無損檢測技術(shù)在農(nóng)業(yè)植保無人機(jī)檢測維護(hù)中的應(yīng)用*

李笑瑜，沈?qū)殗?，王彩鳳，朱莉凱

（江蘇航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院航空工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212134）

隨著無人機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，工業(yè)級無人機(jī)正逐步成為農(nóng)林植保、農(nóng)田測繪、安保巡防等領(lǐng)域的重要工具之一，助推行業(yè)智能化轉(zhuǎn)型升級。我國是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)發(fā)展關(guān)系民生大計，為了進(jìn)一步提高農(nóng)業(yè)設(shè)備現(xiàn)代化水平，國家相關(guān)部門出臺了一系列政策。農(nóng)業(yè)植保無人機(jī)發(fā)揮著越來越重要的作用，同時也是無人機(jī)行業(yè)最典型的行業(yè)應(yīng)用之一[1]。無損檢測技術(shù)是指應(yīng)用于機(jī)械結(jié)構(gòu)損傷檢查的一系列非破壞性檢查技術(shù)。無損檢測涉及的技術(shù)和方法不損害或不影響被檢測對象使用性能和內(nèi)部組織，而是依托相關(guān)技術(shù)和設(shè)備，借助物理或化學(xué)手段，通過被檢材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)異?；蛉毕荽嬖谝鸬墓狻㈦?、磁、熱等反應(yīng)的變化，檢測獲取被檢材料內(nèi)部與表面的結(jié)構(gòu)、狀態(tài)及缺陷的類型、數(shù)量、形狀、性質(zhì)、位置、尺寸、分布等信息。無損檢測技術(shù)被廣泛應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域中，在工業(yè)設(shè)備維修維護(hù)、性能檢測等工作中發(fā)揮著越來越重要的作用[2]。近年來，在農(nóng)業(yè)植保無人機(jī)日常使用中，由于機(jī)體結(jié)構(gòu)損傷導(dǎo)致的農(nóng)業(yè)植保無人機(jī)墜機(jī)甚至是傷人情況屢見不鮮。因此，首先要關(guān)注的問題就是無人機(jī)機(jī)體健康情況，借助具備獨特優(yōu)勢的無損檢測技術(shù)對農(nóng)業(yè)植保無人機(jī)進(jìn)行檢測維護(hù)顯得至關(guān)重要。

1 常見的無損檢測技術(shù)

1.1 目視檢查

目視檢查是指僅用人的眼睛或一些輔助設(shè)備，對無人機(jī)等構(gòu)件表面進(jìn)行直接檢查，并根據(jù)個人的技能、技術(shù)規(guī)范對損傷做出判斷和評價。通常借助的是照明工具、內(nèi)窺鏡、放大鏡、反光鏡、測量器具等輔助設(shè)備。目視檢查是維護(hù)中最基本、最常用的檢查方法，在對被檢試件進(jìn)行其他的無損檢測前，對能夠采用目視檢查的部位，都應(yīng)進(jìn)行必要的目視檢查。

1.2 超聲波檢測法

超聲波檢測法是利用振動頻率高于20 kHz的機(jī)械波產(chǎn)生的超聲振動，通過超聲波在彈性介質(zhì)中的傳播進(jìn)行探傷和檢測的方法、技術(shù)。其傳播能量大，穿透性強(qiáng)，具有良好的指向性，并且會隨著傳播介質(zhì)的物理、幾何特性而發(fā)生變化。超聲波檢測法適用的范圍較為廣泛，可適用于金屬材料、非金屬材料、復(fù)合材料等。超聲波檢測法中被廣泛應(yīng)用的是縱波、橫波、表面波和板波?？v波易于檢測出與被檢試件檢測面平行的缺陷；利用橫波進(jìn)行超聲波檢測中，可以通過調(diào)節(jié)透聲楔塊的透射角度，使得反射波束最大，從而獲得檢測數(shù)據(jù)，更適用于檢測復(fù)雜的試件；表面波適用于檢測工件表面或近表面的裂紋和缺陷；板波一般用于薄板、薄壁管件等簡單形狀工件的檢測[2]。

1.3 X射線檢測法

X射線與其他無線電波、紅外線、紫外線、可見光一樣，屬于一種電磁波。當(dāng)X射線穿過被檢試件時，與物質(zhì)原子相互作用，致使X射線被吸收，強(qiáng)度減弱。當(dāng)受損工件內(nèi)部組織不均勻時，X射線穿透過程中發(fā)生不同程度衰減，最終在感光膠片上留下不同黑度影像，通過影像就可以判斷被檢試件的內(nèi)部缺陷情況。X射線適用于所有材料的檢測，對被檢工件形狀無特殊要求。同時，X射線檢測法能夠直觀地顯示缺陷影像，便于操作者對缺陷進(jìn)行定性、定量分析。但需要注意的是X射線對人體有害，檢測人員應(yīng)注意做好防護(hù)。

1.4 渦流檢測法

渦流檢測法是以電磁感應(yīng)原理為基礎(chǔ)的，如圖1所示。當(dāng)檢測線圈靠近被檢測的導(dǎo)電試件，試件內(nèi)部感應(yīng)產(chǎn)生交變電流，也就是渦流，渦流產(chǎn)生交變磁場。根據(jù)楞次定律可知，次級磁場在被檢測的導(dǎo)電試件中產(chǎn)生感應(yīng)電流，當(dāng)導(dǎo)電試件的表面或者近表面有裂紋時，渦流會發(fā)生畸變從而影響次級磁場和感應(yīng)電流。通過檢測線圈中電流的變化，就可以獲知導(dǎo)電試件中產(chǎn)生的損傷。由于渦流存在趨膚效應(yīng)，渦流檢測法可通過非接觸式檢測方法，檢測可導(dǎo)電試件表面或者近表面的缺陷和損傷。

圖1 渦流檢測法的工作原理

1.5 磁粉檢測法

鐵磁性材料和試件被磁化后，由于試件內(nèi)部缺陷的不連續(xù)性存在，試件表面和近表面的磁力線發(fā)生局部畸變而產(chǎn)生漏磁場，吸附施加在試件表面的磁粉，從而形成在合適光照下目視可見的磁痕。磁痕所在位置即試件缺陷所在，因此，通過磁痕的位置、形狀和大小可以判斷試件的損傷情況。磁粉檢測法一般運用于檢測鐵磁性材料，檢測的靈敏度較高，也不受試件大小和形狀的限制。

1.6 滲透檢測法

滲透檢測法的原理是自然界存在的毛細(xì)現(xiàn)象，可將試件表面的開口缺陷看作是毛細(xì)管或毛細(xì)縫隙。由于所采用的滲透液都是能潤濕試件的，因此，滲透液在毛細(xì)作用下能滲入表面缺陷中去。然后，清除附著在試件表面上多余的滲透劑，干燥后，再將試件表面涂一層顯像劑，缺陷中的滲透劑在毛細(xì)作用下，重新被吸附到試件表面上，從而顯示出表面上的開口缺陷。

2 無損檢測技術(shù)在農(nóng)業(yè)植保無人機(jī)維護(hù)中的應(yīng)用

2.1 目視檢查法的具體應(yīng)用

農(nóng)業(yè)植保無人機(jī)的作業(yè)環(huán)境通常是室外的田間地頭，機(jī)身容易存在污垢、灰塵等。在進(jìn)行目視檢查前，通常先要對其表面進(jìn)行清洗、除垢，防止污垢干擾檢查視線，造成檢查情況不準(zhǔn)確。對于大型農(nóng)業(yè)植保無人機(jī)通常是先粗略繞機(jī)身一周，緊接著借助照明設(shè)備和放大鏡對機(jī)體表面進(jìn)行仔細(xì)檢查。如果要檢查機(jī)身內(nèi)部，如多旋翼植保無人機(jī)的機(jī)臂內(nèi)側(cè)，可借助內(nèi)窺鏡和反光鏡對內(nèi)部進(jìn)行檢查。通過目視檢查，可以對農(nóng)業(yè)植保無人機(jī)機(jī)體表面的腐蝕損傷、緊固件、表面裂紋、某些結(jié)構(gòu)的內(nèi)部損傷等情況進(jìn)行初步判斷，再根據(jù)實際情況選擇其他合適的無損檢測方法，進(jìn)行更深入的檢查。

2.2 超聲波檢測法的具體應(yīng)用

對于大型農(nóng)業(yè)植保無人機(jī)，需要定期維護(hù)其動力系統(tǒng)，尤其是發(fā)動機(jī)部分，防止因動力系統(tǒng)的機(jī)械故障導(dǎo)致設(shè)備無法正常作業(yè)。通常情況下，發(fā)動機(jī)常見機(jī)械故障為葉片內(nèi)部存在裂紋，裂紋容易導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕和脆斷，進(jìn)而導(dǎo)致飛行事故的發(fā)生。可以利用超聲波檢測方法對農(nóng)業(yè)植保無人機(jī)發(fā)動機(jī)的葉片進(jìn)行無損探測，超聲波檢測法通常要借助超聲波探傷儀等專用設(shè)備。一般情況下，超聲波探測儀都是便攜式的，方便轉(zhuǎn)移和攜帶，有利于戶外作業(yè)的及時檢查[3]。

以縱波檢測法為例，將超聲波探傷儀探頭放置于葉片表面，啟動設(shè)備后，超聲波在葉片內(nèi)部開始傳播。通過觀察超聲波探傷儀上的波形，即可獲知發(fā)動機(jī)葉片材料對于超聲波傳播的影響程度，進(jìn)而對損傷位置進(jìn)行定位。如果發(fā)動機(jī)葉片內(nèi)部沒有缺陷，那么顯示器只顯示出始波和底波，如圖2所示；如果發(fā)動機(jī)葉片內(nèi)部存在缺陷，那么顯示器上在始波和底波之間形成一個傷波或缺陷波，如圖3所示。操作者即可判斷損傷的位置，但對損傷的大小還要通過其他定量的方法進(jìn)行分析判斷。

圖2 發(fā)動機(jī)葉片無缺陷的顯示器示意圖

圖3 發(fā)動機(jī)葉片存在缺陷的顯示器示意圖

2.3 X射線檢測法的具體應(yīng)用

農(nóng)業(yè)植保無人機(jī)在噴灑農(nóng)藥等作業(yè)過程中，不可避免地會接觸到水劑、藥劑等液體，因此，結(jié)構(gòu)中可能存在內(nèi)部積水、脫層等情況。此時，可以借助X射線檢測設(shè)備對機(jī)體、起落架等結(jié)構(gòu)內(nèi)部進(jìn)行損傷探測。操作者要做好防護(hù)，穿戴防X射線輻射的專用服裝，利用X射線設(shè)備對機(jī)體、起落架進(jìn)行探傷。通過感光膠片上的圖像進(jìn)行分析研究，確定積水、脫層位置，便于零件的更換、維修[4]。

2.4 渦流檢測法的具體應(yīng)用

渦流檢測法是一種非接觸式的檢測方法，可以檢測農(nóng)業(yè)植保無人機(jī)機(jī)體金屬結(jié)構(gòu)部分的缺陷，主要是表面或者近表面的缺陷。常見的渦流檢測設(shè)備有掌上型多功能渦流儀等。測試過程中要特別注意避免外界磁場對儀器檢測的干擾，也要避免在極低溫或者高溫條件下使用，以免影響測量結(jié)果。

2.5 磁粉檢測法的具體應(yīng)用

磁粉檢測法可以用于檢測農(nóng)業(yè)植保無人機(jī)結(jié)構(gòu)中碳鋼、合金鋼的結(jié)構(gòu)表面或者近表面的裂紋、夾雜等缺陷問題，這種方法操作簡單、速度快、靈敏度高、成本比較低。吸附在缺陷上的磁粉形成的磁痕對裂紋缺陷有放大作用?？梢圆捎枚喾N磁化方法，發(fā)現(xiàn)不同位置、不同方向的缺陷。工件的大小和形狀都不受限制。但需要注意的是，要對經(jīng)過磁粉檢測后的結(jié)構(gòu)件進(jìn)行退磁處理，否則結(jié)構(gòu)件上的剩磁會對其以后的工作造成不利影響。例如，剩磁會影響農(nóng)業(yè)植保無人機(jī)磁羅盤等儀器儀表的精度和功能，也會對結(jié)構(gòu)件本身造成磨損。

2.6 滲透檢測法的具體應(yīng)用

由于高負(fù)荷、連續(xù)的作業(yè)，尤其是多旋翼農(nóng)業(yè)植保無人機(jī)的螺旋槳會存在裂紋。但是由于裂紋較小且數(shù)量較多，一般用目視檢查難以發(fā)現(xiàn)，就可以借助滲透檢測法進(jìn)行探傷。首先，清除螺旋槳上表面的污垢，防止污垢將缺陷堵塞，阻塞滲透液滲入。充分干燥后，將滲透液覆蓋在被檢測螺旋槳的表面，對于后乳化型滲透劑還要進(jìn)行乳化處理。在涂覆滲透劑并保持適當(dāng)?shù)臅r間后，對被檢螺旋槳進(jìn)行清洗處理，清洗表面的滲透劑。干燥處理后進(jìn)行顯像操作，利用顯像劑將零件表面缺陷內(nèi)的滲透劑吸附至螺旋槳表面。如果有缺陷，便可觀察到形成清晰可見的缺陷圖像，應(yīng)及時更換螺旋槳，避免飛行事故的發(fā)生[5]。

3 結(jié)語

目視檢查法、超聲波檢測法、X射線檢測法、渦流檢測法、磁粉檢測法等無損檢測技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的認(rèn)可度較高，尤其是航空領(lǐng)域。農(nóng)業(yè)植保無人機(jī)是無人機(jī)在工業(yè)級應(yīng)用中的重要方向之一，其在智慧農(nóng)業(yè)中發(fā)揮著愈發(fā)重要的作用。將無損檢測技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)植保無人機(jī)的日常維護(hù)，可以有效延長其生命周期，保障農(nóng)業(yè)植保無人機(jī)安全、高效執(zhí)行作業(yè)任務(wù)。此外，還應(yīng)不斷提升農(nóng)業(yè)植保無人機(jī)維護(hù)的信息化技術(shù)手段，不斷豐富無人機(jī)行業(yè)技術(shù)技能人才在農(nóng)業(yè)植保領(lǐng)域的職業(yè)內(nèi)涵。