測(cè)試技術(shù)——

其它測(cè)試技術(shù)(2)第九章內(nèi)容1、激光測(cè)量技術(shù)2、光纖傳感器測(cè)量技術(shù)3、超聲波檢測(cè)技術(shù)4、工業(yè)CT檢測(cè)技術(shù)重點(diǎn)：掌握各種測(cè)量方法的原理與應(yīng)用場(chǎng)合

特點(diǎn)：單色性：激光的頻率寬度比普通光小10倍以上方向性：激光束在幾公里外的擴(kuò)展范圍不過幾厘米相干性：兩束光在相遇區(qū)域內(nèi)相互疊加后,能形成較清晰的干涉圖樣在測(cè)量精確度和測(cè)量范圍上具有明顯的優(yōu)越性測(cè)量原理：干涉現(xiàn)象測(cè)量量：長度、位移、表面形狀、變形速度、轉(zhuǎn)速、振動(dòng)、流量激光源波長：

nm-um8.1激光測(cè)量技術(shù)8.1.1激光測(cè)量技術(shù)簡介原理：邁克爾遜干涉儀。即：測(cè)定檢測(cè)光與參考光的相位差所形成的干涉條紋數(shù)目而測(cè)得物體長度。實(shí)現(xiàn)：工作臺(tái)移動(dòng)半個(gè)波長時(shí)，明暗條紋變化一次。因此，工作臺(tái)移動(dòng)距離為：其中，N干涉條紋明暗變化次數(shù);

激光波長;

n

空氣的折射率。光電計(jì)數(shù)器8.1激光測(cè)量技術(shù)1)激光干涉測(cè)長儀8.1.2激光測(cè)量技術(shù)應(yīng)用激光干涉法測(cè)振仍然是以邁克爾遜干涉儀為基礎(chǔ)，通過計(jì)算干涉條紋數(shù)的變化來測(cè)量振幅。振動(dòng)一周，工作臺(tái)來回變化4Am，對(duì)應(yīng)的條紋變化次數(shù)為N，振幅為：激光干涉測(cè)振儀測(cè)量準(zhǔn)確度主要決定于計(jì)數(shù)準(zhǔn)確度。主要用于機(jī)械振動(dòng)測(cè)量，并已定為各國振動(dòng)的國家計(jì)量基準(zhǔn)。GZ-1型激光干涉儀激光器參考鏡振動(dòng)臺(tái)分光鏡光電倍增管放大器功率放大器信號(hào)發(fā)生器計(jì)數(shù)器測(cè)量鏡輸出8.1激光測(cè)量技術(shù)2)激光干涉測(cè)振儀式中，次數(shù)N是通過頻率比來測(cè)定的。生活中的多普勒效應(yīng)現(xiàn)象：

火車汽笛聲問題。迎面而來時(shí)，頻率增高；相對(duì)而去時(shí)，頻率減低。信件郵遞問題。假定郵遞員和外出者同為徒步行走，且外出者保持每天寫一封信回家。離家而去時(shí)，家人幾天才收到一封信件；外出者停止在某一地方時(shí)，家人每天收到一封信；外出者返程時(shí)，家人一天可收到多封信。8.1激光測(cè)量技術(shù)光學(xué)多普勒效應(yīng)

光源與其接受器之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收器接收到的光波頻率與光源發(fā)射頻率的光波頻率是不同的，這種現(xiàn)象叫做光學(xué)多普勒效應(yīng)。8.1激光測(cè)量技術(shù)其中，是無相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)反射或散射光的頻率(光源頻率)，是物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)的速度，是光的速度，是與物體運(yùn)動(dòng)方向和光源相對(duì)位置有關(guān)的常數(shù)。被接受器反射或散射的光的頻率變化量與物體的運(yùn)動(dòng)速度的變化如下：靜止光學(xué)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)粒子流速測(cè)量基本原理：

當(dāng)靜止的激光光源發(fā)射的激光照射到隨流體運(yùn)動(dòng)的粒子上時(shí)，粒子所接收到的光波頻率與光源發(fā)射的光波頻率是不同的，同時(shí)粒子又作為一個(gè)光源將接收到的光波向外散射，光接收器所接收到的散射光頻率與激光光波頻率之差值與運(yùn)動(dòng)粒子的速度成正比。8.1激光測(cè)量技術(shù)3)激光多普勒測(cè)速儀8.1激光測(cè)量技術(shù)4)激光多普勒測(cè)振儀單點(diǎn)激光多普勒測(cè)振系統(tǒng)（振動(dòng)速度）

振動(dòng)體

掃描式激光測(cè)振儀由掃描式光學(xué)頭、控制器、連接箱和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)等組成。用戶可在目標(biāo)視頻圖像上定義任意測(cè)量區(qū)域和測(cè)量點(diǎn)?？梢詫?shí)現(xiàn)：

?利用三個(gè)光學(xué)頭對(duì)被測(cè)物體同時(shí)進(jìn)行高分辨率3D測(cè)量

?美觀的3-D動(dòng)態(tài)結(jié)果顯示

?FEM軟件和模擬數(shù)據(jù)界面

8.1激光測(cè)量技術(shù)周期加筋板（1.54m*1.08m）振動(dòng)測(cè)量PSV-400-3D掃描式激光測(cè)振儀8.1激光測(cè)量技術(shù)激勵(lì)點(diǎn)在左邊激勵(lì)點(diǎn)在中邊組成激光測(cè)速系統(tǒng)的主要光學(xué)部件：

激光光源:小功率氦─氖激光器、大功率氬離子激光器（固體激光器、液體激光器、半導(dǎo)體激光器）

氣體單色性好但功率小、固體單色性差但功率大

入射光系統(tǒng):光束分離器、發(fā)射光欄、發(fā)射透鏡

收集光系統(tǒng):接收光欄、接收透鏡、光檢測(cè)器激光可在被測(cè)速度點(diǎn)聚焦成很小的一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，其分辨力很高。故它在航空航天、熱物理工程、以及機(jī)械運(yùn)動(dòng)測(cè)量等方面廣泛應(yīng)用。8.1激光測(cè)量技術(shù)激光多普勒測(cè)速系統(tǒng)組成激光測(cè)振

8.1激光測(cè)量技術(shù)8.1激光測(cè)量技術(shù)便攜式激光測(cè)振儀8.2光纖傳感器測(cè)量技術(shù)8.2.1概述光纖特點(diǎn)信息傳輸量大、抗干擾性強(qiáng)、體積小、可彎曲、極易接近被測(cè)對(duì)象、靈敏度高、耐高壓、耐腐蝕、可非接觸測(cè)量

測(cè)量對(duì)象電流、電壓、磁場(chǎng)

位移、溫度、壓力、速度、加速度、液面、流量

光纖結(jié)構(gòu)纖芯5~75μm纖芯：摻雜二氧化硅，5~75um包層:

純二氧化硅，100~200um涂敷層：硅銅，增加機(jī)械強(qiáng)度護(hù)套：尼龍，保護(hù)作用原理：光在光纖中傳播主要是依據(jù)全反射原理

纖芯折射率大于包層折射率，包層介面存在產(chǎn)生全反射的界面臨界角φc

，相對(duì)應(yīng)的光纖端面存在端面臨界入射角θa

。如果端面入射角θ0小于端面臨界入射角θa

，則光線進(jìn)入光纖后，當(dāng)射到光纖的內(nèi)包層界面時(shí)，界面入射角φ大于臨界角φc

，滿足全反射條件，光線將在纖芯和包層的界面上不斷地產(chǎn)生全反射而向前傳播。

可以證明臨界入射角：8.2.2光纖傳光原理8.2光纖傳感器測(cè)量技術(shù)纖芯包層光源吸收外殼典型類型：傳光型/傳感型

θa應(yīng)該大還是應(yīng)該?。?）非功能型/傳光型光纖只起到接收、傳輸光的作用，不改變光的性質(zhì)在調(diào)制區(qū)，光纖是不連續(xù)的，借助其它功能元件，被測(cè)量對(duì)光產(chǎn)生作用通過輸出端的光電元件轉(zhuǎn)換成電信號(hào)8.2光纖傳感器測(cè)量技術(shù)本節(jié)的光纖傳感器技術(shù)與上節(jié)的激光技術(shù)有無關(guān)系？2）功能型/傳感型——光纖對(duì)外界信息有敏感能力和檢測(cè)能力在外界環(huán)境因素(如溫度、壓力、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等)改變時(shí)，光纖的傳光特性會(huì)發(fā)生變化在調(diào)制區(qū)，光纖是連續(xù)的，被測(cè)量直接對(duì)光纖作用，以改變傳光性能通過輸出端的光電元件轉(zhuǎn)換成電信號(hào)8.2光纖傳感器測(cè)量技術(shù)8.2.3應(yīng)用1）光纖位移傳感器——非功能型/傳光型光源→發(fā)射光纖→被測(cè)物體→接收光纖→光電檢測(cè)→信號(hào)調(diào)理、處理

→輸出電壓與位移在一定范圍成線性關(guān)系可用于非接觸式微小位移測(cè)量或表面粗糙度測(cè)量8.2光纖傳感器測(cè)量技術(shù)交匯面和距離有關(guān)發(fā)射光纖接收光纖發(fā)射光纖接收光纖2）光纖液位計(jì)——非功能型/傳光型8.2光纖傳感器測(cè)量技術(shù)液位調(diào)制光強(qiáng)，根據(jù)其減弱的幅度獲得液位信息光纖本體的頂端加工成棱鏡狀光纖的包層剝?nèi)ヒ徊糠郑覍⒙懵恫糠謴澢蒛字形狀將微型棱鏡安裝在光纖的頂部——浸入液體時(shí)光強(qiáng)變化大3）光纖壓力傳感器——功能型/傳感型壓力傳感光彈性效應(yīng),導(dǎo)致光纖折射率變化，使傳播光的相位變化和偏振面旋轉(zhuǎn)光纖局部變形，由于折射率不連續(xù)變化導(dǎo)致傳播光散亂而增加損耗，從而引起光的振幅變化。

光電二極管、測(cè)量電路光源8.2光纖傳感器測(cè)量技術(shù)最小檢測(cè)聲壓力為1μPa4）物體計(jì)數(shù)8.2光纖傳感器測(cè)量技術(shù)物理性質(zhì)：超聲波是一種高于20kHz的機(jī)械波波動(dòng)方程：振幅大小：衰減系數(shù)：

8.3超聲波檢測(cè)技術(shù)8.3.1超聲波簡介測(cè)量原理：利用波的反射、折射、衰減等物理特性進(jìn)行測(cè)量。超聲波在介質(zhì)中傳播的大小取決于：介質(zhì)特性、聲源幾何形狀、尺寸、超聲波頻率可見：幅值隨距離增大而衰減，而衰減系數(shù)隨頻率增大而增大。特點(diǎn)：1）頻率高波長短：繞射現(xiàn)象小，方向性好，能夠成為射線定向傳播；2）穿透本領(lǐng)大：在液體、固體中衰減很小，能夠穿透近幾十米；3）碰到雜質(zhì)或分界面會(huì)產(chǎn)生顯著反射。4）溫度對(duì)聲速有一定影響，當(dāng)測(cè)量精度要求很高時(shí)需要校正。應(yīng)用：1）可用在不透光固體中傳播；2）在工業(yè)中廣泛地用尺寸、深度、液位、流量、粘度、厚度、距離以及探傷等參數(shù)的檢測(cè)。8.3超聲波檢測(cè)技術(shù)8.3.1超聲波簡介原理：遇到不同阻抗界面發(fā)生反射在均勻的材料中：

缺陷存在材料不連續(xù)材料不連續(xù)界面聲阻抗不一致不同聲阻抗發(fā)生反射反射能量大小與交界面兩邊介質(zhì)聲阻抗的差異和交界面的取向、大小有關(guān)。8.3超聲波檢測(cè)技術(shù)1）超聲波探傷——無損檢測(cè)優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高、周期短、成本低、靈活方便、效率高、方向性好、易于確定缺陷的位置、對(duì)人體無害。

缺點(diǎn)：對(duì)工作表面要求平滑、要求富有經(jīng)驗(yàn)的檢驗(yàn)人員才能辨別缺陷種類，對(duì)缺陷沒有直觀性，另外不能檢測(cè)尺寸小于波長的缺陷。8.3.2超聲波檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用例如：測(cè)量鋼工件缺陷缺陷和鋼材料之間交界面之間的聲阻抗不同發(fā)射的超聲波遇到該界面發(fā)生反射反射能量被探頭接收,反射波出現(xiàn)的時(shí)間反映了缺陷在被檢測(cè)材料中的深度，反射波的高度和形狀因不同的缺陷而不同，反映了缺陷的性質(zhì)。

缺陷被測(cè)體缺陷被測(cè)體探頭探傷面脈沖振蕩器接收器示波器超聲波探傷技術(shù)應(yīng)用8.3超聲波檢測(cè)技術(shù)缺陷的反射信號(hào)中包含了缺陷類型、尺寸、深度等信息超聲無損探傷電路原理圖在同步電路控制下，發(fā)射電路產(chǎn)生脈沖以激勵(lì)超聲探頭發(fā)射超聲波超聲波遇到缺陷后產(chǎn)生反射信號(hào)接收放大電路對(duì)反射信號(hào)放大

門控電路排除同步發(fā)射信號(hào)及底面反射回波信號(hào)而選出缺陷信號(hào)

高速A/D電路實(shí)時(shí)采祥，CPU-TMS320C25對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列處理，最后計(jì)算結(jié)果─缺陷的類型及尺寸，由顯示電路顯示。

8.3超聲波檢測(cè)技術(shù)8.3超聲波檢測(cè)技術(shù)超聲波探傷工業(yè)應(yīng)用注意：在超聲波探傷中，工件表面常涂抹耦合劑，主要目的是若工件表面不是十分光滑，探頭與工件表面的空氣間隙，會(huì)使超聲波完全反射，造成探傷結(jié)果不準(zhǔn)確和無法探傷。2）超聲波測(cè)距技術(shù)

超聲測(cè)距最常用的方法是回聲探測(cè)法，其原理就是當(dāng)聲速c確定之后，測(cè)得超聲波往返的時(shí)間t，利用s=ct/2可求得距離：

大量實(shí)驗(yàn)表明，頻率為40kHz左右的超聲波在空氣中傳播的效率最高，因此，發(fā)射的超聲波一般被調(diào)制成40kHz左右、具有一定間隔的調(diào)制脈沖波信號(hào)。8.3超聲波檢測(cè)技術(shù)超聲波測(cè)厚儀工作原理

超聲波測(cè)厚就是利用超聲波在不同介質(zhì)界面上（試件上下表面）的反射性質(zhì)而工作的。主要測(cè)量發(fā)射到接收的時(shí)間間隔，如果已知超聲波在試件中傳播速度，則厚度h就可求得。3）超聲波測(cè)厚8.3超聲波檢測(cè)技術(shù)

用于無損檢測(cè)的射線有X射線、γ射線、中子射線三種，因?yàn)檫@三種射線易于穿透物質(zhì)。其中，X射線和γ射線廣泛用于壓力容器焊縫和其他工業(yè)產(chǎn)品、結(jié)構(gòu)材料的缺陷檢測(cè)，而中子射線僅用于一些特殊場(chǎng)合。

X射線檢測(cè)最主要的應(yīng)用是探測(cè)試件內(nèi)部的宏觀幾何缺陷，常用射線照相法進(jìn)行檢測(cè)。

原理：射線照相方法是利用射線通過物體時(shí)，會(huì)發(fā)生吸收和散射，通過測(cè)量材料中因缺陷存在影響射線的吸收和散射來探測(cè)的。射線另一特性是能夠使膠片感光，底片上有缺陷部位與無缺陷部位的黑度圖像不一樣，這樣，就可以判斷出缺陷的種類、數(shù)量、大小等。

8.4工業(yè)CT檢測(cè)技術(shù)X射線檢測(cè)簡介8.4.1概述

超聲波優(yōu)點(diǎn)：比X射線探傷具有較高的探傷靈敏度、成本低、靈活方便、效率高，對(duì)人體無害等；適合檢測(cè)與超聲波垂直的缺陷。

缺點(diǎn)：對(duì)工作表面要求平滑，一般用在厚板上（探測(cè)深度可達(dá)3m左右

）對(duì)缺陷的判定準(zhǔn)確性高，探薄板時(shí)定性比較困難，要依靠很多實(shí)際的經(jīng)驗(yàn)來判定；幾乎適合各種類型的金屬材料。

X射線優(yōu)點(diǎn)是透視靈敏度高，結(jié)果較直觀,缺陷性質(zhì)不受材料形狀限制就可確定出來。比較適合檢測(cè)50mm（最多500mm厚）以下的薄板；適合檢測(cè)與X射線平行的缺陷。

缺點(diǎn)是費(fèi)用高，設(shè)備較重，不能發(fā)現(xiàn)與射線方向垂直的微小線性缺陷。

X射線與超聲波探傷的比較8.4工業(yè)CT檢測(cè)技術(shù)工業(yè)CT是在X射線基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種無損檢測(cè)技術(shù)。8.4.2工業(yè)CT簡介——計(jì)算機(jī)斷層成像技術(shù)原理：一束單色X線經(jīng)過距離為d的一個(gè)均質(zhì)小體，由于射線與物質(zhì)相互作用而衰減，其衰減規(guī)律滿足比爾定律，即：入射的X線強(qiáng)度I0和出射的X線強(qiáng)度I的關(guān)系。8.4工業(yè)CT檢測(cè)技術(shù)通過多次測(cè)量，獲得多個(gè)不同衰減系數(shù)組成的方程，聯(lián)立可求得各個(gè)衰減系數(shù)。如果兩維掃描，就可以獲得該物質(zhì)衰減系數(shù)的兩維分布。

I＝I0e－μd，μ值為均勻材料的線吸收系數(shù)如果是多個(gè)不同系數(shù)的物質(zhì)（設(shè)等厚度）構(gòu)成，X線穿過時(shí)有：

I＝I0e-(μ1+μ2+μ3+…)d，μ值由多塊不同衰減系數(shù)決定I0I

由于物質(zhì)的衰減系數(shù)與物質(zhì)的質(zhì)量密度直接相關(guān)，故衰減系數(shù)的二維分布可以體現(xiàn)出密度的二維分布，由此轉(zhuǎn)換成的斷面圖像能夠表示其結(jié)構(gòu)關(guān)系和物質(zhì)組成，從而達(dá)到CT成像的目的，因此，成像的本質(zhì)是獲得斷層內(nèi)部吸收系數(shù)的圖像。測(cè)量方法：用一束經(jīng)過準(zhǔn)直的X線，圍繞物體長軸進(jìn)行掃描，掃描過程中，處于相對(duì)側(cè)的X線檢測(cè)器對(duì)穿出的X線進(jìn)行檢測(cè)，將所得到的信號(hào)波形形成一系列的投影圖，用計(jì)算機(jī)對(duì)這些投影數(shù)據(jù)按特定的數(shù)學(xué)模型作圖像重建，以獲得這一部位的片狀橫向斷層圖像

.8.4工業(yè)CT檢測(cè)技術(shù)與一般X輻射成像的區(qū)別：一般X輻射成像：將三維物體投影到二維平面成像，各層面影像重疊會(huì)造成相互干擾，圖像模糊且損失了深度信息，不能滿足精密分析評(píng)價(jià)要求CT成像：把被測(cè)物體所檢測(cè)斷層孤立出來單獨(dú)成像，避免了其余部分的干擾；圖像質(zhì)量高——清晰準(zhǔn)確顯示所檢測(cè)部位內(nèi)部的結(jié)構(gòu)關(guān)系、物質(zhì)組成及缺陷狀況，檢測(cè)效果好工業(yè)CT特點(diǎn)：能準(zhǔn)確地再現(xiàn)物體內(nèi)部的三維立體結(jié)構(gòu)能夠定量地提供物體內(nèi)部的物理、力學(xué)等特性，識(shí)別內(nèi)部缺陷和位置8.4工業(yè)CT檢測(cè)技術(shù)8.4.3工業(yè)CT組成射線源、前后準(zhǔn)直器探測(cè)器、機(jī)械掃描裝置前端數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)后端圖像處理系統(tǒng)射線防護(hù)措施對(duì)操作者和設(shè)備的防護(hù)8.4工業(yè)CT檢測(cè)技術(shù)8.4.4工業(yè)CT應(yīng)用材料損傷和缺陷檢測(cè)材料密度分布檢查裝配檢測(cè)元器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的評(píng)估8.4工業(yè)CT檢測(cè)技術(shù)工業(yè)CT舉例