探头检测技术综述

探头检测作为一种关键的无损检测技术，广泛应用于工业制造、设施维护及科学研究等领域。其核心在于利用特定类型的探头（传感器）与被测对象相互作用，通过分析反馈信号来评估材料的内部结构、物理特性或缺陷状态，而无需造成破坏。

一、 检测项目与方法原理

探头检测涵盖多种方法，主要依据其物理原理进行划分。

1. 超声波检测

   • 原理： 利用高频声波（通常在0.5 MHz至25 MHz范围内）在材料中的传播特性。当声波在均匀介质中传播时，其声速恒定；遇到声阻抗差异的界面（如缺陷、底面或其他材料）时，会发生反射、折射和模式转换。通过接收并分析这些回波信号的幅度、时间延迟和波形，可以确定缺陷的位置、大小和取向。

   • 方法细分：

     • 脉冲回波法： 同一探头既发射又接收超声波，通过分析缺陷回波和底面回波进行检测。

     • 透射法： 使用一对探头，分别置于试件两侧，一个发射，一个接收，通过信号衰减程度判断内部质量。

     • 相控阵技术： 使用多晶片阵列探头，通过精确控制各晶片的发射延时，实现声束的偏转、聚焦和扫描，生成可视化的截面图像，灵敏度和检测效率高。

     • 衍射时差法： 利用缺陷端角产生的衍射波信号进行定位和定量，尤其适用于精确测量裂纹自身高度。

2. 涡流检测

   • 原理： 基于电磁感应现象。通有交变电流的检测线圈（探头）会在导电试件表面及近表面感应出涡流。该涡流又会产生一个反向磁场，影响原线圈的阻抗。当试件存在缺陷、材质变化或几何形状改变时，会扰动涡流的分布和强度，从而引起检测线圈阻抗的变化。通过测量这种阻抗或感应电压的变化，即可推断试件的状况。

   • 方法细分：

     • 阻抗平面分析： 同时分析信号幅值和相位，用于区分缺陷类型和深度。

     • 多频涡流技术： 同时使用多个频率的激励信号，能够抑制干扰因素（如支撑板、镀层），提高信噪比和分辨能力。

     • 远场涡流技术： 对铁磁性管材的壁厚减薄和缺陷具有均衡的灵敏度，适用于碳钢管道的检测。

3. 磁粉检测

   • 原理： 适用于铁磁性材料。首先对试件进行磁化，若材料表面或近表面存在缺陷，会在缺陷处形成漏磁场。随后施加磁粉（干粉或悬浮液），漏磁场会吸引和聚集磁粉，形成在适当光照下可见的磁痕，从而显示缺陷的轮廓。

   • 方法细分：

     • 连续法： 在施加磁化电流的同时喷洒磁粉。

     • 剩磁法： 利用磁化后的剩磁进行检测，适用于矫顽力较高的材料。

4. 渗透检测

   • 原理： 用于检测非多孔性材料表面的开口缺陷。将含有染料的渗透液施加于试件表面，使其渗入缺陷中。清除表面多余的渗透液后，再施加显像剂，将缺陷中的渗透液吸附至表面，形成放大的缺陷显示。

   • 方法细分：

     • 荧光渗透检测： 使用在紫外光下发光的渗透液，灵敏度高。

     • 着色渗透检测： 使用红色染料，在自然光或白光下观察。

二、 检测范围与应用领域

探头检测技术服务于广泛的工业与科研需求。

1. 航空航天： 检测发动机叶片、涡轮盘、机翼结构、起落架等关键部件的疲劳裂纹、腐蚀及内部缺陷。

2. 石油化工与能源： 对管道、压力容器、储罐、焊接接头进行腐蚀评估、壁厚测量和裂纹检测；对在役锅炉管道进行蠕变损伤评估。

3. 电力行业： 汽轮机转子、发电机护环、核电部件等的在役检查。

4. 轨道交通： 车轮、车轴、轨道焊缝的疲劳损伤检测。

5. 金属制造与焊接： 铸件、锻件的疏松、夹杂物检测；焊缝的未熔合、未焊透、气孔和裂纹检测。

6. 汽车制造： 对关键安全部件的原材料及焊接质量进行监控。

7. 基础设施： 桥梁缆索、建筑钢结构、混凝土内部钢筋的检测与评估。

三、 检测标准与规范

探头检测的实施需遵循严格的国内外标准，以确保结果的可靠性和可比性。

1. 国际标准：

   • 超声波检测： ISO 16810, ISO 16811, ISO 16823, ISO 16825, ISO 19675 (相控阵) 等系列标准，规定了检测程序、设备校验和验收准则。

   • 涡流检测： ISO 15548 (设备), ISO 15549 (原理), ISO 17643 (焊缝) 等。

   • 磁粉检测： ISO 9934 系列标准。

   • 渗透检测： ISO 3452 系列标准。

2. 国内标准：

   • 国家标准：

     • 超声波检测：GB/T 29712, GB/T 11345 (焊缝), GB/T 5777 (钢管)。

     • 涡流检测：GB/T 14480, GB/T 26954 (焊缝)。

     • 磁粉检测：GB/T 15822 系列。

     • 渗透检测：GB/T 18851 系列。

   • 行业标准：

     • 承压设备：NB/T 47013 系列标准，全面涵盖了上述各种方法。

     • 航空航天：HB 系列标准，如 HB 7681 (涡流) 等，要求更为严苛。

四、 检测仪器与设备功能

探头检测系统的核心是检测仪器和探头。

1. 超声波检测仪器：

   • 模拟式超声探伤仪： 显示A扫描波形，操作简单，成本较低。

   • 数字式超声探伤仪： 具备A扫描显示、数据存储、回放、距离-波幅-当量曲线自动评定等功能。

   • 超声相控阵仪： 核心功能包括声束形成、电子扫描、扇形扫描成像、动态深度聚焦等，可生成B扫描、C扫描、S扫描等直观图像。

   • TOFD检测仪： 专门用于衍射时差法检测，具备高精度的A扫描信号采集和时间测量能力。

   • 主要探头类型： 直探头、斜探头、双晶探头、水浸探头、相控阵探头等。

2. 涡流检测仪器：

   • 阻抗平面涡流仪： 在阻抗平面上显示信号，提供幅值和相位信息。

   • 多频/多通道涡流仪： 可同时驱动多个频率，处理多个通道的信号，适用于复杂构件检测。

   • 远场涡流仪： 专为铁磁性管道检测设计。

   • 主要探头类型： 绝对式探头、差动式探头、反射式探头（穿过式）、点式探头。

3. 磁粉检测设备：

   • 固定式磁粉探伤机： 集成磁化、喷洒磁粉、观察等功能，适用于批量小工件。

   • 移动式磁粉探伤机： 灵活性高，适用于现场、大型构件检测。

   • 磁化方法设备： 包括通电法、线圈法、磁轭法等。

4. 渗透检测器材：

   • 渗透液、清洗剂、显像剂： 成套的化学试剂，需满足标准规定的灵敏度等级。

   • 光源： 白光灯或紫外线灯（黑光灯），后者需满足辐照度和波长要求。

综上所述，探头检测技术是一个多学科交叉的领域，其方法选择取决于被测对象的材料、结构、预期缺陷类型及检测环境。严格遵循标准规范，并选用合适的仪器设备，是确保检测结果准确有效的关键。随着电子技术、计算机技术和材料科学的进步，探头检测技术正朝着智能化、图像化、定量化和自动化的方向持续发展。