Page 96 - 无损检测2022年第十一期
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朱相丽, 等:

   超声无损检/监测技术军事应用领域的发展动向与展望

                                                        声表面波( SAW ) 传感器具有强大的抗辐照能
  1  超声无损检 / 监测技术发展历程
                                                     力、 较宽的温度工作范围、 无源工作以及固有的固态
      超声无损检测始于 20 世纪 30 年代。 1935 年,                  单片结构等优点, 且可结合雷达射频收发技术实现
   前苏联科学家 SOKOLOV 首次对超声检测材料中                         无线信号感知, 保证其在恶劣空间环境中的多参数
   缺陷的技 术 申 请 了 保 护。 1945 年, 美 国 Firestone           压线检测性能。此外, 声表面波器件可大批量、 低成
   公司研制出第一台脉冲回波式超声检测设备。 20                           本制造, 可进行 RFID ( 射频识别) 编码, 并且体积和
   世纪 60 年代, 超声检测设备在灵敏度、 分辨力和放                       重量都很小, 可广泛应用于航空航天工业领域高温
   大器线性等主要性能上取得了突破性进展。                               高压高辐射等环境。 2020 年, NASA 资助美国佩加
       20世 纪 70 年 代 以 后, 电 磁 超 声 检 测 试 验 成           森公司研究开发了首个应用于无损检测和结构健康
   功 [ 2 ] 。 1975 年, 美 国 康 奈 尔 大 学 MAXFIELD 和        监测的大型声表面波无线多传感器阵列系统。该工
   HULBER 研究了应用于金属缺陷检测的电磁超声换                         作还对无线声表面波温度传感器系统的基本元素进
   能器( EMAT )。 20世纪90 年代, 电磁超声进入实际                   行分析与研究, 包括测试框架和传感器阵列、 构建用
   商业应用。 1989 年, Inners p ec公司发明了第一台电                于声表面波器件实施的新 RFID 编码理论、 实现声
   磁超声检测设备, 并于 1994 年成为第一个电磁超声                       表面波器件模拟和新实施案例, 以及后处理技术的
   设备产业化厂家。 1995 年, 美国约翰霍普金斯大学                       系统配置分析。
   OURSLER 和 WAGNER 采用剪切波, 研制了窄带脉                         在美国国家航空航天局的一系列计划中( 包括
   冲激光 复 合 EMAT , 应 用 于 高 温 条 件 下 的 超 声 检            小型航天器计划), 充气式飞行器和降落伞是太空交
   测 [ 3 ] 。 2004年, 日本福冈工业大学 MURAYAMA 等              通工具安全与经济运行所必需的两种系统, 这些复
   报道 了 可 交 替 发 射 和 接 收 高 灵 敏 度 的 兰 姆 波 和            杂的系统结构给设计、 分析和测试新系统带来了挑
   SH 波、 且不受焊接部分影响的 EMAT , 可对储罐和                     战。新的无源无线传感器( 无需更换电池) 可精确测
   管 道 进 行 检 测     [ 4 ] 。 2010 年,日 本 东 北 大 学        量降落伞和充气结构的应变, 从而使工程师们能够
   URAYAMA 等报道了降低噪声和改进信号处理的                          更好地理解这些复杂系统的行为, 开发出能满足任
   EMAT / EC ( 涡流) 双探针, 能够在高温环境下实现对                  务需求的更精确的模拟工具和设计结构。该传感器
   管 壁 变 薄 的 监 测     [ 5 ] 。 2016 年, 英 国 华 威 大 学     不但具备足够的安全裕度, 而且不会产生不必要的
   THRING 等使用聚焦 EMAT , 利用新的提高分辨率                     额外重量和成本。可单独识别的无线传感器被部署

   的方法, 产生了2MHz的瑞利波, 可检测毫米级深度                        在柔性结构的多个位置上, 并由集中式读取器读取,
   的缺陷   [ 6 ] 。                                     从而确保在系统部署期间动态测量应变。 2020 年,
       超声检 / 监测技术是超声领域应用极为广泛的                        NASA 资助充气式航天器和降落伞用无源无线应
   一门技术, 在军事领域应用广泛, 其不但可以保证质                         变传感器研究, 该研究中 SENSANNA 公司开发了
   量和保障安全, 而且还可以节约能源和资源, 降低成                         新型无源无线声表面波应变传感器对降落伞和充气
   本, 提高成品率, 获得显著经济效益。                               结构进行实时应变测量。这些设备可以由约几十个
                                                     到一百个可单独识别的设备组成, 协同工作, 并由数
  2  超声无损检 / 监测技术发展动向
                                                     据聚合器同时读取数据, 可以保证不会出现传感器
      传统无损检测技术由于设备笨重、 检测速度慢、                         间的干扰。根据传输功率限制和环境的不同, 可以
   可检测范围小及自动化程度低, 在检测大规模设施                           在几十米或更大范围内无线读取传感器标签。
   中的潜在损伤中( 尤其在复杂环境下) 可行性差且花                              为了满足海军探测推进剂的颗粒裂纹, 并通过
   费巨大。因此, 大规模设施生命周期内多缺陷的智                           密封火 箭 发 动 机 壳 体 进 行 无 线 传 输 数 据 的 需 求,
   能化检测问题对无损检测技术提出了新挑战, 一方                           2018 年美国国防部资助美国智能感知系统公司开
   面推动无损检测技术向高速、 多物理场及多技术融                           发一种新的推进剂健康 ( PHEM ) 监 测系统。该系
   合等方向发展; 另一方面, 也促进了无损检测技术与                         统将超声换能器作为信号发生器与传感器进行创新
   结构健康监测技术的相互融合。                                    集成, 采用超低功耗元件和电子设计。这种超声波
   2.1  无损检测与结构健康监测相融合的无源无线                          推进剂监测传感器与数据传输链路的独特集成, 使
        声表面波传感技术                                     PHEM 可检测推进剂的颗粒裂纹, 并通过密封火箭
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          2022 年 第 44 卷 第 11 期
          无损检测
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