2016世界无损检测技术新进展
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世界无损检测大会（WCNDT）每四年召开一次，反映了世界无损检测技术与设备最新研究、应用进展和发展趋势。2016年6月，第19届世界无损检测大会在德国慕尼黑召开，有来自46个国家和地区的近2200名代表参加，宣读和交流学术论文1000余篇[1]，报道了声、光、电、磁等多类检测方法的新进展，新型的传感技术与器件，检测图像与信号处理方法，以及复合材料、焊缝、管道、核压力容器等材料与结构的检测技术及应用。
大会报告按检测技术类型和应用领域共分144个专题进行分类报道[1]。在专项技术方面，大会报告专题涵盖了声发射技术、超声技术、计算机断层成像技术、红外热像技术、磁与渗透技术、微波及太赫兹技术、金属磁记忆技术、共振技术，以及声学非线性技术和机器人辅助检测技术等。在行业应用方面，涵盖了航空工程、船舶、铁路、汽车、核能工程、油气管道、土木工程、生物医学等领域的最新研究与应用进展。
本文简要分析本次大会报告呈现的世界无损检测技术研究与应用的新进展，浅要探讨无损检测技术的发展方向，需要进一步研究的若干问题，以及未来发展的新机遇。
1 无损检测技术方法研究的新进展
1.1 声学检测方法
（1）超声波检测方法
超声相控阵技术、非接触超声技术和超声导波技术是主要研究报道的技术方法。在超声相控阵技术方面，法国的CHAUVEAU等[2]报道了一种新型的超声相控阵专用校准试块，能够满足超声相控阵检测的声速测量、声束指向性及灵敏度测量和DAC曲线测量等校准要求，具有更高的校准功能集成度和工艺效率。
HARRICH等[3]提出了一种基于正弦波激励信号和组合延迟法则的FAAST超声相控阵快速扫描技术（如图1），该技术根据被检工件扫描范围和检测要求生成合成声束偏转、聚焦方案，基于延迟法则计算出阵列超声换能器各阵元的正弦波激励信号组合调制方式，通过一次发射正弦波激励信号并采集成像实现被检工件的扫描检测，能够显著提高超声相控阵技术的检测效率；ROBERT等[4]提出了一种基于全矩阵数据的自适应超声相控阵成像方法（ATFM），利用基于全聚焦成像的轮廓提取算法和基于相关运算的聚焦法则自动计算算法建立检测方案，可实时获取复杂型面结构的高质量检测图像。
德国的OBERD?RFER等[5]提出了采用超声相控阵技术量化缺陷尺寸的DAC曲线简化计算方法，大幅降低了超声相控阵DAC曲线计算复杂度和参数设置耗时；WALTER等[6]研制出一种基于PMN-PT复合材料的超声相控阵换能器，与PZT相控阵换能器相比具有更高的灵敏度和更宽的频带范围；SCHMITTE 等[7]研制了一种内置TFM算法的超声相控阵检测仪器（如图2），该仪器的内置算法能够支持不同类型的耦合剂/工件界面（如管材的曲面界面等），在各向异性材料的检测算法中引入了声速的方向变化特性，并采用GPU加速技术大幅减小了TFM算法的图像重构耗时；DEUTSCH等[8]提出了一种基于全聚焦方法和声波模式转换的多波模式组合全聚焦成像检测方法，能够实现薄壁结构缺陷的高精度检测。
加拿大的GROTENHUIS等[9]介绍了其团队研制的内置全矩阵数据算法的超声相控阵检测仪器，该仪器经过六年的改进具有良好的检测性能和高鲁棒性，能够实现各种几何结构的三维成像；DEVOS等[10]研制出一种半柔性的矩阵阵列超声换能器，以提高新一代核电站大型整体转轴锻件各类缺陷的检出率、可靠性和检测效率。
中国的ZHOU等[11]基于超声相控阵的全矩阵数据方法提出了一种针对非平面界面的后处理成像校正算法和参量优化方法，显著提高了曲型结构缺陷的检测分辨力和表征准确度。
图1 FAAST超声相控阵快速扫描技术
图2 基于TFM算法和GPU加速技术的超声相控阵检测
非接触超声技术的研究主要包括激光超声技术和空气耦合超声技术。在激光超声技术方面，澳大利亚的ROITHER等[12]报道了利用激光超声技术在线实时检测铝材铸造缺陷的环境模拟实验结果，通过合成孔径聚焦方法得到铝板锻造裂纹的激光超声检测图像。
德国的KRIX等[13]实验研究了高温状态下热轧钢材料均匀性的激光兰姆波在线实时检测方法。西班牙的CUEVAS等[14]报道了基于关节机器人技术的新型激光超声检测系统（如图3），该系统在大型复杂型面构件的自动扫描检测方面，相比通常采用的手动检测方法和液浸式超声C扫描系统具有更高的型面适应性、扫描效率和重复一致性。
日本的HAYASHI等[15]在激光扫描兰姆波成像方法的基础上采用激光干涉测量装置建立了激光激励、激光探测的激光扫描成像系统，并提出了一种基于高重复频率光纤脉冲激光器的低频窄带Tone-burst超声兰姆波信号激励方法，提高了激光兰姆波信号的幅度和信噪比。
台湾的WU和日本的KOBAYASHI等[16]提出了一种基于激光扫描兰姆波成像原理和柔性超声换能器的激光超声检测方法，在曲面结构（如管材）的无损检测中具有更好的适应性；TSENG等[17]提出了利用激光扫描兰姆波成像方法反演重建被测结构全范围材料参数（如厚度、杨氏模量、泊松比等）的技术方法。
德国的KELKEL等[18]提出了一种利用激光激励和探测超声导波检测纤维增强复合材料缺陷的新方法（如图4），该方法采用了脉冲激光波长调制、脉冲时间调制和激光线源阵列空间调制三种技术，能够在复合材料中选择性地激励不同模态的超声导波，显著提高超声导波信号的幅度和信噪比。
中国的ZHOU等[19]提出了一种基于合成孔径算法的搅拌摩擦焊激光超声在线实时检测方法。
图3 基于关节机器人技术的新型激光超声检测系统
图4 基于激光激励和探测方法的复合材料超声导波检测
在空气耦合超声技术方面，西班牙的CUEVAS等[14]报道了基于关节机器人的新型空气耦合超声C扫描系统及其在飞机大型复合材料构件无损检测中的应用（如图5）。
德国的SCHADOW等[20]报道了一种基于铁电驻极体技术的新型聚焦空气耦合超声换能器，该技术采用具有铁电和压电特性以及低杨氏模量、低密度、低声速性质的多孔聚丙烯材料取代了通常采用的固/气匹配层，具有更高的横向分辨力和良好的信噪比。
HUBER等[21]将空气耦合超声兰姆波检测技术和关节机器人技术结合起来（如图6），实现了航空航天复合材料柱体结构的空气耦合超声同侧仿形扫描成像检测；HILLGER等[22]报道了目前世界上最大的空气耦合超声C扫描系统的技术框架和性能参数（系统示意图如图7），并开发出大型的八通道空气耦合超声检测系统，以提高航空航天大型复合材料构件的检测效率。
图5 基于关节机器人的新型空气耦合超声C扫描系统
图6 航空航天复合材料的空气耦合超声同侧仿形扫描检测
在超声导波检测技术方面，美国的ROBERTS等[23]提出了一种基于多模态导波场测量、信号处理和波场时空域傅立叶分析方法的高频导波检测多模态频散效应补偿方法，该方法能够定征缺陷反射高频导波信号的各模态成分，有效提取表征缺陷位置信息的高频单模导波信号，将超声导波检测的可选频率范围提高到常用的超声体波检测的相对高频范围，显著提高了超声导波技术的缺陷分辨力和定位准确度。伊朗的HONARVAR等[24]报道了根据超声兰姆波散射特性对板材圆形通孔缺陷进行定量检测的研究新进展，为基于超声导波技术的缺陷定量检测方法提供了参考。
中国的WANG等[25]报道了利用超声兰姆波在线性条件下的反射、衰减幅度变化和非线性条件下的声波频率变化（产生高次谐波）表征结构中的大尺寸裂纹和具有“呼吸”特征的疲劳裂纹的理论分析结果，为超声兰姆波技术在大型结构难达区域快速检测、监测和早期裂纹诊断中的应用提供了参考。
图7 目前世界上最大的空气耦合超声C扫描系统
（2）声学非线性检测方法
在声学非线性检测技术方面，德国的SOLODOV[26]提出了一种基于缺陷受激共振原理的声学非线性信号放大方法，可提高基频声信号在缺陷区域的非线性频率成分转化率，进而有利于实现缺陷的高灵敏度检测。韩国的CHOI等[27]报道了利用声学非线性和声速参量评估材料弹性常数的方法。中国的LI等[28]报道了利用超声非线性表征热轧铜材微观结构演变的方法。
（3）声共振检测方法
在声共振检测技术方面，德国的SOLODOV[29]、GULNIZKIJ等[30]报道了一种基于超声激励、缺陷受激共振响应和超声、锁相红外、激光散斑成像技术的结构缺陷声共振检测方法（LDR，Local Defect Resonance），该方法能够在相对小功率超声选频激励信号作用下利用结构缺陷受激共振效应产生的频率相关“倍增”声幅、热幅和形变量重建缺陷图像（如图8），为超声成像和声热、声光成像提供了新方法；RAHAMMER等[31]报道了一种基于共线点源干涉激励声波的LDR特征信号增强方法，能够显著增强指定结构区域的超声导波能量，进而提高缺陷受激共振的声、热响应信号幅度。
图8 基于缺陷受激共振效应的超声、声热、声光成像
（4）声发射检测方法
在声发射检测技术方面，捷克的MAZAL等[32]报道了气压缸损伤的声发射检测方法，实验观测到气压缸人工损伤导致的声发射特征信号，验证了方法的可行性。匈牙利的POR等[33]报道了采用声发射方法监测铁磁性钢铁材料热处理和拉力试验过程的实验研究，得到了钢铁材料加热、冷却处理和拉力变化情况下的声发射信号特征变化，初步验证了利用声发射方法长期实时监测铁磁性钢铁材料受热、力载荷作用产生细观特征变化的可行性。
德国的ZIELKE等[34]报道了采用空气反应钎焊技术焊接陶瓷/金属结构时在熔融和冷却过程中产生的裂纹的声发射检测方法。俄罗斯的ZOTOV等[35]报道了压力容器壳体不同时期分层的声发射检测方法，验证了利用声发射方法诊断压力容器壳体早期分层的技术可行性，并提出了提高检测效率的技术方法。1.2 射线检测方法
在射线检测技术方面，德国的KRAEMER等[36]提出了一种基于二维投影集合迭代评价与扫描参量修正的射线CT（Computed Tomography）图像质量优化方法，这种方法在实际检测前预先采集少量投影图并评价其质量，根据投影的评价数据修正扫描参量，通过迭代优化扫描参量提高CT图像质量和检测准确度。
中国的HU等[37]利用450kV的小焦点X射线源和大尺寸、不定形硅阵探测器研制出具有X射线数字成像和计算机层析成像功能的在线工业射线CT检测系统，能够实现高分辨力的缺陷检测和构件尺寸测量。
1.3 光、热学检测方法
激光散斑技术和红外热像技术是主要研究报道的技术方法。
在激光散斑检测技术方面，俄罗斯的GORKUNOV等[38]报道了一种利用不同时刻激光散斑图相关系数表征结构微裂纹产生和扩展过程的方法，为激光散斑技术在结构裂纹在线实时检测与监测中的应用提供了参考。
在红外热成像检测技术方面，韩国的HUR等[39]发展了一种应用于多晶片堆叠半导体结构轴向热点位置检测的红外线共焦显微镜。德国的JELINEK等[40]报道了CFRP复合材料与金属复合结构典型缺陷红外
热成像检测装置与方法的参量化研究，建立的红外检测参量数据库为复合结构分层、脱粘等缺陷的红外热成像检测提供了参数选择依据。
1.4 电、磁学检测方法
太赫兹技术、金属磁记忆技术、涡流技术是主要研究报道的技术方法。
在太赫兹检测技术方面，德国的BECKER等[41]报道了高温轻质材料的3D太赫兹成像检测方法。波兰的CHADY等[42]利用太赫兹技术对玻璃纤维复合材料板材和管材分别进行了二维、三维成像检测，并与X射线和红外热像检测技术进行了对比分析（如图9），提出太赫兹技术在复合材料缺陷检测方面具有一定优势和应用前景，但是目前在检测数据处理方法和高效扫描方法方面需要进一步研究，以提高其检测性能。
图9 太赫兹、X射线、红外检测复合材料分层对比分析
在金属磁记忆检测技术方面，德国的YOUSSEF等[43]报道了一种基于更为轻量、小型的磁量探测器的铁磁性管材磁记忆检测方法MFD（Magnetic Field Distortion），该方法利用铁磁性材料表面几何形变导致的磁场扭曲效应表征近探测器侧的结构表面缺陷，与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间、型面适应性，并可与MFL方法组合应用（检测装置如图10），进而检测铁磁性管材内外两侧缺陷并分辨缺陷位置。
图10 MFD/MFL组合检测系统PipeFlux
1.5 机器人辅助检测方法
在机器人辅助检测方面，德国的EBERHORN等[44]报道了一种基于单臂关节机器人的射线层析成像检测系统，该系统采用一台六轴关节机器人拾取各种构件将其送至检测工位并带动构件作旋转运动完成扫描成像（如图11），这种方式简化了射线层析成像检测系统的机械复杂度并具有更高灵活性。
法国的BANJAK等[45]报道了基于主从双臂关节机器人的X射线层析成像检测系统（如图12），该系统采用两台机器人分别控制射线源和探测器按构件型面预设轨迹作扫描运动并重构三维图，具有良好的灵活性和可控性，适用于大型复杂结构的自动扫描检测。瑞典的VAN DEN BOS和英国的MALLION等[46]报道了基于机器人技术的视觉、超声、涡流检测方法在石油压力容器结构自动化检测中的应用（如图13）。
图11 基于关节机器人的射线层析成像检测系统
图12 基于双臂关节机器人的射线层析成像检测系统
德国的ADEBAHR等[47]报道了一种基于关节机器人的空气耦合超声检测系统（如图14），该系统与图6所示系统采用了相同的技术框架：采用同侧倾斜布置的两个空气耦合超声换能器分别激励和接收超声兰姆波检测缺陷，并采用六轴关节型机器人作为扫描执行机构，可实现大型复杂结构的三维仿形扫描成像检测。
此外，如前所述，西班牙的CUEVAS等[14]报道的新型空气耦合超声检测系统和激光超声检测系统也采用了关节型机器人作为仿形扫描执行机构（如图3、图5），具有更好的灵活性和可控性，更易于实现大型复杂型面构件的自动化扫描检测。
图13 基于机器人技术的视觉、超声、涡流检测方法
图14 基于关节机器人的空气耦合超声检测系统
2 典型材料与结构检测技术的新进展
2.1 复合材料构件检测技术
在复合材料构件的无损检测方面，德国的STEINHAUSEN等[48]提出了一种新型的环形阵列空气耦合超声换能器（如图15），单个换能器可输出三路超声信号，通过对三路信号进行相位校正处理显著提高了空气耦合超声检测的纵向分辨力，得到了蜂窝夹芯复合材料构件脱粘的高分辨C扫描图（如图16）；并提出一种基于双换能器同侧倾斜对称接收和双路信号差分处理的空气耦合超声检测方法（如图17），为基于空气耦合超声技术的同侧检测提供了新方法。
图15 环形阵列空气耦合超声换能器
图16 蜂窝夹芯复合材料构件脱粘的空气耦合超声检测
日本的KOSUKEGAWA等[49]报道了利用相对低频差分涡流探头检测碳纤维复合材料表层各层纤维分布方向的方法。该方法采用小于10MHz的差分涡流探头对复合材料构件进行C型扫描成像，根据C型图涡流分布特征表征表层各层纤维的实际分布方向。与高频涡流探测方法相比，该方法具有更高信噪比和检测精度，并简化了检测设备，降低了技术和设备复杂度。
图17 基于信号差分处理的空气耦合超声同侧检测方法
2.2 焊接结构检测技术
在焊接结构检测方面，加拿大的LAMARRE等[50]报道了基于双线阵（DLA，Dual Linear Arrays）和双矩阵换能器（DMA，Dual Matrix Arrays）的管道耐腐蚀合金焊缝超声相控阵检测方法。该方法采用并行布置的两个线阵或矩阵超声相控阵换能器对焊缝结构进行扫描成像（如图18），其中一个换能器发射超声波并控制声束聚焦和偏转，另一个换能器接收超声反射信号，这种方式能够在焊缝区域产生更高超声能量、提高超声反射信号的信噪比，并去除单换能器发射接收时声波通过楔块传播导致的检测盲区。
法国的DUPONT等[51]报道了利用超声相控阵技术检测各向异性材料焊缝结构的扇形扫描角度与声速校正方法，显著提高了各向异性材料焊缝缺陷的检出率和定位准确度。瑞典的RUNNEMALM等[52]报道了一种用于航空发动机焊接零件焊缝结构表层缺陷检测的主动红外热成像方法。
该方法采用连续激光线源作为激励源在焊缝结构表面定向产生热流分布，采用红外热像仪得到热分布图像表征表层裂纹等缺陷，并利用六轴关节型机器人作为检测装置的空间定位机构以实现零件全部焊接区域的自动检测（如图19）。
图18 基于DLA和DMA的超声相控阵焊缝检测
图19 基于激光激励和红外探测的发动机零部件焊缝检测
2.3 粘接结构检测技术
在粘接结构检测方面，法国的SIRYABE等[53]报道了铝-环氧-铝粘接结构界面粘接质量的超声检测方法，该方法通过测量粘接结构中不同角度入射声波的透射系数反演环氧粘接层的弹性模量，根据环氧粘接层弹性模量的各向异性畸变特征表征层间界面粘接状态的变化进而检测粘接质量。
GAUTHIER等[54]报道了利用超声兰姆波特定频率波数偏移和声波模式幅度衰减表征铝-环氧粘接界面不同粘接状态的方法；TAUPIN等[55]报道了利用超声漏兰姆波相速度谱和波数谱特征变化表征钛-复合材料粘接结构微米级粘结层厚度的方法；
ECAULT等[56]报道了一种基于激光冲击波的复合材料粘接质量检测方法（LASAT，Laser Shock Adhesion Test），该方法利用高功率密度脉冲激光在材料表面产生熔蚀效应形成冲击波，根据激光冲击波与粘接界面应力作用导致的界面损伤状态及与不同粘接性质相应的损伤阈值表征原始界面粘接质量，基于损伤增量原理该方法可用于检测弱粘接缺陷。
美国的STAIR等[57]报道了利用单晶压电超声技术和超声相控阵技术通过粘接界面反射信号幅度和渡越时间变化表征碳纤维复合材料-铝材粘接结构脱粘的方法。
2.4 结构腐蚀检测技术
在结构腐蚀检测方面，加拿大的TURCOTTE等[58]报道了基于超声相控阵和3D扫描技术的结构腐蚀检测方法（如图20）。该方法采用3D扫描技术得到结构三维型面特征，并采用超声相控阵技术对结构进行超声扫描成像，将超声扫描数据和结构型面数据结合得到表征结构内部腐蚀缺陷的三维图。
法国的LEBER等[59]报道了基于全聚焦算法的结构腐蚀超声相控阵检测方法，该方法能够减小腐蚀缺陷的检测盲区，提高检测分辨力，并更适合表征腐蚀型缺陷的复杂型面特征；ROY等[60]报道了利用自适应全聚焦超声相控阵技术检测近焊缝区腐蚀性缺陷的方法，该方法能够自动测量计算结构型面特征并校正检测参量，进而适应复杂焊缝结构特征，表征近焊缝区的腐蚀缺陷。
图20 结构腐蚀缺陷超声相控阵三维成像检测
3 无损检测技术应用研究的新进展
3.1 飞机结构检测技术
在飞机结构部件检测方面，法国空客的GUIBERT等[61]报道了自主研制的超声、涡流检测仪器在空客飞机结构零部件无损检测中的应用，主要包括：基于超声相控阵技术的自动定量检测仪器应用于飞机复合材料冲击损伤检测，该仪器内置自动参数设置和缺陷定量算法而无需操作人员具备专业技能（如图21）；基于超声相控阵和3D跟踪技术的检测仪器应用于飞机曲面结构检测，具有更高扫描效率和检测可靠性；基于涡流技术的自动检测仪器应用于飞机结构防腐保护层检测，该仪器自动设置检测参数，操作步骤简单，无需操作人员具备专业技能（如图22）。
BARUT等[62]报道了自主研制的无损检测自动诊断程序工具包在空客飞机构件超声检测数据自动分析和缺陷自动识别与定征中的应用，该套工具实现了飞机结构零部件的自动化检测数据分析和缺陷评定，显著提高了飞机零件检测效率、缩短了生产周期。
图21 基于超声相控阵技术的自动定量检测仪器及其应用
图22 涡流自动检测仪器应用于飞机结构防腐保护层检测
德国的FRACKOWIAK等[63]报道了兆赫兹脉冲涡流红外热成像技术在飞机发动机涡轮叶片检测中的应用，利用该技术可分别对叶片涂层的裂纹、剥落、分层和基体结构裂纹等多种缺陷进行高分辨力的成像
检测（如图23）；BULLINGER等[64]报道了空客采用射线层析成像技术检测飞机大型复合材料构件弧形、拐角部位缺陷的应用案例（如图24），此类部位采用超声技术难以检测。
图23 兆赫子脉冲红外热成像技术应用于涡轮叶片检测
图24 射线层析成像技术应用于飞机大型复材构件检测
澳大利亚的HENKEL等[65]报道了AMAG rolling在2005年至2015年期间采用大型水浸超声相控阵C扫描系统快速检测大尺寸铝板结构的应用情况，AMAG rolling向世界各主要飞机制造商供应铝板结构用于飞机零部件制造，是世界上首个应用超声相控阵C扫描系统的机构之一，并于2015年安装了新型的超声相控阵系统（如图25）以进一步提高产量和生产效率。
图25 水浸超声相控阵C扫描系统应用于大尺寸铝板检测
乌克兰的UCHANIN等[66]通过分析飞机结构铝合金零部件老化降质导致的机械性能参量变化及其与涡流电导率间的量化关系，提出了基于涡流电导率测量方法和仪器的铝合金零件降质检测方法，并应用于老旧飞机结构铝合金零件老化降质机械性能的无损检测与监测评估。
波兰的WACHLACZENKO等[67]报道了一种非接触叶片振动测量方法（TTM，Tip Timing Method）在发动机叶片无损检测与结构监测中的应用，并已通过二十多年的应用实践验证了该方法在飞机发动机叶片疲劳裂纹检测与监测方面的有效性。
3.2 核能结构检测技术
在核能结构检测方面，德国的SCHMITTE等[68]报道了一种用于核废料储存罐快速自动检测的大型超声相控阵检测设备（如图26）。
该设备采用7台128通道相控阵仪器同时控制13个超声相控阵换能器，激励、接收不同聚焦深度和偏转角度的横波和纵波进行扇形扫描成像，利用门式扫描机构带动相控阵换能器组在储存罐表面沿轴向运动并由旋转机构带动储存罐作周向旋转运动，实现核废料储存罐整体结构的自动扫描检测。
PAVLOVIC等[69]以缺陷检出率（POD，Probability of detection）作为指示参量分析了应用超声相控阵技术检测核燃料储存罐铜质壳体的可靠性，提出除缺陷几何特征外，材料的细观颗粒尺寸和缺陷表面特征等参量也会显著影响POD指标，需要进一步分析各相关参量对POD指标的影响，建立包含全部影响参量的POD计算与评估模型。
法国的DOBIGNY等[70]报道了一种基于柔性矩阵超声换能器和关节机器人技术的自动检测设备（如图27），该设备利用柔性换能器的型面适应性和超声相控阵技术的声束可控性能够实现核设施大型复杂构件的自动扫描检测。
图26 核废料储存罐大型超声相控阵自动检测设备
图27 基于柔性矩阵超声换能器的自动检测设备
在铁道检测方面，中国的PENG等[71]报道了超声相控阵技术在高铁车轴检测中的应用，提出一种车轴结构界面回波各向异性扩散校正算法，显著提高了车轴结构缺陷检出率和检测效率。
美国的DESAI等[72]报道了超声相控阵技术在高铁车轮结构表层和内部缺陷检测中的应用。德国的BETHKE等[73]报道了一种应用于铁路车轴在役检测的超声相控阵检测系统，该系统可实现车轴结构在不拆解条件下的快速检测，显著缩短了检测时间，维护周期更短、成本更低。
KNAM等[74]报道了一种应用于铁路车轮制造过程检测的超声自动检测系统（如图28），该系统采用超声相控阵技术检测车轮边沿和轮毂部位，采用常规喷水超声技术和双臂关节机器人对车轮其他部位进行扫描成像检测。
德国的V?LZ、西班牙的GAUNA和中国的GAO等[75-77]报道了基于不同角度、类型超声换能器的高铁空心车轴多通道超声自动检测系统及其应用。
图28 铁路车轮制造过程超声自动检测系统
3.4 管道检测技术
在管道检测方面，俄罗斯的ARTEMYEV等[78]报道了一种应用于带有内部减阻覆盖层的金属管道的非接触漏磁检测设备（如图29）。该设备采用低硬度的聚氨酯板将漏磁检测装置与管内减阻覆盖层隔离以避免损伤覆盖层，并采用轮式车带动环形布置的漏磁检测装置沿管道轴向运动检测管壁腐蚀和焊缝裂纹等缺陷。
法国的PIRON等[79]报道了3D激光扫描成像仪在管道外壁腐蚀和机械损伤三维可视化成像检测中的应用（如图30），实现了管道外壁结构的自动化检测并显著提高了检测效率。
图29 用于带减阻覆盖层金属管道的非接触漏磁检测设备
图30 基于3D激光扫描成像仪的管道外壁检测
3.5 土木工程结构检测技术
在土木工程结构检测方面，日本的YAGI等[80]报道了超声相控阵技术在金属桥梁板面和焊缝疲劳裂纹缺陷检测中的应用；SUGIMOTO等[81]报道了一种用于混凝土结构内部裂纹和孔洞等缺陷检测的非接触声学检测方法，该方法采用由3200个频率40.35kHz超声单元构成的大功率声源远距离发射声波，采用激光测振仪远距离探测声信号，根据探测声波信号的振动速度谱表征缺陷。
瑞士的CORBETT等[82]报道了基于干式耦合多通道换能器的脉冲反射式超声检测仪器在混凝土结构壁厚和弹性模量测量以及孔洞和分层等缺陷检测中的应用（如图31），指出采用干耦合超声换能器降低了检测成本并更为简单方便，同时提出采用干式耦合超声换能器的局限性主要包括：超声频率在kHz量级，近场盲区较大，无法检测近表面缺陷和尺寸较小的缺陷；检测距离较短，通常在1m左右，并受混凝土结构质量和金属含量影响较大。
图31 应用于混凝土结构检测的干式耦合超声换能器
美国的GUCUNSKI等[83]报道了一种应用于混凝土桥梁板面结构无损检测与质量评价的自动化机器人系统（如图32）。该系统采用了电阻率法、雷达法、超声脉冲反射法、声表面波法和目视法，其中电阻率法和雷达法用于检测腐蚀缺陷并评估腐蚀速率；超声脉冲反射法用于检测分层缺陷；声表面波法用于测
量混凝土结构弹性模量进而评价结构质量；目视法采用两台摄像机对板面结构进行高分辨率成像检测可见缺陷并评估修复质量。
图32 应用于混凝土桥梁检测的自动化机器人系统
4 应用发展方向和待解决问题
随着材料科学和制造技术的发展，在航空航天、高铁、船舶、核电和石油等领域，新材料、新结构、新工艺不断出现并得到应用，装备性能、制造质量和应用安全可靠性要求不断提高，这给无损检测技术提出了更多要求[87-89]，复杂结构检测、非接触检测、自动化检测和原位快速检测是无损检测技术的应用发展方向。以下简要针对几项典型技术进行浅要分析。
（1）超声相控阵检测技术
超声相控阵技术的核心是控制算法，通常采用的基于合成声束偏转、聚焦延时算法的超声相控阵检测方法和仪器已经标准化，近年来重点研究的基于全矩阵数据的超声相控阵成像算法也已相对成熟，并开发出内置该算法的新型检测仪器。目前超声相控阵技术在飞行器复合材料构件检测、复杂焊缝检测、管道腐蚀检测和大型板材检测中已得到较为广泛的应用。
但是，由于超声相控阵技术的控制算法复杂度相对较高，针对特定工件的检测方案设计和控制参量设置较为复杂，这对一般检测人员提出了更高的要求，并可能因为检测方案和控制参量设置偏差而降低缺陷检出率、量化准确度和重复一致性，同时基础通用算法会因特定工件的结构型面或材料特性而产生各异性的检测问题，进而从操作性和检测性两个方面限制该技术的应用推广。
基于以上因素分析，在合成声束控制和全矩阵数据算法框架下，需要针对具体类型工件的结构、型面特征和材料特性定制化研究控制算法的校正算法和检测参量的补偿方法，建立与具体类型工件相适应的优化控制算法和专用检测模块，自动生成检测方案并设置控制参量，实现检测过程的自动化，使其缺陷检出率、量化准确度和重复一致性等指标常态保持在标准规定量值范围。
在大型或复杂构件自动化检测以及实时性要求高的应用方面，随着超声相控阵换能器阵元数量的增加和控制算法精度的提高，需要进一步研究基于GPU加速或FPGA等技术的控制算法高效运算处理方法，开发高性能仪器，降低检测图像重构耗时，提高超声相控阵自动扫描检测效率和实时成像性能。而新型的高性能仪器需要进行严格的检测性能和可靠性测试、改进，使其具有良好的检测性能和高鲁棒性，尤其是用于定制化开发和系统集成的板卡级控制器。
（2）非接触超声检测技术
激光超声检测技术和空气耦合超声检测技术是目前主要研究的非接触超声检测技术。从1963年WHITE提出激光超声技术以来，该技术以其非接触和高分辨力等特点受到无损检测领域学者的广泛关注。经过五十多年的研究发展，基于激光激励和探测超声体波的检测技术与设备已经相对成熟，出现了LaserUT、LUIS、iPLUS等标准化的工业型激光超声检测设备，应用于各种航空航天飞行器零部件的无损检测以及石油电力压力容器的在线检测。
但是，与常用压电超声换能器的超声转换效率和探测灵敏度相比，脉冲激光热弹激励超声的光声转换率低，激光干涉探测装置的灵敏度低并容易受材料表面粗糙度和环境振动等因素影响。
受限于上述因素，现有激光超声检测设备需要采用精密、复杂并且使用和维护成本高昂的超声激励和探测装置，以使其超声激发效率和探测灵敏度达到工业检测标准要求，而尚无法在检测性能、可靠性和经济性之间达到平衡，这是该项技术设备至今尚未得到广泛应用的主要原因。
目前，更高转换效率的激光超声热弹激励理论、控制方法和可靠、经济的标准仪器设备，更高灵敏度、稳定性和鲁棒性的激光探测装置，以及更高适应性、可靠性和经济性的设备关键仪器部件和整机集成方案是激光超声检测技术与设备的主要研究方向。
同时，基于激光兰姆波方法的材料性能测量和缺陷检测与成像技术，以及相应的新型激光兰姆波检测设备是激光超声技术研究的一个重要方向，需要在检测理论和方法研究的基础上建立适于应用的工艺方法和标准，推动技术设备的广泛应用。
空气耦合超声检测技术经过近二十年在新型换能器技术、信号处理技术、检测方法、工业检测系统以及工艺规范和标准等方面的不断研究，已经在航空航天飞行器复合材料构件无损检测等方面得到应用。
但是，与常用液浸式压电超声换能器的频率和焦斑相比，受限于气固界面显著的超声衰减性质，目前常用的空气耦合超声换能器频率在1MHz以内，并需要采用多周期调制脉冲串作为激励信号以提高超声信号幅度，这导致检测超声信号具有较长的波长和较大的焦斑尺寸，检测的横向和纵向分辨力较低，主要采用穿透法检测。
为了提高空气耦合超声检测的横向、纵向分辨力和大壁厚构件检测信号的信噪比，需要研究具有更优气固界面匹配性和更高分辨力的新型换能器技术和专用信号处理技术。
同时，由于穿透法的检测原理和换能器布置方式对于一些构件和应用环境并不适用，例如飞机原位检测时蜂窝夹芯复合材料构件冲击损伤和蒙皮脱粘的快速扫描检测，需要利用脉冲反射法、兰姆波法和声共振法等方法的检测原理，研究同侧布置空气耦合超声换能器的检测方法。
（3）超声导波检测技术
超声导波检测技术已应用于石油天然气管道等压力容器腐蚀、裂纹等缺陷的检测，但受限于超声导波的多模态、频散和远距离传播衰减性质，该技术通常采用低频率（小于1MHz）多周期调制脉冲串激励超声信号，这导致超声导波检测的缺陷分辨力和定位准确度低，一般用于大尺寸缺陷非量化检测与评估。
为使超声导波检测技术具有更高缺陷分辨力和量化表征准确度，需要研究高频超声导波信号激励方法和模态控制方法，提取高频单模超声导波信号并控制声束指向性和聚焦位置，提高检测分辨力，同时研究基于高频单模导波信号的缺陷定位、定量表征方法。
对于复合材料缺陷的超声导波检测，材料的各向异性性质会影响超声导波的模态类型、频散特性和传播性质，需要研究与材料性质相应的导波检测参量选取、校正与补偿方法，提高缺陷表征准确度。
（4）射线、太赫兹检测技术
射线检测作为一种常规无损检测技术已广泛应用于各工业领域，在各类材料和结构高精度成像检测中发挥着重要作用。近年来，随着大型复杂构件类型和数量的增加，非接触检测需求的增加以及机器人辅助检测技术的发展，基于关节型机器人的射线成像检测系统以其更高的灵活性和型面适应性受到关注，在大型复杂构件的非接触、高精度自动扫描检测方面优势明显。同时，已开发出便携式的小型射线检测仪，适用于各类装备的原位快速成像检测，应用前景广阔。
太赫兹检测技术具有非接触的特点并尤其适用于泡沫、陶瓷和高分子复合材料等红外、超声难以穿透材料的无损检测，具有良好的应用前景。而高性能太赫兹源、检测器、检测数据处理方法、高效扫描方法等一系列问题的解决将推动该项技术设备的广泛应用。
（5）红外热像、激光散斑检测技术
红外热成像技术和激光散斑技术具有全场测量、高灵敏度和高效率等特点，在各类装备的原位快速检测方面具有良好的应用前景。目前，商业化的红外、激光散斑检测设备产品已在飞机复合材料构件外场检测等方面得到应用。
为了提高不同类型构件（如：复合材料蜂窝、金属蜂窝夹芯构件）的可检测深度和缺陷定位、定量准确度，需要进一步研究新型的激励技术、图像处理技术和更高性能的探测仪器。
（6）机器人辅助检测技术
在大型结构自动化检测方面，超声、射线等检测技术需要利用机械装置带动激励、探测装置或构件运动进行扫描成像检测。近年来，随着机器人技术的快速发展和应用，工业用超声、射线和红外等检测设备逐渐采用标准的关节型机器人作为仿形扫描检测的定位机构或扫描执行机构（如图3、图5、图11、图13），这种方式在大型复杂构件检测方面和一些应用场合下具有更好的灵活性、可控制、型面适应性和更高的可靠性、更低的成本，更易于根据构件型面特征进行自动仿形扫描检测。
但是，关节型机器人的重复定位精度和扫描效率低于由精密直线单元构成的扫描装置，通常需要将关节型机器人与直线单元构成的扫描装置或其他类型的二维扫描装置（如：光学扫描装置）组合应用，以满足扫描定位精度和检测效率要求。
（7）技术方法的交叉、融合
通过不同激励、探测方法和缺陷表征与成像方法的交叉融合，提高检测方法的性能、适用性、可靠性和经济性是无损检测技术研究的重要方向。以下简要分析两项通过不同技术交叉融合形成的检测技术方法。激光超声、空气耦合超声与机器人技术的交叉融合。
通过将激光超声技术与空气耦合超声技术结合起来，利用脉冲激光激励超声波，空气耦合超声换能器探测超声波，并利用关节机器人进行仿形扫描检测，有望在非接触超声检测性能、适应性、可靠性和经济性方面达到新的平衡。
声共振技术与红外、激光散斑技术的交叉融合。通过将声共振技术与红外热成像和激光散斑成像技术结合起来，利用超声振动激励结构缺陷共振产生“倍增”热幅度和形变量，利用红外和激光散斑技术分别探测热和形变进而重建缺陷图像，有望进一步扩展红外和激光散斑技术的适用范围，提高部分材料和结构缺陷的检测性能。
5 未来发展的新机遇
“工业4.0”和“中国制造2025”给无损检测技术的研究和应用提出了更高要求[89]，也带来了发展的新机遇。为了满足工业装备智能化、高质量制造和高可靠性应用的检验检测需求，无损检测技术与设备向着专用精量化、机器人自动化、全过程无人化和数据管理智能化的方向发展。
（1）专用化、精量化、标准化
自动化检测的前提是检测工艺方法和设备的专用化、精量化和标准化。
为了满足各类工业装备高质量制造和高可靠性应用的检测技术设备需求，需要针对具体被检物定制化研究专用检测工艺方法和技术标准，建立与特定材料结构全生命周期检测要求相适应的专用检测工艺标准和设备，实现各类缺陷的精量化检测和工艺参量、过程与设备的标准化，使专用技术设备具有高检出率和置信度。
（2）自动化
智能化检测的基础是无损检测与结果评定全过程的自动化。为了实现各类被检物的高效能自动化检测，需要根据相应检测工艺和标准，应用机器人技术，开发自动化的检测设备，实现检测参量设置、激励控制、探测控制、扫描成像控制、数据管理和检测结果分析与评定过程的自动化。
（3）自主化
关键器件、核心算法和高端设备的自主化是实现无损检测技术设备智能化的关键要素。面对“中国制造2025”，目前国内在检测新技术相关的关键器件和高端设备上依赖进口，部分自主集成建立的检测设备的性能也取决于国外器件性能，在可设计性、可集成性、检测性能和自动化程度等方面受到限制，在核心算法和新算法、新方法的开发应用上受制于人，国外成套检测设备或者封锁禁运、或者成本高昂，这已成为制约中国无损检测技术向着自动化、智能化方向发展的一个主要因素。
为了更好地满足国内无损检测技术设备的应用需求，推动未来的研究、应用和发展，需要研究建立自主化的关键器件、核心算法和高端设备，为高性能、自动化、智能化的检测设备开发和应用提供技术支撑。（4）智能化
智能化是未来无损检测技术和设备的应用需求和发展趋势，但是需要建立在标准化、自动化和自主化的基础上。
为了建立机器人自动化、全过程无人化和数据管理智能化的无损检测技术与设备，需要针对具体被检物，研究建立检测物自动输运、检测参量自动设置与校准、激励/采集/扫描/成像自动控制、检测结果自动分析与评定以及检测数据自动管理等方面的各项技术与装置，通过智能算法、检测终端和网络技术的集成，建立无损检测全过程智能控制与信息管理技术设备。
综上，“工业4.0”和“中国制造2025”给无损检测技术带来了新的发展机遇，专用精量化、标准化、自动化、自主化和智能化是无损检测技术与设备的发展方向。
6 结论
(1) 在航空航天、高铁、船舶、核能和石油天然气等领域，为了满足各类工业装备的无损检测需求，超声相控阵技术、非接触超声技术、超声导波技术、射线成像技术和机器人辅助检测技术等得到广泛研究和应用，检测控制新方法、成像新算法和新型的自动检测设备发展迅速，无损检测技术总体向着复杂结构检测、非接触检测、自动化检测和原位快速检测的方向发展。
(2) 对于超声相控阵技术，需要根据被检物特征定制化研究控制算法、校正算法和专用自动检测设备，通过定制化和机器自动化达到高检出率、置信度和重复性；对于非接触超声技术，需要研究高效能、低成本的激励与探测技术和装置，使技术设备在检测性能、可靠性和经济性间达到平衡。对于超声导波技术，需要研究高频导波激励和模态控制方法，提高检测分辨力。
(3) 在声学、射线、红外、激光散斑和机器人辅助检测技术等方面，在研究各技术的激励与探测新方法、成像新算法和新器件与设备的同时，需要探索通过不同激励、探测方法和成像算法的交叉融合产生的检测新技术，以及新型的机器人辅助检测技术，提高检测技术与设备的性能、适用性、可靠性和经济性。
(4) “工业4.0”和“中国制造2025”给无损检测技术带来了新的发展机遇，为了实现工业装备的智能化、高质量制造和高可靠性应用，需要研究发展专用精量化、标准化、自动化、自主化和智能化的无损检测技术与设备。