9其它测试技术

测试技术——其它测试技术(2)第九章内容1、激光测量技术2、光纤传感器测量技术3、超声波检测技术4、工业CT检测技术重点：掌握各种测量方法的原理与应用场合特点：单色性：激光的频率宽度比普通光小10倍以上方向性：激光束在几公里外的扩展范围不过几厘米相干性：两束光在相遇区域内相互叠加后,能形成较清晰的干涉图样在测量精确度和测量范围上具有明显的优越性测量原理：干涉现象测量量：长度、位移、表面形状、变形速度、转速、振动、流量激光源波长：nm-um8.1激光测量技术8.1.1激光测量技术简介原理：迈克尔逊干涉仪。即：测定检测光与参考光的相位差所形成的干涉条纹数目而测得物体长度。实现：工作台移动半个波长时，明暗条纹变化一次。因此，工作台移动距离为：其中，N干涉条纹明暗变化次数;激光波长;n空气的折射率。nNx2/光电计数器8.1激光测量技术1)激光干涉测长仪8.1.2激光测量技术应用激光干涉法测振仍然是以迈克尔逊干涉仪为基础，通过计算干涉条纹数的变化来测量振幅。振动一周，工作台来回变化4Am，对应的条纹变化次数为N，振幅为：842/NNAmffNc/激光干涉测振仪测量准确度主要决定于计数准确度。主要用于机械振动测量，并已定为各国振动的国家计量基准。GZ-1型激光干涉仪激光器参考镜振动台分光镜光电倍增管放大器功率放大器信号发生器计数器测量镜输出8.1激光测量技术2)激光干涉测振仪式中，次数N是通过频率比来测定的。生活中的多普勒效应现象：火车汽笛声问题。迎面而来时，频率增高；相对而去时，频率减低。信件邮递问题。假定邮递员和外出者同为徒步行走，且外出者保持每天写一封信回家。离家而去时，家人几天才收到一封信件；外出者停止在某一地方时，家人每天收到一封信；外出者返程时，家人一天可收到多封信。8.1激光测量技术光学多普勒效应光源与其接受器之间有相对运动时，接收器接收到的光波频率与光源发射频率的光波频率是不同的，这种现象叫做光学多普勒效应。8.1激光测量技术其中，是无相对运动时反射或散射光的频率(光源频率)，是物体相对运动的速度，是光的速度，是与物体运动方向和光源相对位置有关的常数。cfkf被接受器反射或散射的光的频率变化量与物体的运动速度的变化如下：fkc静止光学系统运动粒子流速测量基本原理：当静止的激光光源发射的激光照射到随流体运动的粒子上时，粒子所接收到的光波频率与光源发射的光波频率是不同的，同时粒子又作为一个光源将接收到的光波向外散射，光接收器所接收到的散射光频率与激光光波频率之差值与运动粒子的速度成正比。8.1激光测量技术3)激光多普勒测速仪8.1激光测量技术4)激光多普勒测振仪单点激光多普勒测振系统（振动速度）振动体扫描式激光测振仪由扫描式光学头、控制器、连接箱和数据管理系统等组成。用户可在目标视频图像上定义任意测量区域和测量点。可以实现：•利用三个光学头对被测物体同时进行高分辨率3D测量•美观的3-D动态结果显示•FEM软件和模拟数据界面8.1激光测量技术周期加筋板（1.54m*1.08m）振动测量PSV-400-3D扫描式激光测振仪8.1激光测量技术激励点在左边激励点在中边组成激光测速系统的主要光学部件：激光光源:小功率氦─氖激光器、大功率氩离子激光器（固体激光器、液体激光器、半导体激光器）气体单色性好但功率小、固体单色性差但功率大入射光系统:光束分离器、发射光栏、发射透镜收集光系统:接收光栏、接收透镜、光检测器激光可在被测速度点聚焦成很小的一个测量点，其分辨力很高。故它在航空航天、热物理工程、以及机械运动测量等方面广泛应用。8.1激光测量技术激光多普勒测速系统组成激光测振8.1激光测量技术8.1激光测量技术便携式激光测振仪8.2光纤传感器测量技术8.2.1概述光纤特点信息传输量大、抗干扰性强、体积小、可弯曲、极易接近被测对象、灵敏度高、耐高压、耐腐蚀、可非接触测量测量对象电流、电压、磁场位移、温度、压力、速度、加速度、液面、流量光纤结构纤芯5~75μm纤芯：掺杂二氧化硅，5~75um包层:纯二氧化硅，100~200um涂敷层：硅铜，增加机械强度护套：尼龙，保护作用原理：光在光纤中传播主要是依据全反射原理纤芯折射率大于包层折射率，包层介面存在产生全反射的界面临界角φc，相对应的光纤端面存在端面临界入射角θa。如果端面入射角θ0小于端面临界入射角θa，则光线进入光纤后，当射到光纤的内包层界面时，界面入射角φ大于临界角φc，满足全反射条件，光线将在纤芯和包层的界面上不断地产生全反射而向前传播。222101sinnnna可以证明临界入射角：8.2.2光纤传光原理8.2光纤传感器测量技术纤芯包层光源吸收外壳典型类型：传光型/传感型θa应该大还是应该小？1）非功能型/传光型光纤只起到接收、传输光的作用，不改变光的性质在调制区，光纤是不连续的，借助其它功能元件，被测量对光产生作用通过输出端的光电元件转换成电信号8.2光纤传感器测量技术本节的光纤传感器技术与上节的激光技术有无关系？2）功能型/传感型——光纤对外界信息有敏感能力和检测能力在外界环境因素(如温度、压力、电场、磁场等)改变时，光纤的传光特性会发生变化在调制区，光纤是连续的，被测量直接对光纤作用，以改变传光性能通过输出端的光电元件转换成电信号8.2光纤传感器测量技术8.2.3应用1）光纤位移传感器——非功能型/传光型•光源→发射光纤→被测物体→接收光纤→光电检测→信号调理、处理→输出•电压与位移在一定范围成线性关系•可用于非接触式微小位移测量或表面粗糙度测量8.2光纤传感器测量技术交汇面和距离有关发射光纤接收光纤发射光纤接收光纤2）光纤液位计——非功能型/传光型8.2光纤传感器测量技术液位调制光强，根据其减弱的幅度获得液位信息光纤本体的顶端加工成棱镜状光纤的包层剥去一部分，且将裸露部分弯曲成U字形状将微型棱镜安装在光纤的顶部——浸入液体时光强变化大3）光纤压力传感器——功能型/传感型压力传感•光弹性效应,导致光纤折射率变化，使传播光的相位变化和偏振面旋转•光纤局部变形，由于折射率不连续变化导致传播光散乱而增加损耗，从而引起光的振幅变化。光电二极管、测量电路光源8.2光纤传感器测量技术最小检测声压力为1μPa4）物体计数8.2光纤传感器测量技术物理性质：超声波是一种高于20kHz的机械波波动方程：振幅大小：衰减系数：)cos()(kxtxAA8.3超声波检测技术8.3.1超声波简介xeAxA0)(2af测量原理：利用波的反射、折射、衰减等物理特性进行测量。超声波在介质中传播的大小取决于：介质特性、声源几何形状、尺寸、超声波频率可见：幅值随距离增大而衰减，而衰减系数随频率增大而增大。特点：1）频率高波长短：绕射现象小，方向性好，能够成为射线定向传播；2）穿透本领大：在液体、固体中衰减很小，能够穿透近几十米；3）碰到杂质或分界面会产生显著反射。4）温度对声速有一定影响，当测量精度要求很高时需要校正。应用：1）可用在不透光固体中传播；2）在工业中广泛地用尺寸、深度、液位、流量、粘度、厚度、距离以及探伤等参数的检测。8.3超声波检测技术8.3.1超声波简介原理：遇到不同阻抗界面发生反射在均匀的材料中：缺陷存在材料不连续材料不连续界面声阻抗不一致不同声阻抗发生反射反射能量大小与交界面两边介质声阻抗的差异和交界面的取向、大小有关。8.3超声波检测技术1）超声波探伤——无损检测优点：灵敏度高、周期短、成本低、灵活方便、效率高、方向性好、易于确定缺陷的位置、对人体无害。缺点：对工作表面要求平滑、要求富有经验的检验人员才能辨别缺陷种类，对缺陷没有直观性，另外不能检测尺寸小于波长的缺陷。8.3.2超声波检测技术应用例如：测量钢工件缺陷缺陷和钢材料之间交界面之间的声阻抗不同发射的超声波遇到该界面发生反射反射能量被探头接收,反射波出现的时间反映了缺陷在被检测材料中的深度，反射波的高度和形状因不同的缺陷而不同，反映了缺陷的性质。缺陷被测体缺陷被测体探头探伤面脉冲振荡器接收器示波器超声波探伤技术应用8.3超声波检测技术缺陷的反射信号中包含了缺陷类型、尺寸、深度等信息超声无损探伤电路原理图在同步电路控制下，发射电路产生脉冲以激励超声探头发射超声波超声波遇到缺陷后产生反射信号接收放大电路对反射信号放大门控电路排除同步发射信号及底面反射回波信号而选出缺陷信号高速A/D电路实时采祥，CPU-TMS320C25对采样数据进行一系列处理，最后计算结果─缺陷的类型及尺寸，由显示电路显示。8.3超声波检测技术8.3超声波检测技术超声波探伤工业应用注意：在超声波探伤中，工件表面常涂抹耦合剂，主要目的是若工件表面不是十分光滑，探头与工件表面的空气间隙，会使超声波完全反射，造成探伤结果不准确和无法探伤。2）超声波测距技术超声测距最常用的方法是回声探测法，其原理就是当声速c确定之后，测得超声波往返的时间t，利用s=ct/2可求得距离：222hsd大量实验表明，频率为40kHz左右的超声波在空气中传播的效率最高，因此，发射的超声波一般被调制成40kHz左右、具有一定间隔的调制脉冲波信号。8.3超声波检测技术超声波测厚仪工作原理超声波测厚就是利用超声波在不同介质界面上（试件上下表面）的反射性质而工作的。主要测量发射到接收的时间间隔，如果已知超声波在试件中传播速度，则厚度h就可求得。3）超声波测厚8.3超声波检测技术用于无损检测的射线有X射线、γ射线、中子射线三种，因为这三种射线易于穿透物质。其中，X射线和γ射线广泛用于压力容器焊缝和其他工业产品、结构材料的缺陷检测，而中子射线仅用于一些特殊场合。X射线检测最主要的应用是探测试件内部的宏观几何缺陷，常用射线照相法进行检测。原理：射线照相方法是利用射线通过物体时，会发生吸收和散射，通过测量材料中因缺陷存在影响射线的吸收和散射来探测的。射线另一特性是能够使胶片感光，底片上有缺陷部位与无缺陷部位的黑度图像不一样，这样，就可以判断出缺陷的种类、数量、大小等。8.4工业CT检测技术X射线检测简介8.4.1概述超声波优点：比X射线探伤具有较高的探伤灵敏度、成本低、灵活方便、效率高，对人体无害等；适合检测与超声波垂直的缺陷。缺点：对工作表面要求平滑，一般用在厚板上（探测深度可达3m左右）对缺陷的判定准确性高，探薄板时定性比较困难，要依靠很多实际的经验来判定；几乎适合各种类型的金属材料。X射线优点是透视灵敏度高，结果较直观,缺陷性质不受材料形状限制就可确定出来。比较适合检测50mm（最多500mm厚）以下的薄板；适合检测与X射线平行的缺陷。缺点是费用高，设备较重，不能发现与射线方向垂直的微小线性缺陷。X射线与超声波探伤的比较8.4工业CT检测技术工业CT是在X射线基础上发展起来的一种无损检测技术。8.4.2工业CT简介——计算机断层成像技术原理：一束单色X线经过距离为d的一个均质小体，由于射线与物质相互作用而衰减，其衰减规律满足比尔定律，即：入射的X线强度I0和出射的X线强度I的关系。8.4工业CT检测技术通过多次测量，获得多个不同衰减系数组成的方程，联立可求得各个衰减系数。如果两维扫描，就可以获得该物质衰减系数的两维分布。I＝I0e－μd，μ值为均匀材料的线吸收系数如果是多个不同系数的物质（设等厚度）构成，X线穿过时有：I＝I0e-(μ1+μ2+μ3+…)d，μ值由多块不同衰减系数决定I0I由于物质的衰减系数与物质的质量密度直接相关，故衰减系数的二维分布可以体现出密度的二维分布，由此转换成的断面图像能够表示其结构关系和物质组成，从而达到CT成像的目的，因此，成像的本质是获得断层内部吸收系数的图像。测量方法：用一束经过准直的X线，围绕物体长轴进行扫描，扫描过程中，处于相对侧的X线检测器对穿出的X线进行检测，将所得到的信号波形形成一系列的投影图，用计算机对这些投影数据按特定的数学模型作图像重建，以获得这一部位的片状横向断层图像.8.4工业CT检测技术与一般X辐射成像的区别：•