無損檢測技術新進展——

第19屆世界無損檢測大會學術報告綜述（下）

周正干  孫廣開

北京航空航天大學 機械工程及自動化學院

4  應用發展方向和待解決問題

隨著材料科學和制造技術的發展，在航空航天、高鐵、船舶、核電和石油等領域，新材料、新結構、新工藝不斷出現并得到應用，裝備性能、制造質量和應用安全可靠性要求不斷提高，這給無損檢測技術提出了更多要求[87-89]，復雜結構檢測、非接觸檢測、自動化檢測和原位快速檢測是無損檢測技術的應用發展方向。以下簡要針對幾項典型技術進行淺要分析。

 （1）超聲相控陣檢測技術

超聲相控陣技術的核心是控制算法，通常采用的基于合成聲束偏轉、聚焦延時算法的超聲相控陣檢測方法和儀器已經標準化，近年來重點研究的基于全矩陣數據的超聲相控陣成像算法也已相對成熟，并開發出內置該算法的新型檢測儀器。目前超聲相控陣技術在飛行器復合材料構件檢測、復雜焊縫檢測、管道腐蝕檢測和大型板材檢測中已得到較為廣泛的應用。

但是，由于超聲相控陣技術的控制算法復雜度相對較高，針對特定工件的檢測方案設計和控制參量設置較為復雜，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置偏差而降低缺陷檢出率、量化準確度和重復一致性，同時基礎通用算法會因特定工件的結構型面或材料特性而產生各異性的檢測問題，進而從操作性和檢測性兩個方面限制該技術的應用推廣。

 基于以上因素分析，在合成聲束控制和全矩陣數據算法框架下，需要針對具體類型工件的結構、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償方法，建立與具體類型工件相適應的優化控制算法和專用檢測模塊，自動生成檢測方案并設置控制參量，實現檢測過程的自動化，使其缺陷檢出率、量化準確度和重復一致性等指標常態保持在標準規定量值范圍。

 在大型或復雜構件自動化檢測以及實時性要求高的應用方面，隨著超聲相控陣換能器陣元數量的增加和控制算法精度的提高，需要進一步研究基于GPU加速或FPGA等技術的控制算法高效運算處理方法，開發高性能儀器，降低檢測圖像重構耗時，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行嚴格的檢測性能和可靠性測試、改進，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和系統集成的板卡級控制器。

 （2）非接觸超聲檢測技術

激光超聲檢測技術和空氣耦合超聲檢測技術是目前主要研究的非接觸超聲檢測技術。從1963年WHITE提出激光超聲技術以來，該技術以其非接觸和高分辨力等特點受到無損檢測領域學者的廣泛關注。經過五十多年的研究發展，基于激光激勵和探測超聲體波的檢測技術與設備已經相對成熟，出現了LaserUT、LUIS、iPLUS等標準化的工業型激光超聲檢測設備，應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境振動等因素影響。

 受限于上述因素，現有激光超聲檢測設備需要采用精密、復雜并且使用和維護成本高昂的超聲激勵和探測裝置，以使其超聲激發效率和探測靈敏度達到工業檢測標準要求，而尚無法在檢測性能、可靠性和經濟性之間達到平衡，這是該項技術設備至今尚未得到廣泛應用的主要原因。

 目前，更高轉換效率的激光超聲熱彈激勵理論、控制方法和可靠、經濟的標準儀器設備，更高靈敏度、穩定性和魯棒性的激光探測裝置，以及更高適應性、可靠性和經濟性的設備關鍵儀器部件和整機集成方案是激光超聲檢測技術與設備的主要研究方向。

 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，以及相應的新型激光蘭姆波檢測設備是激光超聲技術研究的一個重要方向，需要在檢測理論和方法研究的基礎上建立適于應用的工藝方法和標準，推動技術設備的廣泛應用。

空氣耦合超聲檢測技術經過近二十年在新型換能器技術、信號處理技術、檢測方法、工業檢測系統以及工藝規范和標準等方面的不斷研究，已經在航空航天飛行器復合材料構件無損檢測等方面得到應用。

 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，目前常用的空氣耦合超聲換能器頻率在1MHz以內，并需要采用多周期調制脈沖串作為激勵信號以提高超聲信號幅度，這導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件檢測信號的信噪比，需要研究具有更優氣固界面匹配性和更高分辨力的新型換能器技術和專用信號處理技術。

 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件和應用環境并不適用，例如飛機原位檢測時蜂窩夾芯復合材料構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，研究同側布置空氣耦合超聲換能器的檢測方法。

 （3）超聲導波檢測技術

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

 為使超聲導波檢測技術具有更高缺陷分辨力和量化表征準確度，需要研究高頻超聲導波信號激勵方法和模態控制方法，提取高頻單模超聲導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波信號的缺陷定位、定量表征方法。

 對于復合材料缺陷的超聲導波檢測，材料的各向異性性質會影響超聲導波的模態類型、頻散特性和傳播性質，需要研究與材料性質相應的導波檢測參量選取、校正與補償方法，提高缺陷表征準確度。

 （4）射線、太赫茲檢測技術

射線檢測作為一種常規無損檢測技術已廣泛應用于各工業領域，在各類材料和結構高精度成像檢測中發揮著重要作用。近年來，隨著大型復雜構件類型和數量的增加，非接觸檢測需求的增加以及機器人輔助檢測技術的發展，基于關節型機器人的射線成像檢測系統以其更高的靈活性和型面適應性受到關注，在大型復雜構件的非接觸、高精度自動掃描檢測方面優勢明顯。同時，已開發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，應用前景廣闊。

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

 （5）紅外熱像、激光散斑檢測技術

紅外熱成像技術和激光散斑技術具有全場測量、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用前景。目前，商業化的紅外、激光散斑檢測設備產品已在飛機復合材料構件外場檢測等方面得到應用。

 為了提高不同類型構件（如：復合材料蜂窩、金屬蜂窩夾芯構件）的可檢測深度和缺陷定位、定量準確度，需要進一步研究新型的激勵技術、圖像處理技術和更高性能的探測儀器。

 （6）機器人輔助檢測技術

在大型結構自動化檢測方面，超聲、射線等檢測技術需要利用機械裝置帶動激勵、探測裝置或構件運動進行掃描成像檢測。近年來，隨著機器人技術的快速發展和應用，工業用超聲、射線和紅外等檢測設備逐漸采用標準的關節型機器人作為仿形掃描檢測的定位機構或掃描執行機構（如圖3、圖5、圖11、圖13），這種方式在大型復雜構件檢測方面和一些應用場合下具有更好的靈活性、可控制、型面適應性和更高的可靠性、更低的成本，更易于根據構件型面特征進行自動仿形掃描檢測。

 但是，關節型機器人的重復定位精度和掃描效率低于由精密直線單元構成的掃描裝置，通常需要將關節型機器人與直線單元構成的掃描裝置或其他類型的二維掃描裝置（如：光學掃描裝置）組合應用，以滿足掃描定位精度和檢測效率要求。

 （7）技術方法的交叉、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、可靠性和經濟性是無損檢測技術研究的重要方向。以下簡要分析兩項通過不同技術交叉融合形成的檢測技術方法。激光超聲、空氣耦合超聲與機器人技術的交叉融合。

 通過將激光超聲技術與空氣耦合超聲技術結合起來，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，并利用關節機器人進行仿形掃描檢測，有望在非接觸超聲檢測性能、適應性、可靠性和經濟性方面達到新的平衡。

 聲共振技術與紅外、激光散斑技術的交叉融合。通過將聲共振技術與紅外熱成像和激光散斑成像技術結合起來，利用超聲振動激勵結構缺陷共振產生“倍增”熱幅度和形變量，利用紅外和激光散斑技術分別探測熱和形變進而重建缺陷圖像，有望進一步擴展紅外和激光散斑技術的適用范圍，提高部分材料和結構缺陷的檢測性能。

 5  未來發展的新機遇

“工業4.0”和“中國制造2025”給無損檢測技術的研究和應用提出了更高要求[89]，也帶來了發展的新機遇。為了滿足工業裝備智能化、高質量制造和高可靠性應用的檢驗檢測需求，無損檢測技術與設備向著專用精量化、機器人自動化、全過程無人化和數據管理智能化的方向發展。

 （1）專用化、精量化、標準化

自動化檢測的前提是檢測工藝方法和設備的專用化、精量化和標準化。

為了滿足各類工業裝備高質量制造和高可靠性應用的檢測技術設備需求，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標準，建立與特定材料結構全生命周期檢測要求相適應的專用檢測工藝標準和設備，實現各類缺陷的精量化檢測和工藝參量、過程與設備的標準化，使專用技術設備具有高檢出率和置信度。

（2）自動化

智能化檢測的基礎是無損檢測與結果評定全過程的自動化。為了實現各類被檢物的高效能自動化檢測，需要根據相應檢測工藝和標準，應用機器人技術，開發自動化的檢測設備，實現檢測參量設置、激勵控制、探測控制、掃描成像控制、數據管理和檢測結果分析與評定過程的自動化。

 （3）自主化

關鍵器件、核心算法和高端設備的自主化是實現無損檢測技術設備智能化的關鍵要素。面對“中國制造2025”，目前國內在檢測新技術相關的關鍵器件和高端設備上依賴進口，部分自主集成建立的檢測設備的性能也取決于國外器件性能，在可設計性、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、新方法的開發應用上受制于人，國外成套檢測設備或者封鎖禁運、或者成本高昂，這已成為制約中國無損檢測技術向著自動化、智能化方向發展的一個主要因素。

 為了更好地滿足國內無損檢測技術設備的應用需求，推動未來的研究、應用和發展，需要研究建立自主化的關鍵器件、核心算法和高端設備，為高性能、自動化、智能化的檢測設備開發和應用提供技術支撐。

（4）智能化

智能化是未來無損檢測技術和設備的應用需求和發展趨勢，但是需要建立在標準化、自動化和自主化的基礎上。

 為了建立機器人自動化、全過程無人化和數據管理智能化的無損檢測技術與設備，需要針對具體被檢物，研究建立檢測物自動輸運、檢測參量自動設置與校準、激勵/采集/掃描/成像自動控制、檢測結果自動分析與評定以及檢測數據自動管理等方面的各項技術與裝置，通過智能算法、檢測終端和網絡技術的集成，建立無損檢測全過程智能控制與信息管理技術設備。

 綜上，“工業4.0”和“中國制造2025”給無損檢測技術帶來了新的發展機遇，專用精量化、標準化、自動化、自主化和智能化是無損檢測技術與設備的發展方向。

 6  結論

(1) 在航空航天、高鐵、船舶、核能和石油天然氣等領域，為了滿足各類工業裝備的無損檢測需求，超聲相控陣技術、非接觸超聲技術、超聲導波技術、射線成像技術和機器人輔助檢測技術等得到廣泛研究和應用，檢測控制新方法、成像新算法和新型的自動檢測設備發展迅速，無損檢測技術總體向著復雜結構檢測、非接觸檢測、自動化檢測和原位快速檢測的方向發展。

 (2) 對于超聲相控陣技術，需要根據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備，通過定制化和機器自動化達到高檢出率、置信度和重復性；對于非接觸超聲技術，需要研究高效能、低成本的激勵與探測技術和裝置，使技術設備在檢測性能、可靠性和經濟性間達到平衡。對于超聲導波技術，需要研究高頻導波激勵和模態控制方法，提高檢測分辨力。

 (3) 在聲學、射線、紅外、激光散斑和機器人輔助檢測技術等方面，在研究各技術的激勵與探測新方法、成像新算法和新器件與設備的同時，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生的檢測新技術，以及新型的機器人輔助檢測技術，提高檢測技術與設備的性能、適用性、可靠性和經濟性。

 (4) “工業4.0”和“中國制造2025”給無損檢測技術帶來了新的發展機遇，為了實現工業裝備的智能化、高質量制造和高可靠性應用，需要研究發展專用精量化、標準化、自動化、自主化和智能化的無損檢測技術與設備。

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作者簡介：

周正干，男，1967年出生，博士，教授，博士研究生導師。主要研究方向為無損檢測與計算機測控技術。

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測控技術。

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