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超聲檢測技術論文范文1
【關鍵詞】道路橋梁；橋梁檢測技術；綜述
經濟高速發展的需求帶動道路橋梁的進入了大規模建設期，但是，交通運輸業的高速發展與相關基礎設施建設相對落后之間的矛盾越來越突出，有相當一部分處于超期服役的狀態，人為損壞、老化以及承載力下降等現象十分突出，嚴重制約與威脅著交通事業的發展與人民群眾的生命財產安全。采用高效的檢測技術能夠讓技術人員準確了解道路橋梁的各項性能參數，有利于及時采用相關措施。下文綜述了道路橋梁檢測的幾種技術。
上個世紀50年代，加拿大人切斯曼(Cheesman)與萊斯利(Leslied)以及英國人瓊斯(Jons)與加特弗爾德(Gatfield)第一次利用超聲脈沖檢測技術來進行混凝土的檢測，他們共同開創了混凝土超聲檢測的先河，隨后超聲檢測技術在工程領域得到了廣泛地應用。
超聲法檢測道路橋梁缺陷的基本原理是利用帶波形顯示功能的超聲波檢測儀和頻率為20-25kHz的聲波換能器，測量與分析超聲脈沖在道路橋梁中的傳播速度(聲速)、首波幅度(波幅)、接受信號主頻率(主頻)等聲參數，并根據這些參數及其相對變化，來判定道路橋梁中的缺陷情況。
科學技術的發展使得超聲檢測儀器從最初笨重的電子管單示波顯示型轉變為現在的半導體集成化、數字化甚至智能化的輕便儀器。同時，測量參數也更加多元化，從當初的單一聲速參數檢測發展為現在的聲速、波幅以及頻率等多參數檢測；其檢測效果也有了質的飛躍，從最早的定性檢測發展為現在的定量檢測。
在進行道路橋梁檢測時，超聲波能夠穿透混凝土結構并在其中傳播較遠的距離，并且使用安全，操作簡便。使用超聲儀器最為常用的方法就是穿透測法，但是利用該方法進行檢測時要求兩個相對測試面。因此，這限制了超聲檢測的應用范圍，例如，超聲檢測技術不適用于隧道中的襯砌、噴射混凝土等結構或者在墻體、路面、跑道、護坡、護坦以及底板等方面。同時需要注意的是，因為是聲波穿透檢測，其缺陷信號的有效捕捉始終是制約其發展的瓶頸問題。因此，在對于道路橋梁進行檢測的過程中，我們通常采用比較多測點測試數據的方式，利用統計概率對數據進行處理，并對缺陷情況進行評估，所以，超聲檢測技術的直觀性非常差，而且為了獲得更高的策略精度，通常需要增加多個測點。
2 地質雷達檢測技術
地質雷達(又稱探地雷達，Ground Penetrating Radar，簡稱GPR)檢測技術是一種高精度、連續無損、經濟快速、圖像直觀的高科技檢測技術。它是通過地質雷達向物體內部發射高頻電磁波并接收相應的反射波來判斷物體內部異常情況。作為目前精度較高的一種物理探測技術，地質雷達檢測技術已廣泛應用于工程地質、巖土工程、地基工程、道路橋梁、文物考古、混凝土結構探傷等領域。
地質雷達儀器的構成部分主要包括：控制單元、控制中心（通常是筆記本電腦）、發射天線以及接收天線。探地雷達的工作流程為：①檢測人員利用筆記本電腦能夠對控制單元發出各種指令；②控制單元在接收到指令之后，可以同時向發射天線與接收天線發出觸發信號；③在發射天線觸發之后，它能夠向地面發射高頻脈沖電磁波（通常其頻率在幾十至幾千兆赫之間）；④電磁波在向下傳播的過程中會遇到不同電性的目標和界面等，或者當被探位置局域介質不均勻體的時候，部分電磁波便可以被反射回地面，并由接收天線進行接收，接收到的信號會以數據的形式被輸送到控制單元，并最終傳回到筆記本電腦，以圖像的方式顯示出來。⑤通過對圖像進行處理與分析，就可以了解地下介質的具體分布情況，檢測目的便也達到了。
3 聲發射法檢測技術
聲發射法的具體原理是，由于材料內部微觀構造不均勻或者存在性質不同的缺陷，局部的應力集中會致使應力分布的不穩定；材料的塑性變形、產生裂縫、裂縫擴展、失穩斷裂等一系列過程能夠有效完成不穩定高能狀態向穩定的低能狀態的轉化；在整個應力松弛釋放的過程中，所釋放的部分應變能將會以應力波的形式想四周發射，我們稱之為聲發射。
以道路橋梁中的混凝土結構為例，它在荷載作用下會產生變形。當這種變形超過設計要求，混凝土結構便會出現裂縫，并通過彈性波的形式釋放出應變能（例聲能、熱能或者光能等）。在對其進行測試的時候，我們可以將聲發射感應器放置在待檢測部位，通過確定不同位置收到聲音的時間差，我們可以明確發生源（即裂縫部位）的具置。通過此種措施，我們可以比較詳細、準確地了解道路橋梁的內部變化。同時，分析與研究發聲位置之后，裂縫的大小、種類、開裂速度、最大荷變應力都可以得到比較詳細地認識。
但是其最大的缺點是進行檢測非常容易受各種噪聲的影響，進而導致檢測精度的幅度下降；然而，該檢測方式是利用道路橋梁自身的內部缺陷，因而可以實現連續的動態檢測?？傮w來說，聲發射檢測技術已經應用較少。
4 沖擊回波法檢測技術
我國南京水利科學研究院在20世紀80年代末研制成功IES沖擊反射系統，并在大型模擬試驗板及工程實測實踐中取得了成功，使沖擊回波法在我國進入實用階段。沖擊回波法的測試原理是儀器通過機械沖擊器向物體表面發送短周期應力脈沖波，其中壓縮波(P波)在物體內傳播過程中，當遇到內部缺陷(如裂縫寬度＞0.03mm)時，波便不能穿透而產生反射，遇到表面邊界時也會發生反射，一旦波速確定，且選擇正確的沖擊器，就可通過單面測試準確地測得裂縫等缺陷的位置和深度，當構件不存在缺陷時則可測得其厚度。
沖擊回波法通常為單面反射測試，因此它的測試比較方便和快速，測試結果也比較直觀。此方法可以實現“測一點判斷一點”，因此曾經廣泛地應用于測定道路橋梁的瀝青混凝土或者混凝土結構的內部缺陷，但是這種方法由于是單點檢測，其檢測結果往往不全面，因此實際應用也比較少。
5 紅外熱像檢測技術
紅外熱像檢測技術是指運用紅外熱像儀探測物體各部分輻射出的紅外線能量，根據物體表面的溫度場分布狀況所形成的熱像圖，直觀地顯示材料、結構物及其結合上存在的不連續缺陷的檢測技術。它是非接觸的無損檢測技術，即在技術上可作上下、左右對被測物非接觸的連續掃測，因此也稱紅外掃描測試技術。
紅外熱像檢測技術具有以下優點：①在理論上，其探測器焦距為20cm至無窮遠，所以特別適合具有非接觸和廣視域等特點的大面積無損檢測；②該探測器只對紅外線響應，因此只要道路橋梁高于絕對零度（顯然會高于絕對零度），紅外線熱像監測技術便可以工作，白天和晚上均可；③當前紅外熱像儀的溫度分辨率已經高達0.1℃，因此檢測精度有技術保證；④紅外熱像儀的可測溫度范圍在-50℃-2000℃之間，具有非常廣闊的探測空間；⑤攝像速度在1幀每秒至30幀每秒之間，靜態的常規檢測和動態的跟蹤探測都適用，檢測模式的選擇更加靈活。
參考文獻：
超聲檢測技術論文范文2
混凝土無損檢測（NDT：Nondestruetive Testing）是指在不破壞混凝土內部結構和使用性能的情況下，利用聲、光、熱、電、磁和射線等方法，直接在構件或結構上測定混凝土某些適當的物理量，并通過這些物理量推定混凝土強度、均勻性、連續性、耐久性和存在的缺陷等的檢測方法。
實踐證明，由于具有不破壞混凝土結構構件，操作簡單、費用低，不受結構物尺寸和形狀限制，可對重要結構部位長期監測等諸多優點，混凝土無損檢測技術已經得到越來越廣泛的應用，也必將有更大的發展。
1 進一步擴大混凝土質量無損檢測內容及使用范圍
混凝土檢測技術是多學科多領域緊密結合的產物，從20世紀30年代人們就開始研究混凝土無損檢測方法。材料學和應用物理學的發展，為無損檢測技術提供了理論基礎；電子技術與計算機科學的迅速發展，又為無損檢測技術提供了現代化的測試手段。
隨著人們對建設工程質量的關注，國家頒布了《建設工程質量管理條例》，明確了建設單位，勘察、設計單位，施工單位和監理單位的責任和義務，并提出了主體結構工程、地基基礎工程在設計文件規定的合理使用年限內長期保修和對事故責任人終生追究法律責任。住建部也全面貫徹有關標準的強制性條文，進一步完善了建設工程的標準體系和明確了質量管理的技術依據。這些措施的落實，使無損檢測技術在建設工程質量管理中的作用和責任日益明顯。這是因為工程質量是由一系列工程技術指標來體現的，這些指標的量化值又是通過檢測來獲取的，如果檢測結果不準確則必將對工程質量造成誤判。目前施工質量控制和驗收還僅僅建立在前期材料試件檢測和外觀檢測的基礎上，但結構物的原位質量才是實際的工程質量，而原位質量只能通過無損檢測的手段來獲取，
另外，隨著無損檢測技術的迅速發展和日臻成熟，它不但已成為工程事故的檢測和分析手段之一，而且正在成為工程質量控制和構筑物使用過程中可靠性監控的一種工具?？梢哉f，在整個施工、驗收及使用過程中都有其用武之地。在以往的研究中主要集中在強度檢測和缺陷探測兩方面，為了滿足新的需要還應進一步開拓新的檢測內容，例如，混凝土耐久性的預測、已建結構物損傷程度的檢測、早期強度檢測，高性能混凝土強度及脆性的檢測等等。只有不斷拓展無損檢測的檢測內容和使用范圍，才能有效保證建筑產品混凝土質量及強度，確保建設工程質量安全。
2 積極拓展混凝土無損檢測新途徑
無損檢測技術經過幾十年的發展，已經在混凝土檢測方面得到較為一定程度的應用。但是，隨著檢測內容和使用范圍的不斷擴大，必將產生出無損檢測的新技術、新途徑。目前，已有技術主要集中在測強和測缺兩方面。
在混凝土強度檢測方面：如何提高強度檢測的精度仍然是主要的研究方向。
應該看到，在過去的20年中，測強技術進展不大。究其原因，除了混凝土強度的影響因素太多、太復雜之外，還因為過去的研究工作主要集中在超聲和回彈等方法上，思路不夠開闊。從理論上來說，超聲、回彈測強主要是建立在混凝土應力應變與強度的相關關系上的，而與混凝土強度相關的因素很多，在實踐中應該擴大探索的范圍，以便綜合更多參數，確保檢測精度。半破損方法的檢測結果比較直觀可靠，許多工程都采用無損方法作為普遍測量的手段，而用半破損方法作為校核手段，兩者的結合無疑可提高檢測精度和檢測效率，但如何合理結合是需進一步研究的關鍵問題。
此外，無損測強方法所推定的混凝土強度，與按混凝土立方體強度標準值所計算的強度等級之間的統計關系需要進一步明確，以便使無損檢測的評定結果與試件評定結果具有等效性。
在缺陷檢測方面：超聲測缺技術近年來進展較快。
在測試結果處理技術方面，可以說正在進入一個新的飛躍，即由數理統計方法進入信息處理技術的新階段。數據處理與信息處理的含義有所不同，前者主要是對大量測試數據分析處理，歸納有關規律，它主要運用數理統計的基本理論；而信息處理則是指信號的變換、分離、濾波、頻譜分析、成像、存儲、記錄等方面的技術。例如CT成像技術、頻譜分析技術、神經網絡技術等近年都已越來越多地被無損檢測研究者運用，在所發表的研究論文中占有相當大的比例，并已運用于工程檢測，使檢測結果的直觀性和可靠性大為提高。此外，一些新的物理方法將會更多用于缺陷探測，例如，雷達技術、紅外遙測技術、沖擊回波技術等。
在檢測儀器方面：我國的非金屬超聲檢測儀已達到國外同類產品的先進水平，有些儀器甚至已處于領先地位，但其他方法的儀器則相對落后，隨著其他檢測方法的研究和應用，儀器也必將隨之發展。
技術規程的編制也是大力推進無損檢測技術的重要保障因素。因為它一方面是對該項技術研究成果的總結和提高，另一方面又是對該項技術的促進。目前我國雖然制訂了無損檢測的部分技術規程，但尚未形成體系，今后應將無損檢測規程納入混凝土及鋼筋混凝土檢測體系中統一規劃逐項落實。
3 大力加強無損檢測技術隊伍建設
超聲檢測技術論文范文3
關鍵詞：表面等離子體激元；SPP效應；應用現狀
表面等離子體激元（SPP）具有近場增強、局域受限、短波長等比較獨特的特性。在SPPs的表面局域特性方面，SPPs在垂直于金屬表面電場方向的強度呈指數衰減，利用表面局域特性構造表面結構可以降低光學控制的維度，形成二維微納光學應用。在SPPs的近場增強特性上，金屬的介電常數、金屬薄膜厚度、表面粗糙程度等決定了場增強的程度。尤其是人們在研究光與納米材料相互作用時，研究金屬微納結構中局域表面等離子體的共振是一種重要方法，引起了人們的廣泛關注。這些特性已在光學、化學傳感和檢測領域均獲得了廣泛應用。
1 表面等離子體激元的研究歷程
1902年，Wood在實驗中用連續光譜的偏振光照射金屬光柵時觀測到反常的衍射現象并公開進行了描述。1941年Fano根據表面電磁波在金屬和空氣界面上的激發對由入射波照射到金屬光柵上引起的異常反射現象進行了解釋。1957 年，Ritchie發現電子穿過金屬薄片時存在“能量降低的”等離子體模式，第一次提出了 “金屬等離子體”的概念，這種“金屬等離子體”可用于描述金屬內部電子密度縱向波動。從此，表面等離子體激元成為了一門表面科學，在相關領域得到越來越多的關注。隨后，Powell 等人用實驗證實了Ritchie 的理論，而Stem等人也研究了“表面等離子共振”的條件。1968年，Kretschmann和 Otto各自利用衰減全反射（ATR）的方法證實存在光激發表面等離子共振現象。1982 年，Nylander 和 Liedberg 在氣體檢測和生物傳感領域中應用了SPR 原理。此后，SPR 傳感技術迅速發展，基于表面等離子體激元的 SPR 傳感結構設計元器件也不斷呈現，各種SPP器件在化學-生物傳感等領域得到了廣泛應用。
1944 年Bethe曾研究了完美導體薄膜中圓孔（半徑為 r）的光透射行為，得出亞波長小孔 的歸一化透射效率應該很小。但是1998年，Ebbesen在實驗上發現金屬膜上的周期性小孔結構歸一化的透射率大于1，即出現了遠場透過增強效應，這被稱為“Ebbesen 效應”。Ebbesen 指出，當金屬膜上具備亞波長二維周期孔結構時，可以實現可見光與紅外光的不正常透射，這種奇異現象（Ebbesen 效應）當時用衍射理論無法解釋清楚，引起了眾多研究者的關注，從此關于金屬微納結構的表面等離子體效應成為等離子體研究領域中的一個重要組成部分。在Ebbesen的論文中指出，在某一特定波長處的透射光能量是入射到圓孔上的光的能量的2倍，這種異常透過現象與入射光與二維圓孔陣列的表面等離子體激元的相互耦合存在著一定的關系。
目前普遍的觀點認為，二維圓孔陣列的入射光透過增強現象是由表面等離子共振所導致的，光照射到金屬薄膜的表面，激發金屬表面SPP，一面的SPP沿著孔徑隧穿到另一表面的 SPP 中耦合，最后經過金屬-介質界面發生散射，形成遠場增強透過現象。
單個孔徑的透射增強效率非常有限。如果在孔徑周圍引入類似牛眼結構、金屬狹縫-溝槽結構等周期性的溝槽結構，通過這些周期性的溝槽結構將入射光波有效耦合到SPP中，則光透射增強現象就十分顯著。相對于金屬孔徑結構，金屬顆粒結構表現出了局域的表面等離子體共振特性。當金屬顆粒結構發生共振時，該結構可以有效地將入射光波集中到金屬表面非常小的區域，實現較大局域場增強，同時增大了結構的散射截面，從而將局域場信息散射到遠場。這是實現表面增強拉曼散射的一種有效途徑。
2000年，Pendry提出銀膜微結構可以實現亞波長成像。2002年，Lezec等提出了牛眼光柵結構，這種結構可以出現光束聚焦現象，并引發了新的關于這種現象機理及應用的研究。2008年，中科院半導體研究所的花磊等人研究了中紅外下半導體摻雜調制成的表面等離子體透射增強效應，理論上研究了n型重摻GaAs薄膜上具備亞波長周期性溝槽結構時的紅外波段的異常透射現象，這種紅外波段的異常增強效應對紅外波段的濾波器、發射器和探測器都具有巨大的應用價值。
2 SPP效應的應用現狀
2.1 SPP效應當前在相關領域所取得的進展
1997年，有人研究了金屬表面形貌缺陷對SPP散射作用的影響，提出納米尺度的直線或曲線形狀表面實現對SPP的反射和聚焦。2005年，日本東京大學某研究小組實驗演示了這種情景，采用350nm直徑的凸起作為納米點缺陷，還有人采用直徑為200nm的小孔作為納米點缺陷，均實現了亞波長聚焦。他們在實驗中將這些納米點缺陷排成曲率半徑為5tan的圓弧，得到了直徑比激發光波長還小的聚焦光斑，即“亞波長聚焦”。
在亞波長結構中，由于SPP會引起電場強度的增強而產生非線性現象，利用這種非線性現象可以制作出納米量級的光學開關，發展近場非線性光學。這種光學開關的原理是基于表面等離子體效應的一種新型光開關。當外部條件改變時，影響開關結構中SPP的激發或傳輸特性，以達到開關的作用。目前報道的SPP光開關類型主要有電光開關、熱光開關及全光開關等。這些光開關可實現衍射極限尺度內的光控制功能，并能實現光子器件在納米尺度上的集成。
在陳俊學的博士論文中提出了各種復雜結構中的模式耦合、非線性光學特性及SPP在一些基本結構中的色散關系，明確了在一維和二維周期性結構陣列中，波導模式在 SPP 輔助增強透射過程中所起的作用；研究了三階非線性光學效應對于 SPP 激發和耦合的影響，并設計了基于共振元件的開關結構，通過改變入射光的偏振有效地實現了開關狀態的調控。
還有，通過錐形波導方法可實現SPP聚焦。激發的SPP沿著錐形波導傳播的過程中，由于錐形波導邊界呈梯度變化，反射光與傳播的SPP在再次傳播的過程中形成干涉，電磁場越來越集中，最后在波導尖端形成的場增強十分顯著?？梢?，這種錐形波導結構是可以實現電磁波的聚焦的，它能將電磁能量聚焦到更小范圍，真正實現超衍射極限的納米聚焦。
另外，在新型氣體傳感器應用方面，在傳統 SAW 氣體傳感器基礎之上，結合激光超聲檢測技術，用激光在覆有吸附性薄膜的金屬表面激發出聲表面波，利用反射式光束偏轉法在薄膜處探測金屬表面的聲表面波情況，從而檢測被測氣體的濃度。這是一種新型氣體監測方法。這種新型氣體傳感器采用了光學的方法來探測聲脈沖，屬于非接觸式檢測傳感器。
2.2 SPP效應的應用局限
目前雖然SPR 技術已經成功的應用到生物的各個領域，但是從第一個 SPR 傳感器誕生到現在僅20 多年，還是一種正處于發展初期的新技術，其方法還有很多不完善之處?；赟PP效應的表面等離子體共振技術還有待擴大其應用范圍，最好還要簡化操作，提高SPR 方法檢測的靈敏度，這就是人們進行SPP效應研究的目的之一。
例如在實際應用中，將納米粒子技術用于生物體系，極大的提高了SPR傳感器的靈敏度。一般用金納米粒子提高靈敏度有兩種方法，將金納米顆粒吸附在SPR傳感器表面，改變SPR信號特征，從而提高靈敏度。另一種是將金納米粒子與抗原耦合在一起，從而提高SPR 傳感器的靈敏度。其他還有夾心法、脂質體、乳膠粒子增強法等也可以提高 SPR技術靈敏度。
3 SPP效應的應用前景
隨著納米材料及其制備科學的成熟，納米器件的發展即將推動納米電子和光電子器件等集成電路的發展?；谝痪S納米材料的氣體傳感器也將在氣體檢測領域大有作為。例如目前采用金屬氧化物半導體制作電子鼻傳感器，而研發出基于納米材料的新型氣體傳感器，必然會促使電子鼻傳感器技術的發展。
光子晶體的研究也是光子學的一個熱點問題，這類器件主要是由一些半導體材料或者絕緣材料制成，該波長級器件可以控制光與物質的作用。金屬也可以用來制作光子帶隙結構，其表面上的周期性結構可改變SPP性質：當周期性結構可以控制在SPW波長的一半時，SPP的散射將會產生SPP禁帶，這種禁帶的產生與金屬的周期型結構有關，可以用來發展新型傳感設備。
參考文獻：
[1]花磊，宋國鋒，郭寶山等，中紅外下半導體摻雜調制的表面等離子體透射增強效應[J].物理學報，2008，57（11）.
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