新型高性能復(fù)合材料的研發(fā)在國內(nèi)外已經(jīng)成為一個熱點,多種新型復(fù)合材料的優(yōu)異性能已得到了驗證與普遍認可,并在航空航天領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用?隨著材料工藝的成熟及產(chǎn)品質(zhì)量的提高,高性能復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的使用比例大幅度提升(波音787“夢想”飛機的復(fù)合材料用量已達結(jié)構(gòu)質(zhì)量的50%),有些甚至已代替金屬成為某些核心部件的主要結(jié)構(gòu)材料,從而使航空航天技術(shù)的發(fā)展有了質(zhì)的飛躍?在航空航天領(lǐng)域已得到應(yīng)用的新型復(fù)合材料主要包括纖維增強復(fù)合材料(CFRP?GFRP?GLARE)?夾芯結(jié)構(gòu)復(fù)合材料(蜂窩夾芯復(fù)合材料?泡沫夾芯復(fù)合材料)?耐高溫復(fù)合材料(C/C復(fù)合材料?C/SiC復(fù)合材料)等,此類材料普遍具有高比強度?高比剛度?高模量和耐腐蝕等優(yōu)異性能?碳纖維增強復(fù)合材料(CFRP)已廣泛應(yīng)用于雷達罩?客機機身?機翼?垂尾和方向舵等構(gòu)件?圖1(a)和圖1(b)分別為波音787復(fù)合材料機身及機翼后緣?蜂窩夾芯復(fù)合材料以高彈性模量?隔音?隔熱和防潮等特性用于雷達天線罩?發(fā)動機隔音板?客機機身?直升機旋翼葉片和機艙地板等?圖2為Mi-24型直升機旋翼葉片結(jié)構(gòu)?纖維增強陶瓷基復(fù)合材料(Ceramic Matrix Composites,CMC)以耐高溫?抗氧化?抗燒蝕?良好的高溫機械性能等特性逐漸代替金屬成為新一代航空?航天器的高溫?zé)峤Y(jié)構(gòu)材料,典型應(yīng)用包括航空發(fā)動機燃燒室?渦輪?火箭發(fā)動機噴管等耐高溫關(guān)鍵件?大型客機和新型軍用飛機的新一代高速剎車片等?圖3為液體火箭發(fā)動機C/SiC噴管在高空臺試車?橡膠包覆金屬材料以其優(yōu)異的耐腐蝕性能應(yīng)用于火箭發(fā)動機燃料筒?

    工藝?材料特性和服役條件等都是影響復(fù)合材料構(gòu)件中產(chǎn)生缺陷的重要因素,當(dāng)缺陷尺寸達到某一量值時,會導(dǎo)致構(gòu)件性能顯著下降,采用無損檢測技術(shù)對新型復(fù)合材料構(gòu)件進行檢測及質(zhì)量評價以確保其完整性是制造及服務(wù)環(huán)節(jié)的重要內(nèi)容?由于航空航天新型復(fù)合材料制造成本高?結(jié)構(gòu)特殊和使用環(huán)境特殊等特點,對無損檢測技術(shù)提出了更苛刻?更有針對性的檢測條件和檢測要求,包括不能使用耦合劑?檢測空間狹小?構(gòu)件尺寸大?結(jié)構(gòu)復(fù)雜?檢測高效和檢測結(jié)果實時直觀等?研究與新型復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展水平相適應(yīng)的無損檢測技術(shù),針對不同檢測條件及檢測要求提出合理的檢測與評價方法已成為國內(nèi)外研究人員需要思考的新課題?

    多種非接觸檢測技術(shù)的迅速發(fā)展為解決上述檢測要求提供了新思路,已有多種非接觸檢測技術(shù)為航空航天制造及維護提供服務(wù),各方法以其獨特的技術(shù)優(yōu)勢在不同領(lǐng)域?不同檢測目的應(yīng)用中發(fā)揮巨大作用,這類技術(shù)在新型復(fù)合材料生產(chǎn)及維護中的質(zhì)量評價及對環(huán)境有特殊要求的檢測任務(wù)中(高溫?高壓?核輻射?腐蝕等)具有顯著優(yōu)勢和應(yīng)用潛力?非接觸無損檢測技術(shù)的應(yīng)用可以大大提高檢測效率?節(jié)約維護成本?縮短型號研制周期,此類技術(shù)主要可分為基于機械振動的空氣耦合超聲檢測技術(shù),基于光學(xué)的紅外熱像技術(shù)?散干涉技術(shù)?全息成像?太赫茲技術(shù)?超導(dǎo)量子干涉技術(shù)(Superconducting Quantum InterferenceDevice,SQUID)等,以及激光超聲?電磁超聲等混合技術(shù)?本文結(jié)合航空航天技術(shù)的發(fā)展趨勢及該領(lǐng)域?qū)π滦蛷?fù)合材料的檢測需求,對目前研究較熱且在該領(lǐng)域具有較大應(yīng)用潛力的空氣耦合超聲檢測技術(shù)?紅外熱像技術(shù)?激光超聲檢測技術(shù)?散斑干涉技術(shù)的技術(shù)特點?研究進展與應(yīng)用情況進行綜述,最后展望非接觸無損檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢,為此類技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的研究與應(yīng)用提供一定的參考和借鑒?

    1 非接觸無損檢測技術(shù)研究進展

    1.1 空氣耦合超聲檢測技術(shù)

    空氣耦合超聲檢測技術(shù)是一種以空氣作為耦合介質(zhì)的非接觸聲學(xué)檢測方法,除了耦合介質(zhì)差異外,在超聲激發(fā)與聲傳播機理方面與傳統(tǒng)超聲檢測技術(shù)相比差異不大?該技術(shù)具有非接觸?良好的檢測分辨率?易實現(xiàn)自動化?適合原位檢測和技術(shù)較成熟等優(yōu)點,但是該技術(shù)一般采用點對點的掃查方式使得檢測效率較低,同時超聲衰減導(dǎo)致接收信號的信噪比較差?

    空氣耦合條件下,由于空氣同檢測對象之間巨大的聲阻抗差及空氣對高頻聲波的高吸收率,造成超聲接收信號微弱且信噪比低,提高空氣耦合條件下接收信號強度及信噪比是該技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用所面臨的首要難題?國內(nèi)外重點研究方向包括新型高性能空氣耦合超聲換能器?低噪聲激勵接收放大裝置?新型檢測方法?激勵信號編碼技術(shù)及數(shù)字信號處理技術(shù)等?空氣耦合超聲換能器是決定空氣耦合超聲檢測技術(shù)發(fā)展水平的關(guān)鍵,按換能方式可分為壓電型和電容型(或靜電型)兩類?近年來針對壓電換能器研發(fā)出的多種高性能換能材料(如聚合物復(fù)合材料)和聲匹配膜材料,使壓電換能器具有更低的聲阻抗,同時,具有低密度?多孔?良好的高頻機電響應(yīng)?低聲阻抗(0.028~0.040MRayl)?低介電損耗和機械損耗的高性能聲匹配膜材料的應(yīng)用,包括多孔聚丙烯鐵電體膜材料(Polypropylene Ferroelectric Films)?硅橡膠?聚偏二氟乙烯(Polyvinylidene Fluoride,PVDF)等,使得壓電換能器換能效率大幅提升(普遍提高30dB以上),頻率也已拓展到60kHz~2MHz,其應(yīng)用非常廣泛?由于新型電容型換能器(Capacitive Microfabricated UltrasonicTransducer,CMUT)較傳統(tǒng)壓電換能器而言機電轉(zhuǎn)換效率更高,具有高靈敏度?寬頻帶?良好的聲阻抗匹配特性,是空氣耦合超聲換能器發(fā)展的新趨勢,圖4和圖5分別為電容型空氣耦合超聲換能器構(gòu)成原理及換能器結(jié)構(gòu)?

    激勵與接收放大系統(tǒng)是空氣耦合超聲檢測系統(tǒng)的重要組成部分,現(xiàn)已研制出電壓峰峰值在500~800V的高性能低噪聲空氣耦合超聲換能器激勵放大系統(tǒng),結(jié)合空氣耦合換能器內(nèi)部的超低噪聲前置放大器,可使接收信號放大到100dB以上,滿足了大多數(shù)材料的檢測需求?檢測方法研究方面,穿透法檢測技術(shù)已很成熟且應(yīng)用廣泛,南伊利諾斯州立大學(xué)Stonawski使用225kHz換能器從厚度為36.33mm 的C/C復(fù)合材料剎車盤中可靠地識別出了直徑為12.7mm 的人工平底孔?Kａzys等使用470kHz換能器對GLARE3-3/2復(fù)合材料中直徑為25mm預(yù)置分層缺陷進行了檢測,對C掃描結(jié)果使用-6dB法求得缺陷直徑為22mm?使用空氣耦合超聲同側(cè)檢測技術(shù)可以檢測蜂窩夾芯材料中的損傷缺陷,可確定分層及損傷缺陷的類型?尺寸及位置,該技術(shù)滿足了快速原位檢測的需要?超聲信號數(shù)字化處理技術(shù)(濾噪及脈沖壓縮處理技術(shù)等)是提高接收信號信噪比的重要手段,Sasaki等利用一種幅值調(diào)制信號驅(qū)動40kHz窄帶換能器,獲得了高信噪比的回波信號,測距精度可達0.02mm(0.1~0.5m 內(nèi))?雷達技術(shù)中常用的線性/非線性調(diào)頻脈沖壓縮技術(shù)?相位編碼脈沖壓縮技術(shù)在超聲檢測領(lǐng)域的應(yīng)用,使檢測信號信噪比大幅度提升,國內(nèi)在頻率調(diào)制脈沖壓縮方法的研究方面也已獲得了實用化研究成果,已將線性調(diào)頻?非線性調(diào)頻?相位編碼脈沖壓縮技術(shù)應(yīng)用到CFRP/GFRP復(fù)合材料空氣耦合超聲檢測中,能檢出材料中脫粘?夾雜等缺陷?

    空氣耦合超聲技術(shù)最先于20世紀(jì)20年代用于南極冰蓋厚度的測量(頻率在20~100kHz之間)?過去40年來,該檢測技術(shù)發(fā)展非常迅速,已被證明是檢測與評價纖維增強復(fù)合材料(CFRP?GFRP?GLARE)?蜂窩夾芯/泡沫夾芯結(jié)構(gòu)材料?金屬?耐高溫陶瓷材料等質(zhì)量的有效手段?此方法不僅可以用來評價泡沫夾芯復(fù)合材料中蒙皮與泡沫芯之間的脫粘?層壓復(fù)合材料中的內(nèi)部分層缺陷,還能檢測C/C復(fù)合材料剎車盤中的夾雜和不均勻缺陷?空氣耦合超聲檢測技術(shù)已在航空航天新型復(fù)合材料檢測中得到應(yīng)用,實現(xiàn)了波音737機翼后緣蜂窩夾芯材料?A320副翼?波音737尾翼?黑鷹直升機旋翼?泡沫夾芯材料及相應(yīng)構(gòu)件的檢測,圖6為采用該技術(shù)檢測波音737機翼后緣?德國無損檢測技術(shù)研究所的HFUS2400AirTech 系列?美國Ultran公司的NCT?NCG系列換能器及SecondWave M510系統(tǒng)?QMI公司的AS系列換能器及AirScan SONDA-007CX檢測系統(tǒng)?Japan Probe 公司NAUT21檢測系統(tǒng)等都已具有非常優(yōu)異的檢測性能,并已應(yīng)用在航空航天特殊材料及其構(gòu)件的質(zhì)量評價中?

    1.2 紅外熱像技術(shù)

    紅外熱像技術(shù)是基于物體的熱輻射特性,使用紅外熱像儀觀測材料缺陷區(qū)及完好區(qū)紅外輻射差異來檢測物體內(nèi)部缺陷?對紅外輻射差異信號的數(shù)字化處理使人眼可視范圍擴展到紅外波段?該技術(shù)非常適合大型部件的全場快速檢測,檢測速度是水浸C掃描檢測速度的30倍以上,還具有操作簡單?檢測結(jié)果直觀?實時?便于原位檢測等特點,但是此方法的檢測分辨率受制于探測器自身性能,而且從熱像圖中對較深層缺陷的識別與定量分析有一定難度?

    該技術(shù)研究主要關(guān)注高性能探測器技術(shù)?新型檢測方法?信號與圖像后處理技術(shù)等?早期該技術(shù)受到檢測精度的影響,大大限制了其應(yīng)用范圍?隨著高速?高像元?高靈敏度紅外熱像儀的出現(xiàn)及計算機數(shù)字信號處理技術(shù)的進步,該技術(shù)得到了快速發(fā)展,探測器作為紅外整機系統(tǒng)的核心關(guān)鍵部件更是研究的重點,半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展催生了新型探測器的研制熱潮,高像元碲鎘汞(HgCdTe)已得到廣泛應(yīng)用,制冷型量子阱探測器(如640×480像元?GaAs/AlGaAs焦平面型)已問世,非制冷焦平面探測器(非晶硅?氧化物晶體?熱釋電陶瓷)省去了昂貴的低溫制冷系統(tǒng)和復(fù)雜的掃描裝置,使紅外熱像儀向高精度?微型化?低功率?低成本?長壽命方向發(fā)展?在檢測方法研究方面,脈沖紅外熱像技術(shù)(Pulse Thermography,PT)檢測速度快,可以快速檢測CFRP/GFRP復(fù)合材料中脫粘?夾雜和沖擊損傷缺陷,但檢測結(jié)果易受熱源均勻性?熱輻射率?環(huán)境反射?幾何結(jié)構(gòu)等因素的影響?鎖相紅外熱像(Lock-inThermography,LT)技術(shù)已應(yīng)用到航空航天器?軍民用設(shè)備的安全可靠性檢測方面,采用較低調(diào)制頻率即能獲得較厚材料深層缺陷信息,但檢測時間較長?脈沖相位紅外熱像(Pulse PhaseThermography,PPT)技術(shù)抗干擾能力強?可探測深度缺陷,克服了脈沖熱像技術(shù)對加熱均勻性的苛刻要求和鎖相紅外熱像技術(shù)處理時間長的局限?由于此法基于相位信號的傅里葉變換獲得,在特定相位上能量有限,必須提高單次脈沖激勵能量?新型頻率調(diào)制紅外熱像方法克服了鎖相紅外熱像技術(shù)檢測時間長?脈沖紅外熱像技術(shù)需要更高激勵能量的問題,能夠以更小的激勵能量實現(xiàn)較深區(qū)域缺陷的檢測?紅外熱像技術(shù)已經(jīng)延伸出多種基于不同激勵方式的檢測技術(shù),常用的主動式熱激勵源包括光?熱?磁?聲等,針對被測物體的材質(zhì)?結(jié)構(gòu)?缺陷類型及檢測條件,可采用不同的熱源對被檢試件進行加熱,以獲得理想的檢測效果?超聲紅外熱像技術(shù)基于缺陷區(qū)機械波引起的摩擦熱效應(yīng)而建立,已在航空發(fā)動機葉片裂紋?Nomex蜂窩結(jié)構(gòu)蒙皮脫粘及表面裂紋等缺陷的檢測中得到驗證和推廣,圖7為采用超聲紅外熱像技術(shù)檢測Nomex蜂窩結(jié)構(gòu)蒙皮脫粘及表面裂紋缺陷?電磁激勵紅外熱像無損檢測技術(shù)是基于電磁感應(yīng)原理和渦流熱效應(yīng)提出的,能在金屬板類材料內(nèi)部裂紋缺陷檢測中獲得較高的檢出率,佩特雷大學(xué)的Tsopelas和Siakavellas分別對比了圖像提取?溫度的空間導(dǎo)數(shù)及傅里葉變換等方法對鋁板中不同裂紋缺陷的檢測能力,發(fā)現(xiàn)傅里葉變換法可檢出更多裂紋缺陷(從20個中檢出15個)?在信號與圖像后處理技術(shù)方面,可采用新型圖像邊緣檢測?圖像融合技術(shù)以降低加熱不均?表面反射等因素對結(jié)果的干擾,提高了檢測結(jié)果的可靠性及檢測精度?

    美國GE?波音?洛克希德?NASA 等已將紅外熱像技術(shù)作為重要檢測手段應(yīng)用于實際生產(chǎn),ASTM 已制定脈沖紅外熱像檢測標(biāo)準(zhǔn)和航空航天復(fù)合材料無損檢測導(dǎo)則?瑞典?加拿大?俄國?德國?法國等已將該技術(shù)應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域金屬?陶瓷?橡膠?發(fā)動機金屬噴管?膠接CFRP材料?鉚接蒙皮?膠接蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)等的質(zhì)量檢測方面?紅外熱像技術(shù)應(yīng)用設(shè)備的研發(fā)在國外開展較早,美國FLIR?德國InfraTec等公司研制出的便攜式高性能制冷型紅外熱像儀(碲鎘汞探測器,熱靈敏度NETD <20mK)已經(jīng)得到非常普遍的應(yīng)用?美國?法國?以色列等都已具備生產(chǎn)高性能非制冷型氧化釩紅外探測器的能力,并開始著手研制新一代非制冷微量熱型紅外熱像系統(tǒng)?國內(nèi)首都師范大學(xué)?北京航空航天大學(xué)?大連理工大學(xué)?南京航空航天大學(xué)?北京航空材料研究院等在紅外熱像技術(shù)研究方面也已取得較大成果,相應(yīng)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域包括火箭發(fā)動機機體?火箭殼體?航空發(fā)動機噴管?發(fā)動機熱端部件熱障涂層?渦輪葉片等的檢測,能快速檢測出C/SiC復(fù)合材料構(gòu)件?蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)和多層膠接結(jié)構(gòu)中的分層和脫粘缺陷,而且對航空器近表面缺陷?導(dǎo)彈及艦船層壓材料內(nèi)部缺陷?蜂窩材料內(nèi)部積水?斷裂極限?疲勞極限等具有很好的檢出能力?

    1.3 激光超聲檢測技術(shù)

    1926年兩位法國科學(xué)家證明了脈沖激光束可在固體和液體中激發(fā)出聲波,后來基于該原理發(fā)展出光學(xué)?熱學(xué)?聲學(xué)等多學(xué)科交叉的激光超聲檢測技術(shù)獲得巨大發(fā)展?由于采用球面透鏡或柱面透鏡容易將激光束聚焦為點源或線源,給材料表面激發(fā)出聚焦點聲源或線聲源提供了便利,光導(dǎo)纖維還可以將激光引導(dǎo)至難以接近的區(qū)域,這為復(fù)雜形狀構(gòu)件的檢測及大型構(gòu)件遠程在線檢測奠定了很好的技術(shù)基礎(chǔ)?激光超聲脈沖寬度可達到納秒級,因此具有很高的微小缺陷探測能力,激光掃描速度比機械式掃描快很多?但該技術(shù)的接收信號受光聲轉(zhuǎn)換效率的影響很大,同時激發(fā)的寬帶信號特性給缺陷特征信號識別帶來一定難度?

    該技術(shù)研究的重點是激光超聲信號激發(fā)機理?超聲信號接收及檢測方法等?固體中激光激勵超聲波的機理較復(fù)雜,國內(nèi)外主要關(guān)注熱彈效應(yīng)和熱燒蝕效應(yīng),當(dāng)功率密度較小的激光束照射到固體材料表面時,由于照射區(qū)域內(nèi)熱量高度集中產(chǎn)生熱彈效應(yīng),導(dǎo)致材料沿表面的快速膨脹并向材料內(nèi)部傳播而激勵出超聲波?當(dāng)激光功率密度大于材料損傷閾值時,材料表面因燒蝕效應(yīng)瞬間氣化,并激發(fā)出超聲波,該效應(yīng)會激發(fā)出較強的縱波?橫波和表面波,但會造成材料表面一定深度的燒蝕,只適用于部分場合?激光源產(chǎn)生的超聲脈沖是一種寬帶窄脈沖(帶寬可擴展到100MHz以上),因此一般要求是寬帶的信號接收系統(tǒng),常用的超聲信號接收方法可采用光學(xué)傳感器(干涉法和光束偏轉(zhuǎn)法),檢測方法以干涉法(包括零差?外差?邁克爾遜?法布里-珀羅?馬赫-曾德爾等)為主,還可以采用寬帶超聲傳感器(壓電型或靜電型)?電磁傳感器等?激光超聲主要面臨的問題包括能量轉(zhuǎn)換效率低?檢測靈敏度低,提高激光激勵能量或采用連續(xù)激光激發(fā)容易造成材料表面燒蝕,因此結(jié)合其他方法建立新型混合技術(shù)是研究的新思路?激光與空氣耦合超聲換能器相結(jié)合的檢測技術(shù)是一種簡便的超聲激勵與接收方法,可實現(xiàn)復(fù)合材料及金屬構(gòu)件中垂直方向裂縫及裂開型缺陷的檢測,對飛機上的熱塑性復(fù)合材料中近表面裂紋缺陷檢測效果優(yōu)異?該技術(shù)還可以激發(fā)和檢測體結(jié)構(gòu)中的縱波?橫波?固體界面漏表面波和薄板中的Lamb波?針對不同的檢測對象選擇合理的聲波模態(tài)進行分析,可快速獲得不同檢測結(jié)果,圖8所示為采用激光干涉系統(tǒng)測量氣固界面漏表面波?

    由于樹脂基復(fù)合材料對激光的吸收能力較強,激光超聲轉(zhuǎn)換效率能滿足檢測要求,因此應(yīng)用該技術(shù)可實現(xiàn)CFRP復(fù)合材料?層壓復(fù)合材料?蜂窩夾芯材料(CFRP或GFRP蒙皮)中缺陷的檢測?洛克希德·馬丁公司已采用Laser UT激光超聲檢測系統(tǒng)對F-22復(fù)合材料進氣道?JSF機翼傳力結(jié)構(gòu)等部件進行檢測,檢測效率大大提高,還可實現(xiàn)飛機引擎和機翼的質(zhì)量評估,圖9為Laser UT激光超聲系統(tǒng)檢測F-22復(fù)合材料進氣道?iPhoton公司的iPLUS大型機器人激光超聲檢測系統(tǒng),已應(yīng)用于新一代大型客機A380?A350XWB等機型復(fù)雜結(jié)構(gòu)復(fù)合材料構(gòu)件的自動快速檢測?國內(nèi)南京大學(xué)?北京航空航天大學(xué)等已將該技術(shù)應(yīng)用于復(fù)合材料內(nèi)部典型缺陷及鉆孔分層缺陷的檢測?

    1.4 散斑干涉技術(shù)

    電子散斑干涉(Electronic Speckle PatternInterferometry,ESPI)是以激光?光電子技術(shù)?數(shù)字圖像處理技術(shù)為基礎(chǔ)的現(xiàn)代光學(xué)測量技術(shù),該技術(shù)以激光散斑作為被測物場變化信息的載體,通過對待測材料加載時觀察缺陷表面因異常變形導(dǎo)致的異常光學(xué)干涉條紋來判斷缺陷特征?隨著電子技術(shù)?計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展,電子散斑干涉術(shù)的處理過程已完全實現(xiàn)了數(shù)字化,實現(xiàn)了自動測量與分析?散斑干涉技術(shù)檢測速度快?通用性強?測量簡便?自動化程度高?靈敏度高,但對內(nèi)部較深層缺陷敏感性較差且定量較困難?

    該技術(shù)研究重點關(guān)注加載方式?檢測方法?調(diào)制加載技術(shù)及圖像信號處理等?采用的加載方式主要包括真空加載?熱加載?聲加載?電磁加載等,選擇不同的加載方式,可實現(xiàn)復(fù)合材料不同類型缺陷的檢測及評估?檢測方法研究方面,新發(fā)展出電子剪切散斑干涉(Electronic ShearographySpeckle Pattern Interferometry,ESSPI)技術(shù),該技術(shù)通過玻璃光楔塊偏折,在焦平面上產(chǎn)生與楔塊楔角相同方向的兩個剪切的像(即在像平面上形成一個物體的兩個錯位的像),兩個變形前后的散斑干涉圖像經(jīng)處理,可使原來對位移敏感的干涉條紋變?yōu)閷ξ灰谱兓棵舾?/span>,因此該技術(shù)較ESPI而言受外界干擾小,不用避光,無需專門隔振,成像容易,能快速測量表面位移?振動?應(yīng)變?物體形貌等?加載技術(shù)及圖像信號處理技術(shù)也已獲得較大成果,大大推進了該技術(shù)的發(fā)展,斯圖加特大學(xué)的Gerhard和Busse在常規(guī)ESPI技術(shù)的基礎(chǔ)上,通過調(diào)制加熱建立了鎖相散斑干涉檢測系統(tǒng),圖10為鎖相ESPI檢測系統(tǒng)的構(gòu)成原理?從相位圖中分析,可得出缺陷在材料中的位置,彌補了常規(guī)ESPI對較深層缺陷檢測效果不理想的缺點,采用鎖相加載技術(shù),從6mm亞克力板(Poly Methyl Meth Acrylate,PMMA)及13mm蜂窩材料中,清楚地識別出位于同一平面坐標(biāo)不同深度的缺陷?應(yīng)用相移技術(shù)及小波圖像濾噪可使散斑圖像質(zhì)量和測量精度大大提高,Findeis等將相移技術(shù)應(yīng)用到ESPI及ESSPI中,實現(xiàn)了大羚羊直升機旋翼葉片的檢測,如圖11所示?通過分析散斑條紋相位圖,還可以確定蜂窩芯材中位于20?40mm 等不同深度的直徑為12mm的人工缺陷?

    ESPI?ESSPI 能實時?可靠地檢測出GLARE?GFRP?蜂窩夾芯材料中的脫粘?分層?沖擊損傷?蜂窩積水等典型缺陷,尤其對復(fù)合材料內(nèi)部開裂?裂紋較敏感,圖12為采用ESPI技術(shù)檢測C/C復(fù)合材料中的開裂缺陷?散斑干涉技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于航空航天復(fù)合材料的質(zhì)量評價中?美國空軍將ESSPI技術(shù)作為檢測B-2飛機蒙皮與芯子粘接質(zhì)量的主要手段,肯尼迪航天中心用該技術(shù)檢測航天飛機外部燃料箱熱保護層和固體火箭推進器的熱保護層?國內(nèi)天津大學(xué)?南京航空航天大學(xué)?上海交通大學(xué)等也將相應(yīng)技術(shù)應(yīng)用于復(fù)合材料夾雜?脫粘?芯格斷裂?沖擊損傷等缺陷的檢測?在檢測儀器方面,有早期英國Ealing公司的VIDISPEC?美國Newport生產(chǎn)的HC-4000 等,德國Ettemeyer研發(fā)的Laser Shearography系統(tǒng)已在航空航天領(lǐng)域得到應(yīng)用,Q830系統(tǒng)被美國Pratt & Whittney公司列入PW 系列發(fā)動機維護與大修的檢測規(guī)范,并被美國聯(lián)邦航空委員會認定為飛機輪胎的強制性檢測與評價手段,且可用于噴氣發(fā)動機部件研磨密封裝置的脫粘(虛粘)缺陷檢測?火箭外殼材料粘接質(zhì)量的在線檢測?直升機復(fù)合材料旋翼檢測等?華南理工大學(xué)開發(fā)出BTJSLNDT-1200A型便攜式激光散斑輪胎測試儀,用于輪胎內(nèi)部缺陷的檢測?中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研制出便攜式激光剪切散斑干涉系統(tǒng)用于飛機整機疲勞裂紋的現(xiàn)場監(jiān)測?

    1.5 各檢測技術(shù)綜合特性對比

    各非接觸檢測技術(shù)綜合特性對比如表1所示

    2 非接觸無損檢測技術(shù)研究趨勢

    2.1 多技術(shù)融合的新型檢測方法

    任何基于單一技術(shù)原理的無損檢測方法都有其優(yōu)勢和局限性,探索多技術(shù)融合的新型混合檢測技術(shù)可以實現(xiàn)優(yōu)勢互補,能以更合理的檢測手段達到質(zhì)量評價的目的,可提高檢測效率和可靠性,是未來無損檢測技術(shù)發(fā)展的新趨勢?通過選擇不同的激勵與接收方法,可以組合出多種不同的檢測新技術(shù),例如由激光脈沖發(fā)生器激勵出超聲波,電磁超聲換能器(Electromagnetic AcousticTransducer,EMAT)接收的組合技術(shù)可用于裂紋及材料厚度的檢測,圖13 為采用Laser-EMAT混合技術(shù)監(jiān)測焊縫質(zhì)量?激光激勵超聲波,用空氣耦合超聲換能器接收的檢測方法非常適用于基于表面波的無損檢測,尤其在復(fù)合材料表面缺陷檢測中更有效?超聲紅外檢測技術(shù)對航空發(fā)動機葉片表面/近表面閉合微裂紋及復(fù)合材料中脫粘缺陷的檢測效果優(yōu)異?空氣耦合超聲換能器激勵出聲波使閉合性裂紋區(qū)域產(chǎn)生摩擦熱,通過紅外熱像儀探測缺陷的方法可應(yīng)用于裂紋缺陷的檢測?新發(fā)展的電磁紅外熱像技術(shù)根據(jù)板中裂紋缺陷改變渦電流流向來實現(xiàn)缺陷分析,同時將脈沖相位法和鎖相法應(yīng)用于電磁紅外檢測,可提高檢測可靠性?

    2.2 自動化高速檢測系統(tǒng)

    快速高效的無損檢測技術(shù)已成為國外航空裝備研發(fā)和制造的重要發(fā)展方向,美國?俄羅斯?法國?德國等都在大力發(fā)展快速無損檢測技術(shù)以適應(yīng)現(xiàn)代航空裝備的研制和高效制造的需求?相控陣技術(shù)?自動化控制系統(tǒng)及機器人技術(shù)的應(yīng)用解決了不規(guī)則型面構(gòu)件的快速自動化檢測問題,特別是在復(fù)雜大型構(gòu)件的檢測中,大大節(jié)省了人力,同時也保證了檢測結(jié)果的完整性?重復(fù)性及可靠性,多通道檢測系統(tǒng)?導(dǎo)波檢測系統(tǒng)的設(shè)計和研發(fā)也是大大提高大型構(gòu)件檢測效率的重要手段?圖14和圖15分別為自動化超聲檢測系統(tǒng)及復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的三維C掃描檢測結(jié)果?檢測過程中99%以上的時間用在非缺陷區(qū)的檢測,迅速識別疑似缺陷區(qū)域并對該區(qū)域進行重點精確掃查可以大大縮短檢測時間?結(jié)合現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)化管理與智能控制系統(tǒng)實現(xiàn)構(gòu)件的快速?智能化?自動化檢測是非接觸無損檢測技術(shù)發(fā)展的一大趨勢?

    2.3 計算機仿真及數(shù)字信號處理技術(shù)

    新型計算分析方法(如有限差分?有限元?邊界元?體積元等)及信號處理方法(如小波分析?數(shù)字濾波?功率譜分析等)已成為非接觸無損檢測技術(shù)研究與應(yīng)用的重要內(nèi)容?檢測技術(shù)復(fù)雜性及對象的多樣性使得檢測系統(tǒng)設(shè)計與參數(shù)優(yōu)化至關(guān)重要,有限元等仿真與分析結(jié)果已成為檢測方法建立及系統(tǒng)設(shè)計的重要參考,并已應(yīng)用于EMATthermal檢測?換能器優(yōu)化設(shè)計?激光超聲檢測及相控陣系統(tǒng)研發(fā)中,圖16及圖17分別為采用有限元技術(shù)模擬電磁紅外渦電流及熱功率密度和激光激發(fā)超聲波在不同直徑孔洞材料中的聲場分布特性?仿真分析技術(shù)還為實驗研究提供了重要的理論依據(jù),明顯減少了實驗次數(shù),成為一種應(yīng)用于檢測技術(shù)研究方面的重要手段,圖18為采用有限差分(FDTD)技術(shù)模擬介質(zhì)中的聲場?電子技術(shù)與計算機技術(shù)的飛速發(fā)展及其成本的大幅度降低,加快了現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術(shù)在無損檢測領(lǐng)域的應(yīng)用步伐,FFT處理技術(shù)?STFT時頻分析?小波變換?Wiener濾波技術(shù)?Wigner-Ville分布?脈沖壓縮技術(shù)等在無損檢測中的應(yīng)用大大提高了信號分辨率和信噪比?同時,檢測信號處理的硬件化(如DSP系統(tǒng)),使高效信號處理及成像方法面向?qū)嵱没?/span>,檢測結(jié)果可靠性明顯改善,結(jié)果分析更便利,并使高分辨率實時動態(tài)成像成為現(xiàn)實?

    2.4 微型化?便攜化檢測設(shè)備及裝置

    微機電(Microelectro Mechanical SystemsMEMS)技術(shù)?電子信息技術(shù)及新材料技術(shù)的快速發(fā)展,使傳感器制造進入了一個全新階段?采用大規(guī)模集成電路技術(shù)可以實現(xiàn)電磁換能器線圈的快速設(shè)計與制造,MEMS技術(shù)已成為制作小型陣列式壓電換能器?陣列式線/面型CMUT空氣耦合超聲換能器及陣列式電磁換能器的重要加工手段?同時,應(yīng)用MEMS制作工藝可大大降低換能器制造成本,使得多陣元換能器制作及相控陣技術(shù)應(yīng)用更普遍?上述關(guān)鍵技術(shù)的進步加快了相應(yīng)系統(tǒng)向微型?便攜?智能?廉價方向發(fā)展的步伐,為研制現(xiàn)場在線檢測設(shè)備創(chuàng)造了良好條件?圖19和圖20分別為便攜式材料厚度測量儀和便攜式空氣耦合超聲檢測儀?激勵與接收系統(tǒng)?信號放大系統(tǒng)?數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的插卡式模塊化發(fā)展,使得檢測儀器的研制變得更高效,系統(tǒng)性能更優(yōu)異?

    2.5 材料特性分析方法及構(gòu)件性能在線監(jiān)測技術(shù)

    非接觸無損檢測方法在快速?準(zhǔn)確檢測材料物化特性方面的技術(shù)優(yōu)勢已逐漸體現(xiàn)出來?空氣耦合超聲檢測技術(shù)能分析材料濕度?材料表面粗糙度?表面形貌?基體材料或包覆層彈性模量?密度?泊松比?厚度等?激光超聲技術(shù)也可用于金屬材料組織分析,焊接構(gòu)件殘余應(yīng)力測試?彈性模量測量等,圖21和圖22分別為空氣耦合超聲用于紙幣水印形貌分析和激光超聲系統(tǒng)測量材料殘余應(yīng)力?散斑干涉則被廣泛用于表面位移?振動?應(yīng)變?物體形貌等的測量?基于非接觸導(dǎo)波的快速健康狀態(tài)監(jiān)測(Structural HealthMonitoring,SHM)技術(shù)能實現(xiàn)材料疲勞裂紋及復(fù)合材料損傷缺陷的實時在線監(jiān)測,圖23為激光測振法分析材料疲勞裂紋的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)?

    3 結(jié)束語

    未來無損檢測要向檢測速度更快?檢測結(jié)果更直觀可靠?檢測流程更便捷?檢測系統(tǒng)更廉價的方向發(fā)展?我國航空航天事業(yè)發(fā)展如火如荼,同時也正面臨著對高端新型檢測技術(shù)的供需矛盾,隨著新材料技術(shù)?大規(guī)模集成電路及高端微機械加工技術(shù)的發(fā)展與進步,非接觸無損檢測技術(shù)將具有很大發(fā)展?jié)摿?/span>,并將在未來航空航天及新材料等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用?

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