在復(fù)合材料構(gòu)件的無(wú)損檢測(cè)方面，德國(guó)的STEINHAUSEN等[48]提出了一種新型的環(huán)形陣列空氣耦合超聲換能器（如圖15），單個(gè)換能器可輸出三路超聲信號(hào)，通過(guò)對(duì)三路信號(hào)進(jìn)行相位校正處理顯著提高了空氣耦合超聲檢測(cè)的縱向分辨力，得到了蜂窩夾芯復(fù)合材料構(gòu)件脫粘的高分辨C掃描圖（如圖16）；并提出一種基于雙換能器同側(cè)傾斜對(duì)稱接收和雙路信號(hào)差分處理的空氣耦合超聲檢測(cè)方法（如圖17），為基于空氣耦合超聲技術(shù)的同側(cè)檢測(cè)提供了新方法。

圖15  環(huán)形陣列空氣耦合超聲換能器

圖16  蜂窩夾芯復(fù)合材料構(gòu)件脫粘的空氣耦合超聲檢測(cè)

日本的KOSUKEGAWA等[49]報(bào)道了利用相對(duì)低頻差分渦流探頭檢測(cè)碳纖維復(fù)合材料表層各層纖維分布方向的方法。該方法采用小于10MHz的差分渦流探頭對(duì)復(fù)合材料構(gòu)件進(jìn)行C型掃描成像，根據(jù)C型圖渦流分布特征表征表層各層纖維的實(shí)際分布方向。與高頻渦流探測(cè)方法相比，該方法具有更高信噪比和檢測(cè)精度，并簡(jiǎn)化了檢測(cè)設(shè)備，降低了技術(shù)和設(shè)備復(fù)雜度。

圖17  基于信號(hào)差分處理的空氣耦合超聲同側(cè)檢測(cè)方法

2.2  焊接結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)

在焊接結(jié)構(gòu)檢測(cè)方面，加拿大的LAMARRE等[50]報(bào)道了基于雙線陣（DLA，Dual Linear Arrays）和雙矩陣換能器（DMA，Dual Matrix Arrays）的管道耐腐蝕合金焊縫超聲相控陣檢測(cè)方法。該方法采用并行布置的兩個(gè)線陣或矩陣超聲相控陣換能器對(duì)焊縫結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描成像（如圖18），其中一個(gè)換能器發(fā)射超聲波并控制聲束聚焦和偏轉(zhuǎn)，另一個(gè)換能器接收超聲反射信號(hào)，這種方式能夠在焊縫區(qū)域產(chǎn)生更高超聲能量、提高超聲反射信號(hào)的信噪比，并去除單換能器發(fā)射接收時(shí)聲波通過(guò)楔塊傳播導(dǎo)致的檢測(cè)盲區(qū)。

法國(guó)的DUPONT等[51]報(bào)道了利用超聲相控陣技術(shù)檢測(cè)各向異性材料焊縫結(jié)構(gòu)的扇形掃描角度與聲速校正方法，顯著提高了各向異性材料焊縫缺陷的檢出率和定位準(zhǔn)確度。瑞典的RUNNEMALM等[52]報(bào)道了一種用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)焊接零件焊縫結(jié)構(gòu)表層缺陷檢測(cè)的主動(dòng)紅外熱成像方法。

該方法采用連續(xù)激光線源作為激勵(lì)源在焊縫結(jié)構(gòu)表面定向產(chǎn)生熱流分布，采用紅外熱像儀得到熱分布圖像表征表層裂紋等缺陷，并利用六軸關(guān)節(jié)型機(jī)器人作為檢測(cè)裝置的空間定位機(jī)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)零件全   部焊接區(qū)域的自動(dòng)檢測(cè)（如圖19）。

圖18  基于DLA和DMA的超聲相控陣焊縫檢測(cè)

圖19  基于激光激勵(lì)和紅外探測(cè)的發(fā)動(dòng)機(jī)零部件焊縫檢測(cè)

2.3  粘接結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)

在粘接結(jié)構(gòu)檢測(cè)方面，法國(guó)的SIRYABE等[53]報(bào)道了鋁-環(huán)氧-鋁粘接結(jié)構(gòu)界面粘接質(zhì)量的超聲檢測(cè)方法，該方法通過(guò)測(cè)量粘接結(jié)構(gòu)中不同角度入射聲波的透射系數(shù)反演環(huán)氧粘接層的彈性模量，根據(jù)環(huán)氧粘接層彈性模量的各向異性畸變特征表征層間界面粘接狀態(tài)的變化進(jìn)而檢測(cè)粘接質(zhì)量。

GAUTHIER等[54]報(bào)道了利用超聲蘭姆波特定頻率波數(shù)偏移和聲波模式幅度衰減表征鋁-環(huán)氧粘接界面不同粘接狀態(tài)的方法；TAUPIN等[55]報(bào)道了利用超聲漏蘭姆波相速度譜和波數(shù)譜特征變化表征鈦-復(fù)合材料粘接結(jié)構(gòu)微米級(jí)粘結(jié)層厚度的方法；

ECAULT等[56]報(bào)道了一種基于激光沖擊波的復(fù)合材料粘接質(zhì)量檢測(cè)方法（LASAT，Laser Shock Adhesion Test），該方法利用高功率密度脈沖激光在材料表面產(chǎn)生熔蝕效應(yīng)形成沖擊波，根據(jù)激光沖擊波與粘接界面應(yīng)力作用導(dǎo)致的界面損傷狀態(tài)及與不同粘接性質(zhì)相應(yīng)的損傷閾值表征原始界面粘接質(zhì)量，基于損傷增量原理該方法可用于檢測(cè)弱粘接缺陷。

美國(guó)的STAIR等[57]報(bào)道了利用單晶壓電超聲技術(shù)和超聲相控陣技術(shù)通過(guò)粘接界面反射信號(hào)幅度和渡越時(shí)間變化表征碳纖維復(fù)合材料-鋁材粘接結(jié)構(gòu)脫粘的方法。

2.4  結(jié)構(gòu)腐蝕檢測(cè)技術(shù)

在結(jié)構(gòu)腐蝕檢測(cè)方面，加拿大的TURCOTTE等[58]報(bào)道了基于超聲相控陣和3D掃描技術(shù)的結(jié)構(gòu)腐蝕檢測(cè)方法（如圖20）。該方法采用3D掃描技術(shù)得到結(jié)構(gòu)三維型面特征，并采用超聲相控陣技術(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行超聲掃描成像，將超聲掃描數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)型面數(shù)據(jù)結(jié)合得到表征結(jié)構(gòu)內(nèi)部腐蝕缺陷的三維圖。

法國(guó)的LEBER等[59]報(bào)道了基于全聚焦算法的結(jié)構(gòu)腐蝕超聲相控陣檢測(cè)方法，該方法能夠減小腐蝕缺陷的檢測(cè)盲區(qū)，提高檢測(cè)分辨力，并更適合表征腐蝕型缺陷的復(fù)雜型面特征；ROY等[60]報(bào)道了利用自適應(yīng)全聚焦超聲相控陣技術(shù)檢測(cè)近焊縫區(qū)腐蝕性缺陷的方法，該方法能夠自動(dòng)測(cè)量計(jì)算結(jié)構(gòu)型面特征并校正檢測(cè)參量，進(jìn)而適應(yīng)復(fù)雜焊縫結(jié)構(gòu)特征，表征近焊縫區(qū)的腐蝕缺陷。

圖20  結(jié)構(gòu)腐蝕缺陷超聲相控陣三維成像檢測(cè)

3  無(wú)損檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用研究的新進(jìn)展

3.1  飛機(jī)結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)

在飛機(jī)結(jié)構(gòu)部件檢測(cè)方面，法國(guó)空客的GUIBERT等[61]報(bào)道了自主研制的超聲、渦流檢測(cè)儀器在空客飛機(jī)結(jié)構(gòu)零部件無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用，主要包括：基于超聲相控陣技術(shù)的自動(dòng)定量檢測(cè)儀器應(yīng)用于飛機(jī)復(fù)合材料沖擊損傷檢測(cè)，該儀器內(nèi)置自動(dòng)參數(shù)設(shè)置和缺陷定量算法而無(wú)需操作人員具備專業(yè)技能（如圖21）；基于超聲相控陣和3D跟蹤技術(shù)的檢測(cè)儀器應(yīng)用于飛機(jī)曲面結(jié)構(gòu)檢測(cè)，具有更高掃描效率和檢測(cè)可靠性；基于渦流技術(shù)的自動(dòng)檢測(cè)儀器應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)防腐保護(hù)層檢測(cè)，該儀器自動(dòng)設(shè)置檢測(cè)參數(shù)，操作步驟簡(jiǎn)單，無(wú)需操作人員具備專業(yè)技能（如圖22）。

BARUT等[62]報(bào)道了自主研制的無(wú)損檢測(cè)自動(dòng)診斷程序工具包在空客飛機(jī)構(gòu)件超聲檢測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)分析和缺陷自動(dòng)識(shí)別與定征中的應(yīng)用，該套工具實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)結(jié)構(gòu)零部件的自動(dòng)化檢測(cè)數(shù)據(jù)分析和缺陷評(píng)定，顯著提高了飛機(jī)零件檢測(cè)效率、縮短了生產(chǎn)周期。

圖21  基于超聲相控陣技術(shù)的自動(dòng)定量檢測(cè)儀器及其應(yīng)用

圖22  渦流自動(dòng)檢測(cè)儀器應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)防腐保護(hù)層檢測(cè)

德國(guó)的FRACKOWIAK等[63]報(bào)道了兆赫茲脈沖渦流紅外熱成像技術(shù)在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片檢測(cè)中的應(yīng)用，利用該技術(shù)可分別對(duì)葉片涂層的裂紋、剝落、分層和基體結(jié)構(gòu)裂紋等多種缺陷進(jìn)行高分辨力的成像檢測(cè)（如圖23）；BULLINGER等[64]報(bào)道了空客采用射線層析成像技術(shù)檢測(cè)飛機(jī)大型復(fù)合材料構(gòu)件弧形、拐角部位缺陷的應(yīng)用案例（如圖24），此類部位采用超聲技術(shù)難以檢測(cè)。

圖23  兆赫子脈沖紅外熱成像技術(shù)應(yīng)用于渦輪葉片檢測(cè)

圖24  射線層析成像技術(shù)應(yīng)用于飛機(jī)大型復(fù)材構(gòu)件檢測(cè)

澳大利亞的HENKEL等[65]報(bào)道了AMAG rolling在2005年至2015年期間采用大型水浸超聲相控陣C掃描系統(tǒng)快速檢測(cè)大尺寸鋁板結(jié)構(gòu)的應(yīng)用情況，AMAG rolling向世界各主要飛機(jī)制造商供應(yīng)鋁板結(jié)構(gòu)用于飛機(jī)零部件制造，是世界上首個(gè)應(yīng)用超聲相控陣C掃描系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)之一，并于2015年安裝了新型的超聲相控陣系統(tǒng)（如圖25）以進(jìn)一步提高產(chǎn)量和生產(chǎn)效率。

圖25  水浸超聲相控陣C掃描系統(tǒng)應(yīng)用于大尺寸鋁板檢測(cè)

烏克蘭的UCHANIN等[66]通過(guò)分析飛機(jī)結(jié)構(gòu)鋁合金零部件老化降質(zhì)導(dǎo)致的機(jī)械性能參量變化及其與渦流電導(dǎo)率間的量化關(guān)系，提出了基于渦流電導(dǎo)率測(cè)量方法和儀器的鋁合金零件降質(zhì)檢測(cè)方法，并應(yīng)用于老舊飛機(jī)結(jié)構(gòu)鋁合金零件老化降質(zhì)機(jī)械性能的無(wú)損檢測(cè)與監(jiān)測(cè)評(píng)估。

波蘭的WACHLACZENKO等[67]報(bào)道了一種非接觸葉片振動(dòng)測(cè)量方法（TTM，Tip Timing Method）在發(fā)動(dòng)機(jī)葉片無(wú)損檢測(cè)與結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，并已通過(guò)二十多年的應(yīng)用實(shí)踐驗(yàn)證了該方法在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片疲勞裂紋檢測(cè)與監(jiān)測(cè)方面的有效性。

3.2  核能結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)

在核能結(jié)構(gòu)檢測(cè)方面，德國(guó)的SCHMITTE等[68]報(bào)道了一種用于核廢料儲(chǔ)存罐快速自動(dòng)檢測(cè)的大型超聲相控陣檢測(cè)設(shè)備（如圖26）。

該設(shè)備采用7臺(tái)128通道相控陣儀器同時(shí)控制13個(gè)超聲相控陣換能器，激勵(lì)、接收不同聚焦深度和偏轉(zhuǎn)角度的橫波和縱波進(jìn)行扇形掃描成像，利用門式掃描機(jī)構(gòu)帶動(dòng)相控陣換能器組在儲(chǔ)存罐表面沿軸向運(yùn)動(dòng)并由旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)儲(chǔ)存罐作周向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)核廢料儲(chǔ)存罐整體結(jié)構(gòu)的自動(dòng)掃描檢測(cè)。

PAVLOVIC等[69]以缺陷檢出率（POD，Probability of detection）作為指示參量分析了應(yīng)用超聲相控陣技術(shù)檢測(cè)核燃料儲(chǔ)存罐銅質(zhì)殼體的可靠性，提出除缺陷幾何特征外，材料的細(xì)觀顆粒尺寸和缺陷表面特征等參量也會(huì)顯著影響POD指標(biāo)，需要進(jìn)一步分析各相關(guān)參量對(duì)POD指標(biāo)的影響，建立包含全部影響參量的POD計(jì)算與評(píng)估模型。

法國(guó)的DOBIGNY等[70]報(bào)道了一種基于柔性矩陣超聲換能器和關(guān)節(jié)機(jī)器人技術(shù)的自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備（如圖27），該設(shè)備利用柔性換能器的型面適應(yīng)性和超聲相控陣技術(shù)的聲束可控性能夠?qū)崿F(xiàn)核設(shè)施大型復(fù)雜構(gòu)件的自動(dòng)掃描檢測(cè)。

圖26  核廢料儲(chǔ)存罐大型超聲相控陣自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備

圖27  基于柔性矩陣超聲換能器的自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備

3.3  鐵路檢測(cè)技術(shù)

在鐵道檢測(cè)方面，中國(guó)的PENG等[71]報(bào)道了超聲相控陣技術(shù)在高鐵車軸檢測(cè)中的應(yīng)用，提出一種車軸結(jié)構(gòu)界面回波各向異性擴(kuò)散校正算法，顯著提高了車軸結(jié)構(gòu)缺陷檢出率和檢測(cè)效率。

美國(guó)的DESAI等[72]報(bào)道了超聲相控陣技術(shù)在高鐵車輪結(jié)構(gòu)表層和內(nèi)部缺陷檢測(cè)中的應(yīng)用。德國(guó)的BETHKE等[73]報(bào)道了一種應(yīng)用于鐵路車軸在役檢測(cè)的超聲相控陣檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)車軸結(jié)構(gòu)在不拆解條件下的快速檢測(cè)，顯著縮短了檢測(cè)時(shí)間，維護(hù)周期更短、成本更低。

KNAM等[74]報(bào)道了一種應(yīng)用于鐵路車輪制造過(guò)程檢測(cè)的超聲自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)（如圖28），該系統(tǒng)采用超聲相控陣技術(shù)檢測(cè)車輪邊沿和輪轂部位，采用常規(guī)噴水超聲技術(shù)和雙臂關(guān)節(jié)機(jī)器人對(duì)車輪其他部位進(jìn)行掃描成像檢測(cè)。

德國(guó)的VO?LZ、西班牙的GAUNA和中國(guó)的GAO等[75-77]報(bào)道了基于不同角度、類型超聲換能器的高鐵空心車軸多通道超聲自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)及其應(yīng)用。

圖28  鐵路車輪制造過(guò)程超聲自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)

3.4  管道檢測(cè)技術(shù)

在管道檢測(cè)方面，俄羅斯的ARTEMYEV等[78]報(bào)道了一種應(yīng)用于帶有內(nèi)部減阻覆蓋層的金屬管道的非接觸漏磁檢測(cè)設(shè)備（如圖29）。該設(shè)備采用低硬度的聚氨酯板將漏磁檢測(cè)裝置與管內(nèi)減阻覆蓋層隔離以避免損傷覆蓋層，并采用輪式車帶動(dòng)環(huán)形布置的漏磁檢測(cè)裝置沿管道軸向運(yùn)動(dòng)檢測(cè)管壁腐蝕和焊縫裂紋等缺陷。

法國(guó)的PIRON等[79]報(bào)道了3D激光掃描成像儀在管道外壁腐蝕和機(jī)械損傷三維可視化成像檢測(cè)中的應(yīng)用（如圖30），實(shí)現(xiàn)了管道外壁結(jié)構(gòu)的自動(dòng)化檢測(cè)并顯著提高了檢測(cè)效率。

圖29  用于帶減阻覆蓋層金屬管道的非接觸漏磁檢測(cè)設(shè)備

圖30  基于3D激光掃描成像儀的管道外壁檢測(cè)

3.5  土木工程結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)

在土木工程結(jié)構(gòu)檢測(cè)方面，日本的YAGI等[80]報(bào)道了超聲相控陣技術(shù)在金屬橋梁板面和焊縫疲勞裂紋缺陷檢測(cè)中的應(yīng)用；SUGIMOTO等[81]報(bào)道了一種用于混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部裂紋和孔洞等缺陷檢測(cè)的非接觸聲學(xué)檢測(cè)方法，該方法采用由3200個(gè)頻率40.35kHz超聲單元構(gòu)成的大功率聲源遠(yuǎn)距離發(fā)射聲波，采用激光測(cè)振儀遠(yuǎn)距離探測(cè)聲信號(hào)，根據(jù)探測(cè)聲波信號(hào)的振動(dòng)速度譜表征缺陷。

瑞士的CORBETT等[82]報(bào)道了基于干式耦合多通道換能器的脈沖反射式超聲檢測(cè)儀器在混凝土結(jié)構(gòu)壁厚和彈性模量測(cè)量以及孔洞和分層等缺陷檢測(cè)中的應(yīng)用（如圖31），指出采用干耦合超聲換能器降低了檢測(cè)成本并更為簡(jiǎn)單方便，同時(shí)提出采用干式耦合超聲換能器的局限性主要包括：超聲頻率在kHz量級(jí)，近場(chǎng)盲區(qū)較大，無(wú)法檢測(cè)近表面缺陷和尺寸較小的缺陷；檢測(cè)距離較短，通常在1m左右，并受混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量和金屬含量影響較大。

圖31  應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)檢測(cè)的干式耦合超聲換能器

美國(guó)的GUCUNSKI等[83]報(bào)道了一種應(yīng)用于混凝土橋梁板面結(jié)構(gòu)無(wú)損檢測(cè)與質(zhì)量評(píng)價(jià)的自動(dòng)化機(jī)器人系統(tǒng)（如圖32）。該系統(tǒng)采用了電阻率法、雷達(dá)法、超聲脈沖反射法、聲表面波法和目視法，其中電阻率法和雷達(dá)法用于檢測(cè)腐蝕缺陷并評(píng)估腐蝕速率；超聲脈沖反射法用于檢測(cè)分層缺陷；聲表面波法用于測(cè)量混凝土結(jié)構(gòu)彈性模量進(jìn)而評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)質(zhì)量；目視法采用兩臺(tái)攝像機(jī)對(duì)板面結(jié)構(gòu)進(jìn)行高分辨率成像檢測(cè)可見(jiàn)缺陷并評(píng)估修復(fù)質(zhì)量。

比利時(shí)的AGGELIS、NGUYEN等[84,85]報(bào)道了聲發(fā)射技術(shù)在混凝土結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。德國(guó)的LO?HR等[86]報(bào)道了聲發(fā)射技術(shù)在橋梁結(jié)構(gòu)檢測(cè)和金屬構(gòu)件監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。

   圖32  應(yīng)用于混凝土橋梁檢測(cè)的自動(dòng)化機(jī)器人系統(tǒng)

未完待續(xù)....

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作者簡(jiǎn)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(wú)損檢測(cè)與計(jì)算機(jī)測(cè)控技術(shù)。

E-mail: z***@buaa.edu.cn

孫廣開(kāi)(通信作者)，男，1984年出生，博士，博士后。主要研究方向?yàn)闊o(wú)損檢測(cè)與計(jì)算機(jī)測(cè)控技術(shù)。

E-mail: g***@buaa.edu.cn