無損檢測(cè)技術(shù)新進(jìn)展——

第19屆世界無損檢測(cè)大會(huì)學(xué)術(shù)報(bào)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(dòng)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(cè)技術(shù)提出了更多要求[87-89]，復(fù)雜結(jié)構(gòu)檢測(cè)、非接觸檢測(cè)、自動(dòng)化檢測(cè)和原位快速檢測(cè)是無損檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展方向。以下簡要針對(duì)幾項(xiàng)典型技術(shù)進(jìn)行淺要分析。

 （1）超聲相控陣檢測(cè)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(shí)算法的超聲相控陣檢測(cè)方法和儀器已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，近年來重點(diǎn)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(duì)成熟，并開發(fā)出內(nèi)置該算法的新型檢測(cè)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(cè)、復(fù)雜焊縫檢測(cè)、管道腐蝕檢測(cè)和大型板材檢測(cè)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(duì)較高，針對(duì)特定工件的檢測(cè)方案設(shè)計(jì)和控制參量設(shè)置較為復(fù)雜，這對(duì)一般檢測(cè)人員提出了更高的要求，并可能因?yàn)闄z測(cè)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(shí)基礎(chǔ)通用算法會(huì)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(cè)問題，進(jìn)而從操作性和檢測(cè)性兩個(gè)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(duì)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(cè)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(cè)模塊，自動(dòng)生成檢測(cè)方案并設(shè)置控制參量，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)過程的自動(dòng)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(dòng)化檢測(cè)以及實(shí)時(shí)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(yùn)算處理方法，開發(fā)高性能儀器，降低檢測(cè)圖像重構(gòu)耗時(shí)，提高超聲相控陣自動(dòng)掃描檢測(cè)效率和實(shí)時(shí)成像性能。而新型的高性能儀器需要進(jìn)行嚴(yán)格的檢測(cè)性能和可靠性測(cè)試、改進(jìn)，使其具有良好的檢測(cè)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(jí)控制器。

 （2）非接觸超聲檢測(cè)技術(shù)

激光超聲檢測(cè)技術(shù)和空氣耦合超聲檢測(cè)技術(shù)是目前主要研究的非接觸超聲檢測(cè)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(diǎn)受到無損檢測(cè)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(lì)和探測(cè)超聲體波的檢測(cè)技術(shù)與設(shè)備已經(jīng)相對(duì)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(cè)設(shè)備，應(yīng)用于各種航空航天飛行器零部件的無損檢測(cè)以及石油電力壓力容器的在線檢測(cè)。

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

 受限于上述因素，現(xiàn)有激光超聲檢測(cè)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(lì)和探測(cè)裝置，以使其超聲激發(fā)效率和探測(cè)靈敏度達(dá)到工業(yè)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)要求，而尚無法在檢測(cè)性能、可靠性和經(jīng)濟(jì)性之間達(dá)到平衡，這是該項(xiàng)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(lì)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(cè)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(cè)技術(shù)與設(shè)備的主要研究方向。

 同時(shí)，基于激光蘭姆波方法的材料性能測(cè)量和缺陷檢測(cè)與成像技術(shù)，以及相應(yīng)的新型激光蘭姆波檢測(cè)設(shè)備是激光超聲技術(shù)研究的一個(gè)重要方向，需要在檢測(cè)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(dòng)技術(shù)設(shè)備的廣泛應(yīng)用。

空氣耦合超聲檢測(cè)技術(shù)經(jīng)過近二十年在新型換能器技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、檢測(cè)方法、工業(yè)檢測(cè)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(cè)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(lì)信號(hào)以提高超聲信號(hào)幅度，這導(dǎo)致檢測(cè)超聲信號(hào)具有較長的波長和較大的焦斑尺寸，檢測(cè)的橫向和縱向分辨力較低，主要采用穿透法檢測(cè)。

 為了提高空氣耦合超聲檢測(cè)的橫向、縱向分辨力和大壁厚構(gòu)件檢測(cè)信號(hào)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(hào)處理技術(shù)。

 同時(shí)，由于穿透法的檢測(cè)原理和換能器布置方式對(duì)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(cè)時(shí)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(cè)，需要利用脈沖反射法、蘭姆波法和聲共振法等方法的檢測(cè)原理，研究同側(cè)布置空氣耦合超聲換能器的檢測(cè)方法。

 （3）超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)

超聲導(dǎo)波檢測(cè)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(cè)，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(lì)超聲信號(hào)，這導(dǎo)致超聲導(dǎo)波檢測(cè)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(cè)與評(píng)估。

 為使超聲導(dǎo)波檢測(cè)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(hào)激勵(lì)方法和模態(tài)控制方法，提取高頻單模超聲導(dǎo)波信號(hào)并控制聲束指向性和聚焦位置，提高檢測(cè)分辨力，同時(shí)研究基于高頻單模導(dǎo)波信號(hào)的缺陷定位、定量表征方法。

 對(duì)于復(fù)合材料缺陷的超聲導(dǎo)波檢測(cè)，材料的各向異性性質(zhì)會(huì)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(cè)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(cè)技術(shù)

射線檢測(cè)作為一種常規(guī)無損檢測(cè)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(cè)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(cè)需求的增加以及機(jī)器人輔助檢測(cè)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(cè)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(dòng)掃描檢測(cè)方面優(yōu)勢(shì)明顯。同時(shí)，已開發(fā)出便攜式的小型射線檢測(cè)儀，適用于各類裝備的原位快速成像檢測(cè)，應(yīng)用前景廣闊。

 太赫茲檢測(cè)技術(shù)具有非接觸的特點(diǎn)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(cè)，具有良好的應(yīng)用前景。而高性能太赫茲源、檢測(cè)器、檢測(cè)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(dòng)該項(xiàng)技術(shù)設(shè)備的廣泛應(yīng)用。

 （5）紅外熱像、激光散斑檢測(cè)技術(shù)

紅外熱成像技術(shù)和激光散斑技術(shù)具有全場(chǎng)測(cè)量、高靈敏度和高效率等特點(diǎn)，在各類裝備的原位快速檢測(cè)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(cè)設(shè)備產(chǎn)品已在飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件外場(chǎng)檢測(cè)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(cè)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(lì)技術(shù)、圖像處理技術(shù)和更高性能的探測(cè)儀器。

 （6）機(jī)器人輔助檢測(cè)技術(shù)

在大型結(jié)構(gòu)自動(dòng)化檢測(cè)方面，超聲、射線等檢測(cè)技術(shù)需要利用機(jī)械裝置帶動(dòng)激勵(lì)、探測(cè)裝置或構(gòu)件運(yùn)動(dòng)進(jìn)行掃描成像檢測(cè)。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(cè)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(cè)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(cè)方面和一些應(yīng)用場(chǎng)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(dòng)仿形掃描檢測(cè)。

 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(cè)效率要求。

 （7）技術(shù)方法的交叉、融合通過不同激勵(lì)、探測(cè)方法和缺陷表征與成像方法的交叉融合，提高檢測(cè)方法的性能、適用性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性是無損檢測(cè)技術(shù)研究的重要方向。以下簡要分析兩項(xiàng)通過不同技術(shù)交叉融合形成的檢測(cè)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(lì)超聲波，空氣耦合超聲換能器探測(cè)超聲波，并利用關(guān)節(jié)機(jī)器人進(jìn)行仿形掃描檢測(cè)，有望在非接觸超聲檢測(cè)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(dòng)激勵(lì)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(cè)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(cè)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(cè)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(yàn)檢測(cè)需求，無損檢測(cè)技術(shù)與設(shè)備向著專用精量化、機(jī)器人自動(dòng)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(dòng)化檢測(cè)的前提是檢測(cè)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(cè)技術(shù)設(shè)備需求，需要針對(duì)具體被檢物定制化研究專用檢測(cè)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(cè)要求相適應(yīng)的專用檢測(cè)工藝標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)備，實(shí)現(xiàn)各類缺陷的精量化檢測(cè)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(dòng)化

智能化檢測(cè)的基礎(chǔ)是無損檢測(cè)與結(jié)果評(píng)定全過程的自動(dòng)化。為了實(shí)現(xiàn)各類被檢物的高效能自動(dòng)化檢測(cè)，需要根據(jù)相應(yīng)檢測(cè)工藝和標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用機(jī)器人技術(shù)，開發(fā)自動(dòng)化的檢測(cè)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)參量設(shè)置、激勵(lì)控制、探測(cè)控制、掃描成像控制、數(shù)據(jù)管理和檢測(cè)結(jié)果分析與評(píng)定過程的自動(dòng)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(shí)現(xiàn)無損檢測(cè)技術(shù)設(shè)備智能化的關(guān)鍵要素。面對(duì)“中國制造2025”，目前國內(nèi)在檢測(cè)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(cè)設(shè)備的性能也取決于國外器件性能，在可設(shè)計(jì)性、可集成性、檢測(cè)性能和自動(dòng)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(cè)設(shè)備或者封鎖禁運(yùn)、或者成本高昂，這已成為制約中國無損檢測(cè)技術(shù)向著自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展的一個(gè)主要因素。

 為了更好地滿足國內(nèi)無損檢測(cè)技術(shù)設(shè)備的應(yīng)用需求，推動(dòng)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(dòng)化、智能化的檢測(cè)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(cè)技術(shù)和設(shè)備的應(yīng)用需求和發(fā)展趨勢(shì)，但是需要建立在標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化和自主化的基礎(chǔ)上。

 為了建立機(jī)器人自動(dòng)化、全過程無人化和數(shù)據(jù)管理智能化的無損檢測(cè)技術(shù)與設(shè)備，需要針對(duì)具體被檢物，研究建立檢測(cè)物自動(dòng)輸運(yùn)、檢測(cè)參量自動(dòng)設(shè)置與校準(zhǔn)、激勵(lì)/采集/掃描/成像自動(dòng)控制、檢測(cè)結(jié)果自動(dòng)分析與評(píng)定以及檢測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)管理等方面的各項(xiàng)技術(shù)與裝置，通過智能算法、檢測(cè)終端和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的集成，建立無損檢測(cè)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(cè)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(dòng)化、自主化和智能化是無損檢測(cè)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(cè)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(cè)技術(shù)等得到廣泛研究和應(yīng)用，檢測(cè)控制新方法、成像新算法和新型的自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備發(fā)展迅速，無損檢測(cè)技術(shù)總體向著復(fù)雜結(jié)構(gòu)檢測(cè)、非接觸檢測(cè)、自動(dòng)化檢測(cè)和原位快速檢測(cè)的方向發(fā)展。

 (2) 對(duì)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(dòng)檢測(cè)設(shè)備，通過定制化和機(jī)器自動(dòng)化達(dá)到高檢出率、置信度和重復(fù)性；對(duì)于非接觸超聲技術(shù)，需要研究高效能、低成本的激勵(lì)與探測(cè)技術(shù)和裝置，使技術(shù)設(shè)備在檢測(cè)性能、可靠性和經(jīng)濟(jì)性間達(dá)到平衡。對(duì)于超聲導(dǎo)波技術(shù)，需要研究高頻導(dǎo)波激勵(lì)和模態(tài)控制方法，提高檢測(cè)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(cè)技術(shù)等方面，在研究各技術(shù)的激勵(lì)與探測(cè)新方法、成像新算法和新器件與設(shè)備的同時(shí)，需要探索通過不同激勵(lì)、探測(cè)方法和成像算法的交叉融合產(chǎn)生的檢測(cè)新技術(shù)，以及新型的機(jī)器人輔助檢測(cè)技術(shù)，提高檢測(cè)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(cè)技術(shù)帶來了新的發(fā)展機(jī)遇，為了實(shí)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(dòng)化、自主化和智能化的無損檢測(cè)技術(shù)與設(shè)備。

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     JIN yufei.Industry 4.0 and nondestructive testing of china[J]. NDT, 2016, 38(5): 58-62.

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?yàn)闊o損檢測(cè)與計(jì)算機(jī)測(cè)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?yàn)闊o損檢測(cè)與計(jì)算機(jī)測(cè)控技術(shù)。

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