在復(fù)合材料構(gòu)件的無損檢測方面，德國的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），單個換能器可輸出三路超聲信號，通過對三路信號進行相位校正處理顯著提高了空氣耦合超聲檢測的縱向分辨力，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)傾斜對稱接收和雙路信號差分處理的空氣耦合超聲檢測方法（如圖17），為基于空氣耦合超聲技術(shù)的同側(cè)檢測提供了新方法。

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

日本的KOSUKEGAWA等[49]報道了利用相對低頻差分渦流探頭檢測碳纖維復(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的差分渦流探頭對復(fù)合材料構(gòu)件進行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際分布方向。與高頻渦流探測方法相比，該方法具有更高信噪比和檢測精度，并簡化了檢測設(shè)備，降低了技術(shù)和設(shè)備復(fù)雜度。

圖17  基于信號差分處理的空氣耦合超聲同側(cè)檢測方法

2.2  焊接結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)

在焊接結(jié)構(gòu)檢測方面，加拿大的LAMARRE等[50]報道了基于雙線陣（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方法。該方法采用并行布置的兩個線陣或矩陣超聲相控陣換能器對焊縫結(jié)構(gòu)進行掃描成像（如圖18），其中一個換能器發(fā)射超聲波并控制聲束聚焦和偏轉(zhuǎn)，另一個換能器接收超聲反射信號，這種方式能夠在焊縫區(qū)域產(chǎn)生更高超聲能量、提高超聲反射信號的信噪比，并去除單換能器發(fā)射接收時聲波通過楔塊傳播導(dǎo)致的檢測盲區(qū)。

法國的DUPONT等[51]報道了利用超聲相控陣技術(shù)檢測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]報道了一種用于航空發(fā)動機焊接零件焊縫結(jié)構(gòu)表層缺陷檢測的主動紅外熱成像方法。

該方法采用連續(xù)激光線源作為激勵源在焊縫結(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)型機器人作為檢測裝置的空間定位機構(gòu)以實現(xiàn)零件全   部焊接區(qū)域的自動檢測（如圖19）。

圖18  基于DLA和DMA的超聲相控陣焊縫檢測

圖19  基于激光激勵和紅外探測的發(fā)動機零部件焊縫檢測

2.3  粘接結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)

在粘接結(jié)構(gòu)檢測方面，法國的SIRYABE等[53]報道了鋁-環(huán)氧-鋁粘接結(jié)構(gòu)界面粘接質(zhì)量的超聲檢測方法，該方法通過測量粘接結(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)的變化進而檢測粘接質(zhì)量。

GAUTHIER等[54]報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)微米級粘結(jié)層厚度的方法；

ECAULT等[56]報道了一種基于激光沖擊波的復(fù)合材料粘接質(zhì)量檢測方法（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弱粘接缺陷。

美國的STAIR等[57]報道了利用單晶壓電超聲技術(shù)和超聲相控陣技術(shù)通過粘接界面反射信號幅度和渡越時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)腐蝕檢測技術(shù)

在結(jié)構(gòu)腐蝕檢測方面，加拿大的TURCOTTE等[58]報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)對結(jié)構(gòu)進行超聲掃描成像，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。

法國的LEBER等[59]報道了基于全聚焦算法的結(jié)構(gòu)腐蝕超聲相控陣檢測方法，該方法能夠減小腐蝕缺陷的檢測盲區(qū)，提高檢測分辨力，并更適合表征腐蝕型缺陷的復(fù)雜型面特征；ROY等[60]報道了利用自適應(yīng)全聚焦超聲相控陣技術(shù)檢測近焊縫區(qū)腐蝕性缺陷的方法，該方法能夠自動測量計算結(jié)構(gòu)型面特征并校正檢測參量，進而適應(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

3  無損檢測技術(shù)應(yīng)用研究的新進展

3.1  飛機結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)

在飛機結(jié)構(gòu)部件檢測方面，法國空客的GUIBERT等[61]報道了自主研制的超聲、渦流檢測儀器在空客飛機結(jié)構(gòu)零部件無損檢測中的應(yīng)用，主要包括：基于超聲相控陣技術(shù)的自動定量檢測儀器應(yīng)用于飛機復(fù)合材料沖擊損傷檢測，該儀器內(nèi)置自動參數(shù)設(shè)置和缺陷定量算法而無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)的檢測儀器應(yīng)用于飛機曲面結(jié)構(gòu)檢測，具有更高掃描效率和檢測可靠性；基于渦流技術(shù)的自動檢測儀器應(yīng)用于飛機結(jié)構(gòu)防腐保護層檢測，該儀器自動設(shè)置檢測參數(shù)，操作步驟簡單，無需操作人員具備專業(yè)技能（如圖22）。

BARUT等[62]報道了自主研制的無損檢測自動診斷程序工具包在空客飛機構(gòu)件超聲檢測數(shù)據(jù)自動分析和缺陷自動識別與定征中的應(yīng)用，該套工具實現(xiàn)了飛機結(jié)構(gòu)零部件的自動化檢測數(shù)據(jù)分析和缺陷評定，顯著提高了飛機零件檢測效率、縮短了生產(chǎn)周期。

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

圖22  渦流自動檢測儀器應(yīng)用于飛機結(jié)構(gòu)防腐保護層檢測

德國的FRACKOWIAK等[63]報道了兆赫茲脈沖渦流紅外熱成像技術(shù)在飛機發(fā)動機渦輪葉片檢測中的應(yīng)用，利用該技術(shù)可分別對葉片涂層的裂紋、剝落、分層和基體結(jié)構(gòu)裂紋等多種缺陷進行高分辨力的成像檢測（如圖23）；BULLINGER等[64]報道了空客采用射線層析成像技術(shù)檢測飛機大型復(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。

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

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

澳大利亞的HENKEL等[65]報道了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向世界各主要飛機制造商供應(yīng)鋁板結(jié)構(gòu)用于飛機零部件制造，是世界上首個應(yīng)用超聲相控陣C掃描系統(tǒng)的機構(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

烏克蘭的UCHANIN等[66]通過分析飛機結(jié)構(gòu)鋁合金零部件老化降質(zhì)導(dǎo)致的機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)率測量方法和儀器的鋁合金零件降質(zhì)檢測方法，并應(yīng)用于老舊飛機結(jié)構(gòu)鋁合金零件老化降質(zhì)機械性能的無損檢測與監(jiān)測評估。

波蘭的WACHLACZENKO等[67]報道了一種非接觸葉片振動測量方法（TTM，Tip Timing Method）在發(fā)動機葉片無損檢測與結(jié)構(gòu)監(jiān)測中的應(yīng)用，并已通過二十多年的應(yīng)用實踐驗證了該方法在飛機發(fā)動機葉片疲勞裂紋檢測與監(jiān)測方面的有效性。

3.2  核能結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)

在核能結(jié)構(gòu)檢測方面，德國的SCHMITTE等[68]報道了一種用于核廢料儲存罐快速自動檢測的大型超聲相控陣檢測設(shè)備（如圖26）。

該設(shè)備采用7臺128通道相控陣儀器同時控制13個超聲相控陣換能器，激勵、接收不同聚焦深度和偏轉(zhuǎn)角度的橫波和縱波進行扇形掃描成像，利用門式掃描機構(gòu)帶動相控陣換能器組在儲存罐表面沿軸向運動并由旋轉(zhuǎn)機構(gòu)帶動儲存罐作周向旋轉(zhuǎn)運動，實現(xiàn)核廢料儲存罐整體結(jié)構(gòu)的自動掃描檢測。

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)檢測核燃料儲存罐銅質(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顯著影響POD指標(biāo)，需要進一步分析各相關(guān)參量對POD指標(biāo)的影響，建立包含全部影響參量的POD計算與評估模型。

法國的DOBIGNY等[70]報道了一種基于柔性矩陣超聲換能器和關(guān)節(jié)機器人技術(shù)的自動檢測設(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)件的自動掃描檢測。

圖26  核廢料儲存罐大型超聲相控陣自動檢測設(shè)備

圖27  基于柔性矩陣超聲換能器的自動檢測設(shè)備

3.3  鐵路檢測技術(shù)

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

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

KNAM等[74]報道了一種應(yīng)用于鐵路車輪制造過程檢測的超聲自動檢測系統(tǒng)（如圖28），該系統(tǒng)采用超聲相控陣技術(shù)檢測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)機器人對車輪其他部位進行掃描成像檢測。

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

圖28  鐵路車輪制造過程超聲自動檢測系統(tǒng)

3.4  管道檢測技術(shù)

在管道檢測方面，俄羅斯的ARTEMYEV等[78]報道了一種應(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，并采用輪式車帶動環(huán)形布置的漏磁檢測裝置沿管道軸向運動檢測管壁腐蝕和焊縫裂紋等缺陷。

法國的PIRON等[79]報道了3D激光掃描成像儀在管道外壁腐蝕和機械損傷三維可視化成像檢測中的應(yīng)用（如圖30），實現(xiàn)了管道外壁結(jié)構(gòu)的自動化檢測并顯著提高了檢測效率。

圖29  用于帶減阻覆蓋層金屬管道的非接觸漏磁檢測設(shè)備

圖30  基于3D激光掃描成像儀的管道外壁檢測

3.5  土木工程結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)

在土木工程結(jié)構(gòu)檢測方面，日本的YAGI等[80]報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中的應(yīng)用；SUGIMOTO等[81]報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的非接觸聲學(xué)檢測方法，該方法采用由3200個頻率40.35kHz超聲單元構(gòu)成的大功率聲源遠(yuǎn)距離發(fā)射聲波，采用激光測振儀遠(yuǎn)距離探測聲信號，根據(jù)探測聲波信號的振動速度譜表征缺陷。

瑞士的CORBETT等[82]報道了基于干式耦合多通道換能器的脈沖反射式超聲檢測儀器在混凝土結(jié)構(gòu)壁厚和彈性模量測量以及孔洞和分層等缺陷檢測中的應(yīng)用（如圖31），指出采用干耦合超聲換能器降低了檢測成本并更為簡單方便，同時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，近場盲區(qū)較大，無法檢測近表面缺陷和尺寸較小的缺陷；檢測距離較短，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)檢測的干式耦合超聲換能器

美國的GUCUNSKI等[83]報道了一種應(yīng)用于混凝土橋梁板面結(jié)構(gòu)無損檢測與質(zhì)量評價的自動化機器人系統(tǒng)（如圖32）。該系統(tǒng)采用了電阻率法、雷達法、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法用于檢測腐蝕缺陷并評估腐蝕速率；超聲脈沖反射法用于檢測分層缺陷；聲表面波法用于測量混凝土結(jié)構(gòu)彈性模量進而評價結(jié)構(gòu)質(zhì)量；目視法采用兩臺攝像機對板面結(jié)構(gòu)進行高分辨率成像檢測可見缺陷并評估修復(fù)質(zhì)量。

比利時的AGGELIS、NGUYEN等[84,85]報道了聲發(fā)射技術(shù)在混凝土結(jié)構(gòu)監(jiān)測中的應(yīng)用。德國的LO?HR等[86]報道了聲發(fā)射技術(shù)在橋梁結(jié)構(gòu)檢測和金屬構(gòu)件監(jiān)測中的應(yīng)用。

   圖32  應(yīng)用于混凝土橋梁檢測的自動化機器人系統(tǒng)

未完待續(xù)....

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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測控技術(shù)。

E-mail: z***@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(shù)。

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