激光全息声振微波

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1、第六章 无损检测新技术6. 0 概 述与热加工和新型材料关系较为密切的 无损检测新技术 激光全息 (laser holographic)声振 (声阻) acoustic vibration (acoustic impedance)微波 (microwave)声发射 (acoustic emission) 61 激光全息无损检测激光全息无损检测 在全息照相技术的基础上发展起来的一种检测技术。611 激光全息检测的特点与原理6. 1. 1. 1 激光全息检测的特点(1) 检测的灵敏度高激光干涉计量精度与波长同数量级；(2) 可检验大尺寸物体激光相干长度很大；(3) 对被检对象没有特殊要求任何材料、

2、任意粗糙的表面；(4) 可对缺陷进行定量分析借助干涉条纹数量和分布状态。6. 1. 1. 2 激光全息检测的原理原理光的干涉现象光波中电场 E 的波动方程：式中，A0：振幅， t ：相位光的干涉 光波在空间叠加而形成明暗相间的稳定分布。干涉条件： (1) 有相同的振动方向和固定的相位差；(2) 两束光波在相遇处所产生的振幅差不大；(3) 两束光波在相遇处的光程差不大。激光全息照相检测光路图：激光全息检测 a. 对被检测物体加载；b. 物体表面发生微小的位移(微差位移)；c. 物体表面的轮廓就发生变化；d. 全息图上的条纹与未加载时相比发生了移动。n建像时除了显示原来物体的全息像外，还产生较为粗

3、大的干涉条纹，由条纹的间距可以算出物体表面的位移的大小。n当物体内部不含有缺陷时，条纹的形状和间距的变化是宏观的、连续的，与物体外形轮廓的变化同步。n当被检物体内部含有缺陷时，在激光照射下进行建像时，所看到的波纹图样在对应于有缺陷的局部区域就会出现不连续的、突然的形状变化和间距变化。612 激光全息检测方法6. 1. 2. 1 物体表面微差位移的观察方法激光全息无损检测基本原理 物体内部缺陷在外力作用下，使物体表面产生与其周围不相同的微差位移。通过激光全息照相法进行比较，从而检测物体内部的缺陷。观察物体表面微差位移的三种方法： 1实时法先拍摄不受力时的全息图；冲洗处理后，把全息图精确地放回到原

4、来拍摄位置上，用同样参考光照射，则全息图就再现 出物体三维立体像 (虚像)，再现虚像完全重合在物体上。缺点： (1) 需要附加机构，以使全息图位移不超过几个光波波长；(2) 全息干版在冲洗过程中乳胶层要产生一些收缩，全息图放回原位时，虽然物体没有变形，但仍有少量位移干涉条纹出现 ； (3) 显示的干涉条纹图样不能长久保留。2两次曝光法将物体在两种不同受载情况下的物体表面光波摄制在同一张全息图上；再现两个光波叠加时产生干涉现象。3时间平均法在物体振动时摄制全息图；曝光时间物体振动循环周期，即在整个曝光时间内，物体要能够进行若干个周期的振动。6. 1. 2. 2 激光全息检测的加载方法激光全息照相

5、缺陷检测实质 比较物体在不同受载情况下的表面光波。常用加载方式：1内部充气法；2表面真空法；3热加载法。真空加载及其 光路示意图613 激光全息检测的应用6. 1. 3. 1 蜂窝结构检测加载方法：内部充气、加热及表面真空等。全息照相方法检测蜂窝夹层结构，具有良好的重复性、再现性和灵敏度。6. 1. 3. 2 复合材料检测新型复合材料 硼或碳高强度纤维本身粘接以及粘接到其它金属基片上的材料。纤维、纤维层之间及与基片之间脱粘或开裂，导致材料刚度下降，甚至导致材料损坏。全息照相可检测出此类缺陷。6. 1. 3. 3 胶接结构检测n粘接技术 借助胶粘剂在固体表面上所产生的粘合力， 将同种或不同种材料

6、牢固地连接在一起的方法。两种主要的粘接形式：n1. 非结构粘接 指表面粘涂、密封和功能性粘接，典型 的非结构胶包括表面粘接用胶粘剂、密封和导电胶粘剂等。n2. 结构型粘接 将结构单元用胶粘剂牢固地固定在一起 的粘接现象。其中所用的结构胶粘剂及其粘接点必须能传递 结构应力，在设计范围内不影响其结构的完整性及对环境的 适用性。固体火箭发动机外壳、绝热层、包覆层及推进剂药柱 各界面之间要求无脱粘缺陷。x射线检测：只能检测产品气泡、夹杂物等缺陷。超声波检测：在曲率较大的部位或棱角处无法接触而形成“死区”。全息检测：能有效地克服上述两种检测方法的缺点。6. 1. 3. 4 药柱质量检测 药柱 具有一定几

7、何形状和尺寸的安放于固体 火箭发动机燃烧室中的固体推进剂。通过加载使药柱在对应一气孔或裂纹的表面产生变 形，当变形量达到激光器光波波长的 1/4 时，就可 使干涉条纹图样发生畸变。6. 1. 3. 5 印制电路板焊点检测加载方法：热加载有缺陷的焊点，其干涉条纹与正常焊点有明显的区别；通过分析条纹的形成等判断焊点的质量。6. 1. 3. 6 压力容器检测焊缝和母材中的形成裂纹缺陷，使用中产生的疲劳裂纹。采用激光全息照相注水加载法，能检测出 3 mm 厚的不 锈钢容器中宽度为 5 mm，深度为 1.5 mm 左右的环状裂 纹。62 声振检测法声振检测 激励被测件产生机械振动，通过测量被测件振动的特

8、征来判定其质量。621 检测原理及方法单一频率情况下的机械振动基本方程：F 机械振动的驱动力； u 质点的振动速度； Z 等效力阻抗。M 等效质量； C 等效柔顺性； R等效损耗阻 ； i 电流； 圆频率。Z 的数值与胶接状态密切相关； 通过测量 Z ，或在 F 一定时测量 u，就可对胶接质量进行相对 检测。声阻检测法 用电声换能器激发样品振动，当反映样品振动特性的力阻抗有变化时，换能器的某些特性也随着变化。换能器不同特性的测量方法：频率法；振幅法；相位法。621. 1 频率检测法对构件施加一冲击力，它将在其所有的振动形态下振荡，为所有形态自然频率和阻尼的函数。通过频谱分析，可将构件受冲击产生

9、的响应时间记录变换成相应的频谱，从而在频谱中辨认被检构件的自然频率。例：纤维增强塑料中的损伤检测6212 局部激振法局部激振 对被测结构的一点或多点施加激励，使其发生振动，并对所有欲测的各点测量其结构的局部性能。1单点激振法(1) 振动热图法对损伤的复合材料施加周期应力时，在各种裂缝和边缘之间会发生相对运动(阻尼)而产生热量。采用扫描红外照像机或其他方式检测周期应力形成的局部温升可以判断结构的质量。振动热图检测适用于热扩散率低的工件，以便有效地阻止损伤区的热量快速传导，很少用于热导率高的金属。(2) 振幅测量法使构件振动至谐振，构件内局部损伤使振动模态形式改变，通过观察分析构件振动的时间平均全

10、息图可发现构件缺陷。特点：可实现快速检测；一次能检测的构件面积较大；须建立无振动的环境；设备的价格较高。2 多点激振法在每一被测点施加激励，并在同一点上测量输 入的力或振动的响应。特点：可用来测量胶接结构的脱粘、分层和叠 层构件的气孔以及蜂窝结构中的“平面”状缺陷 。622 声振检测的应用1. 蜂窝结构检测2. 复合材料检测3. 胶结强度检测以CFRP为面板的 蜂窝壁板的检测结果63 微波无损检测微波 指频率为 300 MHz-300 GHz 的电磁波，是无线电波中一个有限频带的简称，即波长在 1m（不含1m）到1mm 之间的电磁波，是分米波、厘米波、毫米波的统称。微波频率比一般的无线电波频率

11、高，通常也称为“超高频电磁波”。微波作为一种电磁波也具有波粒二象性微波量子的能量为 1.99l0 -25 1.9910-22 j n微波比其它电磁波，如红外线、远红外线等波长更长，因此具有更好的穿透性。n由于微波能够贯穿介电材料，能够穿透声衰减很大的非金属材料，所以微波检测技术在大多数非金属和复合材料内部的缺陷检测及各种非电量测量等方面获得了广泛的应用。631 微波检测的基本原理与特点6311 微波检测的特点 微波的特点 与几何光学相似；当波长和工件尺寸同数量 级时，又有与声学相近的特性；波长短、频带宽、方向性好和 贯穿介电材料能力强。 微波检测的缺点 不能穿透金属或导电性能较好的复合材料；由

12、于趋肤效应，不适于检测上述材料的内部缺陷；需要参考标准，操作人员需具备熟练的技能。6312 微波检测的基本原理1. 分析研究微波反射、透射、衍射、干涉、腔体微扰等物理特性的改变，以及微波作用于被检测材料时的电磁特性 介电常数的损耗正切角的相对变化。2. 测量微波基本参数 （如微波幅度、频率、相位等）的变化。632 微波的检测方法6. 3. 2. 1 穿透法1. 固定频率连续波；2. 可变频率连续波；3. 脉冲调制波。将发射和接收天线分别放在试件的两边，从接收喇叭探头取得的微波信号可以直接和微波源的微波信号比较幅值和相位。用于检测材料厚度、密度和固化程度。6. 3. 2. 2 反射法材料内部或背

13、面反射的微波随材料内部或表面状态的变化而变化。1. 连续波反射法；2. 脉冲反射法；3. 调频波反射法。6. 3. 2. 3 散射法散射法 通过测试回波强度变化来确定散射特性。检测时微波经过有缺陷的部位时被散射，因而使被接收到的微波信号比无缺陷部位要小，根据这些特性来判断工件内部是否存在缺陷。633 微波检测技术的应用 1. 检测增强塑料、陶瓷、树脂、玻璃、橡胶、木材以及 各种复合材料； 2. 检测各种胶接结构和蜂窝结构件中的分层、脱粘、金属加工工件表面粗糙度、裂纹等。火箭用烧蚀喷管质量检测。玻璃纤维增强塑料与橡胶包覆层之间的缺陷检测。雷达天线罩、火箭发动机壳体等工件的内在质量检测。64 声发

14、射检测641 声发射现象的物理基础6411 声发射现象及定义声发射是一种常见的物理现象，如弯曲树枝会发出声音， 树枝折断时，声音就更大。一般金属产生塑性滑移变形时，发 出的声音很弱，我们听不到。但锡片在弯曲时叮听到噼啪声， 这是锡片受力产生孪生变形发出的声音，称为“锡呜”。此外， 电、磁和热也能使物体发声。如变压器通电试验时发出嗡嗡声 。金属从高温冷却时也会发声。这种材料受外力或内力作用产 生变形或断裂，或者构件在受力状态下以弹性波形式释放应变 能的现象，称为声发射(Acoustic Emission)。由于不少金属材 料的塑性变形和断裂的声发射信号很微弱，人耳不能直按听见 ，故需要借助灵敏的

15、电子仪器才能检测出来。用仪器检测、分 析声发射信号和利用声发射信号推断声发射源的技术称为声发 射技术。声发射技术最早应用在地震探测方面。6412 声发射检测的基本原理和特点1声发射检测的基本原理声发射检测的基本原理就是由外部条件(如力、热 、电、磁等)的作用而使物体发声。根据物体的发声推 断物体的状态或内部结构的变化。由物体发射出来的 每一个声信号都包含着反映物体内部或缺陷性质和状 态变化的信息。声发射检测就是接收这些信号，加以 处理、分析和研究，从而推断材料内部的状态变化。图6152声发射检测的特点(1)声发射是在材料或构件的缺陷发生变化时产生的 ，所以它是一种动态无损检测方法。(2)声发射检测时不需移动探头(传感器)，操作简便 ，灵敏度高。(3)一般材料(除极少数材料外)当内部结构变化时都 有声发射现象，所以声发射检测几乎不受材料的限制 。(4)由于材料的塑性变形是不可逆的，由塑性变形引 起的声发射也是不可逆的。第二次重复载荷当超过第 一次最大载荷时才产生声发射，这一现象称为声发射 的不可逆效应。(5)塑性变形和裂纹扩展均产生声发射，在声发射探