無損檢測技術(shù)新進(jìn)展——

第19屆世界無損檢測大會學(xué)術(shù)報告綜述（下）

周正干  孫廣開

北京航空航天大學(xué) 機(jī)械工程及自動化學(xué)院

4  應(yīng)用發(fā)展方向和待解決問題

隨著材料科學(xué)和制造技術(shù)的發(fā)展，在航空航天、高鐵、船舶、核電和石油等領(lǐng)域，新材料、新結(jié)構(gòu)、新工藝不斷出現(xiàn)并得到應(yīng)用，裝備性能、制造質(zhì)量和應(yīng)用安全可靠性要求不斷提高，這給無損檢測技術(shù)提出了更多要求[87-89]，復(fù)雜結(jié)構(gòu)檢測、非接觸檢測、自動化檢測和原位快速檢測是無損檢測技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展方向。以下簡要針對幾項典型技術(shù)進(jìn)行淺要分析。

 （1）超聲相控陣檢測技術(shù)

超聲相控陣技術(shù)的核心是控制算法，通常采用的基于合成聲束偏轉(zhuǎn)、聚焦延時算法的超聲相控陣檢測方法和儀器已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，近年來重點研究的基于全矩陣數(shù)據(jù)的超聲相控陣成像算法也已相對成熟，并開發(fā)出內(nèi)置該算法的新型檢測儀器。目前超聲相控陣技術(shù)在飛行器復(fù)合材料構(gòu)件檢測、復(fù)雜焊縫檢測、管道腐蝕檢測和大型板材檢測中已得到較為廣泛的應(yīng)用。

但是，由于超聲相控陣技術(shù)的控制算法復(fù)雜度相對較高，針對特定工件的檢測方案設(shè)計和控制參量設(shè)置較為復(fù)雜，這對一般檢測人員提出了更高的要求，并可能因為檢測方案和控制參量設(shè)置偏差而降低缺陷檢出率、量化準(zhǔn)確度和重復(fù)一致性，同時基礎(chǔ)通用算法會因特定工件的結(jié)構(gòu)型面或材料特性而產(chǎn)生各異性的檢測問題，進(jìn)而從操作性和檢測性兩個方面限制該技術(shù)的應(yīng)用推廣。

 基于以上因素分析，在合成聲束控制和全矩陣數(shù)據(jù)算法框架下，需要針對具體類型工件的結(jié)構(gòu)、型面特征和材料特性定制化研究控制算法的校正算法和檢測參量的補(bǔ)償方法，建立與具體類型工件相適應(yīng)的優(yōu)化控制算法和專用檢測模塊，自動生成檢測方案并設(shè)置控制參量，實現(xiàn)檢測過程的自動化，使其缺陷檢出率、量化準(zhǔn)確度和重復(fù)一致性等指標(biāo)常態(tài)保持在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定量值范圍。

 在大型或復(fù)雜構(gòu)件自動化檢測以及實時性要求高的應(yīng)用方面，隨著超聲相控陣換能器陣元數(shù)量的增加和控制算法精度的提高，需要進(jìn)一步研究基于GPU加速或FPGA等技術(shù)的控制算法高效運算處理方法，開發(fā)高性能儀器，降低檢測圖像重構(gòu)耗時，提高超聲相控陣自動掃描檢測效率和實時成像性能。而新型的高性能儀器需要進(jìn)行嚴(yán)格的檢測性能和可靠性測試、改進(jìn)，使其具有良好的檢測性能和高魯棒性，尤其是用于定制化開發(fā)和系統(tǒng)集成的板卡級控制器。

 （2）非接觸超聲檢測技術(shù)

激光超聲檢測技術(shù)和空氣耦合超聲檢測技術(shù)是目前主要研究的非接觸超聲檢測技術(shù)。從1963年WHITE提出激光超聲技術(shù)以來，該技術(shù)以其非接觸和高分辨力等特點受到無損檢測領(lǐng)域?qū)W者的廣泛關(guān)注。經(jīng)過五十多年的研究發(fā)展，基于激光激勵和探測超聲體波的檢測技術(shù)與設(shè)備已經(jīng)相對成熟，出現(xiàn)了LaserUT、LUIS、iPLUS等標(biāo)準(zhǔn)化的工業(yè)型激光超聲檢測設(shè)備，應(yīng)用于各種航空航天飛行器零部件的無損檢測以及石油電力壓力容器的在線檢測。

 但是，與常用壓電超聲換能器的超聲轉(zhuǎn)換效率和探測靈敏度相比，脈沖激光熱彈激勵超聲的光聲轉(zhuǎn)換率低，激光干涉探測裝置的靈敏度低并容易受材料表面粗糙度和環(huán)境振動等因素影響。

 受限于上述因素，現(xiàn)有激光超聲檢測設(shè)備需要采用精密、復(fù)雜并且使用和維護(hù)成本高昂的超聲激勵和探測裝置，以使其超聲激發(fā)效率和探測靈敏度達(dá)到工業(yè)檢測標(biāo)準(zhǔn)要求，而尚無法在檢測性能、可靠性和經(jīng)濟(jì)性之間達(dá)到平衡，這是該項技術(shù)設(shè)備至今尚未得到廣泛應(yīng)用的主要原因。

 目前，更高轉(zhuǎn)換效率的激光超聲熱彈激勵理論、控制方法和可靠、經(jīng)濟(jì)的標(biāo)準(zhǔn)儀器設(shè)備，更高靈敏度、穩(wěn)定性和魯棒性的激光探測裝置，以及更高適應(yīng)性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性的設(shè)備關(guān)鍵儀器部件和整機(jī)集成方案是激光超聲檢測技術(shù)與設(shè)備的主要研究方向。

 同時，基于激光蘭姆波方法的材料性能測量和缺陷檢測與成像技術(shù)，以及相應(yīng)的新型激光蘭姆波檢測設(shè)備是激光超聲技術(shù)研究的一個重要方向，需要在檢測理論和方法研究的基礎(chǔ)上建立適于應(yīng)用的工藝方法和標(biāo)準(zhǔn)，推動技術(shù)設(shè)備的廣泛應(yīng)用。

空氣耦合超聲檢測技術(shù)經(jīng)過近二十年在新型換能器技術(shù)、信號處理技術(shù)、檢測方法、工業(yè)檢測系統(tǒng)以及工藝規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)等方面的不斷研究，已經(jīng)在航空航天飛行器復(fù)合材料構(gòu)件無損檢測等方面得到應(yīng)用。

 但是，與常用液浸式壓電超聲換能器的頻率和焦斑相比，受限于氣固界面顯著的超聲衰減性質(zhì)，目前常用的空氣耦合超聲換能器頻率在1MHz以內(nèi)，并需要采用多周期調(diào)制脈沖串作為激勵信號以提高超聲信號幅度，這導(dǎo)致檢測超聲信號具有較長的波長和較大的焦斑尺寸，檢測的橫向和縱向分辨力較低，主要采用穿透法檢測。

 為了提高空氣耦合超聲檢測的橫向、縱向分辨力和大壁厚構(gòu)件檢測信號的信噪比，需要研究具有更優(yōu)氣固界面匹配性和更高分辨力的新型換能器技術(shù)和專用信號處理技術(shù)。

 同時，由于穿透法的檢測原理和換能器布置方式對于一些構(gòu)件和應(yīng)用環(huán)境并不適用，例如飛機(jī)原位檢測時蜂窩夾芯復(fù)合材料構(gòu)件沖擊損傷和蒙皮脫粘的快速掃描檢測，需要利用脈沖反射法、蘭姆波法和聲共振法等方法的檢測原理，研究同側(cè)布置空氣耦合超聲換能器的檢測方法。

 （3）超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)

超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)已應(yīng)用于石油天然氣管道等壓力容器腐蝕、裂紋等缺陷的檢測，但受限于超聲導(dǎo)波的多模態(tài)、頻散和遠(yuǎn)距離傳播衰減性質(zhì)，該技術(shù)通常采用低頻率（小于1MHz）多周期調(diào)制脈沖串激勵超聲信號，這導(dǎo)致超聲導(dǎo)波檢測的缺陷分辨力和定位準(zhǔn)確度低，一般用于大尺寸缺陷非量化檢測與評估。

 為使超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)具有更高缺陷分辨力和量化表征準(zhǔn)確度，需要研究高頻超聲導(dǎo)波信號激勵方法和模態(tài)控制方法，提取高頻單模超聲導(dǎo)波信號并控制聲束指向性和聚焦位置，提高檢測分辨力，同時研究基于高頻單模導(dǎo)波信號的缺陷定位、定量表征方法。

 對于復(fù)合材料缺陷的超聲導(dǎo)波檢測，材料的各向異性性質(zhì)會影響超聲導(dǎo)波的模態(tài)類型、頻散特性和傳播性質(zhì)，需要研究與材料性質(zhì)相應(yīng)的導(dǎo)波檢測參量選取、校正與補(bǔ)償方法，提高缺陷表征準(zhǔn)確度。

 （4）射線、太赫茲檢測技術(shù)

射線檢測作為一種常規(guī)無損檢測技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各工業(yè)領(lǐng)域，在各類材料和結(jié)構(gòu)高精度成像檢測中發(fā)揮著重要作用。近年來，隨著大型復(fù)雜構(gòu)件類型和數(shù)量的增加，非接觸檢測需求的增加以及機(jī)器人輔助檢測技術(shù)的發(fā)展，基于關(guān)節(jié)型機(jī)器人的射線成像檢測系統(tǒng)以其更高的靈活性和型面適應(yīng)性受到關(guān)注，在大型復(fù)雜構(gòu)件的非接觸、高精度自動掃描檢測方面優(yōu)勢明顯。同時，已開發(fā)出便攜式的小型射線檢測儀，適用于各類裝備的原位快速成像檢測，應(yīng)用前景廣闊。

 太赫茲檢測技術(shù)具有非接觸的特點并尤其適用于泡沫、陶瓷和高分子復(fù)合材料等紅外、超聲難以穿透材料的無損檢測，具有良好的應(yīng)用前景。而高性能太赫茲源、檢測器、檢測數(shù)據(jù)處理方法、高效掃描方法等一系列問題的解決將推動該項技術(shù)設(shè)備的廣泛應(yīng)用。

 （5）紅外熱像、激光散斑檢測技術(shù)

紅外熱成像技術(shù)和激光散斑技術(shù)具有全場測量、高靈敏度和高效率等特點，在各類裝備的原位快速檢測方面具有良好的應(yīng)用前景。目前，商業(yè)化的紅外、激光散斑檢測設(shè)備產(chǎn)品已在飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件外場檢測等方面得到應(yīng)用。

 為了提高不同類型構(gòu)件（如：復(fù)合材料蜂窩、金屬蜂窩夾芯構(gòu)件）的可檢測深度和缺陷定位、定量準(zhǔn)確度，需要進(jìn)一步研究新型的激勵技術(shù)、圖像處理技術(shù)和更高性能的探測儀器。

 （6）機(jī)器人輔助檢測技術(shù)

在大型結(jié)構(gòu)自動化檢測方面，超聲、射線等檢測技術(shù)需要利用機(jī)械裝置帶動激勵、探測裝置或構(gòu)件運動進(jìn)行掃描成像檢測。近年來，隨著機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用，工業(yè)用超聲、射線和紅外等檢測設(shè)備逐漸采用標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)節(jié)型機(jī)器人作為仿形掃描檢測的定位機(jī)構(gòu)或掃描執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如圖3、圖5、圖11、圖13），這種方式在大型復(fù)雜構(gòu)件檢測方面和一些應(yīng)用場合下具有更好的靈活性、可控制、型面適應(yīng)性和更高的可靠性、更低的成本，更易于根據(jù)構(gòu)件型面特征進(jìn)行自動仿形掃描檢測。

 但是，關(guān)節(jié)型機(jī)器人的重復(fù)定位精度和掃描效率低于由精密直線單元構(gòu)成的掃描裝置，通常需要將關(guān)節(jié)型機(jī)器人與直線單元構(gòu)成的掃描裝置或其他類型的二維掃描裝置（如：光學(xué)掃描裝置）組合應(yīng)用，以滿足掃描定位精度和檢測效率要求。

 （7）技術(shù)方法的交叉、融合通過不同激勵、探測方法和缺陷表征與成像方法的交叉融合，提高檢測方法的性能、適用性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性是無損檢測技術(shù)研究的重要方向。以下簡要分析兩項通過不同技術(shù)交叉融合形成的檢測技術(shù)方法。激光超聲、空氣耦合超聲與機(jī)器人技術(shù)的交叉融合。

 通過將激光超聲技術(shù)與空氣耦合超聲技術(shù)結(jié)合起來，利用脈沖激光激勵超聲波，空氣耦合超聲換能器探測超聲波，并利用關(guān)節(jié)機(jī)器人進(jìn)行仿形掃描檢測，有望在非接觸超聲檢測性能、適應(yīng)性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性方面達(dá)到新的平衡。

 聲共振技術(shù)與紅外、激光散斑技術(shù)的交叉融合。通過將聲共振技術(shù)與紅外熱成像和激光散斑成像技術(shù)結(jié)合起來，利用超聲振動激勵結(jié)構(gòu)缺陷共振產(chǎn)生“倍增”熱幅度和形變量，利用紅外和激光散斑技術(shù)分別探測熱和形變進(jìn)而重建缺陷圖像，有望進(jìn)一步擴(kuò)展紅外和激光散斑技術(shù)的適用范圍，提高部分材料和結(jié)構(gòu)缺陷的檢測性能。

 5  未來發(fā)展的新機(jī)遇

“工業(yè)4.0”和“中國制造2025”給無損檢測技術(shù)的研究和應(yīng)用提出了更高要求[89]，也帶來了發(fā)展的新機(jī)遇。為了滿足工業(yè)裝備智能化、高質(zhì)量制造和高可靠性應(yīng)用的檢驗檢測需求，無損檢測技術(shù)與設(shè)備向著專用精量化、機(jī)器人自動化、全過程無人化和數(shù)據(jù)管理智能化的方向發(fā)展。

 （1）專用化、精量化、標(biāo)準(zhǔn)化

自動化檢測的前提是檢測工藝方法和設(shè)備的專用化、精量化和標(biāo)準(zhǔn)化。

為了滿足各類工業(yè)裝備高質(zhì)量制造和高可靠性應(yīng)用的檢測技術(shù)設(shè)備需求，需要針對具體被檢物定制化研究專用檢測工藝方法和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，建立與特定材料結(jié)構(gòu)全生命周期檢測要求相適應(yīng)的專用檢測工藝標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)備，實現(xiàn)各類缺陷的精量化檢測和工藝參量、過程與設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化，使專用技術(shù)設(shè)備具有高檢出率和置信度。

（2）自動化

智能化檢測的基礎(chǔ)是無損檢測與結(jié)果評定全過程的自動化。為了實現(xiàn)各類被檢物的高效能自動化檢測，需要根據(jù)相應(yīng)檢測工藝和標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用機(jī)器人技術(shù)，開發(fā)自動化的檢測設(shè)備，實現(xiàn)檢測參量設(shè)置、激勵控制、探測控制、掃描成像控制、數(shù)據(jù)管理和檢測結(jié)果分析與評定過程的自動化。

 （3）自主化

關(guān)鍵器件、核心算法和高端設(shè)備的自主化是實現(xiàn)無損檢測技術(shù)設(shè)備智能化的關(guān)鍵要素。面對“中國制造2025”，目前國內(nèi)在檢測新技術(shù)相關(guān)的關(guān)鍵器件和高端設(shè)備上依賴進(jìn)口，部分自主集成建立的檢測設(shè)備的性能也取決于國外器件性能，在可設(shè)計性、可集成性、檢測性能和自動化程度等方面受到限制，在核心算法和新算法、新方法的開發(fā)應(yīng)用上受制于人，國外成套檢測設(shè)備或者封鎖禁運、或者成本高昂，這已成為制約中國無損檢測技術(shù)向著自動化、智能化方向發(fā)展的一個主要因素。

 為了更好地滿足國內(nèi)無損檢測技術(shù)設(shè)備的應(yīng)用需求，推動未來的研究、應(yīng)用和發(fā)展，需要研究建立自主化的關(guān)鍵器件、核心算法和高端設(shè)備，為高性能、自動化、智能化的檢測設(shè)備開發(fā)和應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

（4）智能化

智能化是未來無損檢測技術(shù)和設(shè)備的應(yīng)用需求和發(fā)展趨勢，但是需要建立在標(biāo)準(zhǔn)化、自動化和自主化的基礎(chǔ)上。

 為了建立機(jī)器人自動化、全過程無人化和數(shù)據(jù)管理智能化的無損檢測技術(shù)與設(shè)備，需要針對具體被檢物，研究建立檢測物自動輸運、檢測參量自動設(shè)置與校準(zhǔn)、激勵/采集/掃描/成像自動控制、檢測結(jié)果自動分析與評定以及檢測數(shù)據(jù)自動管理等方面的各項技術(shù)與裝置，通過智能算法、檢測終端和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的集成，建立無損檢測全過程智能控制與信息管理技術(shù)設(shè)備。

 綜上，“工業(yè)4.0”和“中國制造2025”給無損檢測技術(shù)帶來了新的發(fā)展機(jī)遇，專用精量化、標(biāo)準(zhǔn)化、自動化、自主化和智能化是無損檢測技術(shù)與設(shè)備的發(fā)展方向。

 6  結(jié)論

(1) 在航空航天、高鐵、船舶、核能和石油天然氣等領(lǐng)域，為了滿足各類工業(yè)裝備的無損檢測需求，超聲相控陣技術(shù)、非接觸超聲技術(shù)、超聲導(dǎo)波技術(shù)、射線成像技術(shù)和機(jī)器人輔助檢測技術(shù)等得到廣泛研究和應(yīng)用，檢測控制新方法、成像新算法和新型的自動檢測設(shè)備發(fā)展迅速，無損檢測技術(shù)總體向著復(fù)雜結(jié)構(gòu)檢測、非接觸檢測、自動化檢測和原位快速檢測的方向發(fā)展。

 (2) 對于超聲相控陣技術(shù)，需要根據(jù)被檢物特征定制化研究控制算法、校正算法和專用自動檢測設(shè)備，通過定制化和機(jī)器自動化達(dá)到高檢出率、置信度和重復(fù)性；對于非接觸超聲技術(shù)，需要研究高效能、低成本的激勵與探測技術(shù)和裝置，使技術(shù)設(shè)備在檢測性能、可靠性和經(jīng)濟(jì)性間達(dá)到平衡。對于超聲導(dǎo)波技術(shù)，需要研究高頻導(dǎo)波激勵和模態(tài)控制方法，提高檢測分辨力。

 (3) 在聲學(xué)、射線、紅外、激光散斑和機(jī)器人輔助檢測技術(shù)等方面，在研究各技術(shù)的激勵與探測新方法、成像新算法和新器件與設(shè)備的同時，需要探索通過不同激勵、探測方法和成像算法的交叉融合產(chǎn)生的檢測新技術(shù)，以及新型的機(jī)器人輔助檢測技術(shù)，提高檢測技術(shù)與設(shè)備的性能、適用性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

 (4) “工業(yè)4.0”和“中國制造2025”給無損檢測技術(shù)帶來了新的發(fā)展機(jī)遇，為了實現(xiàn)工業(yè)裝備的智能化、高質(zhì)量制造和高可靠性應(yīng)用，需要研究發(fā)展專用精量化、標(biāo)準(zhǔn)化、自動化、自主化和智能化的無損檢測技術(shù)與設(shè)備。

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作者簡介：

周正干，男，1967年出生，博士，教授，博士研究生導(dǎo)師。主要研究方向為無損檢測與計算機(jī)測控技術(shù)。

E-mail: zzhenggan@buaa.edu.cn

孫廣開(通信作者)，男，1984年出生，博士，博士后。主要研究方向為無損檢測與計算機(jī)測控技術(shù)。

E-mail: guangkai.sun@buaa.edu.cn