无损检测 超声波检测

超声波检测

华北科技学院 机电工程学院

摘要：超声无损检测是在现代工业生产中应用的非常广泛的一种无损检测方法，它对于提高产品的质量和可靠性有着重要的意义。尽管随着电子技术的发展，国内出现了一些数字化的超声检测仪器，但其数据处理及扩展能力有限，缺乏足够的灵活性。而虚拟仪器是近年来刚刚发展起来的一种新的仪器构成方式，它是一种、通讯技术和测量技术相结合的产物，具有很大的灵活性和扩展性，具有旺盛的生命力。

关键词：无损检测 ；超声波探伤 ；计算机技术；通讯技术

Abstract：As a kind of NDT(Non-Destructive Testing)，UT (Ultrasonic Testing) is widely used in modern industry, which plays a very important role in improving the quality and the reliability of product. Although along with technical development in electronics, some digital UT instruments have been developed at home, its expand- ability and the ability of processing data limited. VI (Virtual Instru- ment) is a new Instrument structure developed recent years and is an outcome which combines the computer technique, the communication technique together with the measure technique, which has huge expandability, flexibility and the prosperous vitality. Keywords：NDT(Non-Destructive Testing) UT (Ultrasonic Testing) computer technique communication technique

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1、引言

无损检测诊断技术应用的范围十分广泛，已在机械制造、石油化工、舰艇船舶、汽车、铁道、建筑、冶金、航空航天和核能等工业中被普遍采用，取得了显著的经济效益和社会效益。随着科学技术的发展，对产品质量提出了越来越高的要求，特别是产品关键零部件的质量问题所造成的事故以及巨大的经济损失，使人们更加认识到了无损检测诊断技术的重要性。在工业发达国家中，无损检测诊断技术已成为必不可少的重要工具和手段。美国为了保持它在世界科技中的领先地位，在1979年的一次政府工作报告中提出成立六大技术中心，其中之一就是无损检测中心。美国前总统里根曾说，“如果没有先进的无损检测技术，美国就不可能享有众多领域的领先地位”。由此可见无损检测诊断技术在现代国民经济中的重要地位。超声波检测技术是当今社会无损检测技术领域中的一种非常重要的手段和方法。已被广泛地应用于各行各业的质量监控和安全保障。

近年来，超声无损检测领域的学术气氛十分活跃。1989年4月在荷兰阿姆斯特丹召开的第12届世界无损检测会议上共发表论文478篇，其中有关超声检测的论文18篇，是论文数量最多的无损检测方法。1992年10月在巴西圣保罗市召开的第13届世界无损检测会议上宣读和交流的论文共312篇，5种常规无损检测论文占65%，其中有关超声检测的论文最多，占到55%。1996年第14届世界无损检测会议在印度的新德里举行，会议收到论文732篇，收入论文集的论文550篇，其中与超声检测有关的论文200篇。新千年的无损检测大会，第15届世界无损检测会议在意大利的罗马市召开，大会收到773篇论文，收入论文集的有663篇，其中有关超声检测的有250篇。随着微电子技术、计算机技术、数字技术、传感技术、自动控制技术的发展，现代超声无损检测技术已经进入到以计算机控制为主的信息技术时代。

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就当前时代国内的超声波检测技术应用情况来看，超声波无损检测诊断技术虽然已经被广泛地应用于各种领域和场所，对质量控制和在线实时检测都具有重要的作用和影响。但是，其主要的应用发展方向还基本上是不断扩展应用领域。而且它的重要作用还有赖于无损检测技术方法选择的正确和检测结果是否可靠。检测结果对检测人员的依赖性都还很强,并且都还存在着一些难以克服的困难和缺陷,比如:①通常要有熟练的技术技能，对结果做出说明及解释。因此,在相互关系未经证明的情况下,可能存在不同人员对结果看法不统一。②外界环境的温度、湿度、粉尘、振动、噪音以及磁、电场和仪器本身内部的各种干扰都会对检测结果造成难以估计的后果。③性能可以直接测试、而检测结果却只是定性或相对的。④检测人员的技术水平、操作技能、知识水准等,检测人员对工作的责任心,检测人员在操作期间的心理和生理状况都会对检测结果造成很大的影响。⑤我国的超声无损检测还大部分是采用常规的A型脉冲反射法技术，存在不直观、判伤难、无记录、人为因素影响大等缺点，严重影响着超声检测结果的可靠性。

当然，伴随着以计算机技术为具体体现的信息技术的突飞猛进，现代超声无损检测技术主要还是向着数字信号处理和检测成像方面发展。已经应用或正在采用的数字信号处理技术主要有：时间渡越衍射技术、合成孔径聚焦技术、裂谱技术、倒谱技术、模式识别和分析、自适应神经网络等。采用数字动态滤波技术提高检测信噪比,通过频谱分析进行超声参量检测和提取,数字信号处理压缩波形有效提高检测分辨率。

2、超声波及超声波检测

2.1超声波的基本性质

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通常人耳能够听到的声波的频率范围在20-20000Hz之间，人们习惯上把频率超过20KHz的声波称为超声波。超声波本质上是一种机械波，所以它的产生必须依赖于两个条件，一是有做机械振动的声源，二是有能够传播振动的弹性介质。

波的种类是根据介质质点的振动方向和波动传播方向的关系来区分的。超声波在介质中传播的波形有许多种，用于探伤的有纵波、横波、表面波、板波等，其中最常用的是纵波直探头探伤和横波斜探头探伤。纵波常用来探测钢板、锭材、大型锻件等形状比较简单的制品，而横波常用来检测焊缝、管材等形状比较复杂的制品。

2.1.1超声波的速度及波长

声波在介质中向前传播的速度，称为声速。对于不同种类的超声波，其传播速度不同。超声波在介质中的传播速度与介质的弹性模量及介质的密度有关，对一定的介质，弹性模量和密度为常数，故声速也是常数。不同的介质，有不同的声速。超声波波形不同时，介质弹性变形的方式不同，速度也不一样。因此，超声波在介质中传播的速度是表征介质声学特性的一个重要参数。超声波的频率、波长和声速之间的关系如下:

c/f

其中为超声波的波长、c为超声波在介质中的的波速、ƒ为超声波的频率。可见，在同一种介质中超声波的波长与超声波的频率成反比。

2.1.2超声波的衰减

超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，其能量逐渐减弱，这种现象叫做超声的衰减。均质物质对超声波强度(声压)不曾造成减弱，然一般材料或多或少都会使超声波强度造成衰减，其原因来自于吸收与散射两种现象。

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吸收:材料将声束能量转换为热能而散失，使得声束强度降低。

散射:由于材料的非均质性，包括杂质、气孔、晶界…等阻碍声束传送而形成许多声束分量，致使超声波强度减弱。

2.2超声波检测技术的介绍

作为无损检测技术中一种非常重要的方法。超声波用于无损检测领域是由其特性决定的：超声波是指频率大于20KHZ，并且能在连续介质中传播的弹性机械波。

超声波的方向性好。超声波具有像光波一样的方向性，经过专门的设计可以定向发射，利用超声波可在被检测对象中进行有效的探测。

超声波的穿透能力强。对大多数介质而言，它具有较强的穿透能力。特别在一些金属材料中，其穿透能力可达数米。

超声波的能量高。超声检测的工作频率远高于声波的频率，具有很高的能量。被检材料的声速、声衰减、声阻抗等特性携带有丰富的能量转换信息，成为广泛应用超声波检测的基础。

遇有界面时，超声波将发生反射、折射和波型的转换。利用超声波在介质中传

播时的这些物理现象，经过巧妙的设计，使得超声检测工作的灵活性、精确度得以大幅度提高，这也是超声检测得以迅速发展的原因。

对人体无害、适应性强、检测灵敏度高、设备轻巧、使用灵活、检验速度快、可及时得到探伤结果，适合在车间、野外和水下等各种环境下工作，并能对正在运行的装置和设备进行检测和诊断。

2.2.1超声波探伤的原理

超声波探伤是利用超声波在物体中传播的一些物理特性来

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发现物体内部的不连续性(即通常所说的缺陷)的一种方法。首先通过激励超声发射换能器产生超声波并使其进入工件，然后再通过超声接收换能器将工件中经过被检测材料自身或缺陷所反射、折射、衍射、散射的入射波转换成接收信号，缺陷作为与构件材料不同的介质将会产生不同的特征信号，接着再对接收到的信号进行分析，从而获得有关缺陷或材料的特性信息。

2.2.2超声波探伤方法的分类

超声波探伤法的种类很多，根据声耦合方式可分为接触法和液浸法两大类，按声波传播方式可分为反射法和透射法两种。按超声波激励方式可分为脉冲波、连续波和调频波等探伤方法。按波形分又可分为纵波、横波、表面波和板波等。在目前的实际使用中，广泛使用的是接触式脉冲反射法。

考虑到脉冲超声探伤仪在实际中应用最为广泛，在此将对基于虚拟仪器技术的超声脉冲反射式探伤仪的实现技术进行讨论。

超声波以持续极短的时间发射脉冲到被检工件内，利用被检工件底面或内部缺陷的反射回波探测反射源的位置和大小的方法，称为脉冲反射法。纵波脉冲反射法工作原理如图2-1所示，一般只需要一个探头兼做发射和接收。超声探伤主要是判断工件材料有无缺陷，若有缺陷时，确定缺陷的大小和位置，进而评价其有无使用价值和修复的可能性。

图2-1脉冲法纵波探伤原理

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换能器发射的超声波在工件内部传播时，当遇到不同介质时，将发生反射。反射信号的强度与反射率R的大小有关，而反射率R只与入射介质和反射介质的材料有关。由于反射信号通过的声程是一定的，换能器获得的反射信号的强度也是一定的。

当工件无缺陷时，只有始发射脉冲波和底面反射 波，两者之间没有其它回波。

当工件中有面积小于声束截面的小缺陷，则会在始 波和底波之间出现缺陷回波。缺陷回波在时间轴上的位置可以确定缺陷在工件中的位置，缺陷回波幅度的大小取决于缺陷在声束入射方向上的投影面积的大小，当有缺陷回波出现时，底波高度下降。

当工件中缺陷大于声束截面时，全部声能被缺陷所反射，只有始波和缺陷回波，不会出现底波。 缺陷的定位

由于超声波在介质的波速是一定的，则在图2.1中

X

TfTbL

若知道工件长L的大小，则可以根据发射波到反射波与发射波到底波的时间的比值，来确定缺陷距探头的距离。

若不知道L的大小，则可以根据声束和声波在介质中传播至缺陷所需时间和波速来定位缺陷。

C XTf

2T式中C为材料中的声速，f为声波遇到缺陷时的来回传播时间。 缺陷的定量

假如缺陷尺寸小于波长一半时，由于超声波的衍射作用而将不会产生明显的反射回波，从而无法探测缺陷，因此缺陷尺寸的最小检测极限为2。

工件或材料中的实际缺陷是多种多样的，其形状和性质也各

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不相同，而超声波的波长又比较大，要确定其真实大小是非常困难的，甚至不可能的，所以只能采用相对比较的方法，即用未知量(缺陷)与已知量(规定的人工缺陷)的回波振幅相比较的方法，来确定缺陷的当量大小，这就是超声探伤中的缺陷定量的基本原理。

假设已经规定A处为已知量，以此处为参考，如图2.2

图2.2 缺陷定量示意图

则缺陷率为 ：

PAFAT

其中 AF—缺陷波幅值 AT— 始波幅值

2.3超声波讯号显示与记录

超声波讯号显示之表示方法常见有A扫描、B扫描及C扫描三种，示意如图4-26所示。

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A扫描表示法

此种讯号显示之表示方法是超声波检测最普遍的方法，通常应用于脉波反射式超声波检测。探头在检测物上一点，所记录的是此点下方一条线的讯息，如图4-26(a)所示。显示屏幕上之水平轴表示讯号出现的时间或声波回波之路径长度，利用此长度及声束方向即可推算出回波反射体之位置。垂直轴表示讯号高度(振幅)，在没有人工缺陷规块的校准比对下，不能断然地以讯 号高度判定缺陷大小。 B扫描表示法

如图4-26(b)所示，探头在检测物上沿直线移动，所记录的是此线下方一截面的讯息。水平显示表示扫描移动方向的位置，而垂直显示表示检测物内之通过时间，即缺陷深度，因此B扫描可显示受测物某一截面上缺陷分布的大致情形。 C扫描表示法

如图4-26(c)所示，探头在检测物表面上来回扫描整个表面，所记录的是此面下方一个整体的讯，此方法之显示与射线照相结果相似，可看出缺陷的分布情形及形状，但无法得知其深度。 讯号记录之符号

为分辨检测物几何形状及缺陷造成之回波讯号显示，超声波讯号以符号加以记录，如表4-8所示;配合检测实例图形说明，如图4-27所示。

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3、超声波探伤常用器材及设备

校准规块

超声波检测为建立缺陷大小评估的比对根据，并了解仪器特性是否达到使用条件标准，

必须视检测需要制作各种不同形状、大小及人工缺陷的校准规块。校准规块依其检测目的区分为仪器校准用之标准规块(StandardTestBlock'及检测材料用之比较规块(ReferenceBlock)两种。

探头(Probe)

探头亦称换能器(Transducer)，主要由压晶体管(PiezoelectricCrystal)构成，当通以交流电时，压晶体管会发生高频振动而产生超声波，藉以发射进人检测物内，当反射回波撞击探头时，压晶体管会使其转换成交流脉波讯号，因此探头兼备声波发射与接收之双重作用。超声波探头依其使用场合不同，区分为接触式探头(ContactProbe)及浸液式探头(ImmersionPrObe)两种;若依使用目的不同，则区分为直束探头(Straight Beam Probe)、斜束探头(Angle Beam Probe)、可变角度探头(Changeable Angle Probe)、双晶探头(Twin Probe)、

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迟延探头(DeIayProbe)、漆刷型探头(Paint Brush Probe)及聚焦探头(Focusing Probe)。

耦合剂

在检测时于探头与检测物表面间添加水、油或浆糊等物质，藉以赶走空气，避免声波能量损失而以较佳的传送效率进入检测物内部，此等接触媒质，称为耦合剂(CoupIant)。网合剂于检测时应稳定滞留于检测面上，于完成检测后，必须容易清除，且不能对检测物或探头造成损害。实用上耦合剂以罐装或瓶装居多，选用时应注意其化学特性，并注意适用温度。

4、超声波检测技术的应用

随着科学技术的发展，对产品质量提出了越来越高的要求，特别是产品关键零部件的质量问题所造成的事故以及巨大的经济损失，使人们更加认识到了无损检测诊断技术的重要性。在工业发达国家中，无损检测诊断技术已成为必不可少的重要工具和手段. 超声波探伤中用纵波可探测金属铸锭、坯料、中厚板、大型锻件和形状比较简单的制件中所存在的夹杂物、裂缝、缩管、白点、分层等缺陷；用横波可探测管材中的周向和轴向裂缝、划伤、焊缝中的气孔、夹渣、裂缝、未焊透等缺陷；用表面波可探测形状简单的制件上的表面缺陷；用板波可探测薄板中的缺陷。对我国及世界的发展起着关键的作用。

在现代超声波检测技术的发展中，超声成像技术是一种根据声波的特点，以扫描技术为主流的超声成像方法。它是在电视技术、计算机技术和信息技术的基础上发展起来的，是计算机技术、信息采集技术和图像处理技术相结合的产物。超声图像可以提供直观和大量的信息，直接反映物体的声学和力学性质，有着自动

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化和智能化的特点，在医疗诊断、地震遥感、地质勘探、海洋研究、材料科学等领域正日益开辟新的用途，具有非常广阔的发展前景。目前正在使用和开发的超声成像技术包括：超声B扫描成像，超声C扫描成像，超声D扫描成像，SAFT(合成孔径聚焦)成像，P扫描成像，超声全息成像，衍射CT成像、相控阵成像等。结合精密扫查机构的超声成像系统和工业超声相控阵成像系统等已在实际应用上取得了很大的成果。

5、总结

伴随着各种新材料、复合材料的出现和使用，以及对现代检测技术的要求不断提高,研制和开发数字化、智能化、模块化、网络化的超声波检测仪器已成为发展的必然。未来的超声波检测仪器应当具有以下特征：

模块化和插卡化各种超声波检测卡(含数据采集和数据处理以及接口的插卡)将大量问世，借助于高速度、高容量的计算机，超声波检测仪器的研制将变得比较容易。

高数字化、高智能化和图像显示功能未来的超声波检测仪器应当是高度数字化、高度智能化的，其检测结果应可用图像显示出来；具有友好的用户界面；开机后具有自检功能；可用菜单选择仪器测试参数；可调用或可存储仪器的设定参数，以及与其它计算机进行通讯或传输数据。

数据库及自动识别功能 未来超声波检测仪器的一个最重要的进步是具有对被检对象的缺陷类型进行自动识别，以及对被检测对象的状态进行自动评价的功能。因此，它应当具有比较完备的数据库和专家识别系统。

专门的超声检测专家系统专门的专家系统是保证数字化、智能化超声波检测仪器的有力手段和技术支持，系统内建有模式识别和自适应学习网络，它也是协调检测仪器软、硬件以及仪器与

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人的友好互动的关键所在。

目前，虽然世界上各种超声波检测技术和超声波检测仪器的发展相当快，但我们综合以上的分析和调查、研究之后，不难发现：超声波检测的未来主要趋势还是应该朝研制一种智能化的诊断装置方向发展。这种智能化的诊断装置应该能靠增加所获得的被检工件的信息量、提高信息质量以及经专门的数学后续处理等手段来提高评价工件质量的能力。因此，把握这方面的发展动态，紧随时代发展潮流的脉搏，是我国超声波无损检测人员进行研制、开发以及应用超声波检测技术责无旁贷的义务，亦是我们不断前进的方向和动力。

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