超声波检测技术及应用

刘赣

（青岛滨海学院，山东省青岛市经济开发区266000）

  摘 要：无损检测(nondestructive test)简称 NDT。无损检测就是不破坏和不损伤受检物体，对它的性能、质量、有无内部缺陷进行检测的一种技术。本文主要讲的是超声波检测（UT）的工作原理以及在现在工业中的应用和发展。

 关键词：超声波检测；纵波；工业应用；无损检测

1.超声波检测介绍

1.1超声波的发展史

   声学作为物理学的一个分支, 是研究声波的发生、传播、接收和效应的一门科学。在1940 年以前只有单晶压电材料, 使得超声波未能得到广泛应用。20 世纪70 年代, 人们又研制出了PLZT 透明压电陶瓷, 压电材料的发展大大地促进了超声波领域的发展。声波的全部频率为10- 4Hz～1014Hz, 通常把频率为2×104Hz～2×109Hz 的声波称为超声波。超声波作为声波的一部分, 遵循声波传播的基本定律,

1.2超声波的性质

1）超声波在液体介质中传播时，达到一定程度的声功率就可在液体中的物体界面上产生强烈的冲击（基于“空化现象”）。从而引出了“功率超声应用技术“例如“超声波清洗”、“超声波钻孔”、“超声波去毛刺”（统称“超声波加工”）等。

2）超声波具有良好的指向性

3）超声波只能在弹性介质中传播，不能再真空中传播。一般检测中通常把空气介质作为真空处理，所以认为超声波也不能通过空气进行传播。

4）超声波可以在异质界面透射、反射、折射和波型转化。

5）超声波具有可穿透物质和在物质中衰减的特性。

6）利用强功率超声波的振动作用，还可用于例如塑料等材料的“超声波焊接”。

1.2超声波的产生与接收

    超声波的产生和接收是利用超声波探头中压电晶体片的压电效应来说实现的。由超声波探伤仪产生的电振荡，以高频电压形式加载于探头中压电晶体片的两面电极上时，由于逆压电效应的结果，压电晶体片会在厚度方向上产生持续的伸缩变形，形成了机械振动。弱压电晶体片与焊件表面有良好的耦合时，机械振动就以超声波形式传播进入被检工件，这就是超声波的产生。反之，当压电晶体片收到超声波作用而发生伸缩变形时，正压电效应的结果会使压电晶体片两面产生不同极性的电荷，形成超声频率的高频电压，以回波电信号的形势经探伤仪显示，这就是超声波的接收。

1.3超声波无损检测的原理

超声波探伤仪的种类繁多，但在实际的探伤过程，脉冲反射式超声波探伤仪应用的最为广泛。一般在均匀的材料中，缺陷的存在将造成材料的不连续，这种不连续往往又造成声阻抗的不一致，由反射定理我们知道，超声波在两种不同声阻抗的介质的交界面上将会发生反射，反射回来的能量的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。脉冲反射式超声波探伤仪就是根据这个原理设计的。

目前便携式的脉冲反射式超声波探伤仪大部分是A扫描方式的，所谓A扫描显示方式即显示器的横坐标是超声波在被检测材料中的传播时间或者传播距离，纵坐标是超声波反射波的幅值。譬如，在一个钢工件中存在一个缺陷，由于这个缺陷的存在，造成了缺陷和钢材料之间形成了一个不同介质之间的交界面，交界面之间的声阻抗不同，当发射的超声波遇到这个界面之后，就会发生反射，反射回来的能量又被探头接受到，在显示屏幕中横坐标的一定的位置就会显示出来一个反射波的波形，横坐标的这个位置就是缺陷在被检测材料中的深度。这个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。

1.4超声波无损检测的优缺点

优点：

1）探伤速度快，效率高

2）设备简单轻巧，机动性强，野外及高空作业方便，实用

3）探测结果不受焊接接头形式的影响，除对焊接缝外，还能检查T形接头及所有角焊缝。

4）对焊缝内危险性缺陷（包括裂缝、未焊透、未熔合）检测灵敏度高

5）易耗品极少，检查成本低

缺点：

1）若工件表面粗糙，需磨平，人工多

2）探测结果判定困难，操作人员需经专门培训并经考核几个

3）缺陷定型及定量困难

4）探测结果的正确评定收人为思想束缚的影响较大

5）探测结果不能直接记录存档

6）对于形状复杂、表面粗糙、内部存在粗晶组织与奥氏体焊缝，探伤困难

2.超声波检测的应用

2.1陶瓷的无损检测

2.1.1陶瓷气孔率的检测

    陶瓷的强度、弹性模量、密度等直接和气孔率有关, 有些构件的气孔率决定了它能否使用。陶瓷中超声波的传递速度和气孔率（或密度） 之间也存在某种关系, 可以通过实测得到, 再利用式（1）、式（2） 求出陶瓷的气孔率:

???????????（1）

????????（2）

式中:

——陶瓷的气孔率为零时的理论声速;

——陶瓷的气孔率;

——陶瓷的弹性模量;

 ——陶瓷的密度。

将气孔简化为随机取向的椭球, 均匀分布在各向同性的基体中, 用复合微观力学模型计算声速并和实测值进行比较, 由式（1）计算得到气孔率。

当陶瓷材料的理论密度已知时, 气孔率可由体密度计算而来。体密度的测量方法很多, 常用的有阿基米德法。陶瓷的内部缺陷也可以采用水浸探伤法来检测, 以水浸纵波垂直探伤法检测缺陷时, 波束路程可以直接读出。要检出微小缺陷时, 可以改用较低频率的探头。

2.1.2陶瓷表面缺陷检测

对于陶瓷而言, 同一形状和尺寸的表面缺陷比内部缺陷更容易引起破坏, 因此表面缺陷的检测特别重要。通常用水浸表面波法检测陶瓷的表面缺陷, 其原理见图1。将超声波( 纵波) 倾斜入射到浸入水中的被检物表面, 当入射角大于第二临界角时, 折射声波全部沿着工件表面传播, 形成表面波, 表示为:

???????（3）

式中:

——水中的纵波声速;

——工件水浸表面波声速。

      图1　水浸表面波法原理

表面波波长比横波波长短, 衰减也大于横波。同时, 它仅沿表面传播, 遇到尖锐转角或棱角时将有强烈反射回波, 曲率越大反射越强。水浸表面波在试块表面传播时, 能量可泄漏到水中, 故仅仅传播数毫米后, 水浸表面波的反射波高度就显著降低。鉴于反射波传递距离较小的振幅特性, 应尽可能使探头靠近缺陷处。

2.2钻孔灌注桩的无损检测

2.2.1检测原理

采用超声脉冲检测混凝土缺陷的基本依据是，利用脉冲波在技术条件相同 （指混凝土的原材料、配合比、龄期和测试距离一致） 的混凝土中传播的时间 （或速度）、接收波的振幅和频率等声学参数的相对变化来判定混凝土的缺陷。

超声脉冲波在混凝土中传播速度的快慢，与混凝土的密实度有直接关系，对于原材料、配合比、龄期及测试距离一定的混凝土来说，声速高则混凝土密实，相反则混凝土不密实。当有空洞或裂缝存在时，便破坏了混凝土的整体性，超声脉冲波只能绕过空洞或裂缝传播到接收换能器，因此传播的路程增大，测得的声时必然偏长或声速降低。另外，由于空气的声阻抗率远小于混凝土的声阻抗率，脉冲波在混凝土中传播时，遇到蜂窝、空洞或裂缝等缺陷，便在缺陷界面发生反射和散射，声能被衰减，其中频率较高的成分衰减更快，因此接收信号的波幅明显降低，频率明显减小或频率谱中高频成分明显减少。再者经过缺陷反射或绕过缺陷传播的脉冲波信号与直达波信号之间存在声程和相位差，叠加后互相干扰，致使接收信号的波形发生畸变。

根据上述原理，可以利用混凝土声学参数测量值和相对变化综合分析，判别其缺陷的位置和范围，或估算缺陷的尺寸。

2.2.2适用范围

基桩超声波检测法是一种检测混凝土灌注桩完整性的有效手段，它是利用声波的透射原理对桩身混凝土介质状况进行检测，因此仅适用于在灌注成型过程中已经埋了两根或两根以上声测管的基桩。

在桩身预埋一定数量的声测管，通过水的耦合，超声波从一根声测管中发射，在另一根声测管中接收，可以测出被测混凝土介质的声学参数。由于超声波在混凝土中遇到缺陷时会产生绕射、反射和折射，因而到达接收换能器的声时、波幅及主频发生改变。超声波法就是利用这些声波特征参数来判别桩身的完整性。

对跨孔透射法，当桩径较小时，声测管间距也较小，其测试误差相对较大，同时预埋声测管可能引起附加的灌注桩施工质量问题。因此，超声波检测方法适用于检测直径不小于 800mm 的混凝土灌注桩的完整性。

3.超声波检测的发展前景

无损检测与评价技术在我国日常产品质量检验和大量在用工业和民用设备的检验中发挥了十分重要的作用。从统计结果看，我国拥有近17万无损检测人员和2000多家无损检测机构，20##年无损检测仪器的销售额达10亿元人民币左右，大专院校每年培养近千名无损检测专业的大专、本科和研究生。我国不仅对常规无损检测设备、器材和服务有着巨大的需求，而且对先进的无损检测仪器、技术和服务也有大量的需求。我国已成为一个无损检测仪器、技术和服务的巨大市场。我国的无损检测工作者已经在许多技术和领域进行了大量的研究、开发和成功的应用。

第二篇：超声波检测技术在电力设备绝缘诊断中的应用

超声波检测技术在电力设备绝缘诊断中的应用

本文介绍了超声波技术应用于电力设备绝缘状态检测的概况，其原理是当电力设备绝缘存在缺陷时，该部位电晕放电明显增强，通过对电晕放电的检测，可判断电力设备的绝缘是否存在缺陷。超声波检测可以在远离电力设备的地方进行，既安全又方便，超声波检测技术将成为电力设备状态检测的新方向。

引言

电力设备是现代化工业生产中最重要的装置之一， 一旦设备出现故障，就有可能引起工业系统的瘫痪，造成重大经济损失。目前，我国电力系统的电气设备，主要按照《电力设备预防性试验规程》定期进行预防性试验，以诊断绝缘状态，确定设备是否可以继续投入运行。这些方法对保证电力系统安全运行起到了重要的作用。但是，随着电气设备的发展和经济需求的变化，这些传统的绝缘诊断方法显得不再适应，被测试的设备在测试期间要断电，这样就不能完全真实地反映设备在运行状态下的电场、温度、环境等的影响作用，不容易发现设备在运行状态下绝缘缺陷，并且存在“检测过度”的缺点。因此，目前国内外都十分重视设备绝缘的在线监测技术的研究。在线监测可在不变动设备接线，不影响设备运行的情况下，快速、方便地进行，减轻了试验、检修人员的劳动强度，提高了测试效率。更为重要的是，在线监测能更真实地反映设备绝缘运行中的状态，更容易发现设备绝缘的隐患。已被越来越多的电力部门所采用。超声波检测作为设备状态检测的主要手段已广泛应用于各个领域，发挥了重要的作用。在高压设备绝缘在线状态监测中，它以非接触，远距离检测为主要优点，正好克服了高压设备在线监测中不易靠近，不易接触的困难，保证了检测人员和检测设备的安全，对高压设备的正常运行又不产生影响，是理想的检测手段。

1 电力高压绝缘设备的状态监测的现状

近年来，状态监测在电力系统中越来越受到有关管理、科研、运营和工程技术人员的重视。可以肯定地说，广泛采用状态监测技术是电力系统发展的必然趋势。随着科技的发展和用户的需求，目前电力系统中的一些技术和装置，已涉及状态监测，例如一些在线监测系统和故障诊断系统。虽然这些系统能起到一定的状态监测的目的，但还不能完全满足状态监测的要求。针对不同的电力设备，已经提出了众多状态监测方法，其中有许多是通用的，如振动分析法、油中气体分析法、局部放电检测法、绝缘恢复电压法等。在高压设备绝缘状态监测方面，局部

放电检测法是主要的检测手段。局部放电既是设备绝缘系统老化的征兆，也是造成绝缘老化的一个重要机理。所以局部放电的测量成为高压设备绝缘性能检测的主要特征。专门对局部放电进行测量是设备状态监测的一个重要方面。常用的局部放电检测方法有声学检测、光学检测、化学检测、电气测量等方法。国外最常用的一种在线局部放电检测法是声学检测法。

 2 电力高压绝缘设备非接触检测的方法

非接触检测方法的最大特点是传感器与被测物无需接触和电线连接，所以非接触检测在高温、高压、远距离等人不易接近的地方有其独特的优势。通常非接触检测的通信媒介主要有：声波、电波、光波、射线等在空气中可传输的波。检测的物理量主要也是：声波、电波、光波、射线等被检测物辐射的物理量。

非接触检测对象主要具有如下特征：

(1)远距离物体；

(2)高温或高压状态下的物体；

(3)运动中的物体；

(4)密封装置中的物体；

(5)大量分布的物体；

(6)特殊环境下无法接触的物体。

通常处于高压状态下的电力高压设备，对它的检测作业及检测系统，必须采取绝缘措施。所以，从安全性和经济方面考虑，采用非接触的检测方式是高压设备检测的最佳选择。电力高压设备的非接触检测中，采用

的检测方式主要有声波、光波、热能、电波、气体等。

3 超声波检测技术在高压设备绝缘状态监测中的应用

电力设备中高压绝缘体发生劣化时会发生局部放电，从而产生超声波。当发电设备材料发生龟裂，电站蒸气管道出现泄漏，机器会产生异常的振动，这时也会发出超声波。通过对超声的检测可以发现设备的故障。通常使用被动的检测方式能够检测出导体和绝缘体的老化、污秽的程度、表面的放电、开关装置的轻微振动、导线的节点等的在线故障。使用主动的检测方式，向机器和材料发射一定频率的超声波，通过检测其反射波的强度，相位和频谱可以检测导体和绝缘体的内部损伤和绝缘内部的空隙。传统的非接触高压绝缘状态检测方法是使用红外

摄像仪或红外测温仪显示绝缘的发热点。但是在高压绝缘设备中，电晕，

火花放电并不一定产生大的热量，绝缘体周围的高温可能会淹没这些发热点，给检测带来困难。但是，可以肯定的是绝缘体发生故障时会产

生超声波，使用超声波检测技术能够检测到发出超声波的故障绝缘位置。目前超声波测量法已得到广泛应用，如绝缘材料放电的研究，气隙的放电和树枝主通道上的放电研究，高压测量，电力设备局部放电的测量与定位等。在欧美国家，近年来超声波检测技术在电力设备的在线监测中应用越来越多，例如：美国、加拿大利用超声波检测技术诊断电力电容器、GIS、互感器、变压器的绝缘缺陷，对电力传输线路的绝缘子、线路电晕、节点松懈振动的在线监测和定位，对变电站绝缘立柱表面放电，切换开关触电放电等的检测与定位等等。并且这些发达国家的技术专家会同IEEE的相关专家一起着手起草相关的标准，超声波检测技术作为电力设备在线检测的重要手段越来越受到大家的重视。

4 超声波检测仪的测量原理

超声波检测高压设备的绝缘故障是通过检测绝缘局部放电的辐射信号来进行。无论是电力线路上大的火花或电弧，还是即使靠近也无法听见的小火花放电。通过超声波检测仪都可以检测到这些很小的放电声。超声波检测的基本原理是使用高灵敏度的窄带超声波换能器，采用超外差接收机的工作原理，将超声波高频信号变换到音频段，经过一定的信号处理通过音频放大将信号显示或播放出来。用于高压绝缘设备局部放电测量的超声波检测系统，主要分为传感器、信号变换与放大、信号处理、显示及数据接口五部分。在非接触测量中，传感器应具有信号收集功能和信号定向功能。一般的超声波检测器其方向性很差，

无法定位故障位置。但增加了特殊的超声波收集器（UWC）后，其方向性变得很好，能够准确定位故障点，定位精度最好可以达到2。以内，很好地解决了非接触检测中定位不准确的问题。在设计中我们使用高灵敏度的窄带超声波换能器，采用雷达接收机的工作原理，很好地提高了检测器的信号噪声比。例如对绝缘子在线监测中在10 m以内可以准确定位一串绝缘子中哪一片绝缘子发生故障。

5 结论

超声波检测是一种有效的、低成本的高压传输和配电设备绝缘状态的检测手段，它测试方法简便，在线使用，绝缘故障定位准确。在欧美等发达国家超声波绝缘状态检测的仪器已使用多年。其优点：1)可以不用与高压设备相接触。2)可以在线监测，不用停电。3)在安全距离的范围可以准确定位。4)最好的应用是可以准确定位绝缘子的表面放

电位置。5)最好的使用是对绝缘子串故障的扫描定位。6)带有信号收集器（UWC）时检测距离可达30 m以上。其缺点：1)定位容易受到周围墙体反射的影响。2)定性检测，无标准刻度。超声波检测既适合于户内设备，也适合于户外变电站，特别是增加了超声波增强收集器，检测空中高压传输设备的绝缘已毫无问题。这种方法也可以适用于全封闭组合电器的检测，使用了频谱分析技术和神经网络识别技术后可更加广泛地使用于电力系统。特别是超声波检测仪可以远距离，非接触检测，对高压设备的绝缘检测更加适用，更加安全。