無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在無(wú)人機(jī)中的應(yīng)用研究

呂曉林

中國(guó)人民解放軍92419部隊(duì)，遼寧省 興城市 125106

無(wú)損檢測(cè)利用聲、光、磁、電等特征，在不損壞或影響無(wú)人機(jī)性能的前提下，檢測(cè)無(wú)人機(jī)是否存在缺陷，給出缺陷大小、位置、性質(zhì)等信息，判斷無(wú)人機(jī)技術(shù)狀態(tài)。常見(jiàn)的無(wú)損檢測(cè)方法有：射線照相檢驗(yàn)、超聲檢測(cè)、磁粉檢測(cè)、滲透檢測(cè)、渦流檢測(cè)、泄漏檢測(cè)、聲發(fā)射檢測(cè)、熱像/紅外、交流場(chǎng)測(cè)量技術(shù)、漏磁檢驗(yàn)、遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試檢測(cè)方法等，其中紅外熱波檢測(cè)技術(shù)發(fā)展迅速。

紅外熱波檢測(cè)技術(shù)利用物體因其結(jié)構(gòu)或材料不同而導(dǎo)致的熱傳導(dǎo)特性的不同，采用各種加熱方法對(duì)試件進(jìn)行加熱用以激發(fā)顯示表面裂紋和暗藏于表面以下的各種損傷和異常結(jié)構(gòu)變化，使用熱成象儀在時(shí)間和空間上記錄熱傳導(dǎo)過(guò)程中試件表面的溫場(chǎng)變化，用熱波理論和計(jì)算機(jī)圖象處理技術(shù)分析所得熱圖象，不但能檢測(cè)出無(wú)人機(jī)機(jī)翼和機(jī)械零部件結(jié)構(gòu)已經(jīng)存在的缺陷，對(duì)材料缺陷和損傷、工件結(jié)構(gòu)損傷和銹蝕等作出評(píng)定，而且能對(duì)疲勞缺陷的發(fā)展進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)其發(fā)展規(guī)律進(jìn)行預(yù)測(cè)。

紅外熱波檢測(cè)技術(shù)原理

熱波理論研究的側(cè)重點(diǎn)是研究周期、脈沖、階梯等變化性熱源與媒介材料及媒介的幾何結(jié)構(gòu)發(fā)生相互作用時(shí)所產(chǎn)生的溫場(chǎng)變化現(xiàn)象。由于不同媒介材料表面及表面下的物理特性和邊界條件將影響熱波的傳輸，而這些影響又以某種方式反映在媒介材料表面的溫場(chǎng)變化上，因此通過(guò)控制加熱和測(cè)量材料表面的溫場(chǎng)變化，將可以獲取材料的均勻性信息以及其表面以下的結(jié)構(gòu)信息，從而達(dá)到檢測(cè)和探傷目的。紅外熱成像技術(shù)是測(cè)量表面溫場(chǎng)最直接、最快速的方法。

紅外熱波無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)由脈沖式高能閃光燈熱激勵(lì)裝置、能高速記錄被檢物表面熱場(chǎng)變化的紅外熱像儀、進(jìn)行控制和圖像處理的計(jì)算機(jī)軟硬件構(gòu)成。根據(jù)變化性熱源與媒介材料及其幾何結(jié)構(gòu)之間的相互作用原理，通過(guò)控制熱激勵(lì)方法，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和記錄材料表面的溫場(chǎng)變化，經(jīng)過(guò)特殊的算法和圖像處理，獲取被檢物體材料的均勻性信息、其表面下的結(jié)構(gòu)及熱屬性的特征信息，從而達(dá)到檢測(cè)的目的。

紅外熱波檢測(cè)技術(shù)包含了加熱、熱成像和熱圖像處理方面的技術(shù)研究。

(1)加熱技術(shù)

加熱技術(shù)是使用紅外熱波檢測(cè)技術(shù)的基本要求，能使試件的“好”與“壞”、正常與不正常、有傷和無(wú)傷的區(qū)別轉(zhuǎn)換成其對(duì)外界加熱的響應(yīng)區(qū)別，并能最終在表面形成溫差。因此對(duì)試件的加熱技術(shù)是熱波檢測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)。試件的材料，形狀，尺度、表面條件、所處環(huán)境和可能存在的損傷特性都將影響檢測(cè)結(jié)果。因此，能否針對(duì)不同類型的探傷問(wèn)題，設(shè)計(jì)出實(shí)用、有效和巧妙的加熱辦法，將是成功使用紅外熱波檢測(cè)技術(shù)的前提。另外，盡管在紅外熱波檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中，脈沖加熱、周期加熱等方法已成常規(guī)，但面對(duì)不同的探傷問(wèn)題，如何調(diào)整、控制加熱頻率和強(qiáng)度依然是重要課題。

(2)熱成像技術(shù)

熱成像技術(shù)本身有遠(yuǎn)比其用于紅外熱波檢測(cè)更廣泛的用途。而熱波檢測(cè)僅僅是利用了它能對(duì)溫度場(chǎng)快速成像的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。但紅外熱波檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展無(wú)疑會(huì)促進(jìn)熱成像技術(shù)的發(fā)展。

(3)熱圖像處理技術(shù)

紅外熱波檢測(cè)需要對(duì)所獲熱圖像進(jìn)行很多獨(dú)特的處理，如對(duì)熱源的反演計(jì)算和識(shí)別運(yùn)算；對(duì)高禎頻(可達(dá)千赫茲)圖像流的快速處理；對(duì)快速變化的溫場(chǎng)圖像在時(shí)序上進(jìn)行像元擬合，以獲取"無(wú)噪聲"圖像；自動(dòng)拼圖運(yùn)算；從低頻掃描圖像計(jì)算出高頻瞬時(shí)圖像等。

紅外熱波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的核心是針對(duì)各類試件選擇不同特性的熱源對(duì)試件進(jìn)行周期、脈沖、直流等函數(shù)形式的加熱；采用現(xiàn)代紅外成象技術(shù)，并在計(jì)算機(jī)控制下進(jìn)行時(shí)序熱波信號(hào)探測(cè)和數(shù)據(jù)采集；使用根據(jù)熱波理論模型和現(xiàn)代圖象處理理論模型而研制的專用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)圖象信號(hào)處理和分析。

紅外熱成像技術(shù)把物體輻射或反射的紅外波段圖像轉(zhuǎn)換成可見(jiàn)光波段人眼可觀察圖象的技術(shù)。根據(jù)斯蒂芬-玻爾茲曼定律，紅外輻射的強(qiáng)度(單位面積向半球方向發(fā)射的全波長(zhǎng)輻射功率)可表示為：

式中，ε為灰體發(fā)射系數(shù)，σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，T為絕對(duì)溫度。

因此，物體具有不同的溫度和發(fā)射系數(shù)，熱成像儀接收來(lái)自物體的熱輻射，可以測(cè)出物體表面溫度場(chǎng)分布。

熱傳導(dǎo)理論是確定物體內(nèi)溫度分布，傅立葉定律將熱流和溫度聯(lián)系起來(lái)。

式中，q為單位面積上在溫度降低方向上單位時(shí)間的熱流量，k為材料導(dǎo)熱系數(shù)，T為溫度分布，▽T為溫度梯度。

通常用熱傳導(dǎo)微分方程來(lái)描述溫度場(chǎng)時(shí)空的內(nèi)在聯(lián)系。

式中，q為熱源，α為熱擴(kuò)散系數(shù)(α＝k/(ρc))

由電磁輻射理論可知，只要物體溫度在絕對(duì)零度以上它就會(huì)向外界發(fā)出輻射，同時(shí)也會(huì)吸收來(lái)自外界的輻射。一般情況下，這種輻射與吸收處于平衡狀態(tài)。紅外熱波成像檢測(cè)針對(duì)被檢物材質(zhì)、結(jié)構(gòu)和缺陷類型及檢測(cè)條件，利用周期、脈沖和階梯等變化性熱源施加的熱能打破被檢測(cè)試件的熱平衡狀態(tài)，在被檢側(cè)試件內(nèi)部造成熱傳導(dǎo)。不同媒介材料表面及表面下的物理特性和邊界條件將影響熱波的傳輸，并以某種方式在媒介材料表面的溫度場(chǎng)變化上反映出來(lái)，采用紅外成像對(duì)時(shí)序輻射信號(hào)進(jìn)行捕捉和數(shù)據(jù)采集，應(yīng)用軟件技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)時(shí)圖像信號(hào)的處理和分析，可獲取材料的均勻性信息和表面及其以下的結(jié)構(gòu)信息，從而達(dá)到檢測(cè)和探傷的目的。

紅外熱波檢測(cè)方法

紅外熱波檢測(cè)系統(tǒng)由脈沖式高能閃光燈熱激勵(lì)裝置、能高速記錄被檢物表面熱場(chǎng)變化的紅外熱像儀、進(jìn)行控制和圖像處理的計(jì)算機(jī)軟硬件構(gòu)成。根據(jù)變化性熱源與媒介材料及其幾何結(jié)構(gòu)之間的相互作用原理，通過(guò)控制熱激勵(lì)方法，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和記錄材料表面的溫場(chǎng)變化，經(jīng)過(guò)特殊的算法和圖像處理，獲取被檢物體材料的均勻性信息、其表面下的結(jié)構(gòu)及熱屬性的特征信息，從而達(dá)到檢測(cè)的目的。

按照不同熱加載方式和熱信號(hào)采集處理方式，紅外熱波檢測(cè)主要分以下幾種方法。

脈沖紅外熱波檢測(cè)方法

脈沖紅外熱波檢測(cè)激勵(lì)方式采用閃光燈、激光束等。

對(duì)熱傳導(dǎo)微分方程進(jìn)行一維近似處理。設(shè)試件是厚的大平板，試件內(nèi)距表面L處有一空氣(隔熱)層缺陷。脈沖熱波在試件內(nèi)的傳導(dǎo)過(guò)程可由一維傅里葉傳導(dǎo)方程描述：

式中，ρ為密度，C為比熱，k為熱傳導(dǎo)系數(shù)，▽為laplace算子，t為時(shí)間，T為試件表面下r處t時(shí)刻的溫度。

設(shè)試件在脈沖熱波作用前初始溫度分布為零，并把平板試件看作熱無(wú)限厚物體。求解式(4)，并考慮熱脈沖作用后無(wú)缺陷試件表面溫度隨時(shí)間的變化，及當(dāng)熱波傳輸?shù)焦ぜ?nèi)部缺陷處時(shí)，將受到阻礙并向回反射傳輸，得到試件在t時(shí)刻有缺陷和無(wú)缺陷區(qū)域各自對(duì)應(yīng)表面的溫度差為：

因此對(duì)試件進(jìn)行脈沖加熱后，只需用紅外熱像儀對(duì)時(shí)序溫度信號(hào)進(jìn)行捕捉和數(shù)據(jù)采集并進(jìn)行分析，便可判斷工件中有無(wú)缺陷。表面溫度差ΔT隨時(shí)間t變化的曲線有一峰值，將式(5)對(duì)時(shí)間求導(dǎo)，并令導(dǎo)數(shù)為零，可得溫度差峰值對(duì)應(yīng)時(shí)間為：

根據(jù)測(cè)量到的這一時(shí)間值，就可獲得缺陷離表面的距離L。

調(diào)制紅外熱波檢測(cè)方法

調(diào)制紅外熱波成像檢測(cè)法即通常所說(shuō)的鎖相熱像檢測(cè)技術(shù)。該方法使用強(qiáng)度按正弦規(guī)律變化的熱輻射場(chǎng)進(jìn)行加熱激勵(lì)，在加熱周期的特定時(shí)刻采集多幅熱像，計(jì)算物體表面各點(diǎn)溫度變化的幅值圖和相位圖。由圖判斷缺陷的存在和特征。此法以改善紅外熱波位測(cè)噪聲干擾和靈敏度差為初衷，彌補(bǔ)脈沖紅外熱波成像檢測(cè)的不足。

脈沖相位紅外熱波檢測(cè)方法

脈沖相位紅外熱波檢測(cè)以傅里葉變換為基礎(chǔ)，溫度的演變從圖像序列中提取出來(lái)，進(jìn)行離散傅里葉變換。由此得到不同頻率下的相位圖，其具有調(diào)制紅外熱波檢測(cè)法探測(cè)深度較深、對(duì)試件表面光分布不敏感和脈沖紅外熱波檢測(cè)法檢測(cè)速度快等優(yōu)點(diǎn)。脈沖相位紅外熱波檢測(cè)法適于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。

超聲/微波紅外熱波檢測(cè)方法

該方法采用超聲波(或微波)作為激勵(lì)源。當(dāng)試件激發(fā)超聲振動(dòng)時(shí)，由于熱彈效應(yīng)和滯后效應(yīng)，缺陷或不均勻區(qū)域的彈性性質(zhì)不同，其引起的聲衰減及其產(chǎn)生的熱比無(wú)缺陷或均勻區(qū)域多，使得該區(qū)域獲得選擇性的加熱。此外，試件中的熱流量與試件熱學(xué)性質(zhì)有關(guān)，通常缺陷區(qū)域比無(wú)缺陷區(qū)域的熱流量小，因此缺陷或非均勻區(qū)域的熱擴(kuò)散比相鄰區(qū)域少，所以，缺陷或非均勻結(jié)構(gòu)就可以通過(guò)試件的溫度異常變化表現(xiàn)出來(lái)，通過(guò)紅外熱像儀可以方便地進(jìn)行攝取和分析。

該方法可以方便地檢測(cè)金屬、陶瓷和復(fù)合材料等表面或淺表層的該勞裂紋，也同時(shí)可以檢測(cè)材料由于沖擊損傷導(dǎo)致的內(nèi)部應(yīng)力。

設(shè)備組成和工作流程如圖1、2所示。

紅外熱波檢測(cè)在無(wú)人機(jī)中的應(yīng)用

在無(wú)人機(jī)蒙皮診斷中的應(yīng)用

圖1 紅外熱波設(shè)備組成

圖2 紅外熱波工作流程

紅外熱波檢測(cè)技術(shù)可以用來(lái)探測(cè)無(wú)人機(jī)蒙皮損傷。飛機(jī)蒙皮損傷大致有五類：一是起降過(guò)程中受異物撞擊(例如冰雹、飛沙、飛鳥(niǎo)等)后引起的損傷，特別是采用復(fù)合材料的部分，受撞擊后表面完好，而強(qiáng)度和密封性已被破壞；二是因高低空壓力變化產(chǎn)生的“吹氣球”效應(yīng)，從而導(dǎo)致應(yīng)力集中處(鉚釘附近)的金屬因疲勞而產(chǎn)生裂紋；三是各種化學(xué)原因造成的銹蝕，特別是內(nèi)表面銹蝕；四是各種原因引起的結(jié)構(gòu)損傷，如各種失效的粘接、焊接、鉚接；五是密封不好引起的機(jī)身蜂窩結(jié)構(gòu)件和泡沫材料件的積水。紅外熱波檢測(cè)技術(shù)對(duì)于所有這五類損傷的檢測(cè)都得到了實(shí)用和有效的結(jié)果，而且，還可以對(duì)損傷做定量分析。如探測(cè)損傷深度、銹蝕程度以及能區(qū)別是積水還是滲漏的液壓油等。

在復(fù)合材料制造過(guò)程中，因制造工藝不合理使固體復(fù)合材料中產(chǎn)生缺陷時(shí)，缺陷尺寸相對(duì)于物體整個(gè)表面而言所占比例很小，所以，均勻加熱缺陷部位時(shí)，為了使問(wèn)題簡(jiǎn)化，缺陷附近區(qū)域的熱傳導(dǎo)可以用固體一維熱傳導(dǎo)(沿板厚方向)模型代替，如圖3所示。

圖3 復(fù)合結(jié)構(gòu)件缺陷一維熱傳導(dǎo)模型

如果復(fù)合結(jié)構(gòu)件內(nèi)存在缺陷，采用適當(dāng)?shù)臒峒虞d方式加熱構(gòu)件表面時(shí)，熱波在構(gòu)件內(nèi)部傳播，并在其內(nèi)部擴(kuò)散，由于試件內(nèi)部存在著裂紋、氣孔、分層等缺陷，這將引起試件的熱傳導(dǎo)、熱容量等性能的改變，經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間，由于熱流被缺陷阻擋，就會(huì)在缺陷附近發(fā)生熱量堆積，而這些熱量的堆積必定會(huì)以不同的溫度分部反映出來(lái)，使得有缺陷區(qū)域的表面溫度不同于沒(méi)有缺陷區(qū)域?qū)?yīng)的表面的溫度，當(dāng)用紅外探測(cè)器掃描或觀察試件表面時(shí)，紅外熱像儀就可以測(cè)定工件表面的溫度分布狀況，在試件加熱或冷卻過(guò)程中探測(cè)出物體表面溫度變化的差異，進(jìn)而判明缺陷的存在及其大小。

對(duì)飛機(jī)蜂窩結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行脈沖加熱后，應(yīng)用紅外熱波檢測(cè)技術(shù)可繪出表面不同區(qū)域的冷卻曲線，用于飛機(jī)蜂窩結(jié)構(gòu)材料的探傷檢測(cè)與損傷特性識(shí)別。圖4中用不同彩色對(duì)照顯示了不同損傷區(qū)域與其相應(yīng)的表面冷卻曲線，其結(jié)果可以識(shí)別出表面下正常狀況、多層蒙皮材料開(kāi)裂、蒙皮下蜂窩結(jié)構(gòu)材料缺損、液壓油滲漏、蜂窩結(jié)構(gòu)儲(chǔ)水等各種情況，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖5～7。

在無(wú)人機(jī)零部件診斷中的應(yīng)用

利用超聲加熱和熱波探測(cè)技術(shù)(熱超聲法)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)機(jī)身疲勞裂紋的快速、大面積檢測(cè)，以及對(duì)無(wú)人機(jī)零部件裂紋和焊接質(zhì)量進(jìn)行快速檢測(cè)。從目前情況看，對(duì)所有已知的各種表面裂紋進(jìn)行檢測(cè)的結(jié)果都很成功。其中包括探測(cè)到了無(wú)人機(jī)蒙皮的疲勞裂紋、渦輪葉片的裂紋、鑄鋁引擎外殼的裂紋、曲軸的裂紋等，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖8和圖9。

圖4 無(wú)人機(jī)蜂窩結(jié)構(gòu)材料表面下?lián)p傷

圖5 無(wú)人機(jī)蒙皮紅外熱波檢測(cè)結(jié)果

圖6 受撞擊后多層復(fù)合材料中的損傷

圖7 檢測(cè)蜂窩材料中的水和油

圖8 渦輪葉片熱波檢測(cè)結(jié)果

圖9 熱波檢測(cè)無(wú)人機(jī)零件裂紋

結(jié)束語(yǔ)

與其他無(wú)損探測(cè)技術(shù)相比，紅外熱波無(wú)損探傷技術(shù)具有適用面廣、速度快、觀測(cè)面積大、測(cè)量結(jié)果圖象顯示直觀易懂、多數(shù)情況下不污染也不需接觸試件等優(yōu)點(diǎn)，并且還可實(shí)現(xiàn)對(duì)多層復(fù)合材料的層析探傷、無(wú)人機(jī)蒙皮開(kāi)裂和銹蝕的快速檢測(cè)，在無(wú)人機(jī)領(lǐng)域具有廣泛的用途。 ■