷TFBT—發射波F—缺陷波B—底波垂直探傷法能能發現與探傷傷面平行或近近于平行的缺缺陷，適用于于厚鋼板、軸軸類、輪等幾幾何形狀簡單單的工件。2）斜射探傷法法（橫波法））在斜射法探傷傷時，由于超超聲波在被檢檢物中是斜向向傳播的，超超聲波是斜射射向底面不會會有底面回波波。斜射探傷法能能發現與探測測表面成角度度的缺陷，常常用于焊縫、、環狀鍛件、、管材的檢查查。六、結構完整整性檢測6.2超聲波檢測技技術TTFTB’斜射探傷：無無缺陷波形斜射探傷：含含缺陷波形斜射探傷：板板端反射波形形2、共振法若某一頻率的的聲波在被測測工件內傳播播，當工件的的厚度是超聲聲波半波長的的整數倍時，，將引起共振振，儀器顯示示出共振頻率率，利用相鄰鄰兩個共振頻頻率差，可確確定被測工件件的厚度：六、結構完整整性檢測6.2超聲波檢測技技術共振法主要用用于測量壁厚厚；依據前后后檢測共振點點變化，可檢檢測復合材料料膠合質量、、板材點焊質質量、均勻腐腐蝕和板材內內部夾層等。。設備簡單、、測量精確。。3、透射法利用超聲波穿穿透工件后的的能量變化來來判斷工件缺缺陷情況。六、結構完整整性檢測6.2超聲波檢測技技術當工件無缺陷陷時，能量衰衰減小，接收收探頭得到的的信號強；當當存在缺陷時時，由于反射射或折射導致致接收探頭得得到的信號較較弱，依據接接收信號大小小可判斷缺陷陷位置及大小小。發射探頭接收探頭適合探測較薄薄工件的缺陷陷和超聲波衰衰減大的勻質質材料，設備備簡單、操作作方便，速度度快，對形狀狀簡單、批量量大的工件易易實現連續檢檢測；不能檢檢測缺陷深度度、小缺陷，，探傷靈敏度度低，對探頭頭安裝位置要要求高。4、接觸測量與與液浸測量接觸測量利用用探頭與工件件表面之間的的一層耦合劑劑直接接觸進進行探傷。耦耦合劑要求有有較高聲阻抗抗且透聲性好好。操作方便，但但對工件表面面粗糙度要求求高。液浸測量將探探頭與工件全全部浸入液體體，或將探頭頭與工件局部部充入液體進進行探傷。液液浸法當用水水作耦合介質質時，稱作水水浸法。水浸浸法探傷時，，探頭常采用用聚焦探頭以以保證靈敏度度。探頭與工件不不直接接觸，，檢測速度高高，易實現自自動化檢測。。六、結構完整整性檢測6.2超聲波檢測技技術6.2.3超聲波檢測儀儀器1、A型顯示探傷儀儀：波形顯示示：橫坐標代代表聲波的傳傳播時間(或距離)，縱坐標代表表反射波的幅幅度。由反射射波的位置可可以確定缺陷陷位置，由反反射波的幅度度可估算缺陷陷大小。2、B型顯示探傷儀儀：圖象顯示示：橫坐標靠靠機械掃描代代表探頭掃查查軌跡，縱坐坐標靠電子掃掃描代表聲波波的傳播時間間(距離)，可直觀地顯顯示出被探工工件任一縱截截面上缺陷分分布及深度。。3、C型顯示探傷儀儀：圖象顯示示：橫坐標和和縱坐標都是是靠機械掃描描來代表探頭頭在工件表面面的位置。探探頭接收信號號幅度以光點點輝度表示；；當探頭在工工件表面移動動時，熒光屏屏上可顯示出出工件內部缺缺陷的平面圖圖象，但不能能顯示缺陷的的深度。六、結構完整整性檢測6.2超聲波檢測技技術六、結構完整整性檢測6.2超聲波檢測技技術六、結構完整整性檢測6.2超聲波檢測技技術6.2.3超聲波檢測的的應用范圍及及特點1、適應范圍廣廣：金屬、非非金屬、復合合材料均可，，勻質2、對工件無任任何損傷，可可檢測微小不不連續缺陷；；3、單側檢驗，，便于復雜工工件應用；4、穿透力強、、靈敏度高，，可檢測極厚厚部件；5、面積型缺陷陷檢出率高，，體積型檢測測率低；6、檢驗成本低低，速度快，，儀器輕小，，便于現場應應用；7、對確定內部部缺陷的大小小、位置、取取向、埋深、、性質等有綜綜合優勢；8、對缺陷在工工件厚度方向向上定位準確確；9、對人體及環環境無害。六、結構完整整性檢測6.2.4超聲波檢測的的局限性1、接觸測量對對接觸可靠性性要求高，快快速檢測受影影響；2、液浸測量時時，對液體質質量要求高，，雜質會影響響檢測結果；；3、材質、晶粒粒度、內部組組織對探傷有有影響；4、工件不規則則的外形和一一些結構會影影響檢測結果果；5、不平或粗糙糙的表面會影影響耦合和掃掃查，從而影影響檢測精度度和可靠性。。六、結結構完完整性性檢測測目前用用于檢檢測磁磁場的的方法法有多多種，，在具具體選選擇時時，著著重考考慮如如下因因素：：（1）檢測測磁場場范圍圍；（2）靈敏敏度；；（3）頻率率響應應范圍圍，能能否實實現高高速檢檢測；；（4）抗干干擾能能力（（如抗抗溫度度漂移移的能能力））；（5）檢測測信號號的動動態性性能；；（6）工作作壽命命；（7）對提提離效效應的的敏感感程度度；（8）檢測測傳感感器的的綜合合成本本（包包括檢檢測電電路的的復雜雜程度度、使使用成成本等等）；；（9）檢測測傳感感器的的尺寸寸和體體積，，能否否實現現高分分辨率率檢測測。六、結結構完完整性性檢測測6.3電磁檢檢測技技術表2-1不同磁磁敏元元件的的磁場場檢測測范圍圍磁檢測技術磁場范圍價格(元)10-1010-610-2102106鐵磁線圈磁通門1,000-10萬霍爾元件10-1萬磁阻元件10-100巨磁阻10-1000SQUID*1萬-100萬六、結結構完完整性性檢測測磁通門門和超超導量量子磁磁強計計（SQUID）的體體積龐龐大，，價格格高昂昂，一一般用用于特特殊領領域，，而不不適合合于一一般的的無損損檢測測領域域。鐵鐵磁線線圈、、霍爾爾元件件、磁磁阻元元件則則是磁磁場檢檢測的的常用用手段段，巨巨磁阻阻檢測測技術術則是是近年年來迅迅速發發展的的新技技術。。1.鐵磁線線圈鐵磁線線圈傳傳感器器是在在無損損檢測測中使使用最最多、、歷史史最悠悠久的的傳感感器，，一般般由線線圈和和軟磁磁芯組組成，，其響響應函函數很很容易易采用用經典典的法法拉第第電磁磁感應應定律律推導導，在在變磁磁場作作用下下，線線圈中中產生生的電電壓可可表示示為：：fNrdtdBrNVsignal22μ=p六、結結構完完整性性檢測測其中，，N為線圈圈匝數數，πr2為線圈圈截面面積；；dB/dt為磁場場變化化率，，與工工作頻頻率f成正比比。顯顯然，，線圈圈輸出出信號號的幅幅度可可通過過增加加線圈圈匝數數加以以提高高，然然而隨隨著線線圈匝匝數的的增多多，導導線總總長度度增加加，電電阻將將會提提高，，導致致附加加的電電阻噪噪聲，，由此此導致致的線線圈輸輸出電電壓噪噪聲為為：這樣鐵鐵磁線線圈傳傳感器器的信信噪比比SNR與N線圈匝匝數無無關，，而與與r5/2成正比比：顯然，，鐵磁磁線圈圈傳感感器的的信噪噪比隨隨著截截面尺尺寸的的減小小迅速速降低低，或或隨工工作頻頻率的的降低低而減減小.因此，，這類類傳感感器在在高分分辨率率低頻頻應用用場合合的檢檢測效效能將將變得得很差差。rNVnosie/μ5frVVSNRnosiesignal2//μ=六、結結構完完整性性檢測測2.霍爾元元件霍爾效效應緣緣于洛洛倫茲茲力對對磁場場中電電子軌軌道的的的作作用。。在霍霍爾器器件中中，電電壓與與通過過導體體或半半導體體載流流產生生的磁磁場成成正比比。霍霍爾傳傳感器器非常常便宜宜且很很容易易在集集成電電路中中組合合。然然而，，霍爾爾器件件與磁磁阻元元件相相比靈靈敏度度要低低得多多,正逐步步為磁磁阻元元件所所替代代.霍爾傳傳感器器已成成功地地在無無損檢檢測中中得到到廣泛泛應用用，其其主要要缺點點在于于靈敏敏度有有限，，也正正是由由于這這個原原因，，霍爾爾傳感感器的的檢測測效果果很容容易受受檢測測距離離變化化的顯顯著影影響，，提離離效應應比較較嚴重重。六、結結構完完整性性檢測測3.磁阻元元件（（MR）磁阻元元件是是利用用磁阻阻效應應感應應磁場場的磁磁敏元元件。。當磁磁性或或半導導體材材料受受到外外部磁磁場作作用時時，其其電阻阻發生生變化化的現現象，，即磁磁阻效效應。。磁阻阻效應應的發發現，，推動動了能能夠在在多種種場合合替代代應用用成本本較高高的線線圈傳傳感器器的固固態測測磁傳傳感器器的發發展。。材料料的磁磁阻效效應品品質一一般采采用磁磁阻率率來表表示，，其定定義為為：%100minminmax%′-=RRRMR六、結結構完完整性性檢測測磁阻率率反映映出通通過磁磁阻傳傳感器器可獲獲得的的最大大信號號強度度。一一般各向異異性磁磁阻傳傳感器器（AMR）的磁阻阻率為為1-2%，而巨磁阻阻元件件（GMR）的磁阻阻率可可達20-50%。由于磁磁阻率率較為為顯著著，在在實際際磁場場檢測測中得得到廣廣泛應應用的的是各向異異性磁磁阻敏敏感元元件（（AMR），這種種元件件的磁磁致電電阻變變化取取決于于通過過薄膜膜電阻阻條的的電流流與外外場磁磁化方方向之之間的的夾角角；當當外磁磁場方方向與與電流流方向向平行行時，，磁致致電阻阻達到到最大大值，，而當當外磁磁場方方向與與電流流方向向垂直直時，，磁致致電阻阻具有有最小小值；；若外外磁場場與電電流方方向之之間的的夾角角為時，AMR磁敏元件的的電阻為：：)(cos20qRRRD+=六、結構完完整性檢測測圖2-1AMR的磁阻變化化機理解釋釋顯然，AMR在外磁場與與電流方向向之間成45夾角時，六、結構完完整性檢測測圖六、結構完完整性檢測測(a)四個AMR構成的惠斯斯登電橋(b)電橋中具有有不同方位位結構電阻阻圖2-3惠斯登電橋橋與磁阻傳傳感器工作作原理六、結構完完整性檢測測為減小外界界環境對傳傳感器穩定定性的影響響，集成的的磁阻傳感感器芯片中中一般采用用四個相同同的AMR電阻器制成成惠斯登電電橋，這樣樣，當有外外磁場作用用時，不同同結構方位位布置的電電阻器因磁磁化而發生生關于角對對稱的增減減（圖2-3），電橋產產生的輸出出為：在線性范圍圍內，傳感感器的輸出出與外加磁磁場成正比比，即：其中，S為傳感器的的靈敏度，，H為外加磁場場的大小。。磁阻傳感感器的其靈靈敏度與線線性范圍的的大小成反反比，既線線性范圍越越寬，其靈靈敏度越差差。六、結構完完整性檢測測磁阻傳感器器具有以下下特點：（1）尺寸小；；（2）高靈敏度度，允許傳傳感器距被被測鐵磁工工件有一段段較長的距距離；（3）內阻抗小小，對電磁磁噪聲和干干擾不敏感感；（4）可靠性高高；（5）可方便地地裝入線路路板中，實實施成本低低。AMR磁阻傳感器器存在的最最大問題是是磁場檢測測范圍偏低低（最大10Oe）。六、結構完完整性檢測測4.巨磁阻效應應（GMR）GMR是法國的Baibich等人于1988年在多層薄薄膜中發現現的一種新新的磁致電電阻效應，，與傳統的的磁阻效應應相比，這這種效應產產生的磁阻阻率高出一一個數量級級，可達20-50%。巨磁阻元件件由兩層或或多層鐵磁磁性金屬（（如NiFe,CoFe等）膜組成成，各層之之間為超薄薄的非磁性性金屬隔離離層。可以以將鐵磁層層看成電子子自旋的極極化過濾器器，隔離層層可在允許許電子穿過過的同時，，允許薄膜膜層的磁場場方向相反反。六、結構完完整性檢測測4.巨磁阻效應應（GMR）當磁性層的的按相同方方向排列時時，一層膜膜當中產生生的電子可可以相當自自由地穿過過到另一層層。然而，，如果磁化化方向相反反，一層膜膜中產生的的電子，將將受到鄰近近層的封鎖鎖，電子的的自由運動動受到阻礙礙，導致電電阻的增加加。如圖2-4(c)的曲線所示示，當外磁磁場為零時時，處于正正反磁化方方向排列的的薄膜層存存在大量電電子散射，，電子自由由運動受到到阻斷，元元件具有最最大的電阻阻；當受到到外磁場作作用達到飽飽和時，電電子可以自自由地穿過過隔離層，，電阻最小小。六、結構完完整性檢測測圖2-4多層膜GMR電阻變化機機理解釋六、結構完完整性檢測測多層膜元件件的一種改改進結構如如圖2-5所示，這種種結構的巨巨磁阻僅由由兩層磁性性金屬薄膜膜組成，底底層膜直接接沉積在一一個抗磁性性固化層上上。抗磁層層本身不起起磁，但能能夠保持鄰鄰近的鐵磁磁層磁化方方向固定。。而另一鐵鐵磁層則可可以響應外外磁場作用用，自由改改變磁化方方向，這種種結構的可可形象地稱稱作“自旋旋閥”，它它可以像一一個閥門一一樣，通過過外磁場的的作用改變變上層薄膜膜的磁化方方向，控制制著通過元元件的自旋旋電子流量量。在一個個經過適當當偏置的自自旋閥中，，自由層的的靜態位置置設置成與與固定鐵磁磁層垂直，，以取得最最大的靈敏敏度和信號號振蕩。自自旋閥沿固固定層方向向對外加磁磁場的響應應在相當寬寬的范圍內內呈線性。。這使得磁磁致電阻R與磁場H之間的關系系為奇函數數且通過零零點。六、結構完完整性檢測測圖2-5自旋閥GMR工作原理解解釋六、結構完完整性檢測測巨磁阻傳感感器一般也也采用由四四個電阻器器構成惠斯斯登電橋的的內部結構構，其中兩兩個電阻為為巨磁電阻阻，另外兩兩個為磁屏屏蔽電阻（（電阻值不不隨磁場變變化）。對對圖2-6所示的惠惠斯登電電橋，設設R1為巨磁電電阻，R2為磁屏蔽蔽電阻，，當受到到外磁場場作用時時，R1因巨磁阻阻效應而而降低，，此時電電橋的輸輸出電壓壓為：boutVRRRRV2121+-=六、結構構完整性性檢測電流輸入端R1R1R2R2輸出端輸出端R1R2R1R2當無外磁場作用時，R1=R2當存在外磁場作用時，R1<R2圖2-6巨磁阻傳傳感器工工作原理理六、結構構完整性性檢測巨磁阻傳傳感器擁擁有磁阻阻傳感器器的優點點，還具具備如下下顯著的的優越性性：（1）可實現現更高的的靈敏度度，高達達18mV/V/Oe；（2）更寬的的磁場檢檢測范圍圍，可在在200Oe的范圍內內保持良良好的線線性度。。利用巨磁磁阻效應應的數據據讀出磁磁頭技術術已經成成為當今今磁盤記記錄的核核心技術術，巨磁磁阻效應應在這一一領域的的應用已已經使磁盤記記錄的面面密度超超過11.6Gb/in2，極大地地提高了了磁盤的的存儲容容量。六、結構構完整性性檢測六、結構構完整性性檢測6.3電磁檢測測技術6.3.1磁粉檢測測技術1、基本原原理：將鐵磁工工件置于于磁場內內，工件件被磁化化，其磁磁感應強強度為：：B=H,B—工件的磁磁感應強強度，直直接影響響磁粉檢檢測質量量及靈敏敏度—材料的磁磁導率，，越高越越容易磁磁化。磁粉檢測測的必備備步驟：：（1）被測工工件必須須磁化；；（2）磁化的的工件上上必須施施加合適適的磁粉粉；（3）任何磁磁粉堆積積必須加加以觀察察和解釋釋。當工件被被磁化后后，若在在其表面面或近表表面存在在缺陷時時，就會會在該處處形成一一漏磁場場，對該該處的磁磁粉吸引引積聚，，形成缺缺陷顯示示六、結構構完整性性檢測6.3電磁檢測測技術把鐵磁工工件放在在磁極之之間，工工件中就就會有磁磁力線通通過。如如工件內內部沒有有缺陷且且各處的的磁導率率一致，，則磁力力線在工工件中分分布是均均勻的。。NS完整工件件的磁力力線分布布NS含表面缺缺陷工件件的磁力力線分布布當工件中中有氣孔孔、夾渣渣、裂紋紋等缺陷陷存在時時，構成成缺陷的的是非磁磁性物質質，磁導導率很低低，磁阻阻很大，，必將引引起磁力力線在工工件中的的分布發發生變化化，在缺缺陷處的的磁力線線發生彎彎曲。磁粉（粒粒度5-10m):Fe3O4,Fe2O3顏色：黑黑、紅、、白，顯顯示缺陷陷位置熒光磁粉粉，用紫紫外燈照照射近表面缺缺陷工件件磁力線線分布六、結構構完整性性檢測6.3電磁檢測測技術2、影響漏漏磁場的的因素（1）外加磁磁場外加磁場場強度越越大，工工件中感感應出的的磁場強強度也越越大，磁磁力線分分布越密密集，受受缺陷阻阻礙的磁磁力線彎彎曲的強強度和數數量越多多，形成成的漏磁磁場強度度隨之增增加。一般工件件中磁感感應強度度達到0.8T左右即可可保證缺缺陷處的的漏磁場場能夠吸吸附磁粉粉。（2）材料的的磁導率率：不同同的磁導導率是不不一樣的的，磁導導率高的的材料導導磁性能能好，容容易磁化化。六、結構構完整性性檢測6.3電磁檢測測技術（3）缺陷自自身特點點：缺陷陷位置、、缺陷方方向、缺缺陷性質質、缺陷陷大小和和形狀缺陷埋藏藏深度對對漏磁場場的影響響缺陷傾角角對漏磁磁場的影影響六、結構構完整性性檢測6.3電磁檢測測技術缺陷深度度尺寸對對漏磁場場的影響響缺陷寬度度對漏磁磁場的影影響六、結構構完整性性檢測6.33、磁粉檢檢測方法法1）磁粉檢檢測工藝藝（過程程）預處理磁化施加磁磁痕分析析退磁后處理按磁粉狀狀態分濕法檢測測干法檢測測依據磁化化工件和和施加磁磁粉時機機分連續法檢檢測剩磁法檢檢測依據硫化化硅橡膠膠液配置置磁粉狀狀態磁相交法法檢測磁粉探傷傷—橡膠鑄型型法檢測測六、結構構完整性性檢測6.3電磁檢測測技術3、磁粉檢檢測方法法連續法磁粉檢測定義在磁化同時施加磁粉/磁懸液，進行檢測應用范圍所有鐵磁材料，形狀復雜、表面覆蓋層厚，剩磁法設備功率不足操作程序1、外磁場作用+磁懸液+檢驗（光亮工件）2、外磁場作用+磁懸液，磁場中斷后進行檢驗（表面粗糙工件）操作特點濕法：潤濕-通電磁化—+磁懸液—再磁化—停電—檢驗干法：通電磁化—+磁粉—吹去多余磁粉—磁痕檢驗—斷電優點適合任何鐵磁材料，可發現近表面缺陷，靈敏度最高，可多向磁化，交流磁化不受斷電相位影響缺點檢測效率低、易產生非相關顯示，目視可達性差六、結構構完整性性檢測6.3電磁檢測測技術3、磁粉檢檢測方法法剩磁法磁粉檢測定義停止磁化后，再施加磁懸液，進行檢測應用范圍經熱處理后的高碳鋼和合金結構鋼，矯頑力1000A/m，剩磁>0.8T,連續無法檢測部位如螺紋根部、筒內表面，分辯表面/近表面缺陷操作程序預處理—磁化—施加磁液—檢驗—退磁—后處理操作特點通電時間0.25-1s,施加磁液2-3遍確保充分潤濕；工件如在磁液中，充磁時間10-20S后取出檢驗優點檢測效率、靈敏度、缺陷顯示重復性及可靠性高，目視可達性好易實現自動化缺點近限于剩磁和矯頑力達到要求的材料，檢測缺陷深度小，對近表面缺陷靈敏度差，不適于干法檢測，不能用多向磁化，交流磁化受斷電相位影響六、結構構完整性性檢測6.3電磁檢測測技術3、磁粉檢檢測方法法濕法磁粉檢測定義將磁粉懸浮于載液中進行磁粉檢測應用特點大批量工件檢查，對表面微小缺陷檢測效果好，尤其適合壓力容器、宇航工件等高靈敏度要求場合操作特點采用軟管淋澆或浸漬法施加磁懸液，使整個表面完全被覆蓋局限性對大裂紋和近表面缺陷的靈敏度差干法磁粉檢測定義以空氣為載體進行磁粉檢測應用特點適合于大型鑄、鍛、焊結構件局部檢測，靈敏度要求不高；適合現場檢測、對大裂紋和近表面缺陷靈敏度高，操作特點磁粉直接噴撒在被測區域，并除去過量磁粉。局限性磁粉不易回收，污染、浪費多，不能用于剩磁法六、結構構完整性性檢測6.3電磁檢測測技術3、磁粉檢測方方法橡膠鑄型法磁粉探傷（MT-RC法）定義將磁粉檢測顯示出的缺陷磁痕“鑲嵌”在室溫硫化硅橡膠加固化劑后形成的橡膠鑄型表面，然后對固化的磁痕進行觀察分析應用特點可記錄缺陷磁痕，適于剩磁法檢測，可檢測工件孔徑>3mm的內壁和難以觀察到部位的缺陷；靈敏度高，可精確測量鑄型上的裂紋長度，工藝穩定可靠，磁痕顯示重復性好，可永久記錄局限性可檢測孔深受橡膠扯斷強度限制，檢驗過程慢，不適合大面積檢測，對孔壁粗糙、復雜、同心度差的多層結構，脫模難六、結構完整整性檢測6.3電磁檢測技3、磁粉檢測方方法磁橡膠法磁粉探傷（MRI法）定義將磁粉彌散在室溫硫化硅化橡膠液中，加入固化劑后，再倒入受檢部位，磁化工件后在缺陷漏磁場作用下，磁粉在橡膠液中重新遷移和排列。膠液固化后即得含有缺陷顯示的橡膠鑄型。應用特點適于水下檢測，可檢測小孔內壁和難以觀察到的缺陷，可間斷跟蹤檢測疲勞裂紋的產生和擴展速度。局限性缺點同MT-RC法，固化與磁化時間難以控制，靈敏度比MT-RC差六、結構完整整性檢測6.3電磁檢測技術術4、磁粉檢測設設備磁化裝置（主體裝置））降壓變壓器式式蓄電器充放電電式可控制單脈沖沖式電磁鐵式交叉線圈式附屬裝置：退退磁裝置、工工件夾持裝置置、磁懸液噴撒裝裝置、剩磁測測定裝置、缺缺陷圖像觀察察裝置。固定式探傷機機移動式探傷機機便攜式探傷機機類型六、結構完整整性檢測6.3電磁檢測技術術4、磁粉檢測設設備固定式磁粉探移動式磁粉探探傷機便攜式磁粉探探傷儀六、結構完整整性檢測6.3電磁檢測技術術5、磁粉檢測技技術總結利用缺陷部位的漏磁效應，通過外加磁場對導磁金屬進行磁化，并借助顯示介質來檢測缺陷特性特點適合檢測鐵磁工件或表面非金屬涂層<50m的鐵磁工件；對表面或近表面缺陷（裂紋、折疊、夾層、未焊透）等敏感，可直觀顯示缺陷大小、位置、形狀和嚴重程度，易定性；檢測缺陷深度：交流磁化，<2mm;直流磁化，<6mm;局限性僅限鐵磁工件的表面或近表面缺陷檢測，單一磁化檢測易受工件復雜幾何形狀影響；存在非相關顯示，通電法和觸頭法磁化，易打火燒傷。適用范圍原材料、半成品、成品及在役和使用過的鐵磁工件；管、板、棒等型材，鑄、鍛、焊件；被測表面近表面尺寸很小，間隙很小的鐵磁材料，可檢測0.1mm,微米級寬度的裂紋及目測不易發現的缺陷；可檢測有磁不銹鋼；不適缺陷：寬淺/針孔/磁力線夾角<20o六、結構完整整性檢測6.3電磁檢測技術術6.3.2漏磁檢測技術術指鐵磁材料被被磁化后，表表面和近表面面缺陷在材料料表面形成漏漏磁場，通過過檢測漏磁場場來發現缺陷陷的檢測技術術。1、基本原理：：當用磁飽和器器磁化被測的的鐵磁材料時時，若材料的的材質連續、、均勻的，則則材料中的磁磁感應線將被被約束在材料料中，磁通是是平行于材料料的表面的，，幾乎沒有磁磁感應線從表表面穿出，被被檢表面沒有有磁場。但當當材料中存在在著切割磁力力線的缺陷時時，材料表面面的缺陷或組組織狀態變化化會使磁導率率發生變化，，由于缺陷處處的磁導率很很小，磁阻很很大，使得磁磁路中的磁通通發生畸變，，磁感應線會會改變途徑，，除了一部分分的磁通會直直接通過缺陷陷或是在材料料內部繞過缺缺陷外，還有有部分磁通會會離開材料的的表面，通過過空氣繞過缺缺陷再重新進進入材料，在在材料表面缺缺陷處形成漏漏磁場。可以以通過磁敏感感傳感器檢測測到漏磁場的的分布及大小小，從而達到到檢測缺陷的的目的。六、結構完整整性檢測6.3電磁檢測技術術六、結構完整整性檢測6.3電磁檢測技術術6.3.2漏磁檢測技術術2、漏磁檢測系系統的磁化方方法：磁化方法對漏漏磁檢測起重重要作用，會會影響被檢測測對象的磁場場信號。按磁化范圍分分：局部磁化化、整體磁化化；按所用勵磁磁磁源分：交變變磁場磁化、、直流磁場磁磁化、永久磁磁鐵磁化法。。交變磁場磁化化方法以交流流電激勵電磁磁鐵進行磁化化，電流頻率率的增高，磁磁化的深度減減小，磁化后后鐵磁性材料料不會產生剩剩磁，不需要要退磁；直流磁場磁化化方法以直流流電流激勵電電磁鐵產生磁磁場進行磁化化，磁化的強強度可通過控控制電流來實實現；永久磁鐵磁化化法以永久磁磁鐵作為勵磁磁磁源，其效效果相當于固固定直流磁化化。一般采用用稀土永磁，，它磁能高，，體積小。直流磁化和永永久磁化會產產生剩磁，退退磁與否根據據具體要求而而定，對檢測測速度參數沒沒有特定的要要求。磁化強強度的選擇一一般在于以確確保檢測靈敏敏度和減輕磁磁化器使缺陷陷或結構特征征產生的磁場場能夠被檢測測到為目標。。六、結構完整整性檢測6.3電磁檢測技術術漏磁法檢測管管件縱向缺陷陷漏磁法檢測管管件橫向缺陷陷六、結構完整整性檢測6.3電磁檢測技術術6.3.2漏磁檢測技術術3、漏磁檢測特特點：由于漏磁場檢檢測是用磁傳傳感器檢測缺缺陷，相對也也磁粉、滲透透等方法，有有以下優點：：

（1）漏磁檢測主主要是傳感器器獲得信號，，計算機進行行處理判斷，，易于實現自自動化。（（2）相對于磁粉粉和滲透到肉肉眼觀察，這這有更高的檢檢測可靠性。。

（3）可以實現缺缺陷的初步量量化。

（4）高效、無污污染、自動化化檢測可以獲獲得很高的檢檢測效率。（（5）在管道檢測測中，在厚度度達到30mm的壁厚范圍內內，可以同時時檢測內外壁壁缺陷。六、結構完整整性檢測6.3電磁檢測技術術6.3.2漏磁檢測技術術3、磁漏檢測的的主要應用領領域：（1）鋼鐵冶金行行業，對鋼結結構件、鋼坯坯、圓鋼、鋼鋼纜，金屬棒棒、管、線、、焊縫等等（（2）石油石化行行業，如油氣氣管道、儲油油罐底板，高高壓容器等（（3）鐵路領域，，鐵軌及車輪輪六、結構完整整性檢測6.3電磁檢測技術術6.3.3渦流檢測技術術1、基本原理：：渦流的產生源源于電磁感應應現象。當將將交流電施加加到導體，磁磁場將在導體體內和環繞導導體的空間內內產生磁場。。渦流就是感感應產生的電電流，如果將將一個導體放放入該變化的的磁場中，渦渦流將在那個個導體中產生生，而渦流也也會產生自己己的磁場，該該磁場隨著交交流電流上升升而擴張，隨隨著交流電流流減小而消隱隱。當導體表表面或近表面面出現缺陷或或測量金屬材材料的一些性性質發生變化化時，將影響響到渦流的強強度和分布，，通過檢測渦渦流的變化情情況，可以間間接的知道道道題內部缺陷陷的存在及金金屬性能變化化。六、結構完完整性檢測測6.3電磁檢測技技術6.3.3渦流檢測技技術2、渦流檢測測的應用領領域：渦流作為一一種NDT工具的一大大優點是它它能夠做多多種多樣的的檢查和測測量。在適適當的環境境下，渦流流可以用于于：

（1）裂縫、缺缺陷檢查（（2）材料厚度度測量（（3）涂層厚度度測量（（4）材料的傳傳導性測量量六、結構完完整性檢測測6.3電磁檢測技技術6.3.3渦流檢測技技術3、渦流檢測測特點：渦流檢測的的優越性主主要包括：：

（1）對小裂紋紋和其它缺缺陷的敏感感性（（2）檢測表面面和近表面面缺陷速度度快，靈敏敏度高（（3）檢驗結果果是即時性性的（（4）設備接口口性好（（5）僅需要作作很少的準準備工作（（6）測試探頭頭不需要接接觸被測物物

（7）可檢查形形狀尺寸復復雜的導體體利用射線（（X射線、射線、中中子射線等等）穿過材材料或工件件時的強度度衰減，檢檢測其內部部結構不連連續性；依依據各種射射線源對材材料的透射射性能及不不同材料的的射線的衰衰減程度，，通過底片片感光形成成圖象觀測測缺陷，適適合檢測工工件中的氣氣孔、夾渣渣、鑄造孔孔洞等立體體缺陷。當當裂紋方向向與射線平平行時即可射線特點：1、不可見，以光速直線傳播；2、不帶電，不受電場和磁場的影響；3、具有可穿透物質和在物質中衰減的特性；4、可使物質電離，能使膠片感光，亦能使某些物質產生熒光5、能對生物細胞起作用（生物效應）；六、結構完完整性檢測測6.4射線檢測技技術6.4.1射線檢測原原理：當射線穿透透物質時，，由于物質質對射線有有吸收和散散射作用，，從而引起起射線能量量的衰減。。并可用衰衰減定律表表達：六、結構完完整性檢測測6.4射線檢測技技術—射線透過厚厚度的物質后的的射線強度度；—射線的初始始強度；—自然對數的的底；—透過物質的的厚度—線衰減系數數，為上述述各物理效效應分別引引起的衰減減系數之和和。6.4.2射線檢測方方法：1、照相法根據被檢工工件與其內內部缺陷介介質對射線線能量衰減減程度的不不同，使得得射線透過過工件后的的強度不同同，使缺陷陷能在射線線底片上顯顯示出來的的方法。2、射線熒光光屏觀察法法將透過被檢檢物體后的的不同強度度的射線，，再投射在在涂有熒光光物質的熒熒光屏上，，激發出不不同強度的的熒光而得得到物體內內部的影象象的方法。。六、結構完完整性檢測測6.4射線檢測技技術六、結構完完整性檢測測6.4射線檢測技技術六、結構完完整性檢測測6.4射線檢測技技術裂紋氣孔未焊透夾渣6.4.2射線檢測方方法：3、射線實時時成象檢驗驗采用X射線源，稱稱為X射線實時成成象檢驗。。具有實時時，高效、、不用射線線膠片、可可記錄和勞勞動條件好好等顯著優優點4、射線計算算機斷層掃掃描技術（（CT）它是根據物物體橫斷面面的一組投投影數據，，經計算機機處理后，，得到物體體橫斷面的的圖象。六、結構完完整性檢測測6.4射線檢測技技術六、結構完完整性檢測測6.4射線檢測技技術6.4.3射線檢測應應用及特點點：1、可直接觀觀察零件內內部缺陷的的影像，對對缺陷進行行定性、定定量和定位位分析;2、探探測測厚厚度度范范圍圍大大，，3、設備復雜、昂費。檢驗費用高;4、射線有害人體健康，其設備應加防護措施。

5、射線探傷適用于所有的材料，可檢驗金屬、非金屬材料內部質量，探測鑄件、焊接件內郡的缺陷。如檢測船體焊縫的質量。六、、結結構構完完整整性性檢檢測測6.4射線線檢檢測測技技術9、靜夜四無鄰鄰，荒居舊業業貧。。12月-2