周正干  孫廣開(kāi)

北京航空航天大學(xué) 機械工程及自動(dòng)化學(xué)院

0  前言

世界無(wú)損檢測大會(huì )（WCNDT）每四年召開(kāi)一次，反映了世界無(wú)損檢測技術(shù)與設備最新研究、應用進(jìn)展和發(fā)展趨勢。2016年6月，第19屆世界無(wú)損檢測大會(huì )在德國慕尼黑召開(kāi)，有來(lái)自46個(gè)國家和地區的近2200名代表參加，宣讀和交流學(xué)術(shù)論文1000余篇[1]，報道了聲、光、電、磁等多類(lèi)檢測方法的新進(jìn)展，新型的傳感技術(shù)與器件，檢測圖像與信號處理方法，以及復合材料、焊縫、管道、核壓力容器等材料與結構的檢測技術(shù)及應用。

大會(huì )報告按檢測技術(shù)類(lèi)型和應用領(lǐng)域共分144個(gè)專(zhuān)題進(jìn)行分類(lèi)報道[1]。在專(zhuān)項技術(shù)方面，大會(huì )報告專(zhuān)題涵蓋了聲發(fā)射技術(shù)、超聲技術(shù)、計算機斷層成像技術(shù)、紅外熱像技術(shù)、磁與滲透技術(shù)、微波及太赫茲技術(shù)、金屬磁記憶技術(shù)、共振技術(shù)，以及聲學(xué)非線(xiàn)性技術(shù)和機器人輔助檢測技術(shù)等。在行業(yè)應用方面，涵蓋了航空工程、船舶、鐵路、汽車(chē)、核能工程、油氣管道、土木工程、生物醫學(xué)等領(lǐng)域的最新研究與應用進(jìn)展。

本文簡(jiǎn)要分析本次大會(huì )報告呈現的世界無(wú)損檢測技術(shù)研究與應用的新進(jìn)展，淺要探討無(wú)損檢測技術(shù)的發(fā)展方向，需要進(jìn)一步研究的若干問(wèn)題，以及未來(lái)發(fā)展的新機遇。

1  無(wú)損檢測技術(shù)方法研究的新進(jìn)展

1.1  聲學(xué)檢測方法

（1）超聲波檢測方法

超聲相控陣技術(shù)、非接觸超聲技術(shù)和超聲導波技術(shù)是主要研究報道的技術(shù)方法。在超聲相控陣技術(shù)方面，法國的CHAUVEAU等[2]報道了一種新型的超聲相控陣專(zhuān)用校準試塊，能夠滿(mǎn)足超聲相控陣檢測的聲速測量、聲束指向性及靈敏度測量和DAC曲線(xiàn)測量等校準要求，具有更高的校準功能集成度和工藝效率。

HARRICH等[3]提出了一種基于正弦波激勵信號和組合延遲法則的FAAST超聲相控陣快速掃描技術(shù)（如圖1），該技術(shù)根據被檢工件掃描范圍和檢測要求生成合成聲束偏轉、聚焦方案，基于延遲法則計算出陣列超聲換能器各陣元的正弦波激勵信號組合調制方式，通過(guò)一次發(fā)射正弦波激勵信號并采集成像實(shí)現被檢工件的掃描檢測，能夠顯著(zhù)提高超聲相控陣技術(shù)的檢測效率；ROBERT等[4]提出了一種基于全矩陣數據的自適應超聲相控陣成像方法（ATFM），利用基于全聚焦成像的輪廓提取算法和基于相關(guān)運算的聚焦法則自動(dòng)計算算法建立檢測方案，可實(shí)時(shí)獲取復雜型面結構的高質(zhì)量檢測圖像。

德國的OBERD?RFER等[5]提出了采用超聲相控陣技術(shù)量化缺陷尺寸的DAC曲線(xiàn)簡(jiǎn)化計算方法，大幅降低了超聲相控陣DAC曲線(xiàn)計算復雜度和參數設置耗時(shí)；WALTER等[6]研制出一種基于PMN-PT復合材料的超聲相控陣換能器，與PZT相控陣換能器相比具有更高的靈敏度和更寬的頻帶范圍；SCHMITTE等[7]研制了一種內置TFM算法的超聲相控陣檢測儀器（如圖2），該儀器的內置算法能夠支持不同類(lèi)型的耦合劑/工件界面（如管材的曲面界面等），在各向異性材料的檢測算法中引入了聲速的方向變化特性，并采用GPU加速技術(shù)大幅減小了TFM算法的圖像重構耗時(shí)；DEUTSCH等[8]提出了一種基于全聚焦方法和聲波模式轉換的多波模式組合全聚焦成像檢測方法，能夠實(shí)現薄壁結構缺陷的高精度檢測。

加拿大的GROTENHUIS等[9]介紹了其團隊研制的內置全矩陣數據算法的超聲相控陣檢測儀器，該儀器經(jīng)過(guò)六年的改進(jìn)具有良好的檢測性能和高魯棒性，能夠實(shí)現各種幾何結構的三維成像；DEVOS等[10]研制出一種半柔性的矩陣陣列超聲換能器，以提高新一代核電站大型整體轉軸鍛件各類(lèi)缺陷的檢出率、可靠性和檢測效率。

中國的ZHOU等[11]基于超聲相控陣的全矩陣數據方法提出了一種針對非平面界面的后處理成像校正算法和參量?jì)?yōu)化方法，顯著(zhù)提高了曲型結構缺陷的檢測分辨力和表征準確度。

圖1  FAAST超聲相控陣快速掃描技術(shù)

圖2  基于TFM算法和GPU加速技術(shù)的超聲相控陣檢測

非接觸超聲技術(shù)的研究主要包括激光超聲技術(shù)和空氣耦合超聲技術(shù)。在激光超聲技術(shù)方面，澳大利亞的ROITHER等[12]報道了利用激光超聲技術(shù)在線(xiàn)實(shí)時(shí)檢測鋁材鑄造缺陷的環(huán)境模擬實(shí)驗結果，通過(guò)合成孔徑聚焦方法得到鋁板鍛造裂紋的激光超聲檢測圖像。

德國的KRIX等[13]實(shí)驗研究了高溫狀態(tài)下熱軋鋼材料均勻性的激光蘭姆波在線(xiàn)實(shí)時(shí)檢測方法。西班牙的CUEVAS等[14]報道了基于關(guān)節機器人技術(shù)的新型激光超聲檢測系統（如圖3），該系統在大型復雜型面構件的自動(dòng)掃描檢測方面，相比通常采用的手動(dòng)檢測方法和液浸式超聲C掃描系統具有更高的型面適應性、掃描效率和重復一致性。

日本的HAYASHI等[15]在激光掃描蘭姆波成像方法的基礎上采用激光干涉測量裝置建立了激光激勵、激光探測的激光掃描成像系統，并提出了一種基于高重復頻率光纖脈沖激光器的低頻窄帶Tone-burst超聲蘭姆波信號激勵方法，提高了激光蘭姆波信號的幅度和信噪比。

臺灣的WU和日本的KOBAYASHI等[16]提出了一種基于激光掃描蘭姆波成像原理和柔性超聲換能器的激光超聲檢測方法，在曲面結構（如管材）的無(wú)損檢測中具有更好的適應性；TSENG等[17]提出了利用激光掃描蘭姆波成像方法反演重建被測結構全范圍材料參數（如厚度、楊氏模量、泊松比等）的技術(shù)方法。

德國的KELKEL等[18]提出了一種利用激光激勵和探測超聲導波檢測纖維增強復合材料缺陷的新方法（如圖4），該方法采用了脈沖激光波長(cháng)調制、脈沖時(shí)間調制和激光線(xiàn)源陣列空間調制三種技術(shù)，能夠在復合材料中選擇性地激勵不同模態(tài)的超聲導波，顯著(zhù)提高超聲導波信號的幅度和信噪比。

中國的ZHOU等[19]提出了一種基于合成孔徑算法的攪拌摩擦焊激光超聲在線(xiàn)實(shí)時(shí)檢測方法。

圖3  基于關(guān)節機器人技術(shù)的新型激光超聲檢測系統

圖4  基于激光激勵和探測方法的復合材料超聲導波檢測

 在空氣耦合超聲技術(shù)方面，西班牙的CUEVAS等[14]報道了基于關(guān)節機器人的新型空氣耦合超聲C掃描系統及其在飛機大型復合材料構件無(wú)損檢測中的應用（如圖5）。

德國的SCHADOW等[20]報道了一種基于鐵電駐極體技術(shù)的新型聚焦空氣耦合超聲換能器，該技術(shù)采用具有鐵電和壓電特性以及低楊氏模量、低密度、低聲速性質(zhì)的多孔聚丙烯材料取代了通常采用的固/氣匹配層，具有更高的橫向分辨力和良好的信噪比。

HUBER等[21]將空氣耦合超聲蘭姆波檢測技術(shù)和關(guān)節機器人技術(shù)結合起來(lái)（如圖6），實(shí)現了航空航天復合材料柱體結構的空氣耦合超聲同側仿形掃描成像檢測；HILLGER等[22]報道了目前世界上最大的空氣耦合超聲C掃描系統的技術(shù)框架和性能參數（系統示意圖如圖7），并開(kāi)發(fā)出大型的八通道空氣耦合超聲檢測系統，以提高航空航天大型復合材料構件的檢測效率。

圖5  基于關(guān)節機器人的新型空氣耦合超聲C掃描系統

圖6  航空航天復合材料的空氣耦合超聲同側仿形掃描檢測

在超聲導波檢測技術(shù)方面，美國的ROBERTS等[23]提出了一種基于多模態(tài)導波場(chǎng)測量、信號處理和波場(chǎng)時(shí)空域傅立葉分析方法的高頻導波檢測多模態(tài)頻散效應補償方法，該方法能夠定征缺陷反射高頻導波信號的各模態(tài)成分，有效提取表征缺陷位置信息的高頻單模導波信號，將超聲導波檢測的可選

頻率范圍提高到常用的超聲體波檢測的相對高頻范圍，顯著(zhù)提高了超聲導波技術(shù)的缺陷分辨力和定位準確度。伊朗的HONARVAR等[24]報道了根據超聲蘭姆波散射特性對板材圓形通孔缺陷進(jìn)行定量檢測的研究新進(jìn)展，為基于超聲導波技術(shù)的缺陷定量檢測方法提供了參考。

中國的WANG等[25]報道了利用超聲蘭姆波在線(xiàn)性條件下的反射、衰減幅度變化和非線(xiàn)性條件下的聲波頻率變化（產(chǎn)生高次諧波）表征結構中的大尺寸裂紋和具有“呼吸”特征的疲勞裂紋的理論分析結果，為超聲蘭姆波技術(shù)在大型結構難達區域快速檢測、監測和早期裂紋診斷中的應用提供了參考。

圖7  目前世界上最大的空氣耦合超聲C掃描系統

（2）聲學(xué)非線(xiàn)性檢測方法

在聲學(xué)非線(xiàn)性檢測技術(shù)方面，德國的SOLODOV[26]提出了一種基于缺陷受激共振原理的聲學(xué)非線(xiàn)性信號放大方法，可提高基頻聲信號在缺陷區域的非線(xiàn)性頻率成分轉化率，進(jìn)而有利于實(shí)現缺陷的高靈敏度檢測。韓國的CHOI等[27]報道了利用聲學(xué)非線(xiàn)性和聲速參量評估材料彈性常數的方法。中國的LI等[28]報道了利用超聲非線(xiàn)性表征熱軋銅材微觀(guān)結構演變的方法。

（3）聲共振檢測方法

在聲共振檢測技術(shù)方面，德國的SOLODOV[29]、GULNIZKIJ等[30]報道了一種基于超聲激勵、缺陷受激共振響應和超聲、鎖相紅外、激光散斑成像技術(shù)的結構缺陷聲共振檢測方法（LDR，Local Defect Resonance），該方法能夠在相對小功率超聲選頻激勵信號作用下利用結構缺陷受激共振效應產(chǎn)生的頻率相關(guān)“倍增”聲幅、熱幅和形變量重建缺陷圖像（如圖8），為超聲成像和聲熱、聲光成像提供了新方法；RAHAMMER等[31]報道了一種基于共線(xiàn)點(diǎn)源干涉激勵聲波的LDR特征信號增強方法，能夠顯著(zhù)增強指定結構區域的超聲導波能量，進(jìn)而提高缺陷受激共振的聲、熱響應信號幅度。

圖8  基于缺陷受激共振效應的超聲、聲熱、聲光成像

（4）聲發(fā)射檢測方法

在聲發(fā)射檢測技術(shù)方面，捷克的MAZAL等[32]報道了氣壓缸損傷的聲發(fā)射檢測方法，實(shí)驗觀(guān)測到氣壓缸人工損傷導致的聲發(fā)射特征信號，驗證了方法的可行性。匈牙利的POR等[33]報道了采用聲發(fā)射方法監測鐵磁性鋼鐵材料熱處理和拉力試驗過(guò)程的實(shí)驗研究，得到了鋼鐵材料加熱、冷卻處理和拉力變化情況下的聲發(fā)射信號特征變化，初步驗證了利用聲發(fā)射方法長(cháng)期實(shí)時(shí)監測鐵磁性鋼鐵材料受熱、力載荷作用產(chǎn)生細觀(guān)特征變化的可行性。

德國的ZIELKE等[34]報道了采用空氣反應釬焊技術(shù)焊接陶瓷/金屬結構時(shí)在熔融和冷卻過(guò)程中產(chǎn)生的裂紋的聲發(fā)射檢測方法。俄羅斯的ZOTOV等[35]報道了壓力容器殼體不同時(shí)期分層的聲發(fā)射檢測方法，驗證了利用聲發(fā)射方法診斷壓力容器殼體早期分層的技術(shù)可行性，并提出了提高檢測效率的技術(shù)方法。

1.2  射線(xiàn)檢測方法

在射線(xiàn)檢測技術(shù)方面，德國的KRAEMER等[36]提出了一種基于二維投影集合迭代評價(jià)與掃描參量修正的射線(xiàn)CT（Computed Tomography）圖像質(zhì)量?jì)?yōu)化方法，這種方法在實(shí)際檢測前預先采集少量投影圖并評價(jià)其質(zhì)量，根據投影的評價(jià)數據修正掃描參量，通過(guò)迭代優(yōu)化掃描參量提高CT圖像質(zhì)量和檢測準確度。

中國的HU等[37]利用450kV的小焦點(diǎn)X射線(xiàn)源和大尺寸、不定形硅陣探測器研制出具有X射線(xiàn)數字成像和計算機層析成像功能的在線(xiàn)工業(yè)射線(xiàn)CT檢測系統，能夠實(shí)現高分辨力的缺陷檢測和構件尺寸測量。

1.3  光、熱學(xué)檢測方法

激光散斑技術(shù)和紅外熱像技術(shù)是主要研究報道的技術(shù)方法。

在激光散斑檢測技術(shù)方面，俄羅斯的GORKUNOV等[38]報道了一種利用不同時(shí)刻激光散斑圖相關(guān)系數表征結構微裂紋產(chǎn)生和擴展過(guò)程的方法，為激光散斑技術(shù)在結構裂紋在線(xiàn)實(shí)時(shí)檢測與監測中的應用提供了參考。

在紅外熱成像檢測技術(shù)方面，韓國的HUR等[39]發(fā)展了一種應用于多晶片堆疊半導體結構軸向熱點(diǎn)位置檢測的紅外線(xiàn)共焦顯微鏡。德國的JELINEK等[40]報道了CFRP復合材料與金屬復合結構典型缺陷紅外熱成像檢測裝置與方法的參量化研究，建立的紅外檢測參量數據庫為復合結構分層、脫粘等缺陷的紅外熱成像檢測提供了參數選擇依據。

1.4  電、磁學(xué)檢測方法

太赫茲技術(shù)、金屬磁記憶技術(shù)、渦流技術(shù)是主要研究報道的技術(shù)方法。

在太赫茲檢測技術(shù)方面，德國的BECKER等[41]報道了高溫輕質(zhì)材料的3D太赫茲成像檢測方法。波蘭的CHADY等[42]利用太赫茲技術(shù)對玻璃纖維復合材料板材和管材分別進(jìn)行了二維、三維成像檢測，并與X射線(xiàn)和紅外熱像檢測技術(shù)進(jìn)行了對比分析（如圖9），提出太赫茲技術(shù)在復合材料缺陷檢測方面具有一定優(yōu)勢和應用前景，但是目前在檢測數據處理方法和高效掃描方法方面需要進(jìn)一步研究，以提高其檢測性能。

圖9  太赫茲、X射線(xiàn)、紅外檢測復合材料分層對比分析

在金屬磁記憶檢測技術(shù)方面，德國的YOUSSEF等[43]報道了一種基于更為輕量、小型的磁量探測器的鐵磁性管材磁記憶檢測方法MFD（Magnetic Field Distortion），該方法利用鐵磁性材料表面幾何形變導致的磁場(chǎng)扭曲效應表征近探測器側的結構表面缺陷，與常用的磁通量泄漏方法MFL（Magnetic Flux Leakage）相比，具有更高的缺陷尺寸定量精度和空間、型面適應性，并可與MFL方法組合應用（檢測裝置如圖10），進(jìn)而檢測鐵磁性管材內外兩側缺陷并分辨缺陷位置。

圖10  MFD/MFL組合檢測系統PipeFlux

1.5  機器人輔助檢測方法

在機器人輔助檢測方面，德國的EBERHORN等[44]報道了一種基于單臂關(guān)節機器人的射線(xiàn)層析成像檢測系統，該系統采用一臺六軸關(guān)節機器人拾取各種構件將其送至檢測工位并帶動(dòng)構件作旋轉運動(dòng)完成掃描成像（如圖11），這種方式簡(jiǎn)化了射線(xiàn)層析成像檢測系統的機械復雜度并具有更高靈活性。

法國的BANJAK等[45]報道了基于主從雙臂關(guān)節機器人的X射線(xiàn)層析成像檢測系統（如圖12），該系統采用兩臺機器人分別控制射線(xiàn)源和探測器按構件型面預設軌跡作掃描運動(dòng)并重構三維圖，具有良好的靈活性和可控性，適用于大型復雜結構的自動(dòng)掃描檢測。瑞典的VAN DEN BOS和英國的MALLION等[46]報道了基于機器人技術(shù)的視覺(jué)、超聲、渦流檢測方法在石油壓力容器結構自動(dòng)化檢測中的應用（如圖13）。

圖11  基于關(guān)節機器人的射線(xiàn)層析成像檢測系統

圖12  基于雙臂關(guān)節機器人的射線(xiàn)層析成像檢測系統

德國的ADEBAHR等[47]報道了一種基于關(guān)節機器人的空氣耦合超聲檢測系統（如圖14），該系統與圖6所示系統采用了相同的技術(shù)框架：采用同側傾斜布置的兩個(gè)空氣耦合超聲換能器分別激勵和接收超聲蘭姆波檢測缺陷，并采用六軸關(guān)節型機器人作為掃描執行機構，可實(shí)現大型復雜結構的三維仿形掃描成像檢測。

此外，如前所述，西班牙的CUEVAS等[14]報道的新型空氣耦合超聲檢測系統和激光超聲檢測系統也采用了關(guān)節型機器人作為仿形掃描執行機構（如圖3、圖5），具有更好的靈活性和可控性，更易于實(shí)現大型復雜型面構件的自動(dòng)化掃描檢測。

圖13  基于機器人技術(shù)的視覺(jué)、超聲、渦流檢測方法

圖14  基于關(guān)節機器人的空氣耦合超聲檢測系統