無損檢測技術及應用研究

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無損檢測技術及應用研究

科學觀察

無損檢測技術及應用研究

2011年第1期

TIANJINSCIENCE&TECHNOLOGY

韓明苗長云（天津工業大學信息與通信工程學院天津300160）

無損檢測技術及應用研究

【摘

要】隨著科學技術的發展，無損檢測技術在人們日常生活和工作中發揮著越來越重要的作用，在食品安全、工業生產和醫療診斷等檢測中有著廣泛的應用。分析了射線檢測、磁粉檢測、超聲檢測3種無損檢測方法，并闡述了這些檢測技術在醫學上的應用。

【關鍵詞】無損檢測醫療診斷醫學應用

0引言

隨著科學的發展和社會的進步，現代化生產的規模越來越

大，照在物質上時，僅一部分被物質所吸收，大部分經由原子間檢測時，X射線穿過待檢材料到達光隙而透過，穿透能力很強。電探測器；如果遇到裂縫、氣孔和夾渣等缺陷，光電探測器根據光源的變化檢測出缺陷部位。

射線檢測不但能較直觀地顯示工件內部缺陷的大小和形狀，還能測定材料的厚度，因而易于判定缺陷的性質。但是這種方法檢驗速度較慢，只宜探查氣孔、夾渣、縮孔、疏松等體積性缺陷，而不易發現間隙很小的裂紋和未熔合等缺陷以及鍛件和管、棒等型材的內部分層性缺陷。

長期實驗表明，過量的X射線會使人體的免疫力下降，并必須采取相應的誘發疾病。因此為防止X射線對人體的傷害，

防護措施。比如檢測時工作人員需穿防護服，檢測設備也應該進行隔離和屏蔽。

X射線在醫學檢測上有廣泛的應用，可以進行醫療診斷，主要是依據X射線的穿透作用以及差別吸收。由于X射線穿過人體時，會受到不同程度的吸收，通過人體后的X射線量就不一樣。這樣便攜帶了人體各部密度分布的信息，通過接收器引起的熒光作用或感光作用的強弱差別，（經過顯影、定影）將顯示出不同密度的陰影。根據陰影濃淡的對比，結合臨床表現、化驗結果和病理診斷，即可判斷人體某一部分是否正常。

X射線還可應用于治療，主要依據其生物效應。應用不同能量的X射線對人體病灶部分的細胞組織進行照射時，即可使被照射的細胞組織受到破壞或抑制，從而達到對某些疾病，但另一方面，它對正常機體也有傷害，特別是腫瘤的治療目的。

因此不宜在短期內作多次重復檢查或治療，避免過多的醫療照射。

CT是在X射線檢測基礎上發展起來的，它的研制成功被譽為自倫琴發現X射線以后，放射診斷學上最重要的成就。CT（computedtomography）即電子計算機X射線斷層掃描技術的簡稱，又稱X線CT，可清晰地呈現出人體內器官。

CT掃描的工作程序是用X線束對人體某部位一定厚度的層面進行掃描，X線管裝在患者的上方，繞檢查部位轉動。由探測器接收透過該層面的X射線，反映出人體各部位對X射線吸收的多少。X射線轉變為可見光后，由光電轉換變為電信號，再經過A/D轉換器轉為數字信號，最后輸入計算機處理，將人體各部位的圖像在熒屏上顯示出來。

CT掃描圖像是層面圖像，常用的是橫斷面。圖像以不同的

大，管理的方法和形式也趨于多樣性，人們對于產品質量的要求也逐漸提高。常規的檢測參數、檢測手段和檢測儀器如今已難以滿足現代的生產、生活需求。從一般的單參數測量到相關多參數的綜合自動檢測，從參數的量值測量到參數的狀態估計，從確定性的測量到模糊的判斷等等，已成為當前檢測領域中的發展趨勢，正受到越來越廣泛的關注，從而形成了各種新的檢測技術和檢測方法，這些技術和方法統稱為現代檢測技術。

伴隨著現代檢測技術的發展，無損檢測技術（Non-de-structivetesting，NDT）的應用也越來越廣泛，它可以在不損壞試件的前題下，以物理或化學方法為手段，借助先進的技術和設備器材，對試件的內部及表面的結構、性質、狀態進行檢查或測試。現代無損檢測技術正向著高精度、低輻射、智能化、信息化和交叉領域的前沿方向發展。目前，現代無損檢測技術已經廣泛應用于工業、交通、航空航天、電力、冶金及國防等各個領域。檢測技術在其他領域的應用可以實現資源共享和優勢互補，使協調、多元化發展，同時促進國家經社會的各個行業能夠全面、濟發展和人民生活水平的提高。

目前常用的無損檢測方法主要包括射線檢測、磁粉檢測、渦流監測、超聲檢測等。這些方法不僅應用于工業生產、食品安產品質量等無損檢測，也在醫療行業中發揮著重要的作用。全、

通過醫學檢測可以輔助醫療診斷，比如X光透視、CT、核磁共B型超聲等醫學影像，也可以輔助某些疾病的治療，比如放振、療和化療。

1.1

無損檢測技術及醫學應用分析

射線檢測

射線檢測（RadiographicTesting，RT）是指當射線穿過物體

時，射線與物質的原子將發生復雜的相互作用，導致透射射線強度衰減，而缺陷部位對射線的衰減不同于無缺陷的部位，通過分析透射射線強度，即可檢測出物體內部的缺陷。

其中，X射線檢測（X-Ray）最為常用。因為其波長短，能量收稿日期：2011-01-12

2011年第1期

TIANJINSCIENCE&TECHNOLOGY

科學觀察

灰度來表示，反映器官和組織對X射線的吸收程度。與X射線CT圖像不僅以不同灰度顯示其密度的高低，還可用圖像相比，

組織對X射線的吸收系數說明其密度高低的程度，具有一個量的概念。

CT診斷由于分辨率較高，而且能做軸位成像，已廣泛應用于臨床。但是CT掃描的輻射量通常比常規的X光檢查高出很多倍，清晰度提高的同時也增加人體在X射線中的暴露程度，而且CT設備比較昂貴，檢查費用偏高，所受的輻射危害增加。

對某些部位的檢查、診斷還有一定限度，所以不宜將CT檢查視為常規診斷手段。1.2

磁粉檢測

磁粉檢測（MagneticparticleTesting，MT）是通過對已磁化的工件表面施加磁粉，磁粉被磁漏部位漏磁吸附并在該點形成磁痕顯示的一種檢測方法。該方法可用來檢測鐵磁材料焊接件、鑄件和鍛件的表面或近表面缺陷。

檢測時首先對被檢工件（鐵磁性材料）進行外磁磁化處理，再在其表面上均勻噴灑細微粒磁粉（平均粒度為5～10mm），如果被檢工件不存在缺陷，由于導磁率均勻無變化，工件表面上的磁粉是均勻分布的；若其表面上存在缺陷，會產生磁阻變化，使缺陷處產生漏磁場，并形成一個小小的N-S磁極，使磁粉在缺陷處形成堆積現象。這種檢測的優點是可有效查出鐵實用，且十分磁材料的表面缺陷，比其他無損檢測方法簡單、直觀，結果可靠。但其缺點是無法測出表面以下深埋的缺陷，并且只能用于檢測可被磁化的材料，無法檢測非金屬以及非導磁材料。

核磁共振是一種物理現象，作為一種分析手段廣泛應用化學和生物，到1973年才將它應用于醫學臨床檢測。于物理、

核磁共振全名是核磁共振成像（NuclearMagneticResonanceImaging，NMRI），是磁矩不為零的原子核在外磁場作用下自旋能級發生塞曼分裂，共振吸收某一定頻率的射頻輻射的物理過程。

通常人們所說的核磁共振指的是利用核磁共振現象獲取人體內部結構信息的技術。由于人體內含有非常豐分子結構、

富的水，且不同的組織中水的含量也各不相同。核磁共振成像技術就是通過識別水分子中氫原子信號的分布來推測水分子在人體內的分布，進而探測人體內部結構的技術。

核磁共振是繼CT后醫學影像學的又一重大進步。自20世紀80年代應用以來得到快速發展。其基本原理是將人體置于特殊的磁場中，用無線電射頻脈沖激發人體內的氫原子核，引起氫原子核共振，并吸收能量。在停止射頻脈沖后，氫原子核按照特定的頻率發出射電信號，然后將吸收的能量釋放出來，被體外的接收器接收，最后經過電子計算機的處理獲得圖像。

核磁共振成像技術還可以與X射線斷層成像技術（CT）結合為臨床診斷和生理學、醫學研究提供重要數據。核磁共振檢查不需注射造影劑，無電離輻射，對人體沒有不良影響。相對于CT檢測，沒有電離輻射的危害；不會出現偽影、重影，能更清晰地顯示更多細節，對疾病的診斷具有很大的潛在優越性。與超聲檢測相比，核磁共振成像可以直接作出橫斷面、矢狀

面、冠狀面和各種斜面的體層圖像，可以顯示人體任意角度的它的空間分辨率不及CT，成像切面像。但是也存在不足之處：

時間較長；帶有心臟起搏器的患者或有某些金屬異物的部位不能作核磁共振檢查；價格比較昂貴。1.3

超聲檢測

超聲檢測（UltrasonicTesting，UT）是指用超聲波來檢測材料和工件，并以超聲檢測儀作為顯示方式的一種無損檢測方由于材料的聲學特性和內法。超聲波在被檢測材料中傳播時，

部組織的變化會對超聲波的傳播產生一定的影響，發生反射、透射和散射。通過對超聲波受影響程度和狀況的探測，對試件進行宏觀缺陷檢測、幾何特性測量、組織結構和力學性能變化的檢測和表征，并進而對其特定應用性進行評價的技術。

超聲波是頻率高于20kHz的一種機械波，在超聲檢測中常用的頻率為0.5～5MHz。這種機械波在材料中能以一定的速度和方向傳播，遇到聲阻抗不同的異質界面（如缺陷或被測物件的底面等）就會產生反射。這種反射現象可以被用來進行超聲檢測，最常用的是脈沖回波探傷法。

超聲檢測時，脈沖振蕩器發出的電壓加在探頭上，探頭發出的超聲波脈沖通過聲耦合介質（如機油或水等）進入材料并在其中傳播。當遇到缺陷后，部分反射能量沿原來途徑返回探頭，探頭又將其轉變為電脈沖，經儀器放大顯示。根據缺陷反射波的位置和幅度（與參考試塊中人工缺陷的反射波幅度作比較），即可測定缺陷的位置和大致尺寸。

脈沖回波探傷法通常用于鍛件、焊縫及鑄件等的檢測。可發現工件內部較小的裂紋、夾渣、縮孔、未焊透等缺陷。

超聲波在醫學上可以對人體進行檢查，稱為超聲診斷學。超聲檢查一般是用弱超聲波照射到身體上，利用人體對超聲波的反射進行觀察，將組織的反射波進行圖像化處理，以了解人體的內部情況。它以強度低、頻率高、對人體無損傷、無痛顯示方法多樣而著稱，尤其是對人體軟組織的探測和心血苦、

管臟器的血流動力學觀察有其獨到之處。介入性超聲逐漸普及，體腔探頭和術中探頭的應用，擴大了診斷范圍，也提高了診斷和治療水平。

在醫學臨床上應用的超聲診斷儀有許多類型，如A型、B型、M型、扇形和多普勒超聲型等。其中常用的B型超聲檢查俗稱為“B超”，是患者在就診時經常接觸到的醫療檢查項目。在臨床上使用簡便、應用廣泛，常用于心內科、消化內科、泌尿科和婦產科等疾病的診斷。

B超檢查的原理是利用脈沖回波成像技術。首先探頭獲得激勵脈沖后向人體發射一組超聲波，并按一定的方向進行掃描；然后經過一段時間的延遲，探頭接收反射回來的回波信號，經過濾波、放大等信號處理，由DSC電路進行數字變換形成數字信號，在CPU控制下進一步進行圖像處理；最后將合成的視頻信號傳送到顯示器，形成我們熟悉的B超圖像。根據監測其回聲的強弱和延遲時間能夠判斷臟器的距離和性質。

B超等超聲檢查的出現，提高了醫學檢查和治療的水平。超聲的掃查可以連續地、動態地觀察臟器的運動和功能；可以顯示立體變化，而不受其成像分層的限制。超聲設追蹤病變、

備易于移動，沒有創傷，對于行動不便的患者可在床邊進行診

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