西安交通大学
无损检测实验室
2024年度研究进展
西安交通大学航天航空学院无损检测实验室于2005年创立，现由教授4名（陈振茂博士/东京大学、李勇博士/纽卡斯尔大学、解社娟博士/日本东北大学、裴翠祥博士/东京大学）、正高工1名（陈洪恩博士）、副教授及助理教授2名（方阳博士、仝宗飞博士）和50余名硕博研究生构成。 团队具有鲜明的国际化特色，依托团队建成了陕西省无损检测与结构完整性评价工程技术研究中心，是西安交通大学“复杂服役环境重大装备结构强度与寿命全国重点实验室”和力学学科的重要组成部分。 陕西省无损检测与结构完整性评价工程技术研究中心2021年全面建成通过验收，实验室面积超1200平方米，具有涡流及脉冲涡流检测实验室、多维电磁检测实验室、先进超声检测实验室、微波-太赫兹检测实验室、红外与光声检测实验室等综合无损检测平台，拥有微焦CT、阵列涡流/脉冲涡流检测系统、大型水浸超声/TOFD/相控阵超声系统、柔性阵列电磁超声相控阵系统、相控阵和光栅激光超声系统、高精度可移动红外检测系统、微波和太赫兹检测系统、磁力显微镜、SQUID、动态磁特性测量系统等先进测试仪器和装备，设备原值3000余万元。实验室对省内外全面开放，积极协同开展无损检测理论、方法研究及检测探头、仪器及系统和标准规范的研发。 位于中国西部科技创新港的西安交通大学无损检测平台 2024年度，实验室在持续开展国家自然科学基金重大科研仪器项目、优青项目、面上项目、联合基金重点项目，国家ITER专项、国家重点研发项目/课题、LJ专项课题任务等在研项目研发的同时，新增国家自然科学基金面上项目及核电、航天部门等技术合作项目多项，新增科研经费1000余万元。 研究成果在MSSP, NDT & E Int, IEEE Sensors Journal, MST, Sensors & Actuators等无损检测相关重要学术期刊发表论文30余篇，授权和公开发明专利/软著10余项，形成了电磁内激励声热磁无损检测仪器系统等多种无损检测仪器样机，持续进行了科研成果转化。 在团队建设和人才培养方面，2024年，裴翠祥、陈洪恩晋级正高级职称，方阳晋升副高级职称，仝宗飞获校青秀A入职。研究生多人获国家学科竞赛、学术会议论文奖以及国家奖学金等，10余位研究生毕业获得相应硕博学位。
实验室国内外学术交流活跃，教师任NDT&E Int, IJAEM, Measurement等期刊副主编、ISEM奖励委员会主席、中国机械工程学会无损检测分会常务委员及多个分会专业大会副主任/委员、陕西省无损检测学会副主任等国际国内学术兼职20余项，主编学术期刊特刊4期，应邀在国际国内学术会议做大会报告和邀请报告8项。国际交流活跃，获聘日本东北大学客座教授，邀请日本、美国等学者来访交流10余人次。 本年度实验室在先进无损检测理论、技术、仪器探头开发与应用等方面持续开展了深入研究，取得了系列进展。 代表研究进展 1 结构老化损伤多维电磁评价技术 ►►► 核电结构老化损伤多维电磁评价技术开发 针对铁磁材料核电结构老化损伤评价，开发了多维电磁一体化无损检测仪器和探头，实现了磁巴克豪森噪声、非线性漏磁、增量磁导率、磁适应信号和非线性涡流信号五种参数的一体化检测，并针对辐照监督样等复杂检测对象设计制作了系列多维电磁检测专用探头，提高了检测精度和适用性。 图1 老化损伤多维电磁一体化 无损评价系统构成和仪器 针对非铁磁核电结构老化评价，开发了电磁超声-涡流检测复合检测仪器系统，设计制作了线性超声、非线性超声及脉冲涡流检测探头，实现了核电结构电磁声无损检测信号高效测量。 基于所开发检测系统，针对机械损伤、高温热老化等老化试件开展了系统的多维电磁声无损检测，明确了多维检测信号与老化程度的相关规律，开展了实际核电结构现场检测，为在役核电结构老化评价应用奠定了基础。 图2 典型多维电磁检测MAT信号（左） 及老化损伤相关性测量结果（右） 试验结果表明，基于检测信号特征量多维融合，可有效实现铁磁材料老化损伤的无损评价。 ►►► 基于多维电磁检测信号的核电结构老化体积分布评价方法研究 基于不同电磁无损检测方法频率特性导致的电磁场透入深度差异，提出了基于涡流检测、磁噪声检测和漏磁检测的核电结构老化多维信息融合体积分布无损评价方法，建立了基于层析策略的不同厚度电磁特性和老化状态的无损评价方法。 为实现材料特性厚度方向的层析反演，针对铁磁材料非线性漏磁和磁噪声的正演计算问题，建立了基于等效磁矩和全域模型的三维磁化场及结合局域模型和随机壁垒场的磁噪声信号计算方法，开发了相应的程序。 同时，提出了结合定标曲面和神经网络的材料老化状态与力学性能劣化的智能评价模型，基于实际无损测量信号，验证了算法和软件的有效性。 图3 三维磁噪声数值模拟方法原理 计算所得磁噪声信号和信号特征量随残余应力变化曲线与试验测量结果的比较图如图4所示，可见计算方法可有效模拟磁噪声信号随材料损伤状态的变化规律。 图4 三维磁噪声数值计算结果与实际测量结果的比较 研究进展 2 新型电磁检测相关理论及应用研究 ►►► 粗糙面电接触理论模型和基于改进力电模型的接触力测量方法 针对金属粗糙面间的接触力测量问题，提出了通过接触电阻表征接触力的测量方法。建立了相应的有限元计算程序，针对白光干涉仪粗糙面测量倾斜误差，开发了去倾斜度算法，分别建立了模拟粗糙面和实测粗糙面结构，明确了粗糙面接触电阻和接触应力的关联机理和信号特征。 考虑应力对于材料宏观电导率的影响，提出了粗糙面电接触理论模型，建立了相应的数值计算程序，理论模型和有限元模型的计算结果符合良好，进一步明确了材料电阻率不均匀带来的影响。 搭建了阵列直流电位接触电阻测试系统，测试了金属半球壳间不同位置的接触电阻，通过选取基准电压，成功去除了粗糙度随机性带来的误差，获取了可重复的接触力和接触电阻关系曲线，实现了粗糙面间接触力的无损表征。 (a) 模拟粗糙面轮廓 (b) 理论模型与有限元模型计算结果 (c) 直流电位接触电阻试验系统 (d) 接触面间电位差与接触力的关系 图5 测试系统、粗糙面电接触理论模型与应用结果 ►►► 新型脉冲涡流-电磁超声复合传感器开发 常规单一电磁无损检测技术难以同时检测内部和表面缺陷。前期提出的脉冲涡流-电磁超声一体化复合电磁无损检测技术（PECT-EMAT）能够有效解决这一难题，但目前其研究对象仅限于平板或大直径管道，不能考虑小径管道表面与传感器的接触空隙对检测结果的影响。 为此，本年度开发了一种由柔性曲面线圈和平面永磁体组成的新型复合电磁声传感器。基于PECT-EMAT复合检测方法原理，建立了管道计算模型，对比了平面和曲面线圈激发的近表面涡流场、平面和曲面磁铁提供的偏置磁场，以及由线圈和磁铁构成的三种不同构型复合检测传感器所激发的洛伦兹力。 计算结果和试验结果均表明，所开发的新型传感器在PECT-EMAT复合检测中，脉冲涡流检测灵敏度更高，电磁超声检测幅值更大，可提升综合检测能力，解决了小径管道曲率导致传统传感器检测性能下降的问题。 (a) 小口径管道新型传感器结构示意 (b) 表面裂纹脉冲涡流检测结果 (c) 底部减薄缺陷电磁超声检测结果 图6 新型复合传感器结构示意及三种不同构型传感器的检测结果比较 ►►► 基于ICA-高斯滤波和霍夫变换的新型脉冲涡流信号处理方法 针对利用脉冲涡流方法在大提离下检测铁磁性金属结构减薄缺陷时响应信号的信噪比低以及信号特征提取难的问题，提出了一种新型脉冲涡流信号处理方法。 考虑到脉冲涡流响应信号中的噪声主要由工频干扰和高斯分布的随机噪声两部分组成，首先，提出了利用ICA滤波消除工频干扰，通过将脉冲涡流检测信号和工频干扰信号视作两个独立的源，从而利用盲源分离模型和Fast-ICA算法对其进行分离，成功消除了工频干扰；然后，提出了利用高斯滤波消除随机噪声，通过将消除工频干扰后的脉冲涡流检测信号与均值为零的高斯模板函数进行卷积，实现了脉冲涡流检测信号中的随机噪声的消除；最后，提出了基于霍夫变换的自适应特征提取方法，实现了对晚期斜率信号特征的自适应提取。 提出的基于ICA-高斯滤波和霍夫变换的脉冲涡流信号处理方法，大幅提高了检测信号的信噪比，提升了大提离下铁磁性金属结构减薄缺陷检测的准确性和效率。 (a) 基于ICA-高斯滤波和霍夫变换的脉冲涡流信号处理方法的流程示意 (b) 基于ICA-高斯滤波和霍夫变换的脉冲涡流信号处理方法的效果示例 图7 基于ICA-高斯滤波和霍夫变换的脉冲涡流信号处理方法的流程示意和效果示例 ►►► 油管腐蚀和磨损缺陷的脉冲涡流可视化定量检测 针对油管内壁由于腐蚀或磨损导致的局部壁厚减薄缺陷检测，实验室提出了一种基于磁场梯度感测机制的脉冲涡流双传感器差分检测探头。基于所提探头结构，建立了二维以及三维有限元仿真模型，明确了信号特征与缺陷尺寸间的关联规律。 其次，开展了试验研究，在建立信号特征与油管剩余壁厚映射关系的基础上，通过分析感应涡流在油管内分布特性与成像检测所识别缺陷区域间的互相关关系，引入了缺陷深度评估补偿系数。结合所建立映射关系，建立了壁厚减薄缺陷深度高效可视化定量评估方法。 通过对缺陷成像及深度定量评估结果与真实缺陷情况的对比分析发现，所提方法及探头不仅可实现对油管内壁局部壁厚减薄缺陷的三维形貌成像，且对其深度定量具有优于0.6 mm的较高的精度。 图8 脉冲涡流双传感器差分检测探头构型和缺陷深度可视化定量结果 ►►► 脉冲涡流-脉冲远场涡流复合检测方法 针对多层异质金属构件损伤检测，持续研究了暂态涡流近-远场复合检测方法及探头构型，旨在实现在检测方法、磁场传感方式、信号特征层面的“三位一体的融合”，实现结构损伤的一体化感测、缺陷信息增强及聚焦表征。 基于所提探头结构，建立了有限元仿真模型，通过坡印廷矢量和磁场的比较对远场检测现象进行深入剖析，并基于连续小波变换得到了检测信号的时频谱，探究了近场和远场检测信号的特征。 同时，搭建了试验系统，对多层异质金属构件的层间缺陷以及亚表面缺陷进行了成像、特征提取与信号特征融合。提出了基于Alexnet CNN的复合信号特征提取方法和基于图像分割的缺陷面积评估方法，实现了对腐蚀缺陷的高品质成像与高精度定量。 图9 脉冲涡流近远场复合检测原理和融合信号特征典型成像结果图 研究进展 3 超声、激光红外检测方法及应用 ►►► 金属材料老化与性能劣化远距离光栅激光超声声谱检测技术研究 针对核能金属结构辐照、高温等严苛环境下的材料老化和力学性能劣化问题，由于空间调制光栅式激光超声可在材料表面微小区域实现定波长、高强度表面波的非接触精确激发，可以有效克服传统超声检测对于微观损伤检测灵敏度低和定量难的问题。 本年度建立了基于光栅激光超声声谱的线性-非线性超声多参数非接触同步测量方法，研究了金属老化损伤光栅激光超声多特征参数的变化规律，建立了基于线性-非线性超声多参数融合的金属疲劳损伤定量评价方法，为核能结构老化评估提供了可靠手段。 图10 材料力学性能光栅激光超声线性-非线性多参数评价方法 ►►► 涂层厚度及缺陷光栅激光超声检测方法与技术研究 对于航空发动机和燃气轮机叶片热障涂层等异质薄膜涂层厚度评价和缺陷检测，常规超声检测方法由于表面效应难以进行有效检测。为此，团队提出和开发了基于光栅激光超声的新型涂层厚度和脱黏缺陷检测方法和技术。 基于异质薄膜涂层结构涂层厚度与表面波频散特性，建立了基于光栅激光超声表面波波速精确测量的涂层厚度测量方法，实现了热障涂层厚度精确测量。针对100~500 μm厚的涂层，其测量精度可达微米级。 进一步还开发了基于光栅激光超声的涂层脱黏缺陷高灵敏度检测方法，实现了涂层脱黏缺陷的高信噪比检测成像。 图11 基于光栅激光超声的涂层厚度与脱黏缺陷检测 ►►► 大型复合材料结构远距离激光红外热成像原位检测技术及装置 针对航空航天、风电等碳纤维/玻璃纤维复合材料结构现场原位快速检测需求，基于前期开发的新型高灵敏度光束整形匀化激光红外检测方法，提出了针对现场高大结构的望远镜式远距离激光红外热成像检测方法，开发了相应检测装置样机，实现了最大可达50 m的远距离检测。 利用所开发的检测系统，分别在10 m和30 m的距离对加工有平底孔缺陷的碳纤维试件、含有预埋缺陷的碳纤维试件以及含有涂层的飞机垂尾模型进行了检测试验。 当检测距离为10 m时，该系统能够检测表面涂层下直径为5 mm、深度为1 mm的平底孔缺陷检测，还可实现直径为3 mm、深度为0.4 mm的预埋缺陷检测。 当检测距离大到30 m时，该系统也可实现直径为10 mm、深度为1 mm的平底孔缺陷检测。最后，将所开发望远镜式激光红外检测系统在风电现场进行了检测，成功实现了叶片缺陷的原位检测。 图12 望远镜式激光红外检测系统及其在风电检测中的应用研究 ►►► 薄壁碳纤维杆件的反射镜式激光红外原位检测技术和系统开发 为保证大型网状天线的安全和完整性，针对环形可展开天线桁架结构中大量使用的薄壁细长碳纤维复合材料杆件，开展了役前无损检测技术研究，提出了反射镜式匀化激光红外检测方法，研制了大型可展开天线关键部件复合材料杆件的原位状态检测仪器和自动扫查装置，开发了基于红外图像的缺陷自动识别处理方法和软件，实现了大型可展开天线杆件结构的原位快速无损检测评价，可同时检出碳纤维增强复合材料杆件中的气孔、分层、夹杂和冲击损伤等缺陷，具有非接触、无需耦合剂、无放射性等特点，较现有方法大大提高了检测效率。 检测系统已多次应用于大型网状可展开天线反射器的役前检测，为大型可展开天线支撑结构在轨可靠运行提供了有效支撑手段。 图13 细长薄壁CFRP杆件的反射镜式原位激光红外检测系统图 研究进展 4 微波定量检测 ►►► 多层GFRP结构内部缺陷的微波检测及评估 提出了一种微波无损检测及定量表征方法，结合稀疏采样控制矩阵、压缩感知技术、匹配滤波成像算子，实现了快速、高效的GFRP结构缺陷检测及成像。通过自适应奇异值分解技术优化图像质量，结合图像分割与像素统计的方法对分层缺陷的位置和面积参数进行自动定量表征。 试验结果表明，该方法在较少观测数据的情况下，可生成高质量可视化图像且可有效识别厚度为0.5 mm的缺陷，位置定量误差小于0.5 mm，面积定量误差小于8%。 基于微波传播理论提出了一种对多层GFRP内部缺陷的远场定量评估方法，结合信号频率、缺陷尺寸及材料参数建立了回波信号与缺陷参量的映射关系，实现了通过单一反射信号同时检测和量化分层缺陷的深度与厚度。 结果表明，该方法能成功检测厚度为30 μm的分层缺陷，缺陷深度评估误差小于0.15 mm，缺陷厚度评估误差不超过10 μm，理论检测下限可达数微米，且检测精度受探测距离影响较小。该工作为非金属结构内部缺陷的精细化深度定位提供了支撑。 图14 多层GFRP结构内部缺陷的微波检测及定量结果 ►►► 吸波材料电磁损伤评估的宽带聚焦微波传感器及检测方法 针对吸波涂层的现场无损监测需求，克服了微波传感器设计中小型化、宽带和聚焦辐射之间的矛盾，提出了一种新型聚焦微波传感器构型及检测方法。 传感器采用多层透镜嵌套结构和复合馈电设计，在2～22 GHz频率范围内实现了超过8 dB的辐射增益，且电压驻波比小于2.5。 该探头不仅具有小型化的优势（直径95 mm，高度75 mm），且能够发射具有小于±30°窄辐射方向图的高斯波束，可模拟现场近场测试所需的平面波特性。 在此基础上，提出了一种现场反射率测试方法，利用时域门控技术减轻干扰信号的影响，测试结果验证了传感器和方法的精度，平均误差仅为0.78 dB。 图15 宽带聚焦微波传感器、测试系统及检测结果 年度代表成果 发表期刊论文24篇。 发明专利/软著17篇。 做大会报告和邀请报告8次。 结 语 2024年度西安交通大学无损检测团队在无损检测基础理论、检测方法、创新技术、新探头、仪器研发及应用等方面继续开展了深入研究，取得了系列进展。所取得的研究成果得益于国家项目、国内外同行和学校学院的大力支持和合作，值此表示诚挚的感谢和敬意。 梦虽遥，追则能达；愿虽艰，持则可圆。2025年，实验室将继续在无损检测领域发光发热，真诚期望与国内外专家同行深入开展更为密切的交流合作，合力解决无损检测前沿问题、行业共性难题，突破核心技术和瓶颈，为我国成为无损检测理论、技术和应用强国贡献力量。 年度代表成果略，具体请参见原文 作者：李勇，解社娟，裴翠祥，陈洪恩，方阳，仝宗飞，陈振茂 西安交通大学航天航空学院 陕西省无损检测与结构完整性评价工程技术研究中心 复杂服役环境重大装备结构强度与寿命全国重点实验室
