超聲檢測通常是指超聲波與工件互相作用,通過對透射、反射和散射的超聲波的波型、位置、特征進行分析,對工件進行宏觀缺陷檢測,幾何表征檢測,組織構造、力學特性變化的檢測和表征,并進一步對其整體使用性能進行評價的一種先進、科學的檢測技術手段。
利用超聲波對工件缺陷進行檢測的方法,始于20世紀30年代初。1929年蘇聯科學家首次在檢測金屬內部的缺陷時,應用了超聲波;之后隨著檢測技術的發展,將近10年的發展,美國科學家推出了脈沖回波式超聲檢測儀。超聲檢測技術被普遍應用在工業檢測領域是在20世紀60年代。直到20世紀80年代末,隨著計算機技術以及電子元器件的高速發展,促進了超聲檢測技術的發展,產生了數字式超聲波檢測儀。這類設備的使用也使得檢測結果更加形象、準確。
隨著各領域的快速發展,超聲檢測技術也正飛速的發展,成像技術、相控陣技術、3D相控陣技術、人工神經網絡(ANNs)技術、超聲導波技術等逐漸成熟,推進了超聲檢測技術的發展。目前,常規超聲檢測已經是一項非常成熟的無損檢測技術,廣泛應用于石油、醫療、核工業、航空航天、交通、機械等行業。超聲檢測技術未來研究發展方向主要有如下兩個方面:(1) 超聲本身技術的研究與改進;
(2) 超聲輔助和配套技術的研究與改進。
超聲自身技術研究1
激光超聲檢測技術
激光超聲檢測技術是利用脈沖激光產生超聲脈沖對工件進行檢測。激光可以通過產生熱彈效應(或少數熱蝕作用)或利用中介材料(被測材料周圍的其他物質)這兩種方式激發超聲波。激光超聲的優點主要體現為三個方面:
(1) 可遠距離檢測,激光超聲可遠距離傳播,傳播過程中的衰減較小;
(2) 非直接接觸,檢測時不需直接接觸或靠近工件,檢測安全性較高;
(3) 空間及時間分辨率高,檢測分辨率高。
基于上述優點,激光超聲檢測特別適合在惡劣環境下對工件進行實時、在線的檢測,通過快速超聲掃描成像完成檢測結果顯示。
但是激光超聲也存在一些缺點,例如超聲檢測雖然分辨力高但靈敏度相對較低。由于檢測系統涉及激光和超聲系統,所以完整的激光超聲檢測系統體積較大、構造復雜、造價高。
目前,激光超聲技術正在向兩個方向發展:
(1) 激光超快速激發機制及激光與微觀粒子的相互作用、微觀特性等的學術研究;
(2) 工業上的在線定位監測。
電磁超聲檢測技術
電磁超聲波(EMAT)是利用電磁感應的方法激勵和接收超聲波。如果將高頻電流通入靠近被測金屬表面的線圈中,將會有一個相同頻率的感應電流在被測的金屬中產生,這時如果在被測金屬外施加一個恒定磁場,則感應電流就會產生一個相同頻率的洛侖茲力,該力作用在被測金屬點陣上,引發被測金屬的晶體結構周期性的振動,從而激勵產生超聲波。
電磁超聲換能器是由高頻線圈、外界磁場和被測導體三部分組成。在對工件進行檢測時,這三個部分共同參與,完成了電磁超聲的核心技術在電、磁、聲之間轉換,通過對線圈結構和擺放位置的調整,或者對高頻線圈物理參數的調整,可以快速地改變被測導體的受力情況,從而產生不同類型的超聲波。
空氣耦合超聲檢測技術
空氣耦合超聲檢測技術是一種以空氣作為耦合介質的新型非接觸的超聲無損檢測方法。該方法的優點是非接觸、非浸潤、完全無損,避免了傳統超聲檢測的一些弊端。近年來空氣耦合超聲檢測技術在復合材料的缺陷檢測、材料性能的評估、自動化檢測等方面得到了廣泛的應用。
目前該項技術的研究主要集中在空氣耦合激發超聲場特性與理論,以及高效率、低噪聲空氣耦合探頭研究兩方面。利用 COMSOL 多物理場仿真軟件對空氣耦合的超聲場進行建模與仿真,從而對被檢工件中的缺陷進行定性、定量、成像等分析,提高了檢測效率,為非接觸超聲的實際應用提供了有益探索。
超聲輔助技術研究
超聲輔助技術研究主要是指在不改變超聲方法和原理的基礎上,利用其他領域的技術(如信息采集及處理技術、圖像生成技術、人工智能技術、自動化技術等),對超聲檢測的步驟(信號采集、信號分析處理、缺陷成像)進行優化,從而得到更準確的檢測結果。
神經網絡技術
神經網絡(Neural Networks, NNs)是一種模仿動物NNs行為特征,進行分布式并行信息處理的算法數學模型。該網絡依靠系統的復雜程度,通過調整內部大量節點之間相互連接的關系,從而達到處理信息的目的。
三維成像技術
三維成像(Three-Dimensional Imaging)技術作為超聲檢測輔助技術發展的重要方向,近年來也得到了眾多學者關注。通過演示結果的3D成像,使檢測結果更具體、直觀。
目前,隨著現代科技的發展,超聲檢測技術已經顯現出高速、多元化、高科技化的發展趨勢,未來的發展也必將延續這種發展趨勢,并朝著自動化、智能化、數字化、立體化、系列化、多功能化等方向發展。同時超聲檢測的發展要遵循的原則,一定是準確、真實、可靠。隨著超聲檢測技術的不斷完善,也使得檢測儀器的產品質量得到保障、檢測環境更加優越、檢測效率提高。在國民經濟高速發展的趨勢下,超聲檢測作為監測產品質量的手段之一,必將得到更多的關注。同時,也會促使超聲檢測技術更快、更好地發展。