第二章檢測與測試的基礎主講人:趙洪利路橋無損檢測01主要檢測方法簡介02無損檢測基本理論：振動和波動03信號采集04信號分析和成像基礎目錄頁CONTENTSPAGE01主要檢測方法簡介主要檢測方法簡介電磁波微波利用材料在電磁場的作用下，出現的電學或磁學特性變化，從而來判斷材料內部情況及有關性能的檢測方法。微波（雷達波）是電磁輻射的一種形式，其電磁頻譜中所占頻帶為300MHz～300GHz，波長為1000mm～1mm，屬超高頻及其以上的無線電波。微波檢測磁粉檢測渦流檢測穿透法、反射法散射法、干涉法渦流法、層析法漏磁檢測主要檢測方法簡介方法物理現象用途穿透法在材料內傳輸的微波，依照材料內部狀態和介質特性不同而相應發生透射、散射和部分反射等變化。測厚、密度、濕度、介電常數、固化度、熱老化度、化學成分、混合物含量、纖維含量、氣孔含量、夾雜以及聚合、氧化、酯化、蒸餾、硫分的測量。反射法由材料表面和內部反射的微波，其幅度、相位或頻率隨表面或內部狀態（介質特性）而相應變化。檢測各類玻璃鋼材料，宇航防熱用鋁基厚聚氨脂泡沫、膠接工件等的裂紋、脫粘、分層、氣孔、夾雜、疏松；測定金屬板材、帶材表面的裂紋，劃痕深度；測厚，測位移距離，方位以及測濕、測密度、測混合物含量。散射法貫穿材料的微波隨材料內部散射中心（氣孔、夾雜、空洞）而隨機地發生散射。檢測氣孔、夾雜、空洞、裂紋。干涉法兩個或兩個以上微波波束同時以相同或相反方向傳播，彼此產生干涉，監視駐波相位或幅度變化，或建立微波全息圖象。檢測不連續性缺陷（如分層、脫粘、裂縫），圖像顯示。渦流法利用入射極化波、微波電橋或模式轉換系統，測定散射、相位信號，探知裂縫。檢測金屬表面裂縫，其深度取決于頻率和傳播微波的模式。層析法利用透射材料的微波在介質內部的衰減、反射、衍射、色散、相速等物理特性的改變，測定多個方向的投影值，并將它與核函數卷積，再進行反投影，用計算機重建圖像。檢查非金屬材料及其復合結構件斷層剖面質量和加速器粒子束或等離子體的狀態，用于射電天文，電磁探礦和地層分布測繪等。反映物體內不同部位的大小形態、成份及其變化過程。各類微波檢測方法的物理現象和用途主要檢測方法簡介利用射線穿透物質和在物質中的衰減特性來對物質的質量、尺寸及特性等做出判斷的一種無損檢測方法。該方法可以檢測金屬和非金屬材料及其制品的內部缺陷。X射線照相法電離檢測法熒光屏直接觀察法電視觀察法主要檢測方法簡介方法檢測原理特點照相法將感光材料置于被檢測試件后面，來接收透過試件的不同強度的射線。根據影像的形狀和黑度情況評定材料中有無缺陷及缺陷的形狀、大小和位置。靈敏度高、直觀可靠，而且重復性好。電離檢測法當射線通過氣體時，與氣體分子撞擊，產生電離。電離效應會產生電流，其大小與射線強度有關，根據電流大小便可判斷試件的完整性。自動化程度高，成本低，但對缺陷性質的判別較困難，只適用于形狀簡單、表面平整的工件。熒光屏直接觀察法將透過試件的射線投射到涂有熒光物質（如ZnS/CaS）的熒光屏上時，熒光屏會發出不同強度的熒光，利用熒光屏上的可見影像直接辨認缺陷。成本低、效率高、可連續檢測，適用于形狀簡單、要求不嚴格產品的檢測。電視觀察法電視觀察法是熒光屏直接觀察法的發展，實際上就是將熒光屏上的可見影像通過光電倍增管來增強圖像，再通過電視設備進行顯示。自動化程度高，但靈敏度較低，對形狀復雜的零件檢查也比較困難。各類X射線檢測方法的檢測原理和特點主要檢測方法簡介紅外線紅外線是介乎可見紅光和微波之間的電磁波，它的波長范圍為0.76—100μm。紅外無損檢測是測量通過物體的熱量和熱流來鑒定該物體質量的一種方法。當物體內部存在裂縫、缺陷、漏水時，它將改變物體的熱傳導，使物體表面溫度分布產生差別，利用紅外成像的檢測儀測量它的不同熱輻射，可以查出物體的缺陷位置。主要檢測方法簡介非接觸性安全性強紅外檢測優勢檢測準確效率高主要檢測方法簡介010203紅外檢測技術可以檢測到設備或結構熱狀態的微小差異及變化，但很難精確確定被測對象上某一點確切的溫度值。溫度值確定存在困難紅外檢測直接測量的是被測物體表面的紅外輻射，主要反映的也是表面的狀況，對內部狀況不能直接測量，需要經過一定的分析判斷過程。物體內部狀況難以確定紅外檢測相對其它儀器和常規檢測設備相比，價格較貴。價格昂貴紅外檢測方法存在的問題主要檢測方法簡介超聲波

超聲波是通過使用具有壓電或磁致伸縮效應的材料產生的。超聲波可檢測復合板材的內部缺陷，焊縫、管材內傾斜取向的缺陷，工件的表面缺陷以及利用超聲波在混凝土中傳播的時間（或速度）、接收波的振幅和頻率等聲學參數的相對變化來判定混凝土的缺陷等。主要檢測方法簡介超聲波010203接觸法超聲波探頭通過薄層的液體或流體耦合介質直接與被檢工件的探測面接觸。液浸法主要是指采用水作為耦合介質，俗稱為水浸法，超聲波探頭發出的超聲波經過一定厚度的水層再進入被檢工件，超聲波探頭不與被檢工件接觸。空氣耦合法目前主要應用于飛機復合材料的低頻超聲檢測。主要檢測方法簡介彈性波彈性波能夠直接反映材料的力學特性，是工程檢測中最常用的媒介之一。其中，沖擊彈性波用錘或電磁激振裝置沖擊產生，具有激振能量大、操作簡單、便于頻譜分析等特點，是一種非常適合工程無損檢測的媒介。主要檢測方法簡介彈性波的能量遠遠大于超聲波。能量超聲波波長短，一般是幾厘米，而用錘擊激振產生的彈性波波長幾十厘米甚至更長。因此，超聲波的分辨率高，對細微的缺陷比較敏感，但衰減快，測試范圍受到限制。激振信號的頻率特性和波長超聲波的探頭在保持高靈敏度的同時，其頻率響應特性一般較差，頻率分析和振幅分析都比較困難。而沖擊彈性波測試一般采用加速度傳感器，傳感器在各種固定方式下，其頻響曲線都有較長平坦部分，有利于頻譜分析和能量分析。受信信號的頻率特性超聲波與彈性波的不同主要檢測方法簡介磁粉檢測磁粉檢測的原理為當材料或工件被磁化后，若在工件表面或近表面存在裂紋、冷隔等缺陷，便會在該處形成漏磁場。此漏磁場將吸引、聚集檢測過程中施加的磁粉，而形成缺陷顯示。缺陷漏磁場的產生主要檢測方法簡介滲透檢測滲透檢測測試示意圖滲透檢測原理為利用黃綠色的熒光滲透液或紅色的著色滲透液對窄狹縫隙良好的滲透性，經過滲透清洗、顯示處理以后顯示放大了的探傷顯示痕跡，用目視法來觀察，對缺陷的性質和尺寸做出適當的評價，滲透檢測不受材料磁性的限制，比磁粉檢測應用更廣。02無損檢測基本理論：振動和波動無損檢測基本理論：振動簡諧振動曲線簡諧振動的位移計算公式簡諧運動是最基本也是最簡單的機械振動。當某物體進行簡諧運動時，物體所受的力跟位移成正比，并且總是指向平衡位置。它是一種由自身系統性質決定的周期性運動。無損檢測基本理論：振動振動位移、速度、加速度之間的關系阻尼振動位移公式阻尼振動示意圖無損檢測基本理論：波動振動與波動示意圖波動的基本要素：波長、波速、周期、相位波動與振動有著密切的關系，振動是單個粒子的往復運動，而波動則是全體粒子的合成運動。當振源激振產生擾動后，主要以波動的形式傳播，而在波動范圍內的各粒子都會產生振動。無損檢測基本理論：波動

P波和S波彈性波（包括超聲波）是工程檢測中常用的測試媒介，根據其波動的傳播方向與粒子的振動方向的關系，可以將其分為：（1）P波（疏密波、又叫縱波）（2）S波（又叫橫波）無損檢測基本理論：波動表面波（瑞利波）板波（Lame波）是否形成板波與波長和邊界條件有關，當波長范圍內只有一個自由面時，則產生表面波（通常是瑞利波）。當波長范圍內有兩個平行表面時，則產生板波（也稱Lame波）。無損檢測基本理論：波動時域和頻域關系示意圖頻譜分析即是將時域信號變換至頻域加以分析的方法。頻譜分析的目的是把復雜的合成波，經過分解變為單一的諧波分量來進行研究，以獲得信號的頻率結構以及各諧波和相位信息。03信號采集信號采集設備的構成和性能信號采集設備主要由傳感器，信號調理模塊，A/D轉換模塊構成。傳感器傳感器的靜態特性主要參數有：線性度、遲滯誤差、重復性誤差、靈敏度、分辨率、穩定性、漂移等。信號調理模塊信號調理就是傳感器拾取的信號需要經過放大、濾波、衰減、調制解調、幅頻變換及數字化等處理過后，得到適合傳輸的標準信號并輸出。A/D轉換模塊A/D(Analog/Digital)就是把模擬信號轉換成數字信號，轉換過程通過取樣、保持、量化和編碼四個步驟完成。信號采集設備的構成和性能信號濾波示意圖A/D轉換過程虛擬儀器概述虛擬儀器傳統儀器系統標準用戶自定義，標準逐漸統一儀器廠商自定義，標準難統一系統開放性開放、靈活，可與計算機技術保持同步發展封閉性、儀器間相互配合較差系統關鍵及升級關鍵是軟件，性能升級方便，通過網絡下載升級程序即可。關鍵是硬件，升級成本較高，且升級必須上門服務。技術更性周期技術更新周期短（1-2年）技術更新周期長（5-10年）系統成本及復用性價格低廉，軟件使得開發和維護費用降至最低。儀器間資源可重復利用率高價格昂貴，開發和維護開銷高。儀器間一般無法相互利用。系統的開放性可以與網絡及周邊設備方便互連與其他設備儀器的連接十分有限虛擬儀器與傳統儀器對比虛擬儀器概述虛擬儀器系統結構示意圖虛擬儀器因其是建立在計算機的基礎之上開發使用的，應用于檢測、監測和教學。提高信噪比的方法軟件降噪濾波裝置通過濾掉我們不需要頻率的波，保留需要頻率的波來達到提高信噪比的目的。低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器、帶阻濾波器。移動平滑濾波的原理是對相鄰數據取加權平均，該方法是對測試信號高頻噪聲的一種削減技術。數據窗及移動平滑法示意圖04信號分析和成像基礎信號的頻譜分析波的頻譜分析是將合成波分解為一個個具有單獨頻率和初始相位的單純波。目前使用較多的為快速傅里葉變換（FFT）和最大熵法（MEM）。傅里葉變換信號分解示意FFT頻譜對于FFT，其頻譜分辨率，是由采樣間隔和采樣數所決定。采樣間隔越小，分辨率越高。但采樣個數越多，其分辨率反而降低。信號的頻譜分析MEM特征最大熵譜估計的分辨率與序列長度成反比解決了旁瓣泄漏問題適用于非sin/cos類信號頻譜分辨率非常高最大熵法信號的頻譜分析01MEM的分辨力與穩定性相矛盾。03MEM分析中，對頻譜的位置的分辨率很高，但對其振幅（高度）的分辨精度則無法保證。02MEM是非線性分析方法。04對信噪比非常敏感。最大熵法注意問題信號的相關分析自相關函數是τ的偶函數自相關函數信號