【正文】 z，即音（聲）頻；頻率低于20 Hz的稱為次聲波；高于20 kHz的稱為超聲波。超聲波具有指向性好、傳播能量大、穿透力強等特點而被廣泛應(yīng)用在無損檢測領(lǐng)域。[19] 超聲檢測原理超聲波檢測的基本原理是：超聲波在均勻連續(xù)彈性介質(zhì)中傳播時，將產(chǎn)生極少能量損失；但當(dāng)材料中存在著晶界、缺陷等不連續(xù)阻隔時，將產(chǎn)生反射、折射、散射、繞射和衰減等現(xiàn)象，從而損失比較多的能量，使我們由接收換能器上接收的超聲波信號的聲時、振幅、波形或頻率發(fā)生了相應(yīng)的變化，測定這些變化就可以判定建筑材料的某些方面的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)內(nèi)部構(gòu)造的情況達(dá)到測試的目的。當(dāng)超聲遇到缺陷面時，反射回波幅度會異常增大，根據(jù)反射幅度、延遲和相位等就可以判斷缺陷的位置、面積和形狀。工業(yè)上常用數(shù)兆赫茲的超聲波來探傷[3739]。超聲波頻率高，則傳播的直線性強，又易于在固體中傳播，并且遇到兩種不同介質(zhì)形成的界面時易于反射，這樣就可以用它來探傷。通常用超聲波探頭與待測工件表面良好的接觸，探頭則可有效地向工件發(fā)射超聲波，并能接收（缺陷）界面反射來的超聲波，同時轉(zhuǎn)換成電信號，再傳輸給儀器進(jìn)行處理。根據(jù)超聲波在介質(zhì)中傳播的速度（常稱聲速）和傳播的時間，就可知道缺陷的位置。當(dāng)缺陷越大，反射面則越大，其反射的能量也就越大，故可根據(jù)反射能量的大小來查知缺陷（當(dāng)量）的大小。 超聲波形及傳播特性常用的探傷波形有縱波、橫波、表面波等，前二者適用于探測內(nèi)部缺陷，后者適宜于探測表面缺陷，但對表面的條件要求高。當(dāng)超聲波在一種介質(zhì)中傳播到界面或遇到另一種介質(zhì)且傳播方向不垂直于界面時，將發(fā)生聲波的反射、折射和波型轉(zhuǎn)換現(xiàn)象。、反射超聲縱波（或橫波）在固體中以某一角度傾斜入射到異質(zhì)界面時，將產(chǎn)生反射縱波（或橫波），并發(fā)生波型轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生反射橫波（或縱波）。（或橫波）入射到兩異質(zhì)界面時的情況。（聲阻抗分別為及）界面時的情況。設(shè)縱波入射角為，反射縱波的反射角為，反射橫波（變型波）的反射角為，由反射定律可知： 。設(shè)橫波入射角為，其反射橫波及反射縱波（變型波）的反射角分別為和。由反射定律可知： 其中：—縱波在第一介質(zhì)中的聲速 —橫波在第一介質(zhì)中的聲速 超聲波反射示意圖 (a)縱波入射 (b)橫波入射、折射 超聲波傾斜入射到異質(zhì)界面上，且第二介質(zhì)為固體時，透射波要發(fā)生波型轉(zhuǎn)換，分離為折射縱波和折射橫波。兩種折射波的傳播方向互不相同，也不同于入射波的方向。 超聲波折射示意圖折射波的折射角、由折射定律可知： 式中—入射角 —入射波在第一介質(zhì)中的聲速 —縱波折射角 —縱波在第二介質(zhì)中的聲速 —橫波折射角 —橫波在第二介質(zhì)中的聲速 （縱波和橫波）的傳播規(guī)律多層介質(zhì)中的反射，當(dāng)一束縱波L或橫波T以入射角傳播到界面1時，將有部分聲波折射到介質(zhì)2中，產(chǎn)生折射縱波L2和折射橫波T2，其折射角、分別為： 2—1 2—2當(dāng)兩束折射波到達(dá)界面2時，又有一部分聲波折射到介質(zhì)3中，另一部分則被反射。根據(jù)反射定律，折射縱波L2和折射橫波T2在介質(zhì)2中分別反射出縱波、橫波、和縱波L2′、橫波T2′。反射角分別為： 2—3 2—4 2—5 2—6 多層介質(zhì)聲波反射示意圖將式222分別代入式226中得： 上式表明，雖然聲波反射時發(fā)生了波型轉(zhuǎn)換，但反射波中所有縱波的反射角相等，所有橫波的反射角相等。反射縱波和反射橫波傳播到界面1時，又在介質(zhì)1中產(chǎn)生折射波。反射縱波和反射橫波在介質(zhì)1中的折射角和分別為： 2—7 2—8將式22224代入式228中得： 由此可知，聲波從介質(zhì)1中以角度入射到介質(zhì)2中，當(dāng)它重新返回到介質(zhì)1中時，出射角度仍然是，且波型不變。這種現(xiàn)象對折射到介質(zhì)3中的聲波在返回到介質(zhì)1時，同樣存在。由此可以得出如下結(jié)論：介質(zhì)1中的聲波折射到介質(zhì)2和介質(zhì)3中無論被轉(zhuǎn)換成何種類型的聲波，當(dāng)它再返回到介質(zhì)1中時，仍以原來的波的形式和狀態(tài)傳播。若發(fā)射探頭的入射角度為時，當(dāng)接收探頭的接收角度為時，所接收到的回波脈沖的幅值最大。多層介質(zhì)中的折射。介質(zhì)3中折射聲波的折射角分別為： 多層介質(zhì)聲波折射示意圖 (a)三種介質(zhì)耦合情況 (b)介質(zhì)1和介質(zhì)3直接耦合的情況 式中 —橫波在介質(zhì)3中的聲速； —縱波在介質(zhì)3中的聲速。將222分別代入以上四式可得： 從以上兩式可知，介質(zhì)中所有的橫波折射角相等，所有的縱波折射角相等。雖然介質(zhì)3中的聲波是從介質(zhì)2中折射來的，但介質(zhì)3中折射波的折射角的大小只與介質(zhì)1和介質(zhì)3有關(guān)，與介質(zhì)2無關(guān)。就象是介質(zhì)1和介質(zhì)3直接耦合，中間不存在介質(zhì)2一樣。這種現(xiàn)象說明，介質(zhì)2只是聲波的“轉(zhuǎn)運站”，聲波經(jīng)過它時，傳播的波形和角度不變，只是聲壓有變化。當(dāng)然，這種現(xiàn)象產(chǎn)生的前提是聲波在介質(zhì)2中沒有被完全衰減掉 超聲檢測方法一、 穿透法材料的非連續(xù)性是超聲波傳輸?shù)恼系K，超聲波通過障礙時只能透射一部分聲能，所以1929年，Sokolov首先提出用超聲波探查金屬物體內(nèi)部缺陷 (非連續(xù)性)的方法。[17]只要有幾分之一微米那樣的細(xì)裂紋，在無損檢測中即可用以構(gòu)成超聲波不可透射的阻擋層。在檢測時，我們都把超聲發(fā)送探頭置于試件的一側(cè)，而把接收探頭置于試件的另一側(cè)，保證探頭與試件之間有良好的聲耦合，并使兩個探頭在一條直線上，這樣，簡單地監(jiān)視接收到的超聲波強度就可以得到檢測結(jié)果了．在超聲檢測的歷史上，穿透法曾經(jīng)是第一種可行的方法，但由于其精度比較低，所以到現(xiàn)在，它的應(yīng)用只限于精度要求不太高且能采用較簡單系統(tǒng)的場合，或是材料特性使得脈沖回波技術(shù)不可能應(yīng)用的場合．二、 反射法（反射回波法） 脈沖反射法是應(yīng)用最廣泛的一種超聲檢測方法．在實際檢測中，最常用的是直接接觸脈沖反射法，它又可按波型分為：單探頭的縱波法、檢波法、板波法、表面波法；雙探頭的雙直探頭縱波法、雙斜探頭檢波法．對某些特殊試件必須使用脈沖反射液浸法，按實際情況又分為全沒液浸法、局部液浸法、間隙法．[20] 脈沖反射法是利用超聲脈沖波入射到兩種不同介質(zhì)交界面上會發(fā)生反射的，且反射回波的幅度和相位等參數(shù)攜帶信息進(jìn)行檢測。與穿透法相比，脈沖反射法有以下優(yōu)點：:靈敏度和精度高、適用范圍廣、操作方便。缺點是由于存在一定盲區(qū)，對近表面缺陷和薄壁工件不適用、容易露檢、材料衰減太大不適用。三、 諧振法諧振又稱共振。當(dāng)用一定頻率的正弦信號激勵超聲探頭中的壓電晶片時，壓電晶片將向材料中發(fā)射相同頻率的超聲波。當(dāng)材料的厚度為聲波的半波長的整數(shù)倍時，就會在材料內(nèi)部引起共振.。在檢測板材或片材時，諧振現(xiàn)象可得到很好的利用．如果與被檢板材耦合的換能器用比它本身的諧振頻率低的，有變化的連續(xù)波激勵，那么，當(dāng)此連續(xù)波通過被檢板材的基頻諧振或諧波諧振時，換能器承受的載荷要比在其他頻率時重得多，而載荷的增加會引起易于檢測到的激勵交流電流的相應(yīng)增加．[21]諧振方法檢測試件的最初和最簡單的應(yīng)用并不在超聲范圍，而是在聲頻范圍，檢測方法很不完善，只是用某種物件(例如硬幣——因而稱硬幣敲擊法)敲擊試件，細(xì)聽自試件發(fā)出的振鈴音調(diào)．在有了一些實踐經(jīng)驗之后，檢測人員就能聽出良好試件和有缺陷試件的音調(diào)差別．聲諧振在包括兩種方法：聲傳播阻抗法及掃頻超聲法，比較常用的是掃頻法，它的原理是通過調(diào)節(jié)入射超聲波的頻率，使其波長的1/4奇數(shù)倍剛好等于絕熱層的厚度。當(dāng)二界面脫粘時，此頻率的聲波在絕熱層中產(chǎn)生諧振，再采用多次發(fā)射技術(shù)顯示?？梢钥吹竭@種方法對于絕熱層厚度的一致性有比較苛刻的要求，而且檢測的分辨力難以低于Ф10mm，因此在工程實踐中應(yīng)用較少[22,23].應(yīng)用諧振檢驗的主要領(lǐng)域是在生產(chǎn)階段檢驗板材、片材和管壁的厚度，以及指示是否存在夾渣．其精度也不是很高。只有在一些特殊的檢測課題中，才必須要用到諧振法。這里列舉三種應(yīng)用場合：(1) 檢測低至75μm左右的很薄的截面；(2) 查找金屬板后面橡膠或塑料的缺陷(脫粘)；(3) 檢測多層結(jié)構(gòu)． 工業(yè)自動控制技術(shù)研究概述超聲檢測按操作方式可分為人工檢測和自動檢測。人工檢測需要人的參與貫穿于檢測的各個環(huán)節(jié)，包括檢測控制、運動控制、結(jié)果分析等。自動檢測則是以檢測系統(tǒng)代替操作人員的部分或全部工作。自動控制單元通常是由一臺工業(yè)控制計算機(jī)和外圍器件組成。計算機(jī)用于工業(yè)控制也是近年來發(fā)展非常廣泛、非常活躍的領(lǐng)域之一。最初是采用小型計算機(jī)對生產(chǎn)進(jìn)行控制，或者用來對模擬系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視。由于小型計算機(jī)系統(tǒng)價格昂貴，所以多采用集中控制。隨著微機(jī)的發(fā)展，微機(jī)和單片機(jī)在這一領(lǐng)域的應(yīng)用也有了飛速發(fā)展。這就為超聲自動檢測提供了良好的條件。 微機(jī)控制系統(tǒng)概況現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展對工業(yè)控制技術(shù)也提出了新的要求。[24]微機(jī)控制系統(tǒng)的快速計算、靈活多佯的邏輯判斷和高效的信息加工能力使自動控制進(jìn)入了更高一級的領(lǐng)域，提高了生產(chǎn)過程的自動化程度，減少了人工干預(yù)，并不斷地完善和滿足工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國防科技日益增長的需要。微機(jī)控制系統(tǒng)由于具有成本低、體積小、功耗少、可靠性高和使用靈活等特點，因而廣泛地應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運輸、國防建設(shè)和空間技術(shù)等各個領(lǐng)域。其控制對象已從單一的工藝流程控制擴(kuò)展到企業(yè)生產(chǎn)過程的管理和控制。隨著微機(jī)和單片機(jī)的推廣使用，實現(xiàn)信息自動化與過程控制相結(jié)合的分組分布式計算機(jī)控制使控制技術(shù)的水平發(fā)展到了一個嶄新的階段。微機(jī)控制系統(tǒng)由微機(jī)和其他工業(yè)生產(chǎn)對象兩大部分組成．其中包括硬件和軟件。硬件是指微機(jī)本身及其外部設(shè)備。硬件是由主機(jī)、接口電路及外部設(shè)備組成的。由于系統(tǒng)的不同。組成微機(jī)系統(tǒng)的硬件多少也不同．一般根據(jù)控制系統(tǒng)的需要可任意進(jìn)行擴(kuò)展?，F(xiàn)在已經(jīng)生產(chǎn)出具有各種功能的插件板。并用標(biāo)準(zhǔn)總線連接起來，使用非常方便。如STD總線構(gòu)成的各種工業(yè)控制機(jī)；軟件是指管理微機(jī)的程序以及過程控制應(yīng)用程序。軟件是指能完成各種功能的計算機(jī)程序的總和，如操作系統(tǒng)、監(jiān)控程序、管理程序、控制程序、計算和自診斷程序等。因此，軟件是微機(jī)系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，整個系統(tǒng)都是在軟件的指揮下進(jìn)行協(xié)調(diào)工作的。硬件是微機(jī)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，軟件是微機(jī)控制系統(tǒng)的靈魂。微機(jī)控制系統(tǒng)是通過各種接口及外部設(shè)備與生產(chǎn)過程發(fā)生關(guān)系，并對生產(chǎn)過程進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及控制的。在圖中，檢測的參數(shù)經(jīng)傳感器、變送器，轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號，再經(jīng)多路開關(guān)分時送到A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模擬／數(shù)字轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量通過接口送到微機(jī)，這是模擬量輸入通道。在計算機(jī)內(nèi)部，用軟件對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和計算．然后經(jīng)模擬量輸出通道輸出。輸出的數(shù)字量通過。從變換器轉(zhuǎn)換成模擬量，再經(jīng)反多路開關(guān)(也稱多路分配器)與相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)相連，并對被測參數(shù)進(jìn)行控制。 微機(jī)控制系統(tǒng)模式國內(nèi)外常用計算機(jī)控制系統(tǒng)主要有兩種模式：一、計算機(jī)直接控制系統(tǒng)，由單板機(jī)、單片機(jī)或個人計算機(jī)、工控機(jī)，適當(dāng)配以必要的外圍設(shè)備和接口電路，構(gòu)成獨立的過程控制計算機(jī)系統(tǒng)，一切檢測控制顯示和管理功能均由該微機(jī)承擔(dān)；二、集散控制系統(tǒng)，由下位機(jī)工作站和上位機(jī)構(gòu)成，下位機(jī)對被控對的參數(shù)進(jìn)行檢測和控制，通過通訊接口將所采集的信息和狀態(tài)傳遞給上位機(jī)，同時接收上位機(jī)的指令，上位機(jī)對下位機(jī)進(jìn)行綜合指揮，分散控制，集中管理。[38]；主機(jī)(CPU)：它是整個控制系統(tǒng)的指揮部。接口與輸入輸出通道：它是主機(jī)與被控對象進(jìn)行信息交換的紐帶。通用外部設(shè)備：通用外部設(shè)備主要是為了擴(kuò)大主機(jī)的功能而設(shè)置的。印、存儲及傳送數(shù)據(jù)。 檢測元件及儀表：在微機(jī)控制系統(tǒng)中，為了收集和測量各種參數(shù)，廣泛采用了各種檢測元件及儀表，它們的主要功能是把被檢測參數(shù)的非電量轉(zhuǎn)變成電量，如熱電偶把溫度變成毫伏信號，壓力變送器把壓力變成電信號等等。這些信號轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的微機(jī)標(biāo)準(zhǔn)電平后再送入微機(jī)。因此，檢測元件精度的高低直接影響微機(jī)控制系統(tǒng)的精度。此外，為了控制生產(chǎn)過程，還需有執(zhí)行機(jī)構(gòu)。常用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)有電動、液動和氣動等控制形式，另外，還有馬達(dá)和步進(jìn)電機(jī)。驅(qū)動電路和執(zhí)行機(jī)構(gòu)：微機(jī)控制系統(tǒng)的都是通過這部分來完成其要求的任務(wù)的。常見的執(zhí)行機(jī)構(gòu)有步進(jìn)電機(jī)、繼電器、運動控制卡。相對應(yīng)的驅(qū)動電路有脈沖分配器、三極管、驅(qū)動芯片等。 操作臺：操作臺是人機(jī)對話的聯(lián)系紐帶。通過它人們可以向微機(jī)輸入程序，修改內(nèi)存中的數(shù)據(jù)．顯示被測參數(shù)以及發(fā)出各種操作命令等。 典型微機(jī)控制系統(tǒng)第三章 控制系統(tǒng)總體設(shè)計 檢測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及功能超聲波自動化檢測技術(shù)是融無損檢測、機(jī)械自動化、自動控制、計算機(jī)硬軟件等為一體的綜合性技術(shù), 該