西安邮电大学
光电子技术及应用
班
学
院（系）
姓 大作业 级： 号：：通信与信息工程学院 名：
无损光电检测技术的发展与应用
西安邮电大学 摘要：无损光电检测是随着高科技的发展应运而生的一门技术，该技术不同于 传统的检测技术，现在这种技术已经被广泛的应用于工业、农业以及其他领域，对我们的生活产生了积极的影响。文章介绍了光电检测及无损技术的特点，同时介绍了激光超声波检测和X射线检测的原理及应用，在此基础上，对这种技术进行了总结与展望。
关键词：光电技术 无损检测 X射线检测 激光超声波检测
引言： 随着现代科学技术以及复杂自动控制系统和信息处理与技术的提高，光电检测技术作为一门研究光与物质相互作用发展起来的新兴学科，已成为现代信息科学的一个极为重要的组成部分。光电检测技术具有测量精度高、速度快、非接触、频宽与信息容量极大、信息效率极高、以及自动化程度高等突出特点，令其发展十分迅速，并推动着信息科学技术的发展。它将光学技术与现代电子技术相结合，广泛应用于工业、农业、家庭、医学、军事和空间科学技术等领域。 1 光电检测技术 随着现代科学技术以及复杂自动控制系统和信息处理与技术的提高，光电检测技术作为一门研究光与物质相互作用发展起来的新兴学科，已成为现代信息科学的一个极为重要的组成部分。光电检测作为光电信息技术的主要技
术之一，它是以激光、红外、光纤等现代光电子器件作为基础，通过对被检测物体的光辐射，经光电检测器接受光辐射并转换为电信号，由输入电路、放大滤波等检测电路提取有用信息，再经模数转换等接口输入计算机运算处理，最后显示输出所需要的检测物理量等参数。其工作原理如图1所示。
其技术主要包括光电变换技术、光信息获取与光信息测量技术以及测量信息的光电处理技术等。光电检测技术将光学技术与电子技术相结合实现对各种量的测量，它具有如下特点：
（1）高精度：光电测量的精度是各种测量技术中精度最高的一种，如用激光干涉法测量长度的精度可达到0.05um每米，用激光测距法测量地球与月球之间距离的分辨率可达到1米。
（2）高速度：光电检测以光为媒介，而光是各种物质中传播速度最快的，无疑用光学方法获取和传递信息是最快的。
（3）远距离、大量程：光是最便于远距离测量的介质，尤其适用于遥控和遥测，如武器制导、光电跟踪、电视遥测等。
（4）非接触测量：光照到被测物体上可以认为是没有测量力的，因此也无摩擦，可以实现动态测量，是各种测量方法中效率最高的一种。
2无损检测技术概述
无损检测NDT（Non-destructive testing），就是利用声、光、磁和电等特性，在不损害或不影响被检对象使用性能的前提下，检测被检对象中是否在缺陷或不均匀性，给出缺陷的大小、位置、性质和数量的所有技术手段的总称。NDT是指对材料或工件实施一种不损害信息，进而判定被检对象所处技术状态，如合格与否、剩余寿命等或不影响其未来使用性能或用途的检测手段[2]。 通过使用NDT，能发现材料或工件内部和表面所存在的缺陷，能测量工件的几何特征和尺寸，能测量材料或工件的内部组成、结构、物理性能和状态等。无损检测方法可以分为常规无损检测方法和非常规无损检测方法。常规无损检测方法有超声检测Uitrasonic Testing，射线检测 Radiographic Testing，磁粉检测 Magnetic particle Testing，渗透检测 Penetrant Testing，涡流检测 Eddy current Testing；非常规无损检测技术有声发射 Acoustic Emission，泄露检测 Leak Testing，光全息照相 Optical Holography，红外热成像，微波检测 Microwave Testing[2]。 随着这些年的飞速发展，无损检测技术逐渐由定性检测向定量检测方向发展，在检测过程中，不仅要探测出缺陷的有无及位置，还要测定出缺陷的类型、尺寸、形状和取向。 通过上面的分析，可以发现光电检测技术和无损检测技术的本质都是通过传感器获取物件的状态信息。通过传感器检测到的电信号，经过后续的处理，从而得到物件的状态信息，确定物件的运行状态。从这个层面上判断，二者应该有很大的交集，事实也是这样的，光电检测技术在无损检测领域得到了广泛的应用，主要包括红外成像技术、机器视觉技术和X射线等技术。
3 X射线无损检测技术
3.1 原理及装置
X射线是一种类似于光、热和无线电波的电磁辐射波，它的特点是波长短（工业X射线探伤中常用的波长范围约在0.1-0.001nm之间）。由于辐射物质的波长越短，它穿透物质的能力也愈大，所以X射线具有极大的穿透物质的能力，正是利用这一特性进行X射线检测。 全反射X射线是利用X射线束的掠入射光速进行检测，其检测系统组成如图2 所示[3]。与传统的X射线光谱相比，全反射X射线光谱具有以下突出特点：（1）具有更好的表面响应灵敏度；（2）更低的非弹性散射背景；（3）具有更好的信号强度；（4）利用X射线的驻波实现多层分析[4]。
按照全反射X射线光谱产生的特殊光学机理，X射线检测仅需要很少的样品量，从而可以极大地克服检测过程的基体效应。如果待检测元素间不存在相互作用，那么所有的离子都可以同时被检测并进行定量分析。 在均匀介质中，多种元素同时定量分析公式如式（1）所示[5]：
其中：C是质量分数；I是荧光的强度；S是相对强度；x是待测元素；int是
添加的内标元素；m是质量。如果待测元素的质量未知，可采用相对质量分数进行计算：
其中：i为待测的所有元素。对于非均匀分布的介质，由于基体效应的存在影响定量分析，需采用数据处理方法进行校正。
3.2 国内外研究现状
X射线检测技术是研究内部物理结构的重要方法之一。X射线具有极强的穿透能力，其图像灰度值与材料、厚度和内部结构密切相关，因此X射线作为无损检测技术被广泛用于工业探伤、农产品检测、医学、航空航天、国防、造船和林业等众多领域[6]。
曾祥照等在“气瓶钢焊缝X射线实时成像检测研究”课题中，对焊缝缺陷的定位、定量和定级通过计算机来完成，而定性则用人工方式来识别。课题组从对比试验开始，逐渐了解气瓶钢焊缝缺陷的个性特征。试验挑选50个有各种缺陷的钢瓶，分别对焊缝进行X射线照相和X射线实时成像检测。将在X射线照相底片中得到的焊缝缺陷信息与X射线实时成像检测图像对比，逐渐建立起图像评定人员对缺陷图像识别的感性认识，再综合上升到理性认识[7]。统计结果表明：图像与底片识别的相符率达90%以上。孙丽娜等对X射线探测违禁品的几种方法做了总结，阐述了单能量法、双能量法、双视角、CT及散射法的探测原理及优缺点，最后对安检技术的未来发展趋势进行了预测。Neethirajan等应用X射线图像技术，检测小麦种子是否发芽，无损评价麦种品质。Haff等以圆形为分析对象，提出了获取平滑农产品X射线图像的方法。Karunakaran等对X射线图像和近红外光谱判别谷物虫害损伤的结果进行了比较，结果表明X射线图像适合检测损伤存在与否，而近红外光谱适合检测不同损伤的种类。
3.3 应用过程中要解决的关键问题及展望
随着样品预处理方法和校正技术的发展，全反射X射线光谱技术逐步趋于痕量和超痕量检测。首先，可直接用于水或酸溶液样品中多种元素的同时测定，通过与其它分离方法结合，实现多元素的准确分析。其次，可用于粉末样品的分析，
如颜料、油漆以及空气中的颗粒物、环境分析以及考古研究等[8]。第三方面的应用是进行金属损伤检测，然而，由于金属合金中金属的损伤差异较大，无法实现重复采样，导致平行分析误差较大，需采用一定的样品预处理方法进行前处理。全反射X射线光谱检测技术，一个重要的应用领域是进行表面分析，该技术的优点是仅直接在很小的表面就可以进行分析，而且不会损伤样品，样品不经预处理直接测定检测限可达到pg级别，与在真空下离子色谱法测量的结果相当。 4 结论： 无损光电检测技术可以在不破坏被测对象的前提下完成产品的检测任务，因此已深入到日常生活的各个方面。然而无损光电检测技术也不能完全取代破坏性试验，有时需要采用破坏性检测方法对无损检测的结果进行验证和对比。在工农业生产中，可以根据检测对象和检测要求选择合适的无损光电检测技术，才能有效达到检测目的，每种无损光电检测技术有其自身的优点和局限性，对检测重要设备或高检测要求的场合，往往要求采用多种无损光电检测技术完成检测任务，以发挥各自的优点，达到全面检测的目的。随着计算技术、信号处理技术和信号计量方法的不断发展，各种检测方法产生的多维谱图信息提取技术将会得到进一步发展，从而为无损光电检测技术的应用提供了良好的软件支持。 参考文献
[1] 袁明辉，郭天太,光电检测技术的发展趋势及应用前景.科技风，2009年06期.
[2] 赵秋艳，无损检测技术的发展及应用.航天返回与遥感，1997年04期
[3]郭陪源等.光电检测技术与应用[M].北京航空航天大学.2006.
[4]钟丽云.光电检测技术的发展与应用[J].激光杂志.2000.
[5]刘燕德.无损光电检测技术原理及应用[J].华东交通大学学报.2010.27
（6）:36-46.
[6]杜丽婷，刘松平.激光超声检测技术[J].无损探伤.2011.35(5):1-4.
[7]杨立峰，王亚非.激光在超声检测中的应用[J].激光与光电子学进 展.2006.43(2):29-32.
[8]孙丽娜,原培新.X射线安检设备中探测技术研究[J].中国测试技术,2006, 32(3):20-23.
《光电子技术及应用》大作业评分
西安邮电大学
光电子技术及应用
班
学
院（系）
姓 大作业 级： 号：：通信与信息工程学院 名：
无损光电检测技术的发展与应用
西安邮电大学 摘要：无损光电检测是随着高科技的发展应运而生的一门技术，该技术不同于 传统的检测技术，现在这种技术已经被广泛的应用于工业、农业以及其他领域，对我们的生活产生了积极的影响。文章介绍了光电检测及无损技术的特点，同时介绍了激光超声波检测和X射线检测的原理及应用，在此基础上，对这种技术进行了总结与展望。
关键词：光电技术 无损检测 X射线检测 激光超声波检测
引言： 随着现代科学技术以及复杂自动控制系统和信息处理与技术的提高，光电检测技术作为一门研究光与物质相互作用发展起来的新兴学科，已成为现代信息科学的一个极为重要的组成部分。光电检测技术具有测量精度高、速度快、非接触、频宽与信息容量极大、信息效率极高、以及自动化程度高等突出特点，令其发展十分迅速，并推动着信息科学技术的发展。它将光学技术与现代电子技术相结合，广泛应用于工业、农业、家庭、医学、军事和空间科学技术等领域。 1 光电检测技术 随着现代科学技术以及复杂自动控制系统和信息处理与技术的提高，光电检测技术作为一门研究光与物质相互作用发展起来的新兴学科，已成为现代信息科学的一个极为重要的组成部分。光电检测作为光电信息技术的主要技
术之一，它是以激光、红外、光纤等现代光电子器件作为基础，通过对被检测物体的光辐射，经光电检测器接受光辐射并转换为电信号，由输入电路、放大滤波等检测电路提取有用信息，再经模数转换等接口输入计算机运算处理，最后显示输出所需要的检测物理量等参数。其工作原理如图1所示。
其技术主要包括光电变换技术、光信息获取与光信息测量技术以及测量信息的光电处理技术等。光电检测技术将光学技术与电子技术相结合实现对各种量的测量，它具有如下特点：
（1）高精度：光电测量的精度是各种测量技术中精度最高的一种，如用激光干涉法测量长度的精度可达到0.05um每米，用激光测距法测量地球与月球之间距离的分辨率可达到1米。
（2）高速度：光电检测以光为媒介，而光是各种物质中传播速度最快的，无疑用光学方法获取和传递信息是最快的。
（3）远距离、大量程：光是最便于远距离测量的介质，尤其适用于遥控和遥测，如武器制导、光电跟踪、电视遥测等。
（4）非接触测量：光照到被测物体上可以认为是没有测量力的，因此也无摩擦，可以实现动态测量，是各种测量方法中效率最高的一种。
2无损检测技术概述
无损检测NDT（Non-destructive testing），就是利用声、光、磁和电等特性，在不损害或不影响被检对象使用性能的前提下，检测被检对象中是否在缺陷或不均匀性，给出缺陷的大小、位置、性质和数量的所有技术手段的总称。NDT是指对材料或工件实施一种不损害信息，进而判定被检对象所处技术状态，如合格与否、剩余寿命等或不影响其未来使用性能或用途的检测手段[2]。 通过使用NDT，能发现材料或工件内部和表面所存在的缺陷，能测量工件的几何特征和尺寸，能测量材料或工件的内部组成、结构、物理性能和状态等。无损检测方法可以分为常规无损检测方法和非常规无损检测方法。常规无损检测方法有超声检测Uitrasonic Testing，射线检测 Radiographic Testing，磁粉检测 Magnetic particle Testing，渗透检测 Penetrant Testing，涡流检测 Eddy current Testing；非常规无损检测技术有声发射 Acoustic Emission，泄露检测 Leak Testing，光全息照相 Optical Holography，红外热成像，微波检测 Microwave Testing[2]。 随着这些年的飞速发展，无损检测技术逐渐由定性检测向定量检测方向发展，在检测过程中，不仅要探测出缺陷的有无及位置，还要测定出缺陷的类型、尺寸、形状和取向。 通过上面的分析，可以发现光电检测技术和无损检测技术的本质都是通过传感器获取物件的状态信息。通过传感器检测到的电信号，经过后续的处理，从而得到物件的状态信息，确定物件的运行状态。从这个层面上判断，二者应该有很大的交集，事实也是这样的，光电检测技术在无损检测领域得到了广泛的应用，主要包括红外成像技术、机器视觉技术和X射线等技术。
3 X射线无损检测技术
3.1 原理及装置
X射线是一种类似于光、热和无线电波的电磁辐射波，它的特点是波长短（工业X射线探伤中常用的波长范围约在0.1-0.001nm之间）。由于辐射物质的波长越短，它穿透物质的能力也愈大，所以X射线具有极大的穿透物质的能力，正是利用这一特性进行X射线检测。 全反射X射线是利用X射线束的掠入射光速进行检测，其检测系统组成如图2 所示[3]。与传统的X射线光谱相比，全反射X射线光谱具有以下突出特点：（1）具有更好的表面响应灵敏度；（2）更低的非弹性散射背景；（3）具有更好的信号强度；（4）利用X射线的驻波实现多层分析[4]。
按照全反射X射线光谱产生的特殊光学机理，X射线检测仅需要很少的样品量，从而可以极大地克服检测过程的基体效应。如果待检测元素间不存在相互作用，那么所有的离子都可以同时被检测并进行定量分析。 在均匀介质中，多种元素同时定量分析公式如式（1）所示[5]：
其中：C是质量分数；I是荧光的强度；S是相对强度；x是待测元素；int是
添加的内标元素；m是质量。如果待测元素的质量未知，可采用相对质量分数进行计算：
其中：i为待测的所有元素。对于非均匀分布的介质，由于基体效应的存在影响定量分析，需采用数据处理方法进行校正。
3.2 国内外研究现状
X射线检测技术是研究内部物理结构的重要方法之一。X射线具有极强的穿透能力，其图像灰度值与材料、厚度和内部结构密切相关，因此X射线作为无损检测技术被广泛用于工业探伤、农产品检测、医学、航空航天、国防、造船和林业等众多领域[6]。
曾祥照等在“气瓶钢焊缝X射线实时成像检测研究”课题中，对焊缝缺陷的定位、定量和定级通过计算机来完成，而定性则用人工方式来识别。课题组从对比试验开始，逐渐了解气瓶钢焊缝缺陷的个性特征。试验挑选50个有各种缺陷的钢瓶，分别对焊缝进行X射线照相和X射线实时成像检测。将在X射线照相底片中得到的焊缝缺陷信息与X射线实时成像检测图像对比，逐渐建立起图像评定人员对缺陷图像识别的感性认识，再综合上升到理性认识[7]。统计结果表明：图像与底片识别的相符率达90%以上。孙丽娜等对X射线探测违禁品的几种方法做了总结，阐述了单能量法、双能量法、双视角、CT及散射法的探测原理及优缺点，最后对安检技术的未来发展趋势进行了预测。Neethirajan等应用X射线图像技术，检测小麦种子是否发芽，无损评价麦种品质。Haff等以圆形为分析对象，提出了获取平滑农产品X射线图像的方法。Karunakaran等对X射线图像和近红外光谱判别谷物虫害损伤的结果进行了比较，结果表明X射线图像适合检测损伤存在与否，而近红外光谱适合检测不同损伤的种类。
3.3 应用过程中要解决的关键问题及展望
随着样品预处理方法和校正技术的发展，全反射X射线光谱技术逐步趋于痕量和超痕量检测。首先，可直接用于水或酸溶液样品中多种元素的同时测定，通过与其它分离方法结合，实现多元素的准确分析。其次，可用于粉末样品的分析，
如颜料、油漆以及空气中的颗粒物、环境分析以及考古研究等[8]。第三方面的应用是进行金属损伤检测，然而，由于金属合金中金属的损伤差异较大，无法实现重复采样，导致平行分析误差较大，需采用一定的样品预处理方法进行前处理。全反射X射线光谱检测技术，一个重要的应用领域是进行表面分析，该技术的优点是仅直接在很小的表面就可以进行分析，而且不会损伤样品，样品不经预处理直接测定检测限可达到pg级别，与在真空下离子色谱法测量的结果相当。 4 结论： 无损光电检测技术可以在不破坏被测对象的前提下完成产品的检测任务，因此已深入到日常生活的各个方面。然而无损光电检测技术也不能完全取代破坏性试验，有时需要采用破坏性检测方法对无损检测的结果进行验证和对比。在工农业生产中，可以根据检测对象和检测要求选择合适的无损光电检测技术，才能有效达到检测目的，每种无损光电检测技术有其自身的优点和局限性，对检测重要设备或高检测要求的场合，往往要求采用多种无损光电检测技术完成检测任务，以发挥各自的优点，达到全面检测的目的。随着计算技术、信号处理技术和信号计量方法的不断发展，各种检测方法产生的多维谱图信息提取技术将会得到进一步发展，从而为无损光电检测技术的应用提供了良好的软件支持。 参考文献
[1] 袁明辉，郭天太,光电检测技术的发展趋势及应用前景.科技风，2009年06期.
[2] 赵秋艳，无损检测技术的发展及应用.航天返回与遥感，1997年04期
[3]郭陪源等.光电检测技术与应用[M].北京航空航天大学.2006.
[4]钟丽云.光电检测技术的发展与应用[J].激光杂志.2000.
[5]刘燕德.无损光电检测技术原理及应用[J].华东交通大学学报.2010.27
（6）:36-46.
[6]杜丽婷，刘松平.激光超声检测技术[J].无损探伤.2011.35(5):1-4.
[7]杨立峰，王亚非.激光在超声检测中的应用[J].激光与光电子学进 展.2006.43(2):29-32.
[8]孙丽娜,原培新.X射线安检设备中探测技术研究[J].中国测试技术,2006, 32(3):20-23.
《光电子技术及应用》大作业评分