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1、安全检测与监控主讲：樊建春主讲：樊建春安全检测与监控安全检测与监控六、结构完整性检测内容简介一、结构完整性检测概述二、超声检测与声发射检测技术三、射线检测技术四、电磁检测技术五、渗透检测技术六、红外检测技术安全检测与监控安全检测与监控六、结构完整性检测1.结构完整性(StructuralIntegrity)6.1 结构完整性问题 反映组成工程系统的构件安全可靠服役的能力。完整性良反映组成工程系统的构件安全可靠服役的能力。完整性良好意味着：好意味着：构件在物理上和功能上是完整的；构件在物理上和功能上是完整的；构件处于受控状态；构件处于受控状态；存在持续性措施防止构件在运行阶段发生事故；存在持续性
2、措施防止构件在运行阶段发生事故；结构完整性与构件设计、制造、安装、施工、运行、维护、结构完整性与构件设计、制造、安装、施工、运行、维护、检修和管理的各个过程密切相关。检修和管理的各个过程密切相关。结构完整性着重研究安全工程系统中机的问题及其影响因素。结构完整性着重研究安全工程系统中机的问题及其影响因素。安全检测与监控安全检测与监控六、结构完整性检测6.1 结构完整性问题 结构完整性不足或丧失，意味着：结构完整性不足或丧失，意味着：结构出现损伤（缺陷），难以保证安全可靠服役；结构出现损伤（缺陷），难以保证安全可靠服役；构件功能部分或完全丧失；构件功能部分或完全丧失；运行阶段所采取的措施不足以预防
3、失效事故的发生。运行阶段所采取的措施不足以预防失效事故的发生。受各种复杂因素的影响，工程系统的构件在运行过程中的受各种复杂因素的影响，工程系统的构件在运行过程中的结构完整性实际上是动态变化的，对结构完整性适时进行检测结构完整性实际上是动态变化的，对结构完整性适时进行检测与评价，是结构完整性管理的核心任务之一。与评价，是结构完整性管理的核心任务之一。安全检测与监控安全检测与监控六、结构完整性检测6.1 结构完整性问题 安全检测与监控安全检测与监控六、结构完整性检测6.1 结构完整性问题 安全检测与监控安全检测与监控六、结构完整性检测6.1 结构完整性问题 安全检测与监控安全检测与监控六、结构完整
4、性检测6.1 结构完整性问题 结构完整性检测与评价的主要工作内容：结构完整性检测与评价的主要工作内容：1 1、系统工况分析，确定被测对象的检测条件要求；、系统工况分析，确定被测对象的检测条件要求；2 2、依据条件要求，选择合适的检测方法；、依据条件要求，选择合适的检测方法；3 3、确定检测实施方案；、确定检测实施方案；4 4、检测方案实施，采集数据；、检测方案实施，采集数据；5 5、检测数据处理；、检测数据处理；6 6、检测结果分析、解释；、检测结果分析、解释；7 7、结构完整性评价：剩余工作能力、建议措施、预测、结构完整性评价：剩余工作能力、建议措施、预测安全检测与监控安全检测与监控六、结构
5、完整性检测6.1 结构完整性问题 常用结构完整性检测方法：常用结构完整性检测方法：1 1、电磁检测技术（磁粉、漏磁、涡流、磁记忆）；、电磁检测技术（磁粉、漏磁、涡流、磁记忆）；2 2、超声检测技术；、超声检测技术；3 3、声发射检测技术；、声发射检测技术；4 4、射线检测技术；、射线检测技术；5 5、渗透检测技术；、渗透检测技术；6 6、红外检测技术。、红外检测技术。安全检测与监控安全检测与监控 超声波检测主要用于检测试件的内部缺陷，它的应用十分超声波检测主要用于检测试件的内部缺陷，它的应用十分广泛。用于探伤的超声波频率为广泛。用于探伤的超声波频率为0.40.425MHz25MHz。6.2.1
6、 6.2.1 超声波的发生及其性质超声波的发生及其性质 1.1.超声波的发生和接收超声波的发生和接收 压电效应：对某些物质，当沿着一定方向施加力而使其变形压电效应：对某些物质，当沿着一定方向施加力而使其变形时，在一定表面上将产生电荷，外力去掉后又重新回到不带电时，在一定表面上将产生电荷，外力去掉后又重新回到不带电状态的现象。状态的现象。反之，如在这些物质的极化方向施加电场，这些物质又在一反之，如在这些物质的极化方向施加电场，这些物质又在一定方向上产生机械变形或机械应力，当外电场撤去时这些变形定方向上产生机械变形或机械应力，当外电场撤去时这些变形或应力则随之消失，这种现象为逆压电效应。或应力则随
7、之消失，这种现象为逆压电效应。六、结构完整性检测6.2 超声波检测技术 安全检测与监控安全检测与监控超声波的产生（逆压电效应）：超声波的产生（逆压电效应）：对压电材料施加交变电压，从而产生交替的压缩和拉伸，对压电材料施加交变电压，从而产生交替的压缩和拉伸，由此产生振动，振动频率与交变电压的频率相同，当施加在压由此产生振动，振动频率与交变电压的频率相同，当施加在压电晶体上的交变电压频率在超声波范围内时，产生的振动就是电晶体上的交变电压频率在超声波范围内时，产生的振动就是超声波振动。如将这种振动耦合到弹性介质中，则在弹性介质超声波振动。如将这种振动耦合到弹性介质中，则在弹性介质中传播的就是超声波。
8、中传播的就是超声波。超声波的接收：超声波的接收：将超声能转变为电能的过程，利用压电材料的压电效应。将超声能转变为电能的过程，利用压电材料的压电效应。超声波检测所利用的探头，一方面用于发生超声波，另一方面超声波检测所利用的探头，一方面用于发生超声波，另一方面用于接收从界面、缺陷返回的超声波。用于接收从界面、缺陷返回的超声波。六、结构完整性检测6.2 超声波检测技术 安全检测与监控安全检测与监控2 2、超声波的种类、超声波的种类 纵波：声波介质质点的振动方向与传播方向一致；纵波：声波介质质点的振动方向与传播方向一致；横波：在固体介质中传播的剪切波（质点运动方向垂直于声横波：在固体介质中传播的剪切波
9、（质点运动方向垂直于声波传播方向）；波传播方向）；表面波：在固体介质表面传播的波（质点运动为椭圆形，且表面波：在固体介质表面传播的波（质点运动为椭圆形，且椭圆的主轴垂直于波的传播方向）；是一种仅沿固体表面传播椭圆的主轴垂直于波的传播方向）；是一种仅沿固体表面传播的剪切波；的剪切波；板波（板波（LambLamb）：在薄板中传播的波，平行于测试表面，质点）：在薄板中传播的波，平行于测试表面，质点运动轨迹也是椭圆形，仅当被测材料厚度为检测频率下的几个运动轨迹也是椭圆形，仅当被测材料厚度为检测频率下的几个波长时，在厚度均匀的地方才会产生。波长时，在厚度均匀的地方才会产生。超声波检测中，直探头产生纵波，
10、斜探头产生横波。超声波检测中，直探头产生纵波，斜探头产生横波。六、结构完整性检测6.2 超声波检测技术 安全检测与监控安全检测与监控六、结构完整性检测6.2 超声波检测技术 波的类型波的类型质点振动特点质点振动特点传播介质传播介质应应 用用纵纵 波波质点振动方向平行于波传质点振动方向平行于波传播方向播方向固、液、气体固、液、气体介质介质钢板、锻件探伤等钢板、锻件探伤等横横 波波质点振动方向垂直于波传质点振动方向垂直于波传播方向播方向固体介质固体介质焊缝、钢管探伤等焊缝、钢管探伤等表面波表面波质点作椭圆运动，椭圆长质点作椭圆运动，椭圆长轴垂直波传播方向，短轴轴垂直波传播方向，短轴平行于波传播方向
11、平行于波传播方向固体介质固体介质钢管探伤等钢管探伤等板板 波波对称型对称型(S(S型型)上下表面：椭圆运动上下表面：椭圆运动,中心：中心：纵向振动纵向振动固体介质固体介质(厚厚度与波长相当度与波长相当的薄板的薄板)薄板、薄壁钢管等薄板、薄壁钢管等(6mm)(6mm)非对称型非对称型(A(A型型)上下表面；椭圆运动，中上下表面；椭圆运动，中心：横向振动心：横向振动安全检测与监控安全检测与监控3 3、声速、声速 声波在不同介质中的传播速度：声波在不同介质中的传播速度：空气：空气：340m/s340m/s；水：水：1500m/s1500m/s；钢：钢：5900m/s5900m/s（纵波）、（纵波）、
12、3230m/s3230m/s（横波）、（横波）、表面波：表面波：3007m/s3007m/s 声速取决于传播介质的弹性系数、密度和声波的种类，与频声速取决于传播介质的弹性系数、密度和声波的种类，与频率和晶片无关。率和晶片无关。横波的声速大约是纵波声速的一半，表面波声速约为横波的横波的声速大约是纵波声速的一半，表面波声速约为横波的0.90.9倍。倍。六、结构完整性检测6.2 超声波检测技术 安全检测与监控安全检测与监控4 4、波长、波长 波在一个周期内或者说质点完成一次振动所经过的路程称波在一个周期内或者说质点完成一次振动所经过的路程称为波长。为波长。=V/f=V/f；VV速度；速度；ff频率；
13、频率；：波长：波长 在超声波检测中，能被检测到的最小检测体的主尺寸至少为在超声波检测中，能被检测到的最小检测体的主尺寸至少为检测频率下的半波长。如果已经知道要检测的不连续的临界尺检测频率下的半波长。如果已经知道要检测的不连续的临界尺寸，则有助于选择合适的检测频率。寸，则有助于选择合适的检测频率。例例1 1：计算频率为：计算频率为5MHz5MHz的纵波在钢铁中传播的波长，设低的纵波在钢铁中传播的波长，设低碳钢中的波速为碳钢中的波速为5960m/s5960m/s。例例2 2：计算频率为：计算频率为5MHz5MHz的纵波在铝中传播的波长，设铝中的的纵波在铝中传播的波长，设铝中的波速为波速为6400m
14、/s6400m/s。六、结构完整性检测6.2 超声波检测技术 安全检测与监控安全检测与监控5 5、超声场及其特征量、超声场及其特征量充满超声波的空间叫做超声场，描述超声场的特征量有声压、声强、声充满超声波的空间叫做超声场，描述超声场的特征量有声压、声强、声阻抗。阻抗。6 6、波的反射和透射、波的反射和透射（1 1）垂直入射时的反射和透射）垂直入射时的反射和透射当超声波垂直地传到界面上时，一部分超声波被反射，而剩余的部分就当超声波垂直地传到界面上时，一部分超声波被反射，而剩余的部分就穿透过去，这两部分的比率取决于两种介质的声阻抗。当钢中的超声波传播穿透过去，这两部分的比率取决于两种介质的声阻抗。
15、当钢中的超声波传播到底面遇到空气介质界面时，由于空气和钢中声波传播速度和密度相差很大，到底面遇到空气介质界面时，由于空气和钢中声波传播速度和密度相差很大，接近接近100%100%的超声波被反射回来，而当交接界面为钢和水时，有的超声波被反射回来，而当交接界面为钢和水时，有88%88%的声能的声能被反射。被反射。声压反射率：声压反射率：R=(ZR=(Z2 2-Z-Z1 1)/(Z)/(Z2 2+Z+Z1 1)，Z Z1 1、Z Z2 2为两种介质的声阻抗为两种介质的声阻抗声压透射率：声压透射率：D=2ZD=2Z2 2/(Z2+Z1)/(Z2+Z1)，Z Z1 1、Z Z2 2为两种介质的声阻抗为两
16、种介质的声阻抗（声阻抗：超声场中任一点的声压与该处质点振动速度之比称为声阻抗；超声场中某（声阻抗：超声场中任一点的声压与该处质点振动速度之比称为声阻抗；超声场中某一点在某一时刻所具有的压强与没有超声波存在时的静态压强之差，称为该点的声压）一点在某一时刻所具有的压强与没有超声波存在时的静态压强之差，称为该点的声压）六、结构完整性检测6.2 超声波检测技术 安全检测与监控安全检测与监控 （2 2）斜射时的反射和透射）斜射时的反射和透射 当超声波斜射到界面上时，在界面上会产生反射和折射。当超声波斜射到界面上时，在界面上会产生反射和折射。六、结构完整性检测6.2 超声波检测技术 i1s2sL反射角和折
17、射角的反射角和折射角的大小取决于两种介大小取决于两种介质的中声速。质的中声速。C1C1入射波声速入射波声速 入射角入射角 反射角反射角L L 纵波纵波S S 横波横波安全检测与监控安全检测与监控 7 7、指向性、指向性 声束集中向一个方向辐射的性质，叫做声波的指向性，探声束集中向一个方向辐射的性质，叫做声波的指向性，探伤采用高频超声波，其理由之一就是希望它具有指向性，便于伤采用高频超声波，其理由之一就是希望它具有指向性，便于超声波探伤发现缺陷，确定缺陷位置。超声波探伤发现缺陷，确定缺陷位置。8 8、近场区和远场区、近场区和远场区 在超声波探头的声场中，按声场变化的规律分为近场区和在超声波探头的
18、声场中，按声场变化的规律分为近场区和远场区。远场区。在近场区，声束可粗略地认为是圆柱形的，且与传感器晶在近场区，声束可粗略地认为是圆柱形的，且与传感器晶片的直径相同，在近场区以外的远场区，声束会以圆锥形扩散：片的直径相同，在近场区以外的远场区，声束会以圆锥形扩散：六、结构完整性检测6.2 超声波检测技术 安全检测与监控安全检测与监控 9 9、小物体上的超声波反射、小物体上的超声波反射 在超声波探伤中，缺陷尺寸的检出极限为超声波波长的一在超声波探伤中，缺陷尺寸的检出极限为超声波波长的一半。缺陷尺寸越大，越容易反射。半。缺陷尺寸越大，越容易反射。六、结构完整性检测6.2 超声波检测技术 近场区远场
19、区幅值距离近场区远场区Y0指数规律衰减因干涉波动安全检测与监控安全检测与监控6.2.26.2.2 超声波检测原理及方法超声波检测原理及方法 超声波检测利用超声波通过两种介质的界面时发生反射和超声波检测利用超声波通过两种介质的界面时发生反射和折射的特性来探测零件内部的缺陷。折射的特性来探测零件内部的缺陷。由于超声波在异质界面上会发生反射、折射等现象，尤其由于超声波在异质界面上会发生反射、折射等现象，尤其是不能通过气体固体界面。如果金属中有气孔、裂纹、分层等是不能通过气体固体界面。如果金属中有气孔、裂纹、分层等缺陷缺陷(缺陷中有气体缺陷中有气体)或夹杂，超声波传播到金属与缺陷的界面或夹杂，超声波传
20、播到金属与缺陷的界面处时，就会全部或部分反射。反射回来的超声波被探头接收，处时，就会全部或部分反射。反射回来的超声波被探头接收，通过检测仪器处理，可得到不同高度和有一定间距的波形，根通过检测仪器处理，可得到不同高度和有一定间距的波形，根据波形的变化特征可以判断缺陷在工件中的深度、位置和形状。据波形的变化特征可以判断缺陷在工件中的深度、位置和形状。六、结构完整性检测6.2 超声波检测技术 安全检测与监控安全检测与监控6.2.26.2.2 超声波检测原理及方法超声波检测原理及方法 1 1、脉冲反射法、脉冲反射法 将具有一定持续时间和一定频率间隔的超声脉冲发射到被将具有一定持续时间和一定频率间隔的超
21、声脉冲发射到被测工件上，当超声波在工件内部遇到缺陷时，就会产生反射，测工件上，当超声波在工件内部遇到缺陷时，就会产生反射，根据反射信号的时差变化及在显示器上的位置就可以判断缺陷根据反射信号的时差变化及在显示器上的位置就可以判断缺陷大小及深度。大小及深度。可以通过改变入射角的方法发现不同方位的缺陷，利用表可以通过改变入射角的方法发现不同方位的缺陷，利用表面波可以检测复杂形状零件的表面缺陷，利用板波可以检测薄面波可以检测复杂形状零件的表面缺陷，利用板波可以检测薄板的缺陷。板的缺陷。六、结构完整性检测6.2 超声波检测技术 安全检测与监控安全检测与监控 1 1）垂直探伤法（纵波法）垂直探伤法（纵波法
22、）当把脉冲振荡器发生的电压加到晶片上时，晶片振动，产当把脉冲振荡器发生的电压加到晶片上时，晶片振动，产生超声波脉冲。如果被检物是钢的话，超声波以生超声波脉冲。如果被检物是钢的话，超声波以59005900米米/秒的秒的固定速度在钢内传播，超声波碰到缺陷时，一部分从缺陷反射固定速度在钢内传播，超声波碰到缺陷时，一部分从缺陷反射回到晶片，而另一部分未碰到缺陷的超声波继续前进，直到被回到晶片，而另一部分未碰到缺陷的超声波继续前进，直到被检底面才反射回来。检底面才反射回来。六、结构完整性检测6.2 超声波检测技术 脉冲发生器接收放大器探头工件缺陷TFBT发射波F缺陷波B底波安全检测与监控安全检测与监控
23、垂直探伤法能发现与探伤面平行或近于平行的缺陷，适用垂直探伤法能发现与探伤面平行或近于平行的缺陷，适用于厚钢板、轴类、轮等几何形状简单的工件。于厚钢板、轴类、轮等几何形状简单的工件。2 2）斜射探伤法（横波法）斜射探伤法（横波法）在斜射法探伤时，由于超声波在被检物中是斜向传播的，在斜射法探伤时，由于超声波在被检物中是斜向传播的，超声波是斜射向底面不会有底面回波。超声波是斜射向底面不会有底面回波。斜射探伤法能发现与探测表面成角度的缺陷，常用于焊缝、斜射探伤法能发现与探测表面成角度的缺陷，常用于焊缝、环状锻件、管材的检查。环状锻件、管材的检查。六、结构完整性检测6.2 超声波检测技术 TTFTB斜射
24、探伤：无缺陷波形斜射探伤：含缺陷波形斜射探伤：板端反射波形安全检测与监控安全检测与监控 2 2、共振法、共振法 若某一频率的声波在被测工件内传播，当工件的厚度是超若某一频率的声波在被测工件内传播，当工件的厚度是超声波半波长的整数倍时，将引起共振，仪器显示出共振频率，声波半波长的整数倍时，将引起共振，仪器显示出共振频率，利用相邻两个共振频率差，可确定被测工件的厚度：利用相邻两个共振频率差，可确定被测工件的厚度：六、结构完整性检测6.2 超声波检测技术 共振法主要用于测量壁厚；依据前后检测共振点变化，可共振法主要用于测量壁厚；依据前后检测共振点变化，可检测复合材料胶合质量、板材点焊质量、均匀腐蚀和
25、板材内部检测复合材料胶合质量、板材点焊质量、均匀腐蚀和板材内部夹层等。设备简单、测量精确。夹层等。设备简单、测量精确。安全检测与监控安全检测与监控 3 3、透射法、透射法 利用超声波穿透工件后的能量变化来判断工件缺陷情况。利用超声波穿透工件后的能量变化来判断工件缺陷情况。六、结构完整性检测6.2 超声波检测技术 当工件无缺陷时，能量衰减小，接当工件无缺陷时，能量衰减小，接收探头得到的信号强；当存在缺陷时，收探头得到的信号强；当存在缺陷时，由于反射或折射导致接收探头得到的信由于反射或折射导致接收探头得到的信号较弱，依据接收信号大小可判断缺陷号较弱，依据接收信号大小可判断缺陷位置及大小。位置及大小
26、。发射探头接收探头 适合探测较薄工件的缺陷和超声波衰减大的匀质材料，设适合探测较薄工件的缺陷和超声波衰减大的匀质材料，设备简单、操作方便，速度快，对形状简单、批量大的工件易实备简单、操作方便，速度快，对形状简单、批量大的工件易实现连续检测；不能检测缺陷深度、小缺陷，探伤灵敏度低，对现连续检测；不能检测缺陷深度、小缺陷，探伤灵敏度低，对探头安装位置要求高。探头安装位置要求高。安全检测与监控安全检测与监控 4 4、接触测量与液浸测量、接触测量与液浸测量 接触测量利用探头与工件表面之间的一层耦合剂直接接触接触测量利用探头与工件表面之间的一层耦合剂直接接触进行探伤。耦合剂要求有较高声阻抗且透声性好。进
27、行探伤。耦合剂要求有较高声阻抗且透声性好。操作方便，但对工件表面粗糙度要求高。操作方便，但对工件表面粗糙度要求高。液浸测量将探头与工件全部浸入液体，或将探头与工件局液浸测量将探头与工件全部浸入液体，或将探头与工件局部充入液体进行探伤。液浸法当用水作耦合介质时，称作水浸部充入液体进行探伤。液浸法当用水作耦合介质时，称作水浸法。水浸法探伤时，探头常采用聚焦探头以保证灵敏度。法。水浸法探伤时，探头常采用聚焦探头以保证灵敏度。探头与工件不直接接触，检测速度高，易实现自动化检测。探头与工件不直接接触，检测速度高，易实现自动化检测。六、结构完整性检测6.2 超声波检测技术 安全检测与监控安全检测与监控6.
28、2.36.2.3 超声波检测仪器超声波检测仪器 1 1、A A型显示探伤仪：波形显示：横坐标代表声波的传播时型显示探伤仪：波形显示：横坐标代表声波的传播时间间(或距离或距离)，纵坐标代表反射波的幅度。由反射波的位置可以，纵坐标代表反射波的幅度。由反射波的位置可以确定缺陷位置，由反射波的幅度可估算缺陷大小。确定缺陷位置，由反射波的幅度可估算缺陷大小。2 2、B B型显示探伤仪：图象显示：横坐标靠机械扫描代表探型显示探伤仪：图象显示：横坐标靠机械扫描代表探头扫查轨迹，纵坐标靠电子扫描代表声波的传播时间头扫查轨迹，纵坐标靠电子扫描代表声波的传播时间(距离距离)，可直观地显示出被探工件任一纵截面上缺陷
29、分布及深度。可直观地显示出被探工件任一纵截面上缺陷分布及深度。3 3、C C型显示探伤仪：图象显示：横坐标和纵坐标都是靠机型显示探伤仪：图象显示：横坐标和纵坐标都是靠机械扫描来代表探头在工件表面的位置。探头接收信号幅度以光械扫描来代表探头在工件表面的位置。探头接收信号幅度以光点辉度表示；当探头在工件表面移动时，荧光屏上可显示出工点辉度表示；当探头在工件表面移动时，荧光屏上可显示出工件内部缺陷的平面图象，但不能显示缺陷的深度。件内部缺陷的平面图象，但不能显示缺陷的深度。六、结构完整性检测6.2 超声波检测技术 安全检测与监控安全检测与监控六、结构完整性检测6.2 超声波检测技术 安全检测与监控安
30、全检测与监控六、结构完整性检测6.2 超声波检测技术 安全检测与监控安全检测与监控 6.2.3 6.2.3 超声波检测的应用范围及特点超声波检测的应用范围及特点1 1、适应范围广：金属、非金属、复合材料均可，匀质、适应范围广：金属、非金属、复合材料均可，匀质2 2、对工件无任何损伤，可检测微小不连续缺陷；、对工件无任何损伤，可检测微小不连续缺陷；3 3、单侧检验，便于复杂工件应用；、单侧检验，便于复杂工件应用；4 4、穿透力强、灵敏度高，可检测极厚部件；、穿透力强、灵敏度高，可检测极厚部件；5 5、面积型缺陷检出率高，体积型检测率低；、面积型缺陷检出率高，体积型检测率低；6 6、检验成本低，速
31、度快，仪器轻小，便于现场应用；、检验成本低，速度快，仪器轻小，便于现场应用；7 7、对确定内部缺陷的大小、位置、取向、埋深、性质等有综、对确定内部缺陷的大小、位置、取向、埋深、性质等有综合优势；合优势；8 8、对缺陷在工件厚度方向上定位准确；、对缺陷在工件厚度方向上定位准确；9 9、对人体及环境无害。、对人体及环境无害。六、结构完整性检测安全检测与监控安全检测与监控 6.2.4 6.2.4 超声波检测的局限性超声波检测的局限性1 1、接触测量对接触可靠性要求高，快速检测受影响；、接触测量对接触可靠性要求高，快速检测受影响；2 2、液浸测量时，对液体质量要求高，杂质会影响检测结果；、液浸测量时，
32、对液体质量要求高，杂质会影响检测结果；3 3、材质、晶粒度、内部组织对探伤有影响；、材质、晶粒度、内部组织对探伤有影响；4 4、工件不规则的外形和一些结构会影响检测结果；、工件不规则的外形和一些结构会影响检测结果；5 5、不平或粗糙的表面会影响耦合和扫查，从而影响检测精度、不平或粗糙的表面会影响耦合和扫查，从而影响检测精度和可靠性。和可靠性。六、结构完整性检测安全检测与监控安全检测与监控 目前用于检测磁场的方法有多种，在具体选择时，着重考虑如下因素：（1）检测磁场范围；（2）灵敏度；（3）频率响应范围，能否实现高速检测；（4）抗干扰能力（如抗温度漂移的能力）；（5）检测信号的动态性能；（6）工
33、作寿命；（7）对提离效应的敏感程度；（8）检测传感器的综合成本（包括检测电路的复杂程度、使用成本等）；（9）检测传感器的尺寸和体积，能否实现高分辨率检测。六、结构完整性检测6.3 电磁检测技术安全检测与监控安全检测与监控表表2-1 2-1 不同磁敏元件的磁场检测范围不同磁敏元件的磁场检测范围磁检测磁检测磁检测磁检测技术技术技术技术磁场范围磁场范围磁场范围磁场范围价格价格价格价格(元元元元)10101010-10-10-10-1010101010-6-6-6-610101010-2-2-2-2101010102 2 2 2101010106 6 6 6铁磁线圈铁磁线圈铁磁线圈铁磁线圈磁通门磁通门
34、磁通门磁通门1,000-101,000-101,000-101,000-10万万万万霍尔元件霍尔元件霍尔元件霍尔元件10-110-110-110-1万万万万磁阻元件磁阻元件磁阻元件磁阻元件10-10010-10010-10010-100巨磁阻巨磁阻巨磁阻巨磁阻10-100010-100010-100010-1000SQUID*SQUID*SQUID*SQUID*1 1 1 1万万万万-100-100-100-100万万万万六、结构完整性检测安全检测与监控安全检测与监控 磁通门和超导量子磁强计（SQUID）的体积庞大，价格高昂，一般用于特殊领域，而不适合于一般的无损检测领域。铁磁线圈、霍尔元件、
35、磁阻元件则是磁场检测的常用手段，巨磁阻检测技术则是近年来迅速发展的新技术。1.铁磁线圈 铁磁线圈传感器是在无损检测中使用最多、历史最悠久的传感器，一般由线圈和软磁芯组成，其响应函数很容易采用经典的法拉第电磁感应定律推导，在变磁场作用下，线圈中产生的电压可表示为：fNrdtdBrNVsignal22=p六、结构完整性检测安全检测与监控安全检测与监控其其其其中中中中，N N N N为为为为线线线线圈圈圈圈匝匝匝匝数数数数，r r r r2 2 2 2 为为为为线线线线圈圈圈圈截截截截面面面面积积积积；dB/dt dB/dt dB/dt dB/dt 为为为为磁磁磁磁场场场场变变变变化化化化率率率率，
36、与与与与工工工工作作作作频频频频率率率率f f f f成成成成正正正正比比比比。显显显显然然然然，线线线线圈圈圈圈输输输输出出出出信信信信号号号号的的的的幅幅幅幅度度度度可可可可通通通通过过过过增增增增加加加加线线线线圈圈圈圈匝匝匝匝数数数数加加加加以以以以提提提提高高高高，然然然然而而而而随随随随着着着着线线线线圈圈圈圈匝匝匝匝数数数数的的的的增增增增多多多多，导导导导线线线线总总总总长长长长度度度度增增增增加加加加，电电电电阻阻阻阻将将将将会会会会提提提提高高高高，导导导导致致致致附附附附加加加加的的的的电电电电阻阻阻阻噪噪噪噪声声声声，由由由由此此此此导导导导致致致致的的的的线线线线圈圈
37、圈圈输输输输出出出出电压电压电压电压噪声噪声噪声噪声为为为为：这这这这样样样样铁铁铁铁磁磁磁磁线线线线圈圈圈圈传传传传感感感感器器器器的的的的信信信信噪噪噪噪比比比比SNRSNRSNRSNR与与与与N N N N线线线线圈圈圈圈匝匝匝匝数数数数无无无无关关关关，而而而而与与与与r r r r5/25/25/25/2成正比：成正比：成正比：成正比：显显显显然然然然，铁铁铁铁磁磁磁磁线线线线圈圈圈圈传传传传感感感感器器器器的的的的信信信信噪噪噪噪比比比比随随随随着着着着截截截截面面面面尺尺尺尺寸寸寸寸的的的的减减减减小小小小迅迅迅迅速速速速降降降降低低低低，或或或或随随随随工工工工作作作作频频频频
38、率率率率的的的的降降降降低低低低而而而而减减减减小小小小.因因因因此此此此，这这这这类类类类传传传传感感感感器器器器在在在在高高高高分分分分辨率低辨率低辨率低辨率低频应频应频应频应用用用用场场场场合的合的合的合的检测检测检测检测效能将效能将效能将效能将变变变变得很差。得很差。得很差。得很差。rNVnosie/5frVVSNRnosiesignal2/=六、结构完整性检测安全检测与监控安全检测与监控2.2.2.2.霍尔元件霍尔元件霍尔元件霍尔元件 霍尔效应缘于洛伦兹力对磁场中电子轨道的的作用。在霍霍尔效应缘于洛伦兹力对磁场中电子轨道的的作用。在霍霍尔效应缘于洛伦兹力对磁场中电子轨道的的作用。在霍
39、霍尔效应缘于洛伦兹力对磁场中电子轨道的的作用。在霍尔器件中，电压与通过导体或半导体载流产生的磁场成正比。尔器件中，电压与通过导体或半导体载流产生的磁场成正比。尔器件中，电压与通过导体或半导体载流产生的磁场成正比。尔器件中，电压与通过导体或半导体载流产生的磁场成正比。霍尔传感器非常便宜且很容易在集成电路中组合。然而，霍尔霍尔传感器非常便宜且很容易在集成电路中组合。然而，霍尔霍尔传感器非常便宜且很容易在集成电路中组合。然而，霍尔霍尔传感器非常便宜且很容易在集成电路中组合。然而，霍尔器件与磁阻元件相比灵敏度要低得多器件与磁阻元件相比灵敏度要低得多器件与磁阻元件相比灵敏度要低得多器件与磁阻元件相比灵敏
40、度要低得多,正逐步为磁阻元件所替代正逐步为磁阻元件所替代正逐步为磁阻元件所替代正逐步为磁阻元件所替代.霍尔传感器已成功地在无损检测中得到广泛应用，其主要缺点霍尔传感器已成功地在无损检测中得到广泛应用，其主要缺点霍尔传感器已成功地在无损检测中得到广泛应用，其主要缺点霍尔传感器已成功地在无损检测中得到广泛应用，其主要缺点在于灵敏度有限，也正是由于这个原因，霍尔传感器的检测效在于灵敏度有限，也正是由于这个原因，霍尔传感器的检测效在于灵敏度有限，也正是由于这个原因，霍尔传感器的检测效在于灵敏度有限，也正是由于这个原因，霍尔传感器的检测效果很容易受检测距离变化的显著影响，提离效应比较严重。果很容易受检测
41、距离变化的显著影响，提离效应比较严重。果很容易受检测距离变化的显著影响，提离效应比较严重。果很容易受检测距离变化的显著影响，提离效应比较严重。六、结构完整性检测安全检测与监控安全检测与监控3.3.3.3.磁阻元件（磁阻元件（磁阻元件（磁阻元件（MRMRMRMR）磁磁磁磁阻阻阻阻元元元元件件件件是是是是利利利利用用用用磁磁磁磁阻阻阻阻效效效效应应应应感感感感应应应应磁磁磁磁场场场场的的的的磁磁磁磁敏敏敏敏元元元元件件件件。当当当当磁磁磁磁性性性性或或或或半半半半导导导导体体体体材材材材料料料料受受受受到到到到外外外外部部部部磁磁磁磁场场场场作作作作用用用用时时时时，其其其其电电电电阻阻阻阻发发发
42、发生生生生变变变变化化化化的的的的现现现现象象象象，即即即即磁磁磁磁阻阻阻阻效效效效应应应应。磁磁磁磁阻阻阻阻效效效效应应应应的的的的发发发发现现现现，推推推推动动动动了了了了能能能能够够够够在在在在多多多多种种种种场场场场合合合合替替替替代代代代应应应应用用用用成成成成本本本本较较较较高高高高的的的的线线线线圈圈圈圈传传传传感感感感器器器器的的的的固固固固态态态态测测测测磁磁磁磁传传传传感感感感器器器器的的的的发发发发展展展展。材材材材料料料料的的的的磁磁磁磁阻阻阻阻效效效效应应应应品品品品质质质质一般采用磁阻率来表示，其定一般采用磁阻率来表示，其定一般采用磁阻率来表示，其定一般采用磁阻率来
43、表示，其定义为义为义为义为：%100minminmax%-=RRRMR六、结构完整性检测安全检测与监控安全检测与监控 磁磁磁磁阻阻阻阻率率率率反反反反映映映映出出出出通通通通过过过过磁磁磁磁阻阻阻阻传传传传感感感感器器器器可可可可获获获获得得得得的的的的最最最最大大大大信信信信号号号号强强强强度度度度。一一一一般般般般各各各各向向向向异异异异性性性性磁磁磁磁阻阻阻阻传传传传感感感感器器器器（AMRAMRAMRAMR）的的的的磁磁磁磁阻阻阻阻率率率率为为为为1-2%1-2%1-2%1-2%，而而而而巨巨巨巨磁磁磁磁阻阻阻阻元元元元件件件件（GMRGMRGMRGMR）的的的的磁磁磁磁阻阻阻阻率率率
44、率可可可可达达达达20-20-20-20-50%50%50%50%。由由由由于于于于磁磁磁磁阻阻阻阻率率率率较较较较为为为为显显显显著著著著，在在在在实实实实际际际际磁磁磁磁场场场场检检检检测测测测中中中中得得得得到到到到广广广广泛泛泛泛应应应应用用用用的的的的是是是是各各各各向向向向异异异异性性性性磁磁磁磁阻阻阻阻敏敏敏敏感感感感元元元元件件件件（AMRAMRAMRAMR），这这这这种种种种元元元元件件件件的的的的磁磁磁磁致致致致电电电电阻阻阻阻变变变变化化化化取取取取决决决决于于于于通通通通过过过过薄薄薄薄膜膜膜膜电电电电阻阻阻阻条条条条的的的的电电电电流流流流与与与与外外外外场场场场磁磁
45、磁磁化化化化方方方方向向向向之之之之间间间间的的的的夹夹夹夹角角角角；当当当当外外外外磁磁磁磁场场场场方方方方向向向向与与与与电电电电流流流流方方方方向向向向平平平平行行行行时时时时，磁磁磁磁致致致致电电电电阻阻阻阻达达达达到到到到最最最最大大大大值值值值，而而而而当当当当外外外外磁磁磁磁场场场场方方方方向向向向与与与与电电电电流流流流方方方方向向向向垂垂垂垂直直直直时时时时，磁磁磁磁致致致致电电电电阻阻阻阻具具具具有有有有最最最最小小小小值值值值；若若若若外磁外磁外磁外磁场场场场与与与与电电电电流方向之流方向之流方向之流方向之间间间间的的的的夹夹夹夹角角角角为为为为 时时时时，AMRAMRA
46、MRAMR磁敏元件的磁敏元件的磁敏元件的磁敏元件的电电电电阻阻阻阻为为为为：)(cos20qRRRD+=六、结构完整性检测安全检测与监控安全检测与监控图2-1 AMR的磁阻变化机理解释 显然，AMR在外磁场与电流方向之间成45夹角时，具有最高的灵敏度且线性度最佳。因此，实际磁阻元件中AMR材料普遍作成45斜条状结构。六、结构完整性检测安全检测与监控安全检测与监控图2-2 AMR的结构形式及经适当偏置时的磁电阻与磁场关系 六、结构完整性检测安全检测与监控安全检测与监控(a)四个AMR构成的惠斯登电桥(b)电桥中具有不同方位结构电阻图2-3 惠斯登电桥与磁阻传感器工作原理六、结构完整性检测安全检测
47、与监控安全检测与监控 为为为为减减减减小小小小外外外外界界界界环环环环境境境境对对对对传传传传感感感感器器器器稳稳稳稳定定定定性性性性的的的的影影影影响响响响，集集集集成成成成的的的的磁磁磁磁阻阻阻阻传传传传感感感感器器器器芯芯芯芯片片片片中中中中一一一一般般般般采采采采用用用用四四四四个个个个相相相相同同同同的的的的AMRAMRAMRAMR电电电电阻阻阻阻器器器器制制制制成成成成惠惠惠惠斯斯斯斯登登登登电电电电桥桥桥桥，这这这这样样样样，当当当当有有有有外外外外磁磁磁磁场场场场作作作作用用用用时时时时，不不不不同同同同结结结结构构构构方方方方位位位位布布布布置置置置的的的的电电电电阻阻阻阻器
48、器器器因因因因磁磁磁磁化化化化而而而而发发发发生生生生关于角对称的增减（图关于角对称的增减（图关于角对称的增减（图关于角对称的增减（图2-32-32-32-3），电桥产生的输出为：），电桥产生的输出为：），电桥产生的输出为：），电桥产生的输出为：在在在在线线线线性范性范性范性范围围围围内，内，内，内，传传传传感器的感器的感器的感器的输输输输出与外加磁出与外加磁出与外加磁出与外加磁场场场场成正比，即：成正比，即：成正比，即：成正比，即：其其其其中中中中，S S S S为为为为传传传传感感感感器器器器的的的的灵灵灵灵敏敏敏敏度度度度，H H H H为为为为外外外外加加加加磁磁磁磁场场场场的的的的大
49、大大大小小小小。磁磁磁磁阻阻阻阻传传传传感感感感器器器器的的的的其其其其灵灵灵灵敏敏敏敏度度度度与与与与线线线线性性性性范范范范围围围围的的的的大大大大小小小小成成成成反反反反比比比比，既既既既线线线线性性性性范范范范围围围围越越越越宽宽宽宽，其其其其灵敏度越差。灵敏度越差。灵敏度越差。灵敏度越差。六、结构完整性检测安全检测与监控安全检测与监控磁阻磁阻磁阻磁阻传传传传感器具有以下特点：感器具有以下特点：感器具有以下特点：感器具有以下特点：（1 1 1 1）尺寸小；）尺寸小；）尺寸小；）尺寸小；（2 2 2 2）高高高高灵灵灵灵敏敏敏敏度度度度，允允允允许许许许传传传传感感感感器器器器距距距距被
50、被被被测测测测铁铁铁铁磁磁磁磁工工工工件件件件有有有有一一一一段段段段较较较较长长长长的的的的距距距距离；离；离；离；（3 3 3 3）内阻抗小，）内阻抗小，）内阻抗小，）内阻抗小，对电对电对电对电磁噪声和干磁噪声和干磁噪声和干磁噪声和干扰扰扰扰不敏感；不敏感；不敏感；不敏感；（4 4 4 4）可靠性高；）可靠性高；）可靠性高；）可靠性高；（5 5 5 5）可方便地装入）可方便地装入）可方便地装入）可方便地装入线线线线路板中，路板中，路板中，路板中，实实实实施成本低。施成本低。施成本低。施成本低。AMR AMR AMR AMR磁阻磁阻磁阻磁阻传传传传感器存在的最大感器存在的最大感器存在的最大感