无损检测技术新进展——

第19届世界无损检测大会学术报告综述（下）

周正干  孙广开

北京航空航天大学 机械工程及自动化学院

4  应用发展方向和待解决问题

随着材料科学和制造技术的发展，在航空航天、高铁、船舶、核电和石油等领域，新材料、新结构、新工艺不断出现并得到应用，装备性能、制造质量和应用安全可靠性要求不断提高，这给无损检测技术提出了更多要求[87-89]，复杂结构检测、非接触检测、自动化检测和原位快速检测是无损检测技术的应用发展方向。以下简要针对几项典型技术进行浅要分析。

 （1）超声相控阵检测技术

超声相控阵技术的核心是控制算法，通常采用的基于合成声束偏转、聚焦延时算法的超声相控阵检测方法和仪器已经标准化，近年来重点研究的基于全矩阵数据的超声相控阵成像算法也已相对成熟，并开发出内置该算法的新型检测仪器。目前超声相控阵技术在飞行器复合材料构件检测、复杂焊缝检测、管道腐蚀检测和大型板材检测中已得到较为广泛的应用。

但是，由于超声相控阵技术的控制算法复杂度相对较高，针对特定工件的检测方案设计和控制参量设置较为复杂，这对一般检测人员提出了更高的要求，并可能因为检测方案和控制参量设置偏差而降低缺陷检出率、量化准确度和重复一致性，同时基础通用算法会因特定工件的结构型面或材料特性而产生各异性的检测问题，进而从操作性和检测性两个方面限制该技术的应用推广。

 基于以上因素分析，在合成声束控制和全矩阵数据算法框架下，需要针对具体类型工件的结构、型面特征和材料特性定制化研究控制算法的校正算法和检测参量的补偿方法，建立与具体类型工件相适应的优化控制算法和专用检测模块，自动生成检测方案并设置控制参量，实现检测过程的自动化，使其缺陷检出率、量化准确度和重复一致性等指标常态保持在标准规定量值范围。

 在大型或复杂构件自动化检测以及实时性要求高的应用方面，随着超声相控阵换能器阵元数量的增加和控制算法精度的提高，需要进一步研究基于GPU加速或FPGA等技术的控制算法高效运算处理方法，开发高性能仪器，降低检测图像重构耗时，提高超声相控阵自动扫描检测效率和实时成像性能。而新型的高性能仪器需要进行严格的检测性能和可靠性测试、改进，使其具有良好的检测性能和高鲁棒性，尤其是用于定制化开发和系统集成的板卡级控制器。

 （2）非接触超声检测技术

激光超声检测技术和空气耦合超声检测技术是目前主要研究的非接触超声检测技术。从1963年WHITE提出激光超声技术以来，该技术以其非接触和高分辨力等特点受到无损检测领域学者的广泛关注。经过五十多年的研究发展，基于激光激励和探测超声体波的检测技术与设备已经相对成熟，出现了LaserUT、LUIS、iPLUS等标准化的工业型激光超声检测设备，应用于各种航空航天飞行器零部件的无损检测以及石油电力压力容器的在线检测。

 但是，与常用压电超声换能器的超声转换效率和探测灵敏度相比，脉冲激光热弹激励超声的光声转换率低，激光干涉探测装置的灵敏度低并容易受材料表面粗糙度和环境振动等因素影响。

 受限于上述因素，现有激光超声检测设备需要采用精密、复杂并且使用和维护成本高昂的超声激励和探测装置，以使其超声激发效率和探测灵敏度达到工业检测标准要求，而尚无法在检测性能、可靠性和经济性之间达到平衡，这是该项技术设备至今尚未得到广泛应用的主要原因。

 目前，更高转换效率的激光超声热弹激励理论、控制方法和可靠、经济的标准仪器设备，更高灵敏度、稳定性和鲁棒性的激光探测装置，以及更高适应性、可靠性和经济性的设备关键仪器部件和整机集成方案是激光超声检测技术与设备的主要研究方向。

 同时，基于激光兰姆波方法的材料性能测量和缺陷检测与成像技术，以及相应的新型激光兰姆波检测设备是激光超声技术研究的一个重要方向，需要在检测理论和方法研究的基础上建立适于应用的工艺方法和标准，推动技术设备的广泛应用。

空气耦合超声检测技术经过近二十年在新型换能器技术、信号处理技术、检测方法、工业检测系统以及工艺规范和标准等方面的不断研究，已经在航空航天飞行器复合材料构件无损检测等方面得到应用。

 但是，与常用液浸式压电超声换能器的频率和焦斑相比，受限于气固界面显著的超声衰减性质，目前常用的空气耦合超声换能器频率在1MHz以内，并需要采用多周期调制脉冲串作为激励信号以提高超声信号幅度，这导致检测超声信号具有较长的波长和较大的焦斑尺寸，检测的横向和纵向分辨力较低，主要采用穿透法检测。

 为了提高空气耦合超声检测的横向、纵向分辨力和大壁厚构件检测信号的信噪比，需要研究具有更优气固界面匹配性和更高分辨力的新型换能器技术和专用信号处理技术。

 同时，由于穿透法的检测原理和换能器布置方式对于一些构件和应用环境并不适用，例如飞机原位检测时蜂窝夹芯复合材料构件冲击损伤和蒙皮脱粘的快速扫描检测，需要利用脉冲反射法、兰姆波法和声共振法等方法的检测原理，研究同侧布置空气耦合超声换能器的检测方法。

 （3）超声导波检测技术

超声导波检测技术已应用于石油天然气管道等压力容器腐蚀、裂纹等缺陷的检测，但受限于超声导波的多模态、频散和远距离传播衰减性质，该技术通常采用低频率（小于1MHz）多周期调制脉冲串激励超声信号，这导致超声导波检测的缺陷分辨力和定位准确度低，一般用于大尺寸缺陷非量化检测与评估。

 为使超声导波检测技术具有更高缺陷分辨力和量化表征准确度，需要研究高频超声导波信号激励方法和模态控制方法，提取高频单模超声导波信号并控制声束指向性和聚焦位置，提高检测分辨力，同时研究基于高频单模导波信号的缺陷定位、定量表征方法。

 对于复合材料缺陷的超声导波检测，材料的各向异性性质会影响超声导波的模态类型、频散特性和传播性质，需要研究与材料性质相应的导波检测参量选取、校正与补偿方法，提高缺陷表征准确度。

 （4）射线、太赫兹检测技术

射线检测作为一种常规无损检测技术已广泛应用于各工业领域，在各类材料和结构高精度成像检测中发挥着重要作用。近年来，随着大型复杂构件类型和数量的增加，非接触检测需求的增加以及机器人辅助检测技术的发展，基于关节型机器人的射线成像检测系统以其更高的灵活性和型面适应性受到关注，在大型复杂构件的非接触、高精度自动扫描检测方面优势明显。同时，已开发出便携式的小型射线检测仪，适用于各类装备的原位快速成像检测，应用前景广阔。

 太赫兹检测技术具有非接触的特点并尤其适用于泡沫、陶瓷和高分子复合材料等红外、超声难以穿透材料的无损检测，具有良好的应用前景。而高性能太赫兹源、检测器、检测数据处理方法、高效扫描方法等一系列问题的解决将推动该项技术设备的广泛应用。

 （5）红外热像、激光散斑检测技术

红外热成像技术和激光散斑技术具有全场测量、高灵敏度和高效率等特点，在各类装备的原位快速检测方面具有良好的应用前景。目前，商业化的红外、激光散斑检测设备产品已在飞机复合材料构件外场检测等方面得到应用。

 为了提高不同类型构件（如：复合材料蜂窝、金属蜂窝夹芯构件）的可检测深度和缺陷定位、定量准确度，需要进一步研究新型的激励技术、图像处理技术和更高性能的探测仪器。

 （6）机器人辅助检测技术

在大型结构自动化检测方面，超声、射线等检测技术需要利用机械装置带动激励、探测装置或构件运动进行扫描成像检测。近年来，随着机器人技术的快速发展和应用，工业用超声、射线和红外等检测设备逐渐采用标准的关节型机器人作为仿形扫描检测的定位机构或扫描执行机构（如图3、图5、图11、图13），这种方式在大型复杂构件检测方面和一些应用场合下具有更好的灵活性、可控制、型面适应性和更高的可靠性、更低的成本，更易于根据构件型面特征进行自动仿形扫描检测。

 但是，关节型机器人的重复定位精度和扫描效率低于由精密直线单元构成的扫描装置，通常需要将关节型机器人与直线单元构成的扫描装置或其他类型的二维扫描装置（如：光学扫描装置）组合应用，以满足扫描定位精度和检测效率要求。

 （7）技术方法的交叉、融合通过不同激励、探测方法和缺陷表征与成像方法的交叉融合，提高检测方法的性能、适用性、可靠性和经济性是无损检测技术研究的重要方向。以下简要分析两项通过不同技术交叉融合形成的检测技术方法。激光超声、空气耦合超声与机器人技术的交叉融合。

 通过将激光超声技术与空气耦合超声技术结合起来，利用脉冲激光激励超声波，空气耦合超声换能器探测超声波，并利用关节机器人进行仿形扫描检测，有望在非接触超声检测性能、适应性、可靠性和经济性方面达到新的平衡。

 声共振技术与红外、激光散斑技术的交叉融合。通过将声共振技术与红外热成像和激光散斑成像技术结合起来，利用超声振动激励结构缺陷共振产生“倍增”热幅度和形变量，利用红外和激光散斑技术分别探测热和形变进而重建缺陷图像，有望进一步扩展红外和激光散斑技术的适用范围，提高部分材料和结构缺陷的检测性能。

 5  未来发展的新机遇

“工业4.0”和“中国制造2025”给无损检测技术的研究和应用提出了更高要求[89]，也带来了发展的新机遇。为了满足工业装备智能化、高质量制造和高可靠性应用的检验检测需求，无损检测技术与设备向着专用精量化、机器人自动化、全过程无人化和数据管理智能化的方向发展。

 （1）专用化、精量化、标准化

自动化检测的前提是检测工艺方法和设备的专用化、精量化和标准化。

为了满足各类工业装备高质量制造和高可靠性应用的检测技术设备需求，需要针对具体被检物定制化研究专用检测工艺方法和技术标准，建立与特定材料结构全生命周期检测要求相适应的专用检测工艺标准和设备，实现各类缺陷的精量化检测和工艺参量、过程与设备的标准化，使专用技术设备具有高检出率和置信度。

（2）自动化

智能化检测的基础是无损检测与结果评定全过程的自动化。为了实现各类被检物的高效能自动化检测，需要根据相应检测工艺和标准，应用机器人技术，开发自动化的检测设备，实现检测参量设置、激励控制、探测控制、扫描成像控制、数据管理和检测结果分析与评定过程的自动化。

 （3）自主化

关键器件、核心算法和高端设备的自主化是实现无损检测技术设备智能化的关键要素。面对“中国制造2025”，目前国内在检测新技术相关的关键器件和高端设备上依赖进口，部分自主集成建立的检测设备的性能也取决于国外器件性能，在可设计性、可集成性、检测性能和自动化程度等方面受到限制，在核心算法和新算法、新方法的开发应用上受制于人，国外成套检测设备或者封锁禁运、或者成本高昂，这已成为制约中国无损检测技术向着自动化、智能化方向发展的一个主要因素。

 为了更好地满足国内无损检测技术设备的应用需求，推动未来的研究、应用和发展，需要研究建立自主化的关键器件、核心算法和高端设备，为高性能、自动化、智能化的检测设备开发和应用提供技术支撑。

（4）智能化

智能化是未来无损检测技术和设备的应用需求和发展趋势，但是需要建立在标准化、自动化和自主化的基础上。

 为了建立机器人自动化、全过程无人化和数据管理智能化的无损检测技术与设备，需要针对具体被检物，研究建立检测物自动输运、检测参量自动设置与校准、激励/采集/扫描/成像自动控制、检测结果自动分析与评定以及检测数据自动管理等方面的各项技术与装置，通过智能算法、检测终端和网络技术的集成，建立无损检测全过程智能控制与信息管理技术设备。

 综上，“工业4.0”和“中国制造2025”给无损检测技术带来了新的发展机遇，专用精量化、标准化、自动化、自主化和智能化是无损检测技术与设备的发展方向。

 6  结论

(1) 在航空航天、高铁、船舶、核能和石油天然气等领域，为了满足各类工业装备的无损检测需求，超声相控阵技术、非接触超声技术、超声导波技术、射线成像技术和机器人辅助检测技术等得到广泛研究和应用，检测控制新方法、成像新算法和新型的自动检测设备发展迅速，无损检测技术总体向着复杂结构检测、非接触检测、自动化检测和原位快速检测的方向发展。

 (2) 对于超声相控阵技术，需要根据被检物特征定制化研究控制算法、校正算法和专用自动检测设备，通过定制化和机器自动化达到高检出率、置信度和重复性；对于非接触超声技术，需要研究高效能、低成本的激励与探测技术和装置，使技术设备在检测性能、可靠性和经济性间达到平衡。对于超声导波技术，需要研究高频导波激励和模态控制方法，提高检测分辨力。

 (3) 在声学、射线、红外、激光散斑和机器人辅助检测技术等方面，在研究各技术的激励与探测新方法、成像新算法和新器件与设备的同时，需要探索通过不同激励、探测方法和成像算法的交叉融合产生的检测新技术，以及新型的机器人辅助检测技术，提高检测技术与设备的性能、适用性、可靠性和经济性。

 (4) “工业4.0”和“中国制造2025”给无损检测技术带来了新的发展机遇，为了实现工业装备的智能化、高质量制造和高可靠性应用，需要研究发展专用精量化、标准化、自动化、自主化和智能化的无损检测技术与设备。

 本部分参考文献：

[86]   LÖHR M. Bridgetesting and monitoring of steel components with acoustic emission[C].Proceedings of the 19th World Conference on Non-DestructiveTesting[CP/DK]. Munich, Germany: 2016.

[87]   耿荣生.更快、更可靠和更直观——第16届世界无损检测会议综述[J]. 无损检测, 2004, 26(11): 565-569.

     GENGrongsheng. Faster, more reliable and more intuitive: an overview of the 16thworld conference on nondestructive testing[J]. NDT, 2004, 26(11): 565-569.

[88]   沈功田.中国无损检测与评价技术的进展[J]. 无损检测, 2008, 30(11): 787-793.

     SHEN gongtian.Progress of nondestructive testing and evaluation in china[J]. NDT, 2008,30(11): 787-793.

[89]   金宇飞.面对工业4.0的中国无损检测[J]. 无损检测, 2016, 38(5): 58-62.

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

作者简介：

周正干，男，1967年出生，博士，教授，博士研究生导师。主要研究方向为无损检测与计算机测控技术。

E-mail: zzhenggan@buaa.edu.cn

孙广开(通信作者)，男，1984年出生，博士，博士后。主要研究方向为无损检测与计算机测控技术。

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