超声波检测的文献综述.doc

文献综述
—基于超声波的包覆层固化深度的检测方法
一、本课题的研究背景及意义
对材料表面保护、装饰形成的覆盖层，如涂层、镀层、敷层、贴层、化学式成膜等，统称为包覆层[1]。实际上，材料表面的包覆层厚度对产品的使用性能和使用寿命影响极大，因而，包覆层厚度的检测对所有表面技术要求较高的产品都是必须的。由于众多包覆层的厚度范围很大，从纳米尺度的气象沉积、离子注入层到毫米级的热喷涂层、堆焊层、渗碳层等，故不同厚度的测量也有许多不同的方法，这些方法均是利用不同的原理测出不同尺度范围的表面包覆层的厚度[3]。
包覆层厚度的测量，根据被测包覆层是否损坏可分为有损测厚和无损测厚两大类。有损测厚主要有：阳极溶解库仑法、光学法、化学溶解法、轮廓法等；无损测厚有：磁性法、涡流法、射线法、电容法、超声波法、光学法等[3]。这些方法各有其特点、适用性及局限性，在实际测量时，我们应考虑到包覆层厚度、零件形状与尺寸、覆层成分和测量环境等多种因素，选择适合的测量方法才能获取最可靠的结果。
现代无损检测的定义是：在不损坏试件的前提下，以物理或化学方法为手段，借助先进的技术和设备器材，对试件的内部及表面的结构，性质，状态进行检查和测试的方法,而超声波检测作为无损检测的方法之一，最早开始于1930年，是利用进入被检材料的超声波对材料表面或内部缺陷进行检测，而利用超声波进行材料包覆层厚度的测量也是常规超声波检测的一个重要方面[5]。超声波被用于无损检测，主要是因为有以下几个特性：①超声波的波束能集中在特定的方向上，在介质中沿直线传播，具有良好的指向性；②超声波在介质中传播过程中，会发生衰减和散射；③超声波在异种介质的界面上将产生反射、折射和波型转换，可以获得从缺陷界面反射回来的反射波，从而达到探测缺陷的目的；④超声波的能量比声波大得多，对各种材料的穿透性较强；⑤超声波在固体中的传输损失很小，探测深度大。再有超声波的声速、衰减、阻抗和散射等特性，为超声波的应用提供了丰富的信息，并且成为超声波广泛应用的条件。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，所以如果金属中有缺陷或夹杂，超声波传播到金属与包覆层的界面处时，就会全部或部分反射。反射回来的超声波被探头接收，通过仪器内部的电路处理，在仪器的荧光屏上就会显示出不同高度和有一定间距的波形，借此可以根据波形的变化特征判断工件表面不同包覆层的厚度。
超声波检测技术是工业无损检测技术中应用最广泛的检测技术之一。就无损探伤而言，超声波适用于各种尺寸的锻件、轧制件、焊缝和某些铸件，无论是钢铁有色金属和非金属，都可以采用超声波法进行检测，包括各种机械零件、结构件、电站设备、船体、锅炉、压力和化工容器、非金属材料等。就物理性能检测而言，用超声波法可以无损检测厚度、材料硬度、淬硬层深度、晶粒度、液位和流量、残余应力和胶接强度等[4]。
伴随着电子计算机的普及和应用，超声波检测仪器和检测方法都得到了迅速的发展，是超声波检测的应用更为普及。目前，电子计算机在超声波检测中已能完成数据采集、信息处理、过程控制和记录存储等多种功能。许多超声波检测仪器都把微型电子计算机作为一个部件而组装在一起，去执行处理数据和图像的任务。
二、本课题研究的技术原理
超声波用于测定材料的厚度,使用较广泛的是数字式超声测厚仪,可用来测定化工管道、船体钢板等易腐蚀物件的厚度[4]。我们可以通过测定超声波在材料中的声速、衰减或共振频率可测定金属材料的晶粒度、弹性模量、硬度、内应力、钢的淬硬层深度、球墨铸铁的球化程度等。
超声波是频率高于20千赫的机械波，而在超声测厚中常用的频率为0.5～5兆赫得超声波。这种机械波在材料中能以一定的速度和方向传播，遇到声阻抗不同的异质界面（如被测物件的底面）就会产生反射，这种反射现象可被用来进行超声波测厚。最常用的是脉冲回波测厚法测厚时，脉冲振荡器发出的电压加在探头上（用压电陶瓷或石英晶片制成的探测元件），探头发出的超声波脉冲通过声耦合介质（如机油或水等）进入材料并在其中传播，遇到表面包覆层后，部分反射能量沿原途径返回探头，探头又将其转变为电脉冲，经仪器放大而显示在示波管的荧光屏上。根据反射波在荧光屏上的位置和幅度（与参考试块中的反射波幅度作比较），即可测定的包覆层厚度的大致尺寸。

此外，还有一种目前最常用的超声测厚方法就是共振法。顾名思义，当发射到工件内的超声波的频率等于工件固有频率时，就会产生共振现象。利用共振现象来检测工件包覆层厚度的方法叫共振法。检测时，通过调整超声波的发射频率，以改变发射到工件中超声波的波长，并使工件包覆层的厚度为超声波半波长的整数倍，入射波和反射波相互叠加便产生共振。我们根据共振时谐波的阶数（即共振次数）以及超声波的波长，就可以测出工件表面包覆层的厚度。
三、国内外研究现状及趋势
超声波检测也是无损检测领域中研究最为活跃的技术之一。
目前我国测厚业的超声波检测主要是采用A型脉冲反射式超声波测厚仪。主要是通过测量信号往返于包覆层所需的时间来确定包覆层的厚度，这就是通常所说的脉冲反射法或A扫描法。此外还有B扫描和C扫描法等方法。B扫描法可以显示工件内部包覆层的纵截面图形，C扫描法可以显示工件内部包覆层的横剖面图形。近年来，穿透式超声法在检验纤维增强塑料和蜂窝结构材料方面的应用也已日益广泛；超声全息成像技术也在工业无损检测中获得了应用[2]。
国外超声波检测技术的研究也在迅速的发展。例如，超声显像法和超声频谱分析法的进展和应用；用超声波衍射和临界角反射法检测材料的机械性能和表面包覆层厚度；用多频探头法对奥氏体不锈钢厚焊缝的检测；用超声测定材料内应力的研究；噪声信号超声检测法；超高频超声检测法；宽频窄脉冲超声检测法以及新型声源的研究例如用激光来激发和接收超声的方法和各种新型超声检测仪器的研究等，都是比较典型和集中的研究方向。

参考文献
［1］ 夏纪真. 无损检测导论．广州：中山大学出版社，2010.
［2］ 邵泽波,刘兴德. 无损检测．北京: 化学工业出版社，2011.
［3］ 俪振声,杨明安. 现代表面工程技术. 北京：机械工业出版社，2007.
［4］ 王仲生，万小鹏．无损检测诊断现场实用技术．北京：机械工业出版社，2002.
［5］ 张俊哲. 无损检测技术及其应用（第二版）．北京：科学出版社，2010.
［6］ 刘贵民,马丽丽. 无损检测技术（第2版）．北京：国防工业出版社，2010.
［7］ 刘福顺,汤明. 无损检测基础．北京：北京航空航天大学出版社，2002.
［8］ 刘燕德．无损智能检测技术及应用．武汉：华中科技大学出版社，2007.
［9］ 刘清林．涂层厚度及其检测．沈阳：电子工业出版社，2004.
［10］ 王召巴,路宏年．固体火箭发动机包覆层厚度超声测量新技术．兵工学报，1999.20（1）：87～89.
［11］ 郭慧平,王召巴,金永．基于机器视觉的发动机包覆层表面缺陷检测技术．应用于技术．2011.17(1):13～16.

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