无损检测技术在火炸药领域的应用研究进展

于思龙，杜姣姣，刘文亮，倪雨晨，王芳芳

(1.西安近代化学研究所， 西安 710065； 2.中国船舶集团有限公司第七〇五研究所， 西安 710077)

1 引言

火炸药装药在生产、运输、贮存和使用过程中，在各种环境应力作用下，火炸药自身、各组分之间、组分与接触材料之间将会以某种形式发生缓慢的物理、化学变化，引起火炸药结构损伤。其中，裂纹、断裂和脱粘等是较为常见的结构损伤。这些变化会影响火炸药的使用安全性和贮存安全性，增加了弹药勤务处理的危险性[1-6]。

如何检测结构损伤以及确定结构损伤可接受的程度是当前研究人员工作的重点。如果将未达到结构损伤极限的弹药战斗部提前退役，将给国家造成极高的经济损失；超过结构损伤极限继续服役，则增大了弹药在贮存和使用中的危险性，甚至造成事故。近年来，解剖弹药分析火炸药结构损伤的方法，因经济成本过高，已逐渐被无损检测技术替代，但是用于火炸药领域的传统无损检测技术都存在一定的局限性，因此研究火炸药的无损检测新方法已迫在眉睫。本文介绍了传统无损检测的基本原理、技术特点，以及在火炸药领域应用的局限性。着重介绍了光纤Bragg光栅传感器(Fiber Bragg Grating Sensor)，并对其在各领域无损检测中的研究进展进行了归纳和总结，同时展望了FBG在火炸药无损检测中的应用前景。

2 传统无损检测技术

目前，国内外报道的无损检测方法有几十种，其中，应用较为广泛的有声、射线、磁粉、渗透、涡流、声发射、红外和激光全息检测。下面介绍上述各种检测方法的原理、检测特点及主要应用。

2.1 超声检测

超声检测的基本原理是，利用声波在界面处的反射和折射，以及超声波在介质中传播过程中的衰减，由发射探头向被检件发射超声波，由接收探头接收从界面处反射回来的超声波或透过被检件后的透射波，以此检测被检件内部是否存在缺陷[7]。

江念等[8]研究发动机装药衬层固化度与界面粘接性能的关系，发现随着固化度增加，超声非线性系数逐渐减小，界面粘结性能越好。可利用超声非线性系数对界面的粘接性能进行无损检测。李文强等[9]利用超声透射时差法无损检测原理，搭建了实验系统，可检测固体推进剂缺陷。理论上，系统的时间测量范围为3.6 ns到200 ms，精度为125 ps，裂缝缺陷分辨率大于0.001 mm。

超声检测具有检测成本低、操作安全和对平面缺陷比较敏感等优点，但是测过程中需要使用耦合剂，并且其对曲面检测适用性差。目前，主要应用于复合材料[10]、航空飞行器[11]和机械裂纹检测[12]等领域，也可在火炸药装药界面缺陷检测方面应用。

2.2 射线检测

射线检测的基本原理是，利用射线在介质中传播时的衰减特性，当强度均匀的射线从被检件的一面射入时，由于缺陷和被检件基体材料对射线的衰减特性不同，透过被检件的射线强度将会发生改变，即可判断被检件比表面或内部是否却在缺陷[7]。

基于射线检测原理发展起来的工业CT检测技术是目前应用最广泛的无损检测技术，广泛应用于火炸药[13]、航空航天、核电、兵器和新材料研究等领域[14]。周涛等[15]对RDX基含铝炸药进行剪切试验，工业CT图像显示试样在受到剪切力后产生明显变形，结合剪切力随时间的变化规律，分析了炸药试样破坏的宏观及微观损伤模式。对于带有约束壳体的装药，工业CT也能清楚的分辨装药内部缺陷。郑保辉等[16]使用工业CT环境试验后的浇注PBX炸药内部缺陷进行观测，结合装药力学性能、尺寸和密度变化对壳体约束下装药的环境适应性进行评价。于思龙等[17]利用工业CT观测装入不锈钢壳体的新型云爆剂加速老化试验前后内部孔隙及铝粉沉降情况，随着老化试验时间增长装药内部孔隙越多，铝粉沉降越明显。

射线检测具有检测结果直观和易于定位缺陷的优势。另一方面，其检测成本较高，检测时间长，检测过程中射线会对人体造成损伤，需做好防护。

2.3 磁粉检测

磁粉检测是利用缺陷与基体材料的此特性不同，穿过基体的磁力线在缺陷处将产生弯曲并可能逸出基体表面，形成漏磁场。若缺陷磁场的强度足以吸附磁性颗粒，则将在缺陷对应处形成尺寸比缺陷自身更大、对比度也更高的磁痕，从而显示缺陷的存在[7]。

磁粉检测具有检测灵敏度高、重复性好[18]、操作简单和检测速度快等特点。同时，磁粉检测局限于只能检测铁磁性材料，并且只能检测表面缺陷，不适用于火炸药领域。主要应用领域为金属铸件和锻件等[19-20]。

2.4 渗透检测

渗透检测是利用毛细管现象和渗透液对缺陷内壁的浸润作用，使渗透液进入缺陷中，将多余的渗透液去除后，残留在缺陷内的渗透液能吸附显像剂，形成对比度更高、尺寸放大的缺陷影像，有利于人眼直接观测[7]。

渗透检测具有灵敏度高、不受被检件形状影响和人眼可视化的优点。其缺点是检测结果受检测人员影响较大，且渗透液可能会对火炸药产生影响，所以不适用于火炸药结构损伤检测。主要应用领域为金属材料[21]、焊接件[22]和陶瓷检测[23]等。

2.5 涡流检测

涡流检测的原理是将交变磁场靠近被检件时，由于电磁感应，在被检件中将感应产生出密闭的环状电流，即涡流。涡流受到激励磁场、被检件电导率和磁导率、缺陷等诸多因素影响，并反作用于磁场，使其阻抗特性等参数发生改变，从而指示缺陷的存在[7]。

涡流检测是非接触式检测，检测速度快，易于实现自动化[24]。不足是影响因素较多，信号解析困难。由于火炸药在涡流条件下，存在安全隐患，故涡流检测不适用于火炸药领域。可应用于材料分选、管材[25]和焊接件检测[26]等领域。

2.6 声发射检测

声发射检测是利用材料内部因局部能量的快速释放(如缺陷扩展、应力松弛和摩擦等)而产生弹性波，用声发射传感器及二次仪表读取弹性波，达到对试样结构结构完整性检测与评价的目的[7]。

韦兴文等[27]对HMX基PBX药柱进行了温度冲击试验，用热电偶和声发射技术测量药柱表面的温度及热损伤。数值计算结果表明，在降温阶段，药柱侧面中部受到较大轴向拉应力作用而产生热损伤。实验结果与计算结果吻合较好。刘承武等[28]采用单轴定速拉伸声发射(AE)试验，对不同温度冲击周期试验后的HTPB推进剂的损伤特性进行了研究。结果表明随温度冲击周期的增加，HTPB推进剂释放出的AE累积能量减少，说明在其内部会出现一定损伤，且损伤程度与温度冲击时间呈正相关性。

声发射检测灵敏度高，可进行在线实时检测，对缺陷的定位准确，但是，由于存在Kaiser效应[29]的不可逆性，因此会对试样造成一定的损害，并且噪声干扰较大，对检测结果准确性有影响。主要应用领域为材料疲劳监测[30]、零部件和航空航天检测[31-32]等领域。

2.7 红外检测

红外检测的原理是使用红外点温仪、红外热成像仪等设备，测取目标物体表面的红外辐射能，并将其转变为直观的温度场，通过观察温度场是否均匀，来判断目标物体是否有缺陷[7]。

张玉娟等[33]利用红外光谱仪获取包覆层不同固化时间的红外谱图；然后用经验模态分解方法(EMD)结合阈值处理对光谱进行数据处理；最后选取谱图中合适的特征基团与参比基团，分析得到固体火箭推进剂包覆层材料(HTPB)半固化状态。张南南等[34]通过对固体火箭发动机绝热层红外图谱的模拟仿真，建立了一种计算缺陷精度较高，且比较简单的建模方法。

红外检测具有检测速度快、非接触、无污染、对构件近表面缺陷和特征敏感的特点[35]，但受其原理影响，对内部缺陷检测困难。主要应用于材料与构件[36]、电力设备[37]和石油化工检测[38]等领域。

2.8 激光全息检测

激光全息检测是利用激光全息照相来检验物体表面和内部的缺陷。将物体表面和内部缺陷，通过外界加载的方法，使其在相应的物体表面造成局部变形，用激光全息照相来观察和比较这种形变，判断物体内部的缺陷[7]。

唐庆明等[39]报道激光全息照相对于壳体壁厚≤2 mm的固体发动机壳体衬层粘接质量，尤其是预包覆的固体推进剂包覆层间粘接质量的检测效果极佳。检测灵敏度与脱粘面积(以直径表示)的比值为2.89，检测灵敏度最高，能检测出深度在6 mm处直径为2 mm的脱粘。王东生等[40]研究发现当包覆层厚度为6 mm时，利用激光全息技术能够检测的缺陷临界尺寸为2 mm。如果缺陷尺寸小于2 mm，则无法获得清晰的干涉条纹。多次试验结果表明，用激光全息法检测包覆层厚度大于4 mm包覆层脱粘缺陷小于8 mm的药柱是一种准确、有效的无损检测手段。

激光全息检测属于非接触检测，并且检测效率高，对试件材料几乎没有限制。但是，对内部缺陷灵敏度较低，对测试环境也有较高要求，不利于现场检测。主要应用领域压力容器、焊缝[41]和轮胎检测[42]。

2.9 小结

综上所述，磁粉检测、渗透检测和涡流检测受其自身检测原理影响，不适用于火炸药领域。超声检测、红外检测和激光全息检测可应用于推进剂包覆层界面脱粘检测[43-44]，但是，红外和激光全息检测只能检测装药表面缺陷，对内部缺陷检测较为困难。而超声检测大多需要使用耦合剂，对无包覆的装药会产生一定影响。声发射检测可检测装药表面及内部缺陷。然而，受其信号解析困难和环境噪声影响，在火炸药领域依然使用较少。目前，国内火炸药企业及相关高校、研究所使用的火炸药装药结构损伤检测方法主要是射线检测[45-47]。该方法可清楚的看到火炸药装药内部结构损伤情况。虽然射线检测法可对火炸药装药进行无损检测，但弊端同样明显。射线扫描时间较长，无法做到实时监测，且无法在贮存火炸药的库房内直接进行检测，火炸药搬运过程中，增加了危险性。

3 光纤Bragg光栅传感器

FBG具有灵敏度高、抗电磁干扰性能力强、高绝缘性、质轻柔软和集传感与传输于一体，防爆性好、光路可挠曲、易于与计算机连接、便于遥测、结构简单、体积小、重量轻、耗电少等诸多优点，适用于长期监测。其最受科研人员受关注的特点是体积小，直径只有150～200 με，即使埋入材料内部，对材料的结构完整性几乎没有影响[48-50]。

1978年，K.O.Hill等[51]利用掺锗石英光纤中光敏效应，首次使用驻波法研制出世界上第一支能够实现反向模式间耦合的FBG。G.Meltz等[52]于1989年采用两束相干的244 nm紫外光形成的干涉条纹对氢载光纤进行侧面曝光，提出了横向全息成栅技术，使得FBG制作技术得到了突破性进展。至此以来，无论是光纤光栅的写入方法、模式理论研究还是工程应用都受到研究者的广泛关注。

光纤Bragg光栅传感器的实质是折射率周期性调制形成的衍射光栅，通过选择波长和纤芯的折射率调制相位相匹配的一束窄带光并反射回来，其余的光则继续传播。反射光的波长称为Bragg光栅的中心波长λ0，其与纤芯的有效折射率neff以及光栅周期Λ的关系如下：

λ0=2neffΛ

可以看出，能够使有效折射率和周期这两个参数发生改变的物理量都会导致波长的变化，其中，最常见和应用最广泛的是应变和温度。当应变作用于光栅时，拉伸或压缩可改变栅格间距，使波长出现变化；当温度作用于光栅时，材料的膨胀和收缩会改变光栅的周期，波长会出现漂移[53]。这样就能通过监测光栅反射谱的变化来监测被测参数的改变。

火炸药行业存在一定的危险性，相关研究人员在试验和检测过程中需保证自身安全。FBG具有的现场快速检测以及可以远距离遥测的特点，减少了火炸药的搬运，并且测试过程完全实现人机隔离。可有效地保障研究人员的人身安全，大幅降低事故发生的概率。同时，FBG的实时监测功能，可提高火炸药装药寿命预估的准确性，打破原有的间隔取样检测的“黑箱”模式。对相关产品的延寿也具有指导作用。

3.1 结构健康监测

1996年，Kersey等[54]开发了一套由12个FBG组成的复合材料结构的嵌入式传感系统。其主要目的是用来监测复合材料船体由于海浪冲击引起的瞬时应变。实验结果表明：该系统应变监测范围为1～1 000 με，在海浪冲击时间大于0.01 s条件下，采用大于200 Hz的采样频率可以有效地监测这种冲击载荷。

1998年，Trutzet等[55]在德国汉堡飞机测试中心将FBG传感器粘贴于当时最新研制的碳纤维增强塑料机翼的表面，对机翼疲劳特性进行健康监测。将2个FBG传感器阵列(每阵列由11个FBG传感器组成)分别粘贴于机翼的上、下表面，得到了可靠性较高的应变数据。加拿大在Beddington Tail桥的桥梁中布置了16个FBG传感器，用来监测桥梁内部的应变状态[56]。

2004年，SPA的工程师们在潜艇上安装一个光纤光栅应变传感器系统并进行测试[57]。FBG布设于6根光纤内，其中2根光纤(33个传感器)埋入壳体内部，4根光纤(64个传感器)安装于外部。测量所得的应变值与有限元模型的预测值进行比较，数据比较吻合。

2008年，NASA利用FBG对无人机上的机翼进行了形变测量的实验[58]。在机翼表面粘贴了6根光纤，利用2000个应变测量元件实时监测机翼的应变，取得了良好的应用效果。同年，孙砚飞[59]基于FBG研究，设计了一种新型振动传感器，分别利用神经网络和粗糙集两种信号处理方法，对桥梁损伤进行识别。2014年，大连理工大学[60]利用分布式光纤传感器实现了复合材料翼梢小翼的应变进行实时监测。

火箭军工程大学[61]为实现对固体火箭发动机黏接应力实时在线监测，设计了一种聚合物封装的FBG传感器，将其埋入推进剂/衬层界面黏接试件中。试验证明FBG传感器线性度较好，且性能测试验中传感器性能保持完好，验证了传感器封装和埋入方式的可行性。中国航天科工集团有限公司六院四十一所[62]采用仿真与试验相结合的方法，开展了FBG传感器在固体推进剂内部应变的测量研究。结果表明，采用增敏小球结构可有效解决FBG应变传感器与固体推进剂的变形协调性问题，大幅提高应变测量的灵敏度与传递效率。所得研究成果可为FBG传感器用于固体发动机药柱应变监检测提供技术支撑。

3.2 温度监测

1997年，Systems Planning and Analysis(SPA)公司与美国海军研究办公室以及海军水上作战中心Carderock分部(Naval SurfaceWarfare Center，Carderock Division，NSWCCD)合作开发在线实时监测系统，用以连续评估舰船壳体的应变及温度状态。该系统通过21个应变传感器，3个温度传感器，对舰船推进器进行应变和温度监测。其结果与应变片测试结果相近[63]。

美国航空及太空总署(National Aeronautics and Space Administration，NASA)，建立了分布式光纤光栅传感系统，用于实时监测航天飞机X-38的温度[64]。2009年，欧洲航天局在Proba-2卫星上首次安装了光纤传感样机[65]，用于推进器的高温光纤传感器的解调。据报道该传感器可在高达1 100 ℃的高温下稳定工作50 h以上。美国新墨西哥洲Las Cruces10号州际高速公路的一座钢结构桥梁上布置了120个FBG，对桥梁进行温度监测[66]。

西安近代化学研究所[67]使用FBG阵列监测热固性炸药固化过程中药柱内部的温度场，得到的试验结果与数值模拟结果基本一致，对装药固化过程的安全性有一定的指导作用。中北大学[68]将封装后的FBG测温传感器埋入浇铸炸药内部，对温度进行实时监测，监测了快速降温过程，取得了良好的效果，证明了FBG在火炸药领域应用的可行性。

3.3 监测方法优化

2002年，Betz等[69]使用光纤光栅温度及应力传感器监测飞行器结构受到的温度变化和应力情况，并在在空中客车A340-600上做测试实验，取得了良好结果。该实验对进行温度测量的FBG进行了封装，排除应变对测温FBG的影响，解决了FBG对温度和应变交叉敏感的问题，提高了实验数据的准确性。

2008年，武汉理工大学侯超等[70]针对散货船和集装箱船的疲劳和应力集中问题，开展了以FBG为基础的传感器布置方案研究，设计了监测焊缝裂纹扩展和舱口肘板应力集中的FBG布置方案，并进行了模型应变测量试验，对FBG的布置优化有一定的指导作用。

2011年，白生宝等[71]利用冲击过程中FBG所测得的最大应变值及FBG的相对位置，成功实现了对被测件的冲击定位，并在某型飞机所使用的复合材料层板上进行了实验验证。

2014年，赛耀樟等[72]利用时间反转聚焦成像的方法，通过布置在航空铝合金板结构上的FBG传感网络，实现了多源冲击定位。张涛等[73]对用于长期监测船舶结构的FBG的封装方法、粘贴粘接方法、点焊粘接方法、长期防护方法以及粘接方法与防护方法对FBG传感性能的影响进行了深入研究。首次提出了片基式FBG的低电压微热量点焊方法，并提出潮湿环境和全浸入海水环境下的两种FBGS的防护方法：薄膜防护法和金属防护罩法。

2017年，姜劭栋等[74]将FBG无胶化封装在基底材料上，并将封装好的FBG布置在船体的主要变形及承重部位，对航行状态下船体的应变场进行监测，得了良好的线性和重复性。

4 结论

根据基本原理和检测特点分析，传统无损检测技术在火炸药领域应用有局限性。磁粉检测、渗透检测和涡流检测受其自身检测原理影响，不适用于火炸药领域；红外检测和激光全息检测适用于装药表面缺陷，对内部缺陷检测困难；超声检测可应用于有壳体或包覆层的装药检测，对裸药柱检测可能产生未知的风险；声发射检测可检测装药表面及内部缺陷，但是，受环境影响较大，信号解析困难。

从理论上及已应用的案例来看，FBG适用于火炸药结构损伤监测，然而，FBG在火炸药领域的应用研究仍较少。其主要原因是：

1) 目前缺乏有效的封装方式，来避免和消除FBG测温传感器受到应变和温度的交叉影响，尚需通过理论研究和试验寻找更可靠的封装方法。同时，也需对不同配方火炸药和封装材料的相容性进行研究，保证试验安全；

2) 应变与火炸药装药宏观性能相关性尚不明确，无法预估相关产品的使用安全性和贮存安全性。需对应变与关键参量的相关性深入研究，指导产品延寿和寿命预估；

3) 火炸药作为一种具有一定功能特性的化学能源，不同应用背景(如发射药、炸药、推进剂等)，对火炸药生产工艺具有特定要求，结合现有工艺或改进工艺将FBG埋入产品内部是急需解决的问题。

要实现FBG在火炸药领域的应用，需要突破FBG快速、批量封装，应变与不同配方火炸药关键参量的相关性和FBG埋装方法三方面的关键技术。