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1、2-3 超声检测新技术超声检测新技术2-3-1 电磁超声检测电磁超声检测 当当金金属属材材料料处处于于毛毛面面状状态态、高高温温状状态态以以及及具具有有氧氧化化皮皮表表面面时时，采采用用常常用用的的压压电电换换能能器器来来进进行行检检测比较困难，这是由于很难实现正常的耦合。测比较困难，这是由于很难实现正常的耦合。在在接接触触法法超超声声检检测测时时，毛毛面面需需要要加加工工打打磨磨，以以符合一定表面粗糙度的要求。符合一定表面粗糙度的要求。而高温状态又往往使压电晶片即使在居里点而高温状态又往往使压电晶片即使在居里点以下也很难正常工作。以下也很难正常工作。液浸法虽对部分毛面探伤有所改善广但对高液浸
2、法虽对部分毛面探伤有所改善广但对高温状态由于工件使液体汽化也难以应用。温状态由于工件使液体汽化也难以应用。接接触触法法也也难难以以实实观观高高速速探探伤伤，特特别别对对有有氧氧化化皮皮覆覆盖盖的的材材料料，不不但但耦耦合合时时损损耗耗能能量量极极大大，而而且也不稳定。且也不稳定。对横波换能器来说，由于难以与工件耦合，对横波换能器来说，由于难以与工件耦合，使它在超声检测中的应用大大受到限制。使它在超声检测中的应用大大受到限制。在在理理论论上上，SH横横波波对对检检测测奥奥氏氏体体不不锈锈钢钢焊焊缝缝有效，但液体耦合剂传播横波有困难。有效，但液体耦合剂传播横波有困难。因因此此，希希望望能能有有一一
3、种种非非接接触触式式的的、损损耗耗比比较较低的超声检测方法。低的超声检测方法。电磁超声有可能用来解决上述问题，它的依电磁超声有可能用来解决上述问题，它的依据是电磁学与超声学的结合，它综合了电磁感据是电磁学与超声学的结合，它综合了电磁感应和金属中超声波产生等原理而获得的。应和金属中超声波产生等原理而获得的。与与涡涡流流法法相相同同，根根据据法法拉拉第第电电磁磁感感应应定定律律，当当金金属属表表面面存存在在交交变变电电流流线线圈圈时时，金金属属表表面面将将感生涡流，其频率与线圈内电流的频率一致。感生涡流，其频率与线圈内电流的频率一致。任任何何一一个个载载有有电电流流的的导导体体放放在在磁磁场场中中
4、都都将将受受到到力力的的作作用用，力力的的大大小小与与导导体体的的长长度度、导导体体中中电电流流、导导体体所所处处位位置置磁磁场场以以及及导导体体与与磁磁场场的的夹夹角的正弦成正比，如下式所示角的正弦成正比，如下式所示式式中中 A-常常数数，F-导导体体所所受受力力，I导导体体中中电电流流，H-导导体体所所处处的的磁磁场场强强度度，L-导导体体长长度度，-导导体体和和磁场间的夹角磁场间的夹角 力力 F 的的方方向向垂垂直直于于电电流流 I 和和磁磁场场 H 所所决决定定的的平面，可用左手法则来确定。平面，可用左手法则来确定。如如果果磁磁场场 H 的的方方向向不不变变，那那末末线线圈圈上上所所受
5、受力力的变化完全由线圈中电流的方向而定。的变化完全由线圈中电流的方向而定。当当线线圈圈通通过过交交变变电电流流时时，此此力力也也将将是是交交变变的的，而且其频率与线圈中电流的频率一样。而且其频率与线圈中电流的频率一样。由由此此可可知知，在在交交变变的的磁磁场场中中，金金属属导导体体内内将将产生涡流。产生涡流。在在产产生生涡涡流流的的同同时时，任任何何一一个个电电流流在在磁磁场场中中都将受到力的作用。都将受到力的作用。因因此此金金属属介介质质在在交交变变应应力力的的作作用用下下将将产产生生应应力波，超声频范围的应力波即为超声波。力波，超声频范围的应力波即为超声波。当当把把表表面面载载有有交交变变
6、电电流流的的金金属属导导体体放放在在一一个个固固定定的的磁磁场场内内时时，在在金金属属表表面面的的涡涡流流透透入入深深度度内的质点将承受交变力。内的质点将承受交变力。该该力力使使透透入入深深度度内内的的质质点点产产生生振振动动，致致使使在在金属中产生超声波。金属中产生超声波。与与此此相相反反，由由于于这这种种效效应应的的可可逆逆性性，返返回回声声压压使使质质点点的的振振动动在在磁磁场场的的作作用用下下，也也会会使使涡涡流流线圈两端的电压发生变化。线圈两端的电压发生变化。可可以以通通过过适适当当的的接接收收装装置置进进行行接接收收，然然后后经经过过放放大大进进行行显显示示，用用这这种种方方法法激
7、激发发和和接接收收的的超超声波称为电磁超声。声波称为电磁超声。在在此此方方法法中中，超超声声换换能能器器已已不不单单是是通通有有交交变变电流的线圈以及外部固定磁场的组合体。电流的线圈以及外部固定磁场的组合体。而而金金属属表表面面也也是是换换能能器器的的一一个个组组成成部部分分，电电声的转换是靠金属表面来完成的。声的转换是靠金属表面来完成的。由由于于电电磁磁超超声声只只能能在在导导电电介介质质中中才才能能产产生生，因因此它也只能用于导电材料工件。此它也只能用于导电材料工件。根根据据上上述述原原理理，可可以以在在金金属属材材料料中中激激发发出出不不同波型的超声波。同波型的超声波。因因为为当当改改变
8、变线线圈圈内内电电流流方方向向时时，放放在在固固体体磁磁场中的线圈各部分的受力方向发生改变。场中的线圈各部分的受力方向发生改变。而而同同一一线线圈圈放放在在不不同同取取向向的的磁磁场场中中时时，线线圈圈的受力方向又会发生变化。的受力方向又会发生变化。(1)金属中纵波的产生金属中纵波的产生 图图a是是一一种种激激发发纵纵波波的的示示意意图图，扁扁平平的的涡涡流流线线圈圈贴贴近近于于金金属属表表面面，磁磁铁铁放放置置位位置置促促使使金金属属内内的的磁力线平行于金属表面。磁力线平行于金属表面。当当线线圈圈内内通通以以高高频频电电流流时时，将将在在金金属属表表面面感感应应出出涡涡流流，而而且且涡涡流流
9、平平面面与与磁磁力力线线平平行行，在在磁磁场场作用下，涡流上将受一个力的作用。作用下，涡流上将受一个力的作用。例例如如某某时时刻刻质质点点受受力力向向上上，半半个个周周期期后后受受力力向向下下。质质点点在在此此力力作作用用下下产产生生一一个个与与作作用用力力方方向向一致的弹性波，该弹性波为纵波。一致的弹性波，该弹性波为纵波。(2)金属中横波的产生金属中横波的产生图图b是是一一种种激激发发横横波波的的示示意意图图，磁磁力力线线垂垂直直于于金金属属表表面面，当当涡涡流流线线圈圈通通以以高高频频电电流流时时，作作用用在涡流上的力平行于金属表面。在涡流上的力平行于金属表面。某某时时刻刻涡涡流流如如图图
10、，此此时时质质点点受受力力向向右右，半半个个周周期期后后受受力力向向左左。质质点点在在此此力力的的作作用用下下产产生生与与作作用力垂直的弹性波，该弹性波为横波。用力垂直的弹性波，该弹性波为横波。(3)斜声束的激发斜声束的激发 用用电电磁磁方方法法对对纵纵波波和和横横波波的的激激发发，这这两两种种波波的主声束在金属中部垂直于金属表面。的主声束在金属中部垂直于金属表面。为为了了获获得得不不同同入入射射角角的的超超声声束束，可可把把若若干干小小线圈置于同一恒定磁场中。线圈置于同一恒定磁场中。按按照照不不同同延延时时顺顺序序激激发发各各个个小小线线圈圈，整整个个声声束束波波前前与与金金属属表表面面将将
11、产产生生一一个个夹夹角角，于于是是获获得得了一束具有一定入射角的超声束。了一束具有一定入射角的超声束。改改变变小小线线圈圈之之间间位位置置(间间距距)、几几何何尺尺寸寸和和延延迟时间，就可以改变声束入射角大小。迟时间，就可以改变声束入射角大小。当当这这一一角角度度大大到到一一定定程程度度时时，也也可可以以对对不不同同被检对象激发出板波和表面波。被检对象激发出板波和表面波。(4)聚焦声束的激发聚焦声束的激发 在在平平的的金金属属表表面面上上，电电磁磁超超声声方方法法一一般般很很难难激激发发聚聚焦焦声声束束，但但当当金金属属面面是是圆圆弧弧形形时时，很很容容易获得聚焦声束。易获得聚焦声束。这这是是
12、因因为为涡涡流流在在金金属属圆圆弧弧表表面面各各点点所所受受的的力力将将不不在在同同一一个个方方向向上上，所所产产生生的的超超声声波波束束将将出出现聚焦。现聚焦。并并且且这这一一聚聚焦焦声声束束的的焦焦距距为为曲曲率率半半径径R，即即焦焦点落在圆心上。点落在圆心上。因因此此，用用这这种种方方法法产产生生的的聚聚焦焦声声束束的的聚聚焦焦情情况和焦点都是由工件的表面曲率所决定的。况和焦点都是由工件的表面曲率所决定的。(5)电磁超声的接收电磁超声的接收 与与声声束束和和金金属属表表面面的的取取向向有有关关，因因为为只只有有导导体体切切割割磁磁力力线线时时，才才能能在在导导体体中中感感生生产产生生涡涡
13、流流，是是磁场对质点垂直振动作功的结果。磁场对质点垂直振动作功的结果。而而接接收收线线圈圈两两端端所所感感应应的的电电信信号号的的幅幅度度则则将将正正比比于于涡涡流流强强度度，并并与与声声束束入入射射方方向向和和金金属属表表面面法法线间的夹角有关。线间的夹角有关。因因此此，当当接接收收金金属属中中的的返返回回超超声声波波时时，电电磁磁接接收探头将不是收探头将不是“接收接收”某一给定的波型的波。某一给定的波型的波。而而是是接接收收金金属属表表面面上上由由超超声声波波所所引引起起的的质质点点振振动、在某一给定方向上的分量。动、在某一给定方向上的分量。(6)影响电磁超声系统灵敏度的因素影响电磁超声系
14、统灵敏度的因素 电电磁磁超超声声系系统统的的能能量量转转换换十十分分复复杂杂，影影响响因因素素很很多多，一一般般认认为为影影响响电电磁磁超超声声系系统统的的因因素素与与线线圈圈两端输出电压两端输出电压U有关，经验公式为有关，经验公式为式式中中 I-发发射射线线圈圈电电流流，n1-发发射射线线圈圈匝匝数数，n2-接接收收线线圈圈的的匝匝数数，B-外外磁磁场场磁磁感感应应强强度度，-金金属属表表面面电电导导率率，D-线线圈圈几几何何因因素素，h-线线圈圈与与工工件件间间距离，距离，Z-工件特性阻抗工件特性阻抗从从上上式式可可见见，电电磁磁超超声声系系统统的的灵灵敏敏度度不不但但受受发发射射功功率率
15、、接接收收线线圈圈匝匝数数和和恒恒定定外外磁磁场场的的影影响响，也也与与工工件件电电导导率率、磁磁导导率率和和声声阻阻抗抗等等有有关关。因因此此，电电磁超声对不同工件有不同的灵敏度。磁超声对不同工件有不同的灵敏度。在在通通常常情情况况下下，电电磁磁超超声声的的灵灵敏敏度度比比压压电电超超声声(PZT)低低40dB左右。左右。然然而而，当当工工件件表表面面存存在在有有磁磁性性氧氧化化皮皮(Fe3O4)时时则则情情况况正正好好相相反反，在在最最好好的的情情况况下下，电电磁磁超超声声可比压电超声的灵敏度高可比压电超声的灵敏度高40dB左右。左右。不不过过工工件件表表面面氧氧化化皮皮并并不不都都很很均
16、均匀匀，有有的的甚甚至至斑斑剥剥脱脱落落。若若要要利利用用这这种种特特性性，可可以以人人为为地地在在工工件表面涂刷某些含磁性氧化皮的涂层。件表面涂刷某些含磁性氧化皮的涂层。电电磁磁超超声声检检测测的的优优点点是是能能激激发发出出SH横横波波，对对核核电电站站中中用用得得比比较较多多的的奥奥氏氏体体不不锈锈钢钢焊焊缝缝特特别别合适，是一般超声换能器不可能做到的。合适，是一般超声换能器不可能做到的。目目前前用用得得比比较较好好的的电电磁磁超超声声换换能能器器的的频频率率为为2MHz，发发出出SH横横波波，折折射射角角为为45o，采采用用信信号号均值法来降低噪声、提高信噪比。均值法来降低噪声、提高信
17、噪比。2-3-2奥氏体不锈钢焊缝的超声检测奥氏体不锈钢焊缝的超声检测 奥奥氏氏体体不不锈锈钢钢焊焊缝缝晶晶粒粒粗粗大大和和各各向向异异性性，不不能能采用一般的超声方法进行无损检测。采用一般的超声方法进行无损检测。但但是是由由于于奥奥氏氏体体不不锈锈钢钢的的断断裂裂韧韧性性高高、抗抗蠕蠕变变和抗腐蚀性能好等优点，应用愈来愈广泛。和抗腐蚀性能好等优点，应用愈来愈广泛。在在核核电电站站和和化化工工厂厂，奥奥氏氏体体不不锈锈钢钢焊焊缝缝用用在在重重要的部位。为确保安全，超声检测必不可少。要的部位。为确保安全，超声检测必不可少。奥奥氏氏体体不不锈锈钢钢对对超超声声检检测测来来说说是是一一种种弹弹性性非非
18、均均质材料，显著影响超声波在工件中的传播。质材料，显著影响超声波在工件中的传播。在在弹弹性性非非均均质质材材料料中中，尽尽管管传传声声时时晶晶界界散散射射较较大大，但但当当晶晶粒粒尺尺寸寸达达到到一一定定程程度度，声声散散射射才才会会严重影响超声的正常检测。严重影响超声的正常检测。也也就就是是说说，材材料料的的弹弹性性非非均均质质性性是是影影响响超超声声检检测测的的基基本本因因素素，而而晶晶粒粒大大小小又又是是影影响响超超声声检检测测的必要条件。的必要条件。当当材材料料的的晶晶粒粒直直径径接接近近波波长长的的1/5时时，弹弹性性非非均质材料的超声检测就比较困难。均质材料的超声检测就比较困难。例
19、例如如当当超超声声频频率率为为2MHz时时，由由于于钢钢中中横横波波声声速为速为3230m/s，mm。mm时就无法进行超声检测。时就无法进行超声检测。mm、长长度度往往往往超超过过10mm，因因此此很很难难用用一一般般横横波斜探头进行超声检测。波斜探头进行超声检测。降低横波频率，从降低横波频率，从2MHz降低到降低到1MHz，虽然，虽然超声波长相对晶粒直径有所改善，但声束容易发超声波长相对晶粒直径有所改善，但声束容易发散和造成假信号。散和造成假信号。分分割割型型双双晶晶片片探探头头的的聚聚焦焦作作用用有有利利于于提提高高信信噪噪比比，最最先先被被用用于于粗粗晶晶材材料料的的检检测测。但但该该探
20、探头头覆覆盖盖深度仅约深度仅约15mm，超过此范围声束很快发散。，超过此范围声束很快发散。例例如如对对厚厚60mm奥奥氏氏体体不不锈锈钢钢焊焊缝缝，需需要要四四个个探探头头，表表面面区区采采用用70o折折射射角角探探头头，后后面面依依次次为为65o、60o和和45o折射角探头。折射角探头。粗粗晶晶材材料料超超声声检检测测中中经经常常遇遇到到的的另另一一个个问问题题是是出出现现假假信信号号，这这是是由由于于工工件件内内部部粗粗晶晶晶晶粒粒的的界界面面反射回波叠加累积而成。反射回波叠加累积而成。采采用用高高阻阻尼尼窄窄脉脉冲冲探探头头，可可降降低低探探头头的的信信噪噪比比即改善粗晶材料散射，同时还
21、能消除假信号。即改善粗晶材料散射，同时还能消除假信号。高高阻阻尼尼窄窄脉脉冲冲探探头头的的另另一一个个优优点点是是有有非非常常好好的的近场分辨率。近场分辨率。MHz的的窄窄脉脉冲冲探探头头适适用用于于壁壁厚厚960mm粗粗晶晶材材料料，中中心心频频率率0.51MHz的的窄窄脉脉冲冲探探头头可可用用于于壁壁厚厚6090mm奥氏体钢焊缝。奥氏体钢焊缝。而而最最重重要要的的措措施施是是改改善善超超声声换换能能器器的的性性能能，也也就就是是上上面面提提到到的的窄窄脉脉冲冲纵纵波波探探头头，对对奥奥氏氏体体不不锈锈钢焊缝则需要采用窄脉冲纵波斜探头。钢焊缝则需要采用窄脉冲纵波斜探头。与与一一般般常常用用的
22、的横横波波探探头头相相比比，纵纵波波斜斜探探头头的的入入射射角角要要小小得得多多，不不能能采采用用与与普普通通横横波波斜斜探探头头相相似似的斜楔。的斜楔。否否则则界界面面反反射射波波将将回回到到压压电电晶晶片片，形形成成干干扰扰杂杂波波，影影响响探探头头的的盲盲区区和和信信噪噪比比，一一般般是是采采用用加加高高有机玻璃斜楔来减小界面反射波的影响。有机玻璃斜楔来减小界面反射波的影响。2-5-5 超声成象技术超声成象技术 在在超超声声检检测测工工作作中中如如何何能能够够直直观观地地了了解解缺缺陷陷的的形形状状，用用声声来来观观察察不不透透光光物物体体的的内内部部结结构构是是人们早已感兴趣的问题人们
23、早已感兴趣的问题。由于微处理机技术的迅猛发展，为超声成象由于微处理机技术的迅猛发展，为超声成象技术开辟了广阔前景。技术开辟了广阔前景。(1)P扫描成象扫描成象 P扫扫描描的的意意思思是是投投影影图图象象扫扫描描，也也就就是是对对缺缺陷陷进行三个方向的投影扫查。进行三个方向的投影扫查。正正像像我我们们可可以以从从零零件件的的三三个个视视图图(顶顶视视图图、正正视图和侧视图视图和侧视图)得到零件的正确形状一样。得到零件的正确形状一样。可可以以从从三三个个方方向向对对缺缺陷陷进进行行测测定定、展展现现缺缺陷陷的形态，位置和取向等。的形态，位置和取向等。P扫扫描描技技术术已已包包括括B扫扫描描和和C扫
24、扫描描技技术术，核核心心部部分分是是P扫扫描描处处理理器器，与与扫扫查查器器相相联联，是是一一种种可可用于生产现场的携带式装置。用于生产现场的携带式装置。有有四四通通道道脉脉冲冲接接收收器器，成成象象液液晶晶显显示示，可可存存贮用于后处理或立即打印存档。贮用于后处理或立即打印存档。扫扫查查器器可可以以手手工工操操作作，也也可可自自动动检检测测，可可对对焊焊缝缝位位置置自自动动跟跟踪踪，特特别别对对晶晶界界应应力力腐腐蚀蚀裂裂纹纹的检测效果很好。的检测效果很好。常常规规的的超超声声检检测测技技术术都都是是先先测测定定特特定定参参考考反反射射体体(标标准准试试块块)，来来预预置置仪仪器器的的检检测
25、测灵灵敏敏度度，仅仅当当回回波波幅幅度度超超过过预预置置水水平平时时才才被被记记录录，检检出出缺缺陷陷的的标准是预先选定的。标准是预先选定的。而而P扫扫描描装装置置在在检检测测过过程程中中，把把所所有有反反射射信信号号以以及及它它们们相相应应的的位位置置坐坐标标都都记记录录下下来来，然然后后在在任任何何时时候候，可可采采用用任任何何检检测测灵灵敏敏度度对对这这些些信信号号进进行行处理分析。处理分析。这这种种后后处处理理系系统统称称做做可可变变显显示示水水平平，是是P扫扫描描系统的一个主要特点。系统的一个主要特点。对对工工件件腐腐蚀蚀坑坑自自动动检检测测来来说说，P扫扫描描系系统统带带有有所所谓
26、谓T扫扫描描的的软软件件，也也即即厚厚度度扫扫描描软软件件，它它能能自自动找到腐蚀坑的最深部位。动找到腐蚀坑的最深部位。P扫扫描描系系统统还还具具有有能能数数字字化化、显显示示和和记记录录原原始始的的A扫扫描描数数据据，以以及及相相应应探探头头位位置置，这这对对确确定定缺缺陷大小，以及对复杂形状工件来说很重要。陷大小，以及对复杂形状工件来说很重要。最最近近P扫扫描描系系统统还还开开发发了了新新软软件件，核核心心部部份份是是采采用用综综合合孔孔径径成成象象技技术术，它它能能使使非非聚聚焦焦的的超超声声换能器的检测结果具有聚焦效应。换能器的检测结果具有聚焦效应。把把扫扫查查过过程程中中不不同同探探
27、头头位位置置检检测测到到的的A型型信信号号进进行行存存贮贮、处处理理，采采用用几几何何统统计计重重建建方方法法，获获得比一般成象技术更高的缺陷定量精度。得比一般成象技术更高的缺陷定量精度。目目前前，软软件件几几乎乎可可以以进进行行实实时时处处理理，还还包包括括点点分分析析技技术术，点点分分析析技技术术在在回回波波模模型型比比较较复复杂杂的情况下非常有用，它有利于提高检测精度。的情况下非常有用，它有利于提高检测精度。此此外外，在在新新型型的的P扫扫描描系系统统中中，还还采采用用时时间间渡渡越越衍衍射射技技术术(TOFD)，对对确确定定工工件件内内裂裂纹纹端端点点的的位置非常有效位置非常有效。(2
28、)ALOK成象技术成象技术 所所谓谓超超声声ALOK成成象象技技术术，即即幅幅度度、传传播播时时间间与位置曲线技术。与位置曲线技术。用用普普通通换换能能器器在在工工件件上上扫扫查查检检测测，发发射射和和接接收收脉脉冲冲超超声声波波，接接收收信信号号中中既既有有裂裂纹纹缺缺陷陷信信号号，又又有噪声干扰信号，两者互相干涉。有噪声干扰信号，两者互相干涉。通通过过脉脉冲冲峰峰值值检检测测处处理理，即即可可得得到到与与脉脉冲冲峰峰值值相对应的波的传播时间和幅值。相对应的波的传播时间和幅值。在在所所有有扫扫描描位位置置上上重重复复检检测测，可可以以得得到到传传播播时时间数据分布和对应的幅度数据分布图。间数
29、据分布和对应的幅度数据分布图。用用三三角角窗窗搜搜索索方方法法，对对传传播播时时间间数数据据处处理理，去去除除噪噪声声，然然后后利利用用几几何何重重建建法法或或迭迭代代重重建建法法进进行行缺陷成象。缺陷成象。ALOK成成象象技技术术中中有有几几个个难难点点，首首先先三三角角搜搜索索窗窗的的确确定定带带有有很很强强的的经经验验性性，其其次次是是几几何何重重建建法法虽虽快快但但精精度度差差，而而叠叠代代法法精精度度高高但但速速度度慢慢，再再者者整个过程比较复杂，很难实时完成。整个过程比较复杂，很难实时完成。为为了了完完善善ALOK成成象象系系统统，需需设设计计和和研研制制实实时时多多通通道道检检测
30、测仪仪器器，达达到到接接受受更更多多信信息息和和缩缩短短检检测测时间的目的，在检测方法上也需要改进。时间的目的，在检测方法上也需要改进。(3)SAFT成象技术成象技术 超超声声SAFT成成象象技技术术，是是从从综综合合孔孔径径雷雷达达成成象象技技术术仿仿照照过过来来的的。它它是是参参考考相相位位的的光光处处理理技技术术而而实实现现，但但复复杂杂的的光光处处理理系系统统限限制制了了它它的的发发展展应用。应用。综综合合孔孔径径成成象象技技术术的的成成象象过过程程包包括括三三个个基基本本步步骤骤，即即原原始始数数据据采采集集、数数据据处处理理及及图图象象重重建建和和缺陷图象显示。缺陷图象显示。SAF
31、T系系统统中中，散散射射信信号号的的接接受受和和脉脉冲冲波波的的发发射射既既可可以以用用一一个个换换能能器器完完成成，也也可可用用两两个个换换能能器完成。既可用一般探头，也可用聚焦探头。器完成。既可用一般探头，也可用聚焦探头。当当探探头头收收发发兼兼用用时时，聚聚焦焦探探头头接接收收的的散散射射能能量量较较少少，信信噪噪比比低低，影影响响重重建建图图像像的的质质量量，而而一般探头检测缺陷图像的横向分辨力较低。一般探头检测缺陷图像的横向分辨力较低。因因此此，把把两两者者结结合合起起来来，即即采采用用一一般般探探头头发发射射、聚聚焦焦探探头头接接收收，可可解解决决SAFT成成象象技技术术中中灵灵敏
32、度和分辨力的矛盾。敏度和分辨力的矛盾。综综合合孔孔径径成成象象技技术术，具具有有分分辨辨力力高高、与与缺缺陷陷尺尺寸寸无无关关、信信噪噪比比高高、图图象象显显示示清清楚楚等等优优点点，为为定定量量超超声声检检测测提提供供了了一一种种有有效效的的方方法法，适适用用于于对对检检测工作要求较高的场合。测工作要求较高的场合。随随着着计计算算机机技技术术的的迅迅速速发发展展以以及及检检测测方方法法上上的的不不断断改改进进，例例如如采采用用串串列列式式探探头头等等，使使SAFT成成象技术大大提高了图象重建速度。象技术大大提高了图象重建速度。(4)超声全息成象技术超声全息成象技术 当当激激光光全全息息技技术
33、术实实现现后后，又又出出现现了了声声全全息息成成像技术，尤其正面投影技术获得迅速发展。像技术，尤其正面投影技术获得迅速发展。超超声声全全息息技技术术发发展展很很快快，比比较较成成功功的的或或接接近近于于实用的超声全息方法主要有实用的超声全息方法主要有 A 液面法，包括机械、电子、激光等扫描法液面法，包括机械、电子、激光等扫描法 B 布喇格衍射法，布喇格衍射法，C 时间参考全息法以及扫描全息法等时间参考全息法以及扫描全息法等 超声全息技术的基本原理与光全息类似，与一超声全息技术的基本原理与光全息类似，与一般超声成象技术有三个根本区别般超声成象技术有三个根本区别 A 采用相干超声来采用相干超声来“
34、照明照明”物体物体 B 用参考超声束和干涉效应，与工件信息超声用参考超声束和干涉效应，与工件信息超声波相互作用后在成象位置上形成特殊图形，波相互作用后在成象位置上形成特殊图形，C 从工件中每一点发来的信息超声波都从工件中每一点发来的信息超声波都“照照”到整个成象位置上，同时成象位置上的每一点都到整个成象位置上，同时成象位置上的每一点都接收到整个工件发来的信息波。接收到整个工件发来的信息波。液液面面法法超超声声全全息息是是超超声声全全息息技技术术中中发发展展最最早早的的一一种种方方法法，优优点点是是实实时时成成象象非非常常简简便便，虽虽然然成成象象质量受一些限制，但仍受到重视。质量受一些限制，但
35、仍受到重视。扫扫描描超超声声全全息息是是利利用用声声束束在在工工件件内内扫扫描描来来实实现现超超声声全全息息，原原理理与与液液面面超超声声全全息息相相同同，但但是是在在全全息图形成和重现方面与液面超声全息不同。息图形成和重现方面与液面超声全息不同。扫扫描描超超声声全全息息探探头头在在工工件件上上扫扫描描的的过过程程中中，将将超声全息信息记录在存贮器后完成全息图。超声全息信息记录在存贮器后完成全息图。由由于于扫扫描描超超声声全全息息实实现现了了脉脉冲冲声声信信息息的的逐逐点点记记录录，可可以以通通过过电电路路处处理理来来提提高高灵灵敏敏度度，并并且且可可用用电信号来代替超声参考波。电信号来代替超
36、声参考波。2-3-4 超声显微镜超声显微镜 光光学学显显微微镜镜和和电电子子显显微微镜镜，把把人人们们的的视视力力扩扩展展到到微微观观世世界界，但但他他们们无无法法对对不不透透光光物物体体内内部部的的细细节进行观察。节进行观察。超超声声显显微微镜镜有有可可能能解解决决这这个个问问题题，目目前前超超声声显显微镜已经达到光学显微镜的分辨率水平。微镜已经达到光学显微镜的分辨率水平。m，m，声声波波的的频频率率必必须须为为23GHz，这这个个频频率目前可以做到。率目前可以做到。仅仅从从分分辨辨率率一一个个方方面面还还不不足足以以说说明明超超声声显显微微镜镜的的必必要要性性，因因为为超超声声显显微微镜镜
37、不不但但能能够够观观察察物物体体内内部微观结构部微观结构(如金相组织等如金相组织等)。更更重重要要的的是是能能够够观观察察物物质质的的多多种种力力学学性性能能(如如密密度度、弹弹性性常常数数、粘粘滞滞系系数数及及内内部部应应力力、应应变变状状态态等等)的的微微观观不不均均匀匀性性，是是研研究究物物质质结结构构与与性性能能的有效手段。的有效手段。超声显微镜可分为以下超声显微镜可分为以下4种类型种类型 A 用用高高频频声声波波照照射射试试样样，激激光光系系统统检检测测信信息息的的声光显微镜声光显微镜(简称简称SLAM)B 用用光光波波照照射射试试样样，用用声声学学系系统统检检测测信信息息的的光光声
38、显微镜声显微镜(简称简称SPAM)C 用用电电子子束束照照射射试试样样，用用声声学学系系统统检检测测信信息息的的声显微镜声显微镜(简称简称SEAM)D 用用声声波波照照射射试试样样，用用声声学学系系统统检检测测信信息息的的声声学显微镜学显微镜(简称简称SAM)其其中中以以SAM发发展展最最快快，SAM，当当采采用用频频率率1GHZm，m 超超声声显显微微镜镜结结构构与与扫扫描描电电子子显显微微镜镜类类似似，主主要要包括电路、声路和机械结构几部分。包括电路、声路和机械结构几部分。由由信信号号源源发发出出的的电电磁磁波波经经换换能能器器变变换换成成高高频频声声波波，通通过过声声镜镜聚聚焦焦，试试样
39、样置置于于声声镜镜焦焦面面，接接收收声声镜收到由试样反射或透射的声波。镜收到由试样反射或透射的声波。再再由由换换能能器器转转换换成成电电信信号号，经经放放大大处处理理后后，送到荧光屏上显示出试样的图象送到荧光屏上显示出试样的图象。为为了了用用超超声声显显微微镜镜实实现现高高分分辨辨率率，采采用用了了比比一一般般超超声声无无损损检检测测装装置置高高两两个个数数量量级级的的高高频频超超声波，必然增大了试样内部超声波的衰减。声波，必然增大了试样内部超声波的衰减。故故实实际际可可检检测测深深度度仅仅限限于于试试件件的的表表面面和和亚亚表表面层。若要检测更大深度，须采较的频率。面层。若要检测更大深度，须
40、采较的频率。超超声声显显微微镜镜可可用用以以检检测测集集成成电电路路中中存存在在的的微微细细缺缺陷陷(裂裂纹纹、杂杂质质、脱脱粘粘等等)，大大功功率率晶晶体体管管管管芯芯与与管管壳壳的的粘粘结结质质量量，飞飞机机发发动动机机零零件件的的热热压焊质量等。压焊质量等。也也可可在在无无需需抛抛光光、腐腐蚀蚀试试样样时时就就可可清清晰晰地地观观察到金属的金相组织等方面已达实用阶段。察到金属的金相组织等方面已达实用阶段。2-5-5 激光超声检测技术激光超声检测技术 用用脉脉冲冲激激光光照照射射工工件件表表面面，可可以以产产生生超超声声波波脉脉冲，激光超声波具有纵波、横波和表面波型。冲，激光超声波具有纵波
41、、横波和表面波型。可可以以实实现现非非接接触触、远远距距离离遥遥控控、快快速速全全方方位位扫扫描描、稳稳定定性性重重复复性性好好以以及及不不需需耦耦合合剂剂等等，因因此此可可在高温、高压、有毒等恶劣环境中进行检测。在高温、高压、有毒等恶劣环境中进行检测。将将波波长长短短、能能量量高高的的光光脉脉冲冲照照射射金金属属表表面面，激激光光导导致致金金属属表表面面下下温温度度升升高高、体体积积膨膨胀胀，在在材材料料中中形形成成激激波波阵阵面面，材材料料表表面面激激发发出出频频率率很很高高的的超超声波，可达几十兆赫。声波，可达几十兆赫。这这种种低低功功率率密密度度激激光光使使金金属属表表面面成成为为热热
42、弹弹性性状状态态，可可以以发发生生超超声声，而而不不会会发发生生烧烧蚀蚀现现象象，也也就就是说不会对工件表面造成损伤。是说不会对工件表面造成损伤。如如果果激激光光束束所所激激发发的的热热弹弹性性形形变变处处在在材材料料内内部部，这这种种形形变变属属伸伸缩缩形形式式产产生生纵纵波波，但但靠靠近近材材料表面，发生波型转变会产生一些横波。料表面，发生波型转变会产生一些横波。除除了了纵纵波波和和横横波波外外，脉脉冲冲激激光光也也可可以以产产生生表表面面波波，它它是是由由固固体体表表面面介介质质产产生生的的横横向向和和纵纵向向振动合成并沿介质表面传播。振动合成并沿介质表面传播。激激光光超超声声源源辐辐射
43、射的的方方向向性性与与压压电电超超声声源源辐辐射射的的方方向向性性完完全全不不同同，激激光光超超声声源源将将辐辐射射能能量量分分布布在在一一个个很很宽宽的的角角度度范范围围内内，在在实实际际检检测测中中不不便于控制和利用，降低了检测灵敏度。便于控制和利用，降低了检测灵敏度。为为了了提提高高激激光光超超声声检检测测系系统统的的灵灵敏敏度度，必必须须把把声声束束及及其其方方向向控控制制在在一一个个很很窄窄的的范范围围内内，可可以采用光纤相阵方法来控制。以采用光纤相阵方法来控制。激激光光超超声声最最重重要要的的特特性性是是能能以以非非接接触触方方式式对对工工件件进进行行无无损损检检测测，从从激激光光
44、发发射射源源到到被被检检工工件件之间的距离可以达到之间的距离可以达到10m 只只有有要要求求检检测测这这种种表表面面声声位位移移也也应应是是非非接接触触遥测式，才能显示出激光超声的优越性。遥测式，才能显示出激光超声的优越性。实实际际检检测测目目标标，都都是是粗粗糙糙光光学学漫漫射射面面，现现场场有有低低频频振振动动和和噪噪声声，工工件件形形状状和和尺尺寸寸各各异异，要要求检测系统必须满足上述条件。求检测系统必须满足上述条件。有有两两种种类类型型的的光光学学干干涉涉系系统统，一一种种是是根根据据麦麦克克尔尔逊逊干干涉涉仪仪原原理理组组成成的的激激光光干干涉涉系系统统，可可直直接接用用来测量被测工
45、件表面位移。来测量被测工件表面位移。这这种种系系统统对对工工件件表表面面位位移移灵灵敏敏，具具有有对对位位移移平平直直的的频频率率响响应应，对对周周围围低低频频噪噪声声敏敏感感，要要被被检检表表面具有镜面反射特性，因而适用性不强。面具有镜面反射特性，因而适用性不强。另另一一种种为为共共焦焦法法布布里里-泊泊罗罗干干涉涉系系统统，其其原原理理是是表表面面振振动动引引起起反反射射或或散散射射光光的的多多普普勒勒频频移移，对对超超声声引引起起的的表表面面速速度度变变化化灵灵敏敏，对对噪噪声声不不敏敏感感，适用于工业现场粗糙表面的检测。适用于工业现场粗糙表面的检测。激激光光超超声声的的产产生生和和检检
46、测测与与压压电电超超声声不不同同，也也没没有有耦耦合合剂剂的的影影响响，因因此此在在超超声声声声速速高高精精度度测测量量和和薄壁件测厚上也有广泛应用前景。薄壁件测厚上也有广泛应用前景。在在固固体体中中采采用用激激光光超超声声可可使使绝绝对对声声速速测测量量精精度度提提高高10倍倍，通通过过料料声声速速和和厚厚度度的的精精确确测测量量，可可更更精确地计算出材料的弹性常数。精确地计算出材料的弹性常数。激激光光超超声声的的另另一一个个应应用用，是是作作为为校校准准声声发发射射检检测测系系统统的的标标准准声声源源，频频带带宽宽、重重复复性性好好、稳稳定性好，可产生纵波、横波、表面波等。定性好，可产生纵波、横波、表面波等。激激光光超超声声也也具具有有一一些些缺缺点点，首首先先是是为为了了防防止止激激光光损损伤伤工工件件表表面面，只只能能采采用用低低功功率率，声声振振幅幅受受到到限限制制，影影响响检检测测灵灵敏敏度度。其其次次是是激激光光干干涉涉系系统统的的接接收收灵灵敏敏度度也也不不如如压压电电换换能能器器。第第三三个个缺点是设备大、成本高。缺点是设备大、成本高。