现代传感技术综述

超声等非接触式超声探伤技术等方面取得了进展。随着现代电子技术、计算机技术、通信技术、数字信号处理和人工智能等的迅速发展,使得超声检测逐步向数字化、自动化和智能化过渡,促进了超声检测在各种材料检测与性能评估等方面的应用[28]。目前的研究热点主要有: 1.超声导波检测技术

导波是由5-100kHZ的声波在介质中不连续界面间产生多次反射,并进一步产生复杂的干涉而形成的,衰减小,可以沿管壁传播数十米。如果管道截面发生改变,导波就发一个反射信号,分析该信号即可确定检测结果。检测距离较长(单方向达200m),无需揭合剂,在管道的在役检测中有独特的优势,在其他许多相关领域也获得了广泛的应用[29。 2.相控阵技术

超声检测中的相控阵换能器是根据惠更斯原理进行设计的,即由多个相互独立的压电晶片组成阵列,由控制系统根据一定的规则和时序激发各个单元,使各单元发射的超声波叠加成一个波阵面,同时根据一定的规则和时序对接收的反射进行合成而实现检测。相控阵技术的应用可缩短检测时间,提高检测效率,具有更好的经济效益和市场前景[30]。 3.非接触超声换能方法[31]

非接触超声换能方法主要有电磁超声法、激光超声法和空气揭合法,它们各具特点并适用于特定的检测对象。 (1)电磁超声法

电磁超声利用电磁藕合方法激励和接收超声波。电磁超声探头为强铁磁材料和高频线圈,通以电流的探头在洛伦兹力的作用下发出电磁超声波入射到材料内部,通过对接收信号的分析即可确定检测结果,无需常规超声检测中的祸合剂,扩大了超声检测的应用范围。 (2)激光超声法

激光超声是利用脉冲激光产生窄脉冲超声信号,再用光干涉的方法对超声波进行检测而确定检测结果,在时间和空间上都具有很高的分辨率,可以实现运动物体的非接触连续检测,在检测微小缺陷和小尺寸工件时具有独特的优势。 (3)空气揭合法

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]

空气祸合直接利用空气作为祸合介质。由于固体与气体的声阻抗相差5个数量级,在气固界面和固气界面会产生很高的能量损耗。为提高信号强度,需要大幅度地增加高频空气超声换能器的发射功率,而且要有良好的电气与声匹配性能,才能实现有效的检测。

根据上面的讨论可知,超声检测有多种方法,但要实现定性和定量化检测,无论哪一种方法都需要借助于有效的信息处理与模式识别手段,以便对信号进行去噪和滤波,并采用人工智能的方法确定对象的特性参数。 4.5 其他无损检测技术

在实际应用中,除了涡流检测和超声检测以外,还有射线检测、磁粉检测、渗透检测、磁记忆检测、漏磁检测、红外检测等多种方法,下面分别予以简要介绍。

(l)射线检测

射线检测源于1898年伦琴发现的X射线,是指利用射线对试件进行照射,检查内部缺陷或根据衍射特性对内部晶体结构进行分析的技术,根据检测类型一般分为照相检测、层析检测、实时成像检测和其他射线检测4种,根据检测射线则分为X射线、r射线、β射线和α射线等。射线检测简便实用,检测结果直观,适用于各种材料的检测,但检测成本较高,在使用中还需要注意对射线的防护[32]。

(2)漏磁检测

漏磁检测是指铁磁材料被磁化后,借助于传感器检测其表面和近表面缺陷在材料表面形成的漏磁场来发现缺陷的方法,其中磁化的方法作用很重要。漏磁检测无需祸合剂,可以对数十毫米厚的对象进行粗略的量化检测,在钢结构件、管道和储罐、钢轨和车轮等方面应用较多,但不能检测非铁磁性材料和形状复杂的对象[33]。

(3)磁粉检测

磁粉检测利用磁化后的铁磁性材料产生的漏磁场吸附施加在工件表面的磁粉,在光照下形成可见的磁痕而显示出不连续性的位置、大小和形状。磁粉检测使用简便,适用于检测铁磁性材料表面和近表面缺陷,检测精度高(可达微米级),但只能手动检测,对检测面的光滑度和检测人员的经验要求较高,对缺陷类型比较敏感[34]。

(4)渗透检测

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渗透检测是利用毛细作用将渗透液渗入材料表面的缺陷中,通过显像剂将渗入的渗透液析出到表面来显示出缺陷的方法,适用于各种材料的检测,灵敏度较高,使用简便,但只能手动检测,仅适用于表面开口缺陷的检测,且依赖于检测经验[35]。

(5)红外检测

红外检测利用红外点温仪等设备检测对象表面的红外辐射能并转换为温度场,通过温度场来判断表面或内部是否存在缺陷。红外检测适用于各种材料,检测效率与灵敏度较高,实现远距离的非接触检测,但检测成本较高,对内部缺陷的检测相对困难[36]。

(6)磁记忆检测

磁记忆检测是根据材料表面应力集中的区域发生的剩余磁场强度变化,在不施加人工激励磁场时,通过检测表面磁场的突变信号来确定应力集中、材料劣化或材料损伤的方法。磁记忆检测无需祸合剂,简便实用,但只能检测铁磁性材料

[37]

。

4.6 无损检测不确定度评定应用实例

为了了解不确定度评定在材料无损检测中的应用,以及不确定度的来源分析,我们以超声检测方法对工件的对接焊缝进行缺陷埋深探伤为例,评定探伤结果不确定度。 4.6.1 探伤方法

使用PXUT-27型超声波探伤仪、2.5P12×15K2斜探头;对手工电弧焊对接焊(16MnR),进行单面双侧探;采用深度1:1定标。 4.6.2 数学模型的建立

缺陷的实际埋深计算公式:H?2T?PY(t?PY?2T)

其中:H:表示缺陷的实际埋深; T:工件厚度;PY:缺陷的指示埋深 4.6.3 方差灵敏度系数

各输入量相互独立,根据不确定度传播定律

则：

uc?uc(H)?CTu2(T)?cPYu2(PY)

2222[38]

：uc(y)??[2k?1N?F22]u(xk) ?xk 28

其中灵敏度系数:cT?

?F?F?2；cPY???1 ?T?PY4.6.4 计算各输入分量的标准不确定度及自由度 (1)不确定度来源

通过分析,该工件超声探伤的不确定度主要来源、数据、分类等见表1(不考虑声速误差、环境条件影响）。

表1 工件超声探伤不确定度来源及计算结果

(2)与工件厚度检测值T有关的不确定度分量u(T)。

a)工件厚度测量重复性不确定度u(T1)

用游标卡尺对工件按均匀分布测其厚度值,见表2。

表2 工件厚度测量结果(单位:mm)

平均值T?24.02,单次检测的实验标准差S?0.11=0.035 ,v(T1)=10-1=9 10?(T?T)ii?11010?1=0.11mm ,Sp=0.11，

则u(T1)=

b)游标卡尺的不确定度u(T2)

检定证书上给出的误差为0.05 mm,k?3,则u(T2)??u(T2)1??u(T2)?可靠信=10%,自由度v(T2)????=50 u(T2)2?u(T2)??20.05=0.029mm,估计不3c)合成不确定度 u(T)?

?u(T1)?2??u(T2)?2?0.045mm, 根据 Welch- Satterthwaite 公式[2]

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