检测技术的发展及概述

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1、一、检测技术的新发展检测技术是科技领域的重要组成部分，可以说科技发展的每一步都离不开检测技术 的配合，尤其 是极端条件下的检测技术，已成为深化认识自然的重要手段。 近几十年来，随着电子技术的快速发展，各种弱物理量（如弱光、弱电、弱磁、小位 移、微温差、微电导、微振动等）的测量有了长足的发展，其检测方法大都是通过各种 传感器作电量转换，使测量对象转换成电量，基本方法有：相干测量法，重复信号 的时域平均法，离散信号的统计平均法及计算 机处理法等。但由于弱信号本身的涨 落、传感器本身 及测量仪噪声等的影响，检测的灵敏度及准确性受到了很大的限制。 近年来，各国的科学家们对光声光热技术进行了大量广泛而深

2、入的研究，。人们通过检 测声波及热效应便可对物质的力、热、声、光、磁等各种特性进行 分析和研究；并且 这种检测几乎适用于所有类型的试样，甚至还可以进行试样的亚表面无损检测和成像。 还由此派生出几种光热检测技术（如光热光偏转法、光热光位移法、热透射法、光声喇 曼光谱法及光热释电光谱法等）。这些方法成功地解决了以往 用传统方法所不易解决 的难题，因而广泛地应用于物理、化学 生物、医学、化工、环保、材料科学等各个领 域，成为科学研究中十分重要的检测和分析手段。尤其是近几年来，随着光声光热检测 技术的不断发展，光声光热效应的含义也不断拓宽，光源也由传统的光波，电磁波、X 射线、微波等扩展到电子束、离子

3、束、同步辐射等，探测器也由原来的传声器扩展到压 电传感器、热释电探测器及光敏传感器，从而适应了不同应用场合的实际需要。1光声光热检测的特点光声光热检测之所以有如此迅速的发展并得到日益广泛的应用，是由其本身的特点所 决定的。1. 1与普通的光谱测量技术相比，光声检测的光声信号直接取决于物质吸收光能的大 小，反射光、散射光对光声检测的干扰很小；因此，对于弱信号则可以通过增大入射光 功率的办法来提高检测的信噪比；同时，它还是惟一可用以检测试样剖面吸收光谱 的 方法。1. 2在光声检测中，试样本身既是被测物质，又是吸收光波的检测器，因此，可以在一 个很宽的波谱范围内进行研究，而不必改变检测系统，给实际

4、操作带来极大的方便。1. 3光声效应是研究物质荧光、光电和光化学现象的极其灵敏而又十分有效的方法， 这是因为光声信息是物质吸收了经调制后的外界入射能量，由受激态跃迁到低能态 而产生的，因此，它与物质受激后的辐射过程、光化学过程等是互补的，从而大大地 提高了检测的灵敏度。1. 4光声效应还可以用来测量其他一些非光谱研究领域的物理量（如薄膜厚度、弹性 形变、不透）。明材料的亚表面热波成像等。当物质吸收强度变化的辐射能而使自身加热时，便会在它的内部产生热应力、热应变 及折射率变化等多种效应；如果采用适当的检测手段及检测系统，便可对其物理、化 学性质进行测量和研究。根据 试样特性和检测目的的不同，可采

5、用不同的检测方 法。各种检测方法都有自己相应的检测装置。每个光声光热检测系统，通常都是由强 度时变的辐射源、光声光热信号检测器和信号处理系统等3个部分组成的。2常见的光声光热检测技术有以下几类。2. 1传声器光声检测技术这是目前使用最广泛的一种光声检测系统，它适用于固体、 液体、气体、粉末及胶体等各种形态物质特性的检测，其特点是理论较完善，易于实 现定量检测。该系统的主要部分是一个光声腔，用以安装传声器和放置被测试样， 检测过程中的光一热一声能量的转换过程都是在这里发生的。根据其工作方式的不同， 光声腔又可分为谐振式和非谐振式两大类；物质吸收调制光能后，将在光声腔内形成 光声 信号，然后再由腔

6、内的传声器检测并转换成电信号，最后输入信号处理系统， 常用的传声器是电容传声 器，它是由一很薄金属膜或镀金属的塑料电介质膜 与一刚性 电极组成，它对体积的变化特别灵敏，对气体、固体试样常采用非谐振式，因其体积 小，又工作在低调制频率，所以检测灵敏度高；对于流体试样，常采用谐振式， 虽其体积较大，工作频率较高，但由于驻波“放大”作用及提高光声耦合等措施， 也能达到很高的检测灵敏度。2. 2光偏转和光位移检测技术这是一种非接触式检测技术，可以在十分恶劣的环境 下对试样进行检测，灵敏度极高。利用这项技术，不仅可以检测光热偏转信号，而且还 可以检测 试样的表面位移和表面斜率，所以，它也是观测声波，表面

7、波以及对物质进 行无损检测的十分有效的手段。当调制光束照射到试样时，试样的表面会产生时变的 位移或振动；通常这种光热位移及光热偏转是非常小的，所以采用灵敏高的非接触式 检测技术十分有利。这里的关键是选择一个理想的光检测系统，并尽可能地降低噪声 干扰。目前广泛使用的光探测器，如光电倍增管、光电二极管、硅光电池等都是一种能 量检测器，因其输出与入射光能成正比，故 可采用一种由若干光敏元件阵列组成的象 限光电探测器来提高灵敏度，还可以利用专门设计的电容或位移传感器，应用光的 相干原理来精确测定简谐振动的微小位移。2. 3压电和热释电检测技术某些电介质在外界应力作用下发生形变时，在其表面上产 生出束缚

8、电荷，这种效应称为压电效应；反之，电介质在外电场作用下而产生形变的 现象称为反压电现象。这一正一反的现象，表明在电介质中机械性质与电学性质之 间存在着相关的行为。在光声检测中主要是利用正压电效应，即试样受强度调制的 入射光作用后，产生的应力波传递到压电传感器上时，将因正压电效应而输出光信 号。为达到最佳的检测效果，必须选择合适的压电材料；通常压电材料分单晶体、多 晶陶瓷和有机压电体，在光声检 测中用得最多的是多晶压电陶瓷。而压电传感器则 必 须根据检测固体、液体、粉末的不同要求，选择相应的灵敏度高、屏蔽性好、抗干扰能 力强、声阻抗相匹配的传感器。所谓的热释电效应(Pyroelec trie e

9、ffec t )是指某 些晶体、陶瓷或聚合物因温度的变化而引起自发激化 强度发生变化，并在特定方向上产 生表面电荷的现象。和压电效应一样，并非所有的材料都有热释电效应，它与晶体结构 有关，只有那些非中心对称的晶体点阵才具有这种效应。热释电检测实际上是利用某 些材料的热释电效应做成探测器检测热释电信号。其工作原理是：一束强度经调制的 电磁波入射到试 样上，在试样内引起的热波传到热释电探测器上，使探测器温度升高, 并引起探测器材料的极化强度发生变化，在其表面产生电荷，并在外电路上形成正比于 入射能量的输出信号，这种信号可随波长变化，也 可随试样位置变化，或者随外界条 件（如温度、压力、场强等）而变

10、化，通过这些变化便可研究其光谱性质、热成像 及其他有关的物理性质。2. 4微弱信号检测技术微弱信号是实际检测中经常遇到的；由于一些有用的信号往 往会被强于自身数千甚至数十万倍的噪声所淹没，所以必须采用必要的手段将被覆盖的 信号从噪声中提取出来。在光声检测中常用的模拟弱信号检测装置是锁相分析仪和 Boxcar积分仪。锁相分析仪又叫锁相放大器，常用于检测周期性的连续信号；它 主要是由信号通道、参考通道及相关器3部分组成。相关器是它的核心部分，它主要 是由乘法器和积分器组成；为了同时测出输入信号的幅值和相位，通常锁相分析仪采 用两个相关器。在实际应用中，应根据检测信号的特性，选择适当的交流和直流增益

11、及 积分时间常数，以便获得最好的检测结果。Boxcar积分器用于检测非周期性连续信 号，是一种通过信号多次平均而改善信号信噪比的装置，所以又叫Boxcar平均器， 可用来检测淹没在噪声中重复脉冲的平均幅值和恢复被噪声模糊的重复信号波形。它主 要是由信号通道和时基单元组成。信号通道由宽前置放大器、快速采样开关和RC取 样积 分器组成。在实际应用中，首先确定窗口宽度，再按改善信噪比的要求设置RC, 然后由被测波形的覆盖范围来选择延迟范围，依上面3个参数来确定扫描时间，以 获得较好的检测结果。光声光热检测的应用 光声检测技术由于具有灵敏度高，可检测的波谱范围宽，特别是它 几乎适用于所有类型的试样，使

12、之在众多领域获得越来越广泛的应用，前景十分诱人。3. 1固、液材料的定量分析自20世纪80年代开始，许多科学工作者分别测定了无机 材料、有机材料、半导体的光声谱，并通过光声谱对材料的组元和成分作定量分析。有 人提出，这种新方法可以用来测定谷物中的农药含量、药片中的添加剂、食品中的着色 剂及法医的检测分析等。提高用途与价格比和定量分析能力，是光声光热检测设备商业 化及扩大该技术应用范围的关键，已有不少科学工作者致力于这方面的研究与开发。对 于液体材料，光声谱法和热透镜法都是灵敏度极高的分析方法，已有人成功地将其 应用于溶液 的痕量和超痕量分析，检测限比传统的分光光度法提高23个数量级，为 分析化

13、学开创了新的应用前景。3. 2气体分析光声技术是检测微量气体浓度的一种极为有用的技术，利用激光光源的 高强度功率及单色性激光光声谱可达到很高的检测灵敏度和分辨率。因此，它特别适 用于微弱吸收气体的检测。这项技术不仅为气体分子光谱学的研究提供了一种新颖的技 术，而且也为大气污染的监测开辟了一条光明的道路，它能够有效地克服其他检测低 浓度物质方法的缺点。3. 3表面与界面的研究表面和界面现象是一种很普遍的现象，许多自然现象、生理现象 和科学研究，几乎都涉及到各种表面与界面。长期以来都是使用反射光谱仪和扫描电镜 等工具，对表面处理要求严格，手续繁杂，由于光声检测信号只与吸收光能有关，使光 声技术对表

14、面和界面的研究具有与众不同的独特之处；因为光声谱（PAS ）是测定由物 质吸收的光谱变成热而引起的压力波，故能直接理解为对表面的敏感测定。应用光声 技术研究表面可以达到单分子层水平，如采用高分辨率光源，还能获得各种情况下的表 面氧化作用，还原作用和钝化的重要信息，对研究表面的结构及表面间的相互作用机制 有着实际意义。3. 4在生物医药上的应用光声光热技术的最大优点是试样可以不经过处理直接进行测 定，因而保存了原试样的自然状态,应用在生物医药上，可进行活体和剖面深度的断层分 析，因此可以获得正常和变异的生物过程及病理学方面有价值的信息；近年来，它已应 用于细胞组织、细菌繁殖过程、药品合成和渗透、

15、植物光合作用及光声免疫反应的研究； 因可以找出组织病理和疾病之间的内在联系，为早期诊断（包括癌变）提供了有价值的临 床诊断工具。随着检测技术的不断发展和完善,人们对光声光热检测技术的认识也将逐渐 深化，而且又因其本身的特点及功能的多样化，其应用领域必将不断拓展。可以预期在 不远的将来，光声光热检测技术会成为各个领域广泛使用的常规研究和分析手段；如 与现有的检测技术相结合,将会在工业上的实时检测、质量控制和产品分析等领域获得越 来越广泛的应用。光声光热检测技术仍属发展中的新技术，需要不断完善和改进，还 有许多问题有待进一步开发和探索。可以相信，一个广泛使用和发展光声光热技术的 时代必然会到来！二

16、、无损检测技术的应用所谓无损检测技术，是指在不破坏或不改变被检物体的前提下，利用物质因存在缺 陷而使其某一物理性能发生变化的特点，完成对该物体的检测与评价的技术手段的总称。 它由无损检测和无损评价两个不可分割的部分组成。一个设备在制造过程中，可能产生各种各样的缺陷，如裂纹、疏松、气泡、夹渣、未焊 透和脱粘等；在运行过程中，由于应力、疲劳、腐蚀等因素的影响，各类缺陷又会不断 产生和扩展。现代无损检测与评价技术，不但要检测出缺陷的存在，而且要对其作出定 性、定量评定，其中包括对缺陷的定量测量（形状、大小、位置、取向、内含物等），进 而对有缺陷的设备分析其缺陷的危害程度，以便在保障安全运行的条件下，

17、作出带伤设 备可否继续服役的选择，避免由于设备不必要的检修和更换所造成的浪费。现代工业和科学技术的飞速发展，为无损检测技术的发展提供了更加完善的理论和新的 物质基础，使其在机械、冶金、航空航天、原子能、国防、交通、电力、石油化工等多 种工业领域中得到了广泛的应用。它被广泛应用于制造厂家的产品质量管理、用户订货 的验收检查以及设备使用与维护过程中的安全检查等方面，例如锅炉、压力容器、管道、 飞机、宇航器、船舶、铁轨和车轴、发动机、汽车、电站设备等等方面，特别是在高温、 高压、高速、高负载条件下运行的设备。无损检测技术包括超声检测、射线检测、磁粉 检测、渗透检测、涡流检测等常规技术以及声发射检测、

18、激光全息检测、微波检测等新 技术。常见的分类形式如表所示。实践证明，开展无损检测技术，对于改进产品的设计 制造工艺、降低制造成本以及提高设备的运行可靠性等具有重要的意义，已成为机械故 障诊断学的一个重要组成部分。三、超声波检测超声波检测是无损检测的主要方法之一。1利用声响从物体外界不损坏地检测其内部情况的方法早就问世了。超声波检测就是利用电振荡在发射探头中激发高频超声波，入射到被检物内部后若遇到 缺陷，超声波会被反射、散射或衰减，再用接收探头接收从缺陷处反射回来（反射法） 或穿过被检工件后（穿透法）的超声波，并将其在显示仪表上显示出来，通过观察与分 析反射波或透射波的时延与衰减情况，即可获得物

19、体内部有无缺陷以及缺陷的位置、大 小及其性质等方面的信息，并由相应的标准或规范判定缺陷的危害程度的方法。2超声波检测具有灵敏度高、穿透力强、检验速度快、成本低、设备简便和对人体无害等 一系列优点，既适合在制造厂生产线上成批检查，也可以用于野外作业。3超声波之所以被广泛地应用于无损检测，是基于超声波的如下特性3.1指向性好超声波是一种频率很高、波长很短的机械波，在无损检测中使用的超声波波 长为毫米数量级。3.2它像光波一样具有很好的指向性，可以定向发射，犹如一束手电筒灯光可以在黑暗中 寻找所需物品一样在被检材料中发现缺陷。3.3穿透能力强超声波的能量较高，在大多数介质中传播时能量损失小，传播距离

20、远，穿 透能力强，在有些金属材料中，其穿透能力可达数米。4超声波检测的应用实例超声波检测既可用于锻件、棒材、板材、管材以及焊缝等的检测，又可用于厚度、硬度 以及材料的弹性模量和晶粒度等的检测。下面简述超声波检测的几个应用实例。1螺栓的超声波检测 电站中咼温咼压部件（如汽缸、主蒸汽门、调速汽门等）用的 螺栓，在运行中经常有断裂的现象。紧固螺栓螺纹根部产生的裂纹是沿螺栓横断面发展的横向裂纹，中心孔加热不当产生的 内孔裂纹也是横向裂纹。因此将直探头放在螺栓端面上探测，声束刚好与裂纹面垂直， 对发现这些裂纹很有利。2车轴的超声波检测车轴是机车、车辆运行时受力的关键部件之一，它在水气的浸蚀 中承受载荷，

21、容易产生裂纹，多数是危险性较大的横向裂纹。经常采用横波探伤法和小 角度纵波探伤法。3. 非金属材料的超声波检测超声波在非金属材料（塑料、有机玻璃、陶瓷、橡胶、混凝 土等）中的衰减一般都比金属大，为了减小衰减而多采用低频检测，一般为20200kHz, 有的也用25MHz。为了获得较窄的声束，常采用较大尺寸的探头。四、射线检测1射线检测的基本原理射线检测是以X射线、Y射线和中子射线等易于穿透物质的特性为基础的。其基本 工作原理为：射线在穿过物质的过程中，由于受到物质的散射和吸收作用而使其强度衰 减，强度衰减的程度取决于物体材料的性质、射线种类及其穿透距离。当把强度均匀的 射线照射到物体上一个侧面，

22、在物体的另一侧使透过的射线在照相底片上感光、显影后， 就可得到与材料内部结构或缺陷相对应的黑度不同的图象，即射线底片。通过观察射线 底片，就可检测出物体表面或内部的缺陷，包括缺陷的种类、大小和分布情况并作出评 价。2射线检测对缺陷的形象非常直观，对缺陷的尺寸、性质等情况判断比较容易。采用计算 机辅助断层扫描法还可以了解断面的情况，可以进行自动化分析。射线检测对所测试检 查物体既不破坏也不污染，但射线检测成本较高，且对人体有害，在检测过程中必须注 意要妥善保护。3工业上常用的是X射线、Y射线检测。2射线检测（照相法）的特点和适用范围射线检测是一种常用于检测物体内部缺陷的无损检测方法，它几乎适用于

23、所有的材 料，检测结果（照相底片）可永久保存。但从检测结果很难辨别缺陷的深度，要求在被 检试件的两面都能操作，对厚的试件曝光时间需要很长。对厚的被检测物来说，可使用硬X射线或Y射线；对薄的被检物则使用软X射线。 射线穿透物质的最大厚度为：钢铁约450mm、铜约350mm、铝约1200mm。对于气孔、夹渣和铸造孔洞等缺陷，在X射线透射方向有较明显的厚度差别，即使 很小的缺陷也较容易检查出来。而对于如裂纹等虽有一定的投影面积但厚度很薄的一类 缺陷，只有用与裂纹方向平行的X射线照射时，才能够检查出来，而用与裂纹面几乎垂 直的射线照射时就很难查出。这是因为在照射方向上几乎没有厚度差别的缘故。因此，有时

24、要改变照射方向来进行照相。结束语计算机与微电子技术的高速发展，使得仪器仪表业发生革命性的变革，传统的测量 仪器都要有独立的机箱，在面板上有操作按键和旋钮，有信号输入与输出端口，有显示 测量结果的指示计或数码窗口等。每种仪器都有各自的专用功能，相互不能通用。虚拟 仪器的出现，使操作者面对的不再是专用的机箱，而是一台通用计算机。由传感器或变 送器送来的信息经过专门的接口卡进入计算机，通过软件处理在计算机显示屏上显示测 量结果，并发送各种控制信号。操作者通过鼠标或键盘进行操作。特别是数字传感器的 出现，可省去A/D转换的接口卡，更无需模拟量放大等处理，并可远距离传输。不同的 传感器可以构成不同的仪器

25、，可以共用一台计算机，可以将两台不同性质的仪器合在一 台计算机上。虚拟仪器开放性强，具有与其它设备互联的能力，可实现对现场实时的监 测与管理。其另一特点就是性价比高，它能一机多用；它的主体采用的是通用的计算机， 其功能强，质量高，成本远比专用仪器低，由于遍布的计算机服务网点，使得仪器能得 到及时的与星级的维修与服务等，这也是专用仪器所不能相比拟的。因此虚拟仪器将在 未来测控领域中成为主导的中坚，并推动测控技术不断发展与变革。参考文献1张成悌 检测与产品质量和生产力的关系实用测试技术.2000(1).47482郭春梅浅谈虚拟仪器的发展及未来趋势实用测试技术.2000.(6).44463解明芳王鸿钰虚拟仪器仪表技术.1998. (5)4李国华吴淼.现代无损检测与评价.化学工业出版社.5刘燕德无损智能检测技术及应用.华中科技大学版社.致谢本论文是在牛博英老师的的指导下完成的。从论文的选题、结构到资料的整理等工作都得到了导 师的悉心指导。在撰写论文的过程中，导师渊博的学识，严谨的治学态度，丰富的实践经验，循循善 诱的指导方式，令学生终生受益，谨此表示学生最衷心的感谢。