超声波无损检测技术在工业上的应用现状及发展前景

超声波无损检测技术在工业上的应用现状及发展前景刘菂学号：13222041班级：机电1309班一、超声无损检测技术无损检测(nondestructivetest)简称NDT，就是不破坏和不损伤受检物体，对它的性能、质量、有无内部缺陷进行检测的一种技术。工业上最常用的无损检测方法有五种：超声检测(UT)、射线探伤(RT)、渗透检测(PT)、磁粉检测(MT)和涡流检测(ET)。超声检测方法作为其中之一，这种技术与其它的无损检测进行对比时，它更具有广泛性，并且检测的深度也比较大，对于缺陷定位有着良好的准确性，应用比较方便而且成本非常低，应用的速度较快，方便在现场进行应用，重要的是对人体没有损害等一些特点。所以，在国内外，利用超声检测技术则是非常广泛，并且有着非常高的使用率。[1]作为目前发展较快并且使用频率最高的检测技术，在20世纪30年代就已经开始应用超声波技术进行检测了，并且在60年代初期，应用这种技术已经作为比较可靠有效的检测方法了。在20世纪80年代，电子技术的应用以及在计算机发展当中的数字化超声检测也已经把检测技术更加具体和形象化了。目前，由于超声无损检测的应用技术已经得到了快速的发展，并且广泛应用到工业生产的探伤当中，比如在一些领域当中的工业化工、生产钢铁、压力容器以及机械等范围都有广泛的应用。此外，在航空航天、铁路运输、兵器以及造船企业等相关的重要部门也都有着广泛的应用，因此，当前的超声检测技术已经逐步朝着智能化、自动化、图像化、数字化等相关领域大力发展，并且有着良好的发展趋势。超声无损检测技术的应用现状目前，无损检测技术已逐步从NDI和NDT向NDE过渡。无损探伤(NondestructionInspectionNDI)、无损检测(NondestrutuvetestingNDT)和无损评价(NondestructionEvauationNDE)是无损检测发展的三个阶段。超声无损探伤是初级阶段，它的作用仅仅是在不损害零部件的前提下，发现其人眼不可见的内部缺陷，以满足工业设计中的强度要求。超声无损检测是近20年来应用最广泛的术语，它不仅要检测最终产品，而且还要对生产过程的有关参数进行监测。超声无损评价是超声检测发展的最高境界，不但要探测缺陷的有无，还要给出材质的定量评价，也包括对材料和缺陷的物理和力学性能的检测及其评价。无损检测的另一个发展是从一般无损评价向自动无损评价和定量无损评价发展(即从NED向ANED和QNED发展)。逐步减少人为因素的影响，改用计算机进行检测和分析数据，以提高检测的可靠性。[2]几十年来，我国超声无损检测事业已得到了巨大发展和广泛应用，几乎应用到所有工业部门。如作为基础工业的钢铁工业、机器制造工业、锅炉压力容器有关工业部门、石油化工工业、铁路运输工业、造船工业、航空航天工业、高速发展中的新技术产业如集成电路工业、核电工业等重要工业部门。目前大量应用于金属材料和构件，包括质量在线监控和产品在役检查。水平普遍提高，应用频度和领域也日益增多。目前我国对各种大型结构压力容器和复杂设备都已具备检测能力。在裂缝自身高度的测量和高温条件下的非接触超声检测等方面都有很大进展。核电工业虽然是我国的新兴工业，但超声检测已用于核电工业的各个方面。我国已能按业主的要求及标准的规定，使用国际先进的装备，执行国际通用标准，完成核电厂和核设施的役前及在役检查[3]。利用超声波测量流速、流量的技术在医疗、供水、排水、废水处理、电力、石油、化工、冶金、矿山、环保、河流、海洋等计量巾有着广泛的应用，不仅可用于流体，液体两相流的测量，还可用于气体流量测量，其研究已有数十年历史。同时，超声无损检测的相关理论和方法及应用的基础性研究正在逐步深入，已经取得了许多具有国际先进水平的成果。我国在实际生产这方面开展的主要研究有：计算机化超声设备；用户友好界面操作系统软件；超声数字信号处理，包括人工智能、神经网络、模式识别、相位补偿等；高频超声无损检测技术；各种扫描成象技术；多坐标、多通道的自动超声检查系统；超声机器人检测系统；复杂构件的自动扫描超声成像检测等[4]。这其中许多成果已经达到国际先进水平，这些研究为我国超声无损检测技术的持续发展提供了保证。但是，我国超声无损检测事业从整体水平而言，与发达国家之问存在很大差距。具体表现在以下几个方面：①检测专业队伍中高级技术人员和高级操作人员所占比例较小，极大阻碍了超声无损检测技术自动化、智能化、图象化的进展由于经验丰富的老一辈检测工作者缺乏把实践经验转化为理论总结，而年轻的检测人员虽拥有丰富的计算机等现代技术，却缺乏切实的实践经验，这有可能导致现有的超声检测软件系统不同程度的缺陷，降低了检测的可靠性。特别像专家系统软件，以及有自动判伤，自动评定缺陷级别功能的软件编写应该引起足够的重视[5]。②专业无损检测人员相对较少，现有无损检测设备利用率低我国无损检测技术经过40年的发展，虽然应用已经遍及近30个系统领域，直接从事无损检测技术方面的人员已达20万左右.但是高技术专业人员较少目前我国的投入不比日本少，国民生产总值只有日本的三分之一左右.这主要是由于我国产品质量上存在问题而导致大量产品报废所致。据测算.我国不良品的年损失约2000亿元。更严重的后果是产品的竞争能力差，影响产品进入国际市场。我们调研的几个大型机械制造企业，都拥有为数不少的无损检测设备，但由于对无损检测重要性认识不够.专门从事无损检测的人员缺乏等因素，无损检测在生产中并未发挥其应有的作用。无损检测方面的书籍缺乏，很不利于无损检测后继人员的培养。③重视对无损检测技术领域的信息技术应用。当信息技术和无损检测结合以后，人们就可以最大限度地从检测过程中获取大量信息。我国对无损检测信息技术的建设工作还处在相当薄弱的阶段。目前国内已经建立的无损检测专业网站或涉及无损检测技术范畴内容的网站的初步估算超过50个，但是专业的无损检测技术资讯综合网站少，仅有无损检测资讯网几家，其余网站的内容大多局限于其自身的生产经营、服务业务等，范围相对比较狭窄。[6]超声无损检测技术的发展趋势1、超声无损检测的信号处理技术在超声无损检测技术应用中，采用了各种各样的先进算法，已经在特征提取、数据压缩、缺陷识别和信号降噪等诸多数据处理中应用；而现代信息处理技术的应用，也推动了超声无损检测技术的应用与发展，如人工智能技术、虚拟仪器技术、模糊控制技术、神经网络技术、自适应技术等。小波变换作为时频分析方法，在时频平面的应用，具有良好的信号局部表征、可变的频率分辨率等特性；通过应用小波分析技术，凭借其局部突出性、多分辨率等特征，已经成为当前超声信号时频表达的有效方法，在超声信号降噪、数据压缩、特征提取等方面起到积极作用。有关分解层数、母小波的选择，以及小波系数非线性处理方法，是当前应用小波分析技术的重点环节，小波分析算法的改进，如小波包分析，没能将高频部分一一分解，提升了信号处理的效率和质量；同时提升小波变换，可以在时域自由变换，其去噪效果、信噪比良好，可以提高小波变换的去噪速度，增强设计的灵活性与编程的简单性[7]。HHT变换技术的应用，主要针对非平稳数据、非线性数据等，可以结合信号局部的时变特征，遵循自适应原则实现时频分解，减少人为因素在其中的影响作用。利用HHT将超声回波信号分解，结合Hilbert谱进行分析，可以更加客观地反映回波信号中时间信息、时频信息等，进而精确判断是否存在缺陷以及缺陷的具体位置。在人工神经网络技术中，对未知缺陷领域的回波特征及数据库已知缺陷领域的回波特征进行对比，以此精确判断未知缺陷的类型，选择最适当的网络参数，进一步提高网络训练的有效性，增强识别率。通过全新神经网络模型，发挥了小波神经网络的作用，结合小波变换实际情况，具有高频域时间精度、低频域频率精度等性质，且神经网络具有自学功能，其容错能力非常强大[8]。2、新型非接触超声换能技术应用在传统使用的超声检测设备中，均应用接触式换能方法，在超声探头和被检测材料中促使超声波的能量传输到待检工件中，但是小管采用什么样的耦合介质，完成检测工作之后都需要采取清除措施，而耦合介质的残留或者清除不彻底，将对工件质量造成影响。当前，已经成功研发并投入使用的非接触超声换能方法，主要包括激光超声方法、空气耦合方法、静电耦合方法及电磁声方法等，其中最后两种方法的换能器能够较近地接触被检对象表面，在相对特殊的实验室环境、工业环境中采用，具有广泛的发展空间[9]。空气耦合技术的应用，以空气作为耦合介质，完成整个检测过程。对于固体和空气来说，二者的声阻抗相差5个等级，在固体-气体的界面中，将面临较大的能量损耗问题。这种情况下，高频空气超声换能器除了需要增强发射功率以外，还需要良好的电气匹配，但是总体来看，这种方法损失巨大能量，在工业领域的可用性不强。近年来，俄罗斯等一些国家将该种技术应用到特殊的航天构件中，尤其在非金属复合材料的构件中，实现了非接触无损检测及相关评价，更好地发挥其在航天军事科技领域的作用。同时，激光超声技术的应用，作为新型超声换能方法，也受到了诸多国家及相关研发人员的青睐，这种方法通过脉冲激光术形成窄脉冲的超声信号，以光干涉法检测超声波，在时间和空间方面的分辨率较强，同时可缩小光学聚焦的检测点。经过了大量的理论与实践研究，该技术已经逐渐转化为实用角度，既可以在快速运动、高温度等非接触环境下应用，也可以针对复杂形状结构或者较小尺寸的工件进行无损评价。但是激光超声技术也存在一些薄弱之处，在系统较为庞大的构件或者检测环境要求较高的情况下，其适用性有限，这将成为今后技术突破的重点与难点。3、超声无损检测的数字化与图像化随着我国电子与计算机技术、软件技术水平的日益提高,数字化超声测试仪器正大幅度地投入使用，计算的高精度、有效的控制与判断能力，减少了人为检测误差，增强检测的可靠性、稳定性，支持超声检测、超声评价的自动化与智能化发展[10]。在掌上设备应用时，更多地采用了嵌入式处理器、数字信号处理器、现场可编程门阵列等，此时超声检测仪器也朝向低功耗、小型化发展，更便于携带和应用。4、超声无损检测的网络化与集成化无损检测的技术与方法非常多，单一的技术可能功能不完善，如果能够综合运用，则可发挥技术之间的互补性。例如，将若干NDT技术集成化处理，实现NDT集成技术应用；在同一台设备中，实现多种检测方法的融合，在关键部位应用检测手段，提高检测结果的精确性。同时采集、存储、处理各种数据，通过综合性的分析与评价，提高工作效率与结论的正确性[11]。以我国国内的复合式无损检测技术及其应用来看，大多为综合型无损检测、组合型无损检测，在NDT集成技术产品应用方面还存在一定制约。而基于微磁技术、超声检测技术的集成化无损检测系统，可较好地发挥微磁检测技术优势，具有快捷、方便、简单等特征，可较好地检测铁磁材料表面缺陷；凭借超声技术的高灵敏性、大深度检测等性能，对铁磁材料内部结构、铝合金材料内部结构等缺陷进行确定。四、结束语超声技术是作为应用发展速度较快并且使用频率最高的检测技术。应用这种技术已经作为比较可靠有效的检测方法了，在国内外，利用超声检测技术非常广泛，有着非常高的使用率，作为目前发展较快的一种技术，它已经成为了最为常用的一种技术手段[12]。参考文献:[1]张旭辉,马宏伟.超声无损检测技术的现状和发展趋势[J].机械制造,2002,40(7):24-26.[2]李灼华.超声无损检测技术的现状和发展趋势[J].硅谷,2013(21):11-11.[3]刘金栋,谢建桥.浅谈超声无损检测技术的发展与应用[J].城市建设理论研究:电子版,2011(21).[4]吴海松.浅谈超声无损检测的应用[J].城市建设理论研究:电子版,2013(32).[5]徐晓东.超声波无损检测技术在桥梁健康状况评定中的应用研究[D].吉林大学,2008.[6]吴朝晖.超声无损检测的应用与探讨[J].宁波工程学院学报,2005,17(4):22-24.[7]曲继鹏.关于超声波无损检测技术的应用研究[J].中国机械,2014(19):136-137.[8]高子震