无损检测技术在无人机中的应用研究

2020-01-06吕晓林

无人机 2019年11期

吕晓林

中国人民解放军92419部队，辽宁省兴城市 125106

无损检测利用声、光、磁、电等特征，在不损坏或影响无人机性能的前提下，检测无人机是否存在缺陷，给出缺陷大小、位置、性质等信息，判断无人机技术状态。常见的无损检测方法有：射线照相检验、超声检测、磁粉检测、渗透检测、涡流检测、泄漏检测、声发射检测、热像/红外、交流场测量技术、漏磁检验、远场测试检测方法等，其中红外热波检测技术发展迅速。

红外热波检测技术利用物体因其结构或材料不同而导致的热传导特性的不同，采用各种加热方法对试件进行加热用以激发显示表面裂纹和暗藏于表面以下的各种损伤和异常结构变化，使用热成象仪在时间和空间上记录热传导过程中试件表面的温场变化，用热波理论和计算机图象处理技术分析所得热图象，不但能检测出无人机机翼和机械零部件结构已经存在的缺陷，对材料缺陷和损伤、工件结构损伤和锈蚀等作出评定，而且能对疲劳缺陷的发展进行监测，对其发展规律进行预测。

红外热波检测技术原理

热波理论研究的侧重点是研究周期、脉冲、阶梯等变化性热源与媒介材料及媒介的几何结构发生相互作用时所产生的温场变化现象。由于不同媒介材料表面及表面下的物理特性和边界条件将影响热波的传输，而这些影响又以某种方式反映在媒介材料表面的温场变化上，因此通过控制加热和测量材料表面的温场变化，将可以获取材料的均匀性信息以及其表面以下的结构信息，从而达到检测和探伤目的。红外热成像技术是测量表面温场最直接、最快速的方法。

红外热波无损检测系统由脉冲式高能闪光灯热激励装置、能高速记录被检物表面热场变化的红外热像仪、进行控制和图像处理的计算机软硬件构成。根据变化性热源与媒介材料及其几何结构之间的相互作用原理，通过控制热激励方法，实时监测和记录材料表面的温场变化，经过特殊的算法和图像处理，获取被检物体材料的均匀性信息、其表面下的结构及热属性的特征信息，从而达到检测的目的。

红外热波检测技术包含了加热、热成像和热图像处理方面的技术研究。

(1)加热技术

加热技术是使用红外热波检测技术的基本要求，能使试件的“好”与“坏”、正常与不正常、有伤和无伤的区别转换成其对外界加热的响应区别，并能最终在表面形成温差。因此对试件的加热技术是热波检测的关键技术。试件的材料，形状，尺度、表面条件、所处环境和可能存在的损伤特性都将影响检测结果。因此，能否针对不同类型的探伤问题，设计出实用、有效和巧妙的加热办法，将是成功使用红外热波检测技术的前提。另外，尽管在红外热波检测技术的发展过程中，脉冲加热、周期加热等方法已成常规，但面对不同的探伤问题，如何调整、控制加热频率和强度依然是重要课题。

(2)热成像技术

热成像技术本身有远比其用于红外热波检测更广泛的用途。而热波检测仅仅是利用了它能对温度场快速成像的独特优势。但红外热波检测技术的发展无疑会促进热成像技术的发展。

(3)热图像处理技术

红外热波检测需要对所获热图像进行很多独特的处理，如对热源的反演计算和识别运算；对高祯频(可达千赫兹)图像流的快速处理；对快速变化的温场图像在时序上进行像元拟合，以获取"无噪声"图像；自动拼图运算；从低频扫描图像计算出高频瞬时图像等。

红外热波无损检测技术的核心是针对各类试件选择不同特性的热源对试件进行周期、脉冲、直流等函数形式的加热；采用现代红外成象技术，并在计算机控制下进行时序热波信号探测和数据采集；使用根据热波理论模型和现代图象处理理论模型而研制的专用计算机软件进行实时图象信号处理和分析。

红外热成像技术把物体辐射或反射的红外波段图像转换成可见光波段人眼可观察图象的技术。根据斯蒂芬-玻尔兹曼定律，红外辐射的强度(单位面积向半球方向发射的全波长辐射功率)可表示为：

式中，ε为灰体发射系数，σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数，T为绝对温度。

因此，物体具有不同的温度和发射系数，热成像仪接收来自物体的热辐射，可以测出物体表面温度场分布。

热传导理论是确定物体内温度分布，傅立叶定律将热流和温度联系起来。

式中，q为单位面积上在温度降低方向上单位时间的热流量，k为材料导热系数，T为温度分布，▽T为温度梯度。

通常用热传导微分方程来描述温度场时空的内在联系。

式中，q为热源，α为热扩散系数(α＝k/(ρc))

由电磁辐射理论可知，只要物体温度在绝对零度以上它就会向外界发出辐射，同时也会吸收来自外界的辐射。一般情况下，这种辐射与吸收处于平衡状态。红外热波成像检测针对被检物材质、结构和缺陷类型及检测条件，利用周期、脉冲和阶梯等变化性热源施加的热能打破被检测试件的热平衡状态，在被检侧试件内部造成热传导。不同媒介材料表面及表面下的物理特性和边界条件将影响热波的传输，并以某种方式在媒介材料表面的温度场变化上反映出来，采用红外成像对时序辐射信号进行捕捉和数据采集，应用软件技术实现对实时图像信号的处理和分析，可获取材料的均匀性信息和表面及其以下的结构信息，从而达到检测和探伤的目的。

红外热波检测方法

红外热波检测系统由脉冲式高能闪光灯热激励装置、能高速记录被检物表面热场变化的红外热像仪、进行控制和图像处理的计算机软硬件构成。根据变化性热源与媒介材料及其几何结构之间的相互作用原理，通过控制热激励方法，实时监测和记录材料表面的温场变化，经过特殊的算法和图像处理，获取被检物体材料的均匀性信息、其表面下的结构及热属性的特征信息，从而达到检测的目的。

按照不同热加载方式和热信号采集处理方式，红外热波检测主要分以下几种方法。

脉冲红外热波检测方法

脉冲红外热波检测激励方式采用闪光灯、激光束等。

对热传导微分方程进行一维近似处理。设试件是厚的大平板，试件内距表面L处有一空气(隔热)层缺陷。脉冲热波在试件内的传导过程可由一维傅里叶传导方程描述：

式中，ρ为密度，C为比热，k为热传导系数，▽为laplace算子，t为时间，T为试件表面下r处t时刻的温度。

设试件在脉冲热波作用前初始温度分布为零，并把平板试件看作热无限厚物体。求解式(4)，并考虑热脉冲作用后无缺陷试件表面温度随时间的变化，及当热波传输到工件内部缺陷处时，将受到阻碍并向回反射传输，得到试件在t时刻有缺陷和无缺陷区域各自对应表面的温度差为：

因此对试件进行脉冲加热后，只需用红外热像仪对时序温度信号进行捕捉和数据采集并进行分析，便可判断工件中有无缺陷。表面温度差ΔT随时间t变化的曲线有一峰值，将式(5)对时间求导，并令导数为零，可得温度差峰值对应时间为：

根据测量到的这一时间值，就可获得缺陷离表面的距离L。

调制红外热波检测方法

调制红外热波成像检测法即通常所说的锁相热像检测技术。该方法使用强度按正弦规律变化的热辐射场进行加热激励，在加热周期的特定时刻采集多幅热像，计算物体表面各点温度变化的幅值图和相位图。由图判断缺陷的存在和特征。此法以改善红外热波位测噪声干扰和灵敏度差为初衷，弥补脉冲红外热波成像检测的不足。

脉冲相位红外热波检测方法

脉冲相位红外热波检测以傅里叶变换为基础，温度的演变从图像序列中提取出来，进行离散傅里叶变换。由此得到不同频率下的相位图，其具有调制红外热波检测法探测深度较深、对试件表面光分布不敏感和脉冲红外热波检测法检测速度快等优点。脉冲相位红外热波检测法适于现场检测。

超声/微波红外热波检测方法

该方法采用超声波(或微波)作为激励源。当试件激发超声振动时，由于热弹效应和滞后效应，缺陷或不均匀区域的弹性性质不同，其引起的声衰减及其产生的热比无缺陷或均匀区域多，使得该区域获得选择性的加热。此外，试件中的热流量与试件热学性质有关，通常缺陷区域比无缺陷区域的热流量小，因此缺陷或非均匀区域的热扩散比相邻区域少，所以，缺陷或非均匀结构就可以通过试件的温度异常变化表现出来，通过红外热像仪可以方便地进行摄取和分析。

该方法可以方便地检测金属、陶瓷和复合材料等表面或浅表层的该劳裂纹，也同时可以检测材料由于冲击损伤导致的内部应力。

设备组成和工作流程如图1、2所示。

红外热波检测在无人机中的应用

在无人机蒙皮诊断中的应用

图1 红外热波设备组成

图2 红外热波工作流程

红外热波检测技术可以用来探测无人机蒙皮损伤。飞机蒙皮损伤大致有五类：一是起降过程中受异物撞击(例如冰雹、飞沙、飞鸟等)后引起的损伤，特别是采用复合材料的部分，受撞击后表面完好，而强度和密封性已被破坏；二是因高低空压力变化产生的“吹气球”效应，从而导致应力集中处(铆钉附近)的金属因疲劳而产生裂纹；三是各种化学原因造成的锈蚀，特别是内表面锈蚀；四是各种原因引起的结构损伤，如各种失效的粘接、焊接、铆接；五是密封不好引起的机身蜂窝结构件和泡沫材料件的积水。红外热波检测技术对于所有这五类损伤的检测都得到了实用和有效的结果，而且，还可以对损伤做定量分析。如探测损伤深度、锈蚀程度以及能区别是积水还是渗漏的液压油等。

在复合材料制造过程中，因制造工艺不合理使固体复合材料中产生缺陷时，缺陷尺寸相对于物体整个表面而言所占比例很小，所以，均匀加热缺陷部位时，为了使问题简化，缺陷附近区域的热传导可以用固体一维热传导(沿板厚方向)模型代替，如图3所示。

图3 复合结构件缺陷一维热传导模型

如果复合结构件内存在缺陷，采用适当的热加载方式加热构件表面时，热波在构件内部传播，并在其内部扩散，由于试件内部存在着裂纹、气孔、分层等缺陷，这将引起试件的热传导、热容量等性能的改变，经过一定的时间，由于热流被缺陷阻挡，就会在缺陷附近发生热量堆积，而这些热量的堆积必定会以不同的温度分部反映出来，使得有缺陷区域的表面温度不同于没有缺陷区域对应的表面的温度，当用红外探测器扫描或观察试件表面时，红外热像仪就可以测定工件表面的温度分布状况，在试件加热或冷却过程中探测出物体表面温度变化的差异，进而判明缺陷的存在及其大小。

对飞机蜂窝结构材料进行脉冲加热后，应用红外热波检测技术可绘出表面不同区域的冷却曲线，用于飞机蜂窝结构材料的探伤检测与损伤特性识别。图4中用不同彩色对照显示了不同损伤区域与其相应的表面冷却曲线，其结果可以识别出表面下正常状况、多层蒙皮材料开裂、蒙皮下蜂窝结构材料缺损、液压油渗漏、蜂窝结构储水等各种情况，检测结果见图5～7。

在无人机零部件诊断中的应用

利用超声加热和热波探测技术(热超声法)，可实现对无人机机身疲劳裂纹的快速、大面积检测，以及对无人机零部件裂纹和焊接质量进行快速检测。从目前情况看，对所有已知的各种表面裂纹进行检测的结果都很成功。其中包括探测到了无人机蒙皮的疲劳裂纹、涡轮叶片的裂纹、铸铝引擎外壳的裂纹、曲轴的裂纹等，检测结果见图8和图9。