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超声检测技术论文范文1
【关键词】道路桥梁；桥梁检测技术；综述
经济高速发展的需求带动道路桥梁的进入了大规模建设期，但是，交通运输业的高速发展与相关基础设施建设相对落后之间的矛盾越来越突出，有相当一部分处于超期服役的状态，人为损坏、老化以及承载力下降等现象十分突出，严重制约与威胁着交通事业的发展与人民群众的生命财产安全。采用高效的检测技术能够让技术人员准确了解道路桥梁的各项性能参数，有利于及时采用相关措施。下文综述了道路桥梁检测的几种技术。
上个世纪50年代，加拿大人切斯曼(Cheesman)与莱斯利(Leslied)以及英国人琼斯(Jons)与加特弗尔德(Gatfield)第一次利用超声脉冲检测技术来进行混凝土的检测，他们共同开创了混凝土超声检测的先河，随后超声检测技术在工程领域得到了广泛地应用。
超声法检测道路桥梁缺陷的基本原理是利用带波形显示功能的超声波检测仪和频率为20-25kHz的声波换能器，测量与分析超声脉冲在道路桥梁中的传播速度(声速)、首波幅度(波幅)、接受信号主频率(主频)等声参数，并根据这些参数及其相对变化，来判定道路桥梁中的缺陷情况。
科学技术的发展使得超声检测仪器从最初笨重的电子管单示波显示型转变为现在的半导体集成化、数字化甚至智能化的轻便仪器。同时，测量参数也更加多元化，从当初的单一声速参数检测发展为现在的声速、波幅以及频率等多参数检测；其检测效果也有了质的飞跃，从最早的定性检测发展为现在的定量检测。
在进行道路桥梁检测时，超声波能够穿透混凝土结构并在其中传播较远的距离，并且使用安全，操作简便。使用超声仪器最为常用的方法就是穿透测法，但是利用该方法进行检测时要求两个相对测试面。因此，这限制了超声检测的应用范围，例如，超声检测技术不适用于隧道中的衬砌、喷射混凝土等结构或者在墙体、路面、跑道、护坡、护坦以及底板等方面。同时需要注意的是，因为是声波穿透检测，其缺陷信号的有效捕捉始终是制约其发展的瓶颈问题。因此，在对于道路桥梁进行检测的过程中，我们通常采用比较多测点测试数据的方式，利用统计概率对数据进行处理，并对缺陷情况进行评估，所以，超声检测技术的直观性非常差，而且为了获得更高的策略精度，通常需要增加多个测点。
2 地质雷达检测技术
地质雷达(又称探地雷达，Ground Penetrating Radar，简称GPR)检测技术是一种高精度、连续无损、经济快速、图像直观的高科技检测技术。它是通过地质雷达向物体内部发射高频电磁波并接收相应的反射波来判断物体内部异常情况。作为目前精度较高的一种物理探测技术，地质雷达检测技术已广泛应用于工程地质、岩土工程、地基工程、道路桥梁、文物考古、混凝土结构探伤等领域。
地质雷达仪器的构成部分主要包括：控制单元、控制中心（通常是笔记本电脑）、发射天线以及接收天线。探地雷达的工作流程为：①检测人员利用笔记本电脑能够对控制单元发出各种指令；②控制单元在接收到指令之后，可以同时向发射天线与接收天线发出触发信号；③在发射天线触发之后，它能够向地面发射高频脉冲电磁波（通常其频率在几十至几千兆赫之间）；④电磁波在向下传播的过程中会遇到不同电性的目标和界面等，或者当被探位置局域介质不均匀体的时候，部分电磁波便可以被反射回地面，并由接收天线进行接收，接收到的信号会以数据的形式被输送到控制单元，并最终传回到笔记本电脑，以图像的方式显示出来。⑤通过对图像进行处理与分析，就可以了解地下介质的具体分布情况，检测目的便也达到了。
3 声发射法检测技术
声发射法的具体原理是，由于材料内部微观构造不均匀或者存在性质不同的缺陷，局部的应力集中会致使应力分布的不稳定；材料的塑性变形、产生裂缝、裂缝扩展、失稳断裂等一系列过程能够有效完成不稳定高能状态向稳定的低能状态的转化；在整个应力松弛释放的过程中，所释放的部分应变能将会以应力波的形式想四周发射，我们称之为声发射。
以道路桥梁中的混凝土结构为例，它在荷载作用下会产生变形。当这种变形超过设计要求，混凝土结构便会出现裂缝，并通过弹性波的形式释放出应变能（例声能、热能或者光能等）。在对其进行测试的时候，我们可以将声发射感应器放置在待检测部位，通过确定不同位置收到声音的时间差，我们可以明确发生源（即裂缝部位）的具置。通过此种措施，我们可以比较详细、准确地了解道路桥梁的内部变化。同时，分析与研究发声位置之后，裂缝的大小、种类、开裂速度、最大荷变应力都可以得到比较详细地认识。
但是其最大的缺点是进行检测非常容易受各种噪声的影响，进而导致检测精度的幅度下降；然而，该检测方式是利用道路桥梁自身的内部缺陷，因而可以实现连续的动态检测。总体来说，声发射检测技术已经应用较少。
4 冲击回波法检测技术
我国南京水利科学研究院在20世纪80年代末研制成功IES冲击反射系统，并在大型模拟试验板及工程实测实践中取得了成功，使冲击回波法在我国进入实用阶段。冲击回波法的测试原理是仪器通过机械冲击器向物体表面发送短周期应力脉冲波，其中压缩波(P波)在物体内传播过程中，当遇到内部缺陷(如裂缝宽度＞0.03mm)时，波便不能穿透而产生反射，遇到表面边界时也会发生反射，一旦波速确定，且选择正确的冲击器，就可通过单面测试准确地测得裂缝等缺陷的位置和深度，当构件不存在缺陷时则可测得其厚度。
冲击回波法通常为单面反射测试，因此它的测试比较方便和快速，测试结果也比较直观。此方法可以实现“测一点判断一点”，因此曾经广泛地应用于测定道路桥梁的沥青混凝土或者混凝土结构的内部缺陷，但是这种方法由于是单点检测，其检测结果往往不全面，因此实际应用也比较少。
5 红外热像检测技术
红外热像检测技术是指运用红外热像仪探测物体各部分辐射出的红外线能量，根据物体表面的温度场分布状况所形成的热像图，直观地显示材料、结构物及其结合上存在的不连续缺陷的检测技术。它是非接触的无损检测技术，即在技术上可作上下、左右对被测物非接触的连续扫测，因此也称红外扫描测试技术。
红外热像检测技术具有以下优点：①在理论上，其探测器焦距为20cm至无穷远，所以特别适合具有非接触和广视域等特点的大面积无损检测；②该探测器只对红外线响应，因此只要道路桥梁高于绝对零度（显然会高于绝对零度），红外线热像监测技术便可以工作，白天和晚上均可；③当前红外热像仪的温度分辨率已经高达0.1℃，因此检测精度有技术保证；④红外热像仪的可测温度范围在-50℃-2000℃之间，具有非常广阔的探测空间；⑤摄像速度在1帧每秒至30帧每秒之间，静态的常规检测和动态的跟踪探测都适用，检测模式的选择更加灵活。
参考文献：
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混凝土无损检测（NDT：Nondestruetive Testing）是指在不破坏混凝土内部结构和使用性能的情况下，利用声、光、热、电、磁和射线等方法，直接在构件或结构上测定混凝土某些适当的物理量，并通过这些物理量推定混凝土强度、均匀性、连续性、耐久性和存在的缺陷等的检测方法。
实践证明，由于具有不破坏混凝土结构构件，操作简单、费用低，不受结构物尺寸和形状限制，可对重要结构部位长期监测等诸多优点，混凝土无损检测技术已经得到越来越广泛的应用，也必将有更大的发展。
1 进一步扩大混凝土质量无损检测内容及使用范围
混凝土检测技术是多学科多领域紧密结合的产物，从20世纪30年代人们就开始研究混凝土无损检测方法。材料学和应用物理学的发展，为无损检测技术提供了理论基础；电子技术与计算机科学的迅速发展，又为无损检测技术提供了现代化的测试手段。
随着人们对建设工程质量的关注，国家颁布了《建设工程质量管理条例》，明确了建设单位，勘察、设计单位，施工单位和监理单位的责任和义务，并提出了主体结构工程、地基基础工程在设计文件规定的合理使用年限内长期保修和对事故责任人终生追究法律责任。住建部也全面贯彻有关标准的强制性条文，进一步完善了建设工程的标准体系和明确了质量管理的技术依据。这些措施的落实，使无损检测技术在建设工程质量管理中的作用和责任日益明显。这是因为工程质量是由一系列工程技术指标来体现的，这些指标的量化值又是通过检测来获取的，如果检测结果不准确则必将对工程质量造成误判。目前施工质量控制和验收还仅仅建立在前期材料试件检测和外观检测的基础上，但结构物的原位质量才是实际的工程质量，而原位质量只能通过无损检测的手段来获取，
另外，随着无损检测技术的迅速发展和日臻成熟，它不但已成为工程事故的检测和分析手段之一，而且正在成为工程质量控制和构筑物使用过程中可靠性监控的一种工具。可以说，在整个施工、验收及使用过程中都有其用武之地。在以往的研究中主要集中在强度检测和缺陷探测两方面，为了满足新的需要还应进一步开拓新的检测内容，例如，混凝土耐久性的预测、已建结构物损伤程度的检测、早期强度检测，高性能混凝土强度及脆性的检测等等。只有不断拓展无损检测的检测内容和使用范围，才能有效保证建筑产品混凝土质量及强度，确保建设工程质量安全。
2 积极拓展混凝土无损检测新途径
无损检测技术经过几十年的发展，已经在混凝土检测方面得到较为一定程度的应用。但是，随着检测内容和使用范围的不断扩大，必将产生出无损检测的新技术、新途径。目前，已有技术主要集中在测强和测缺两方面。
在混凝土强度检测方面：如何提高强度检测的精度仍然是主要的研究方向。
应该看到，在过去的20年中，测强技术进展不大。究其原因，除了混凝土强度的影响因素太多、太复杂之外，还因为过去的研究工作主要集中在超声和回弹等方法上，思路不够开阔。从理论上来说，超声、回弹测强主要是建立在混凝土应力应变与强度的相关关系上的，而与混凝土强度相关的因素很多，在实践中应该扩大探索的范围，以便综合更多参数，确保检测精度。半破损方法的检测结果比较直观可靠，许多工程都采用无损方法作为普遍测量的手段，而用半破损方法作为校核手段，两者的结合无疑可提高检测精度和检测效率，但如何合理结合是需进一步研究的关键问题。
此外，无损测强方法所推定的混凝土强度，与按混凝土立方体强度标准值所计算的强度等级之间的统计关系需要进一步明确，以便使无损检测的评定结果与试件评定结果具有等效性。
在缺陷检测方面：超声测缺技术近年来进展较快。
在测试结果处理技术方面，可以说正在进入一个新的飞跃，即由数理统计方法进入信息处理技术的新阶段。数据处理与信息处理的含义有所不同，前者主要是对大量测试数据分析处理，归纳有关规律，它主要运用数理统计的基本理论；而信息处理则是指信号的变换、分离、滤波、频谱分析、成像、存储、记录等方面的技术。例如CT成像技术、频谱分析技术、神经网络技术等近年都已越来越多地被无损检测研究者运用，在所发表的研究论文中占有相当大的比例，并已运用于工程检测，使检测结果的直观性和可靠性大为提高。此外，一些新的物理方法将会更多用于缺陷探测，例如，雷达技术、红外遥测技术、冲击回波技术等。
在检测仪器方面：我国的非金属超声检测仪已达到国外同类产品的先进水平，有些仪器甚至已处于领先地位，但其他方法的仪器则相对落后，随着其他检测方法的研究和应用，仪器也必将随之发展。
技术规程的编制也是大力推进无损检测技术的重要保障因素。因为它一方面是对该项技术研究成果的总结和提高，另一方面又是对该项技术的促进。目前我国虽然制订了无损检测的部分技术规程，但尚未形成体系，今后应将无损检测规程纳入混凝土及钢筋混凝土检测体系中统一规划逐项落实。
3 大力加强无损检测技术队伍建设
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关键词：表面等离子体激元；SPP效应；应用现状
表面等离子体激元（SPP）具有近场增强、局域受限、短波长等比较独特的特性。在SPPs的表面局域特性方面，SPPs在垂直于金属表面电场方向的强度呈指数衰减，利用表面局域特性构造表面结构可以降低光学控制的维度，形成二维微纳光学应用。在SPPs的近场增强特性上，金属的介电常数、金属薄膜厚度、表面粗糙程度等决定了场增强的程度。尤其是人们在研究光与纳米材料相互作用时，研究金属微纳结构中局域表面等离子体的共振是一种重要方法，引起了人们的广泛关注。这些特性已在光学、化学传感和检测领域均获得了广泛应用。
1 表面等离子体激元的研究历程
1902年，Wood在实验中用连续光谱的偏振光照射金属光栅时观测到反常的衍射现象并公开进行了描述。1941年Fano根据表面电磁波在金属和空气界面上的激发对由入射波照射到金属光栅上引起的异常反射现象进行了解释。1957 年，Ritchie发现电子穿过金属薄片时存在“能量降低的”等离子体模式，第一次提出了 “金属等离子体”的概念，这种“金属等离子体”可用于描述金属内部电子密度纵向波动。从此，表面等离子体激元成为了一门表面科学，在相关领域得到越来越多的关注。随后，Powell 等人用实验证实了Ritchie 的理论，而Stem等人也研究了“表面等离子共振”的条件。1968年，Kretschmann和 Otto各自利用衰减全反射（ATR）的方法证实存在光激发表面等离子共振现象。1982 年，Nylander 和 Liedberg 在气体检测和生物传感领域中应用了SPR 原理。此后，SPR 传感技术迅速发展，基于表面等离子体激元的 SPR 传感结构设计元器件也不断呈现，各种SPP器件在化学-生物传感等领域得到了广泛应用。
1944 年Bethe曾研究了完美导体薄膜中圆孔（半径为 r）的光透射行为，得出亚波长小孔 的归一化透射效率应该很小。但是1998年，Ebbesen在实验上发现金属膜上的周期性小孔结构归一化的透射率大于1，即出现了远场透过增强效应，这被称为“Ebbesen 效应”。Ebbesen 指出，当金属膜上具备亚波长二维周期孔结构时，可以实现可见光与红外光的不正常透射，这种奇异现象（Ebbesen 效应）当时用衍射理论无法解释清楚，引起了众多研究者的关注，从此关于金属微纳结构的表面等离子体效应成为等离子体研究领域中的一个重要组成部分。在Ebbesen的论文中指出，在某一特定波长处的透射光能量是入射到圆孔上的光的能量的2倍，这种异常透过现象与入射光与二维圆孔阵列的表面等离子体激元的相互耦合存在着一定的关系。
目前普遍的观点认为，二维圆孔阵列的入射光透过增强现象是由表面等离子共振所导致的，光照射到金属薄膜的表面，激发金属表面SPP，一面的SPP沿着孔径隧穿到另一表面的 SPP 中耦合，最后经过金属-介质界面发生散射，形成远场增强透过现象。
单个孔径的透射增强效率非常有限。如果在孔径周围引入类似牛眼结构、金属狭缝-沟槽结构等周期性的沟槽结构，通过这些周期性的沟槽结构将入射光波有效耦合到SPP中，则光透射增强现象就十分显著。相对于金属孔径结构，金属颗粒结构表现出了局域的表面等离子体共振特性。当金属颗粒结构发生共振时，该结构可以有效地将入射光波集中到金属表面非常小的区域，实现较大局域场增强，同时增大了结构的散射截面，从而将局域场信息散射到远场。这是实现表面增强拉曼散射的一种有效途径。
2000年，Pendry提出银膜微结构可以实现亚波长成像。2002年，Lezec等提出了牛眼光栅结构，这种结构可以出现光束聚焦现象，并引发了新的关于这种现象机理及应用的研究。2008年，中科院半导体研究所的花磊等人研究了中红外下半导体掺杂调制成的表面等离子体透射增强效应，理论上研究了n型重掺GaAs薄膜上具备亚波长周期性沟槽结构时的红外波段的异常透射现象，这种红外波段的异常增强效应对红外波段的滤波器、发射器和探测器都具有巨大的应用价值。
2 SPP效应的应用现状
2.1 SPP效应当前在相关领域所取得的进展
1997年，有人研究了金属表面形貌缺陷对SPP散射作用的影响，提出纳米尺度的直线或曲线形状表面实现对SPP的反射和聚焦。2005年，日本东京大学某研究小组实验演示了这种情景，采用350nm直径的凸起作为纳米点缺陷，还有人采用直径为200nm的小孔作为纳米点缺陷，均实现了亚波长聚焦。他们在实验中将这些纳米点缺陷排成曲率半径为5tan的圆弧，得到了直径比激发光波长还小的聚焦光斑，即“亚波长聚焦”。
在亚波长结构中，由于SPP会引起电场强度的增强而产生非线性现象，利用这种非线性现象可以制作出纳米量级的光学开关，发展近场非线性光学。这种光学开关的原理是基于表面等离子体效应的一种新型光开关。当外部条件改变时，影响开关结构中SPP的激发或传输特性，以达到开关的作用。目前报道的SPP光开关类型主要有电光开关、热光开关及全光开关等。这些光开关可实现衍射极限尺度内的光控制功能，并能实现光子器件在纳米尺度上的集成。
在陈俊学的博士论文中提出了各种复杂结构中的模式耦合、非线性光学特性及SPP在一些基本结构中的色散关系，明确了在一维和二维周期性结构阵列中，波导模式在 SPP 辅助增强透射过程中所起的作用；研究了三阶非线性光学效应对于 SPP 激发和耦合的影响，并设计了基于共振元件的开关结构，通过改变入射光的偏振有效地实现了开关状态的调控。
还有，通过锥形波导方法可实现SPP聚焦。激发的SPP沿着锥形波导传播的过程中，由于锥形波导边界呈梯度变化，反射光与传播的SPP在再次传播的过程中形成干涉，电磁场越来越集中，最后在波导尖端形成的场增强十分显著。可见，这种锥形波导结构是可以实现电磁波的聚焦的，它能将电磁能量聚焦到更小范围，真正实现超衍射极限的纳米聚焦。
另外，在新型气体传感器应用方面，在传统 SAW 气体传感器基础之上，结合激光超声检测技术，用激光在覆有吸附性薄膜的金属表面激发出声表面波，利用反射式光束偏转法在薄膜处探测金属表面的声表面波情况，从而检测被测气体的浓度。这是一种新型气体监测方法。这种新型气体传感器采用了光学的方法来探测声脉冲，属于非接触式检测传感器。
2.2 SPP效应的应用局限
目前虽然SPR 技术已经成功的应用到生物的各个领域，但是从第一个 SPR 传感器诞生到现在仅20 多年，还是一种正处于发展初期的新技术，其方法还有很多不完善之处。基于SPP效应的表面等离子体共振技术还有待扩大其应用范围，最好还要简化操作，提高SPR 方法检测的灵敏度，这就是人们进行SPP效应研究的目的之一。
例如在实际应用中，将纳米粒子技术用于生物体系，极大的提高了SPR传感器的灵敏度。一般用金纳米粒子提高灵敏度有两种方法，将金纳米颗粒吸附在SPR传感器表面，改变SPR信号特征，从而提高灵敏度。另一种是将金纳米粒子与抗原耦合在一起，从而提高SPR 传感器的灵敏度。其他还有夹心法、脂质体、乳胶粒子增强法等也可以提高 SPR技术灵敏度。
3 SPP效应的应用前景
随着纳米材料及其制备科学的成熟，纳米器件的发展即将推动纳米电子和光电子器件等集成电路的发展。基于一维纳米材料的气体传感器也将在气体检测领域大有作为。例如目前采用金属氧化物半导体制作电子鼻传感器，而研发出基于纳米材料的新型气体传感器，必然会促使电子鼻传感器技术的发展。
光子晶体的研究也是光子学的一个热点问题，这类器件主要是由一些半导体材料或者绝缘材料制成，该波长级器件可以控制光与物质的作用。金属也可以用来制作光子带隙结构，其表面上的周期性结构可改变SPP性质：当周期性结构可以控制在SPW波长的一半时，SPP的散射将会产生SPP禁带，这种禁带的产生与金属的周期型结构有关，可以用来发展新型传感设备。
参考文献：
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[3]侯振雨，谷永庆，徐甲强等.纳米CuO 材料的甲醛气敏性研究[J].郑州轻工业学院学报：自然科学版，2006，20（02）：42-43.
