在苛刻的工作环境条件下，飞机结构对疲劳裂纹、腐蚀损伤和冲击缺陷非常敏感，容易导致关键结构件的失效，甚至发生灾难性事故。无损检测（NDT）能够尽早发现飞机结构缺陷并采取适当的维修措施，保证结构完整性和飞行安全，延长飞机，特别是老旧飞机的服役寿命。从飞机结构设计、制造到后来的维修，直至{zh1}的结构失效或退役，NDT都发挥着重要作用。
　　迄今为止，除了常规的超声、涡流、磁粉、渗透和射线检测之外，人们开发了各种先进的无损检测方法。无损检测的发展依赖于很多关键技术，其中包括先进的传感器技术，用来监控或检测温度、磁场、应变、振动和位移等等。这些传感器具有不同的工作原理、类型、灵敏度、阵列、位置、成本、尺寸、重量和数量，决定了整个检测系统的灵敏度、效率和安全性。近年来，航空无损检测及其相关传感器技术进步很快，本文介绍基于先进传感器技术的航空材料无损检测的{zx1}进展，包括光学检测（热成像、激光剪切散斑成像）、微波检测、振动监控、磁共振检测和敲击检测技术，涉及光学传感器、微波传感器、振动传感器等等。

　　基于先进传感器技术的航空材料无损检测
　　1 光学检测及其传感器技术
　　近年来，光学检测技术在航空材料领域中的研究和应用越来越多，典型的有红外热成像和激光剪切散斑成像技术，所采用的传感器技术包括热辐射传感器和CCD传感器等，通过这些传感器捕捉信号，经过处理后最终对材料和结构进行成像。
　　（1）红外热成像及其红外传感器。
　　物体有无缺陷时所产生的红外热波场不同，通过红外热成像检测这种热波场并用图像显示出来，可以达到对物体内缺陷进行检测和识别的目的。它是一种快速、非接触的无损检测方式，在航空、航天和许多工业领域都有十分广阔的应用前景。
　　红外热成像系统的关键部件之一是热像仪。热像仪是一种光电设备，目标物体的热辐射穿过空气被热像仪接收，经过物镜使热辐射聚焦到热辐射传感器（或称为红外探测器）上，红外探测器再把入射的辐射转换成电信号，进而处理成可见图像，即热图。由此可见，红外探测器将不可见的红外辐射转换成可测量的信号，是红外热像仪的关键部件，直接影响红外热成像检测的灵敏度。红外探测器已经发展到焦平面阵列阶段，探测单元数大大增加。从材料组成和原理分类，高精度红外测温传感器包括InSb、InGaAs、非本征硅等量子探测器，以及BST、多晶硅和非晶硅等热探测器。
　　英国Bath大学材料研究中心和希腊IRT研究人员利用便携式Thermoscope脉冲热成像系统，对飞机复合材料结构表面和近表面成像。该系统采用具有InSb探测器的Indigo Merlin中波(3～5μm)红外相机，帧频60Hz，焦平面阵列格式320×256像素。不仅能够清晰地检测铝或CFRP复合材料蒙皮下的模拟分层和孔缺陷，而且可以提供不同类型和厚度蒙皮下固定构件的亚表面特征和位置信息，有利于装配过程中的xx自动操作。
　　美国Texas Research International公司和加拿大航空航天研究所等机构合作，对两层Al 2024-T3铝合金板铆接样品的疲劳磨蚀损伤进行脉冲热成像检测，用来模拟机身连接部件隐藏接触面的主动磨蚀损伤。他们采用Echotherm红外热成像系统，配备了Flir公司Therma CAM SC 3000型红外相机，该相机是量子阱红外照片探测器(QWIP)，具有320×240单元的焦平面阵列探测器，303K下的热灵敏度为20mK，光谱响应为8.0～8.8 μm。结果发现，热成像可以鉴别磨蚀损伤，疲劳磨蚀最初在铆钉/孔界面发生，然后向接触面扩散。
　　采用超声短脉冲（一般小于1s）会引起疲劳裂纹面摩擦或碰撞，导致摩擦生热和温度升高，用红外相机检测成像后，背景为暗场，而裂纹附近温度升高呈现为明亮的红外源，这种检测方法称为声红外成像。
　　美国圣地亚国家实验室和Wayne州立大学将声红外技术用于飞机结构检测，代替常用的磁粉或渗透检测，以减少除漆、清洁、工艺评价时间，降低地面空间要求和缓解环境污染问题。他们采用40kHz超声传感器和InSb阵列Indigo Phoenix红外相机（320×256像素），检查各种裂纹部件疲劳裂纹，包括JT-8D飞机发动机涡轮叶片，Boeing 767机轮等等。
　　（2）激光剪切散斑成像及其CCD传感器。
　　激光剪切散斑成像是一种干涉光学检测方法，采用激光源照射物体，与计算机相连的视频剪切散斑摄像头用于记录和处理数字信号，提供表面和亚表面缺陷的散斑图像。摄像头的主要部件之一是CCD图像传感器，其性能直接决定最终的图像质量。
　　德国Bremen应用波束技术研究所开发了一种综合的剪切散斑装置，该装置采用两个相干激光源照射，能够成功检查飞机机翼和机身的层状和蜂窝结构，对表面和亚表面缺陷进行无损检测。美国北卡罗来纳州州立大学利用剪切散斑技术，检测GRID-LOCK金属构件的结合缺陷。激光源产生干涉图像，通过CCD相机得到面外位移梯度（散斑成像），可清楚检测脱粘和弱结合等缺陷。
　　2 微波检测及其波导传感器
　　微波（例如厘米波和毫米波）可以穿透蜂窝复合材料等低损耗介电材料，并与内部结构发生相互作用，对于介电性能变化和边界界面变化比较敏感。所以，微波成像技术可以非接触快速检测复合材料中介电性能发生变化的夹杂和腐蚀等亚表面缺陷。
　　阿联酋Sharjah美国大学微波成像和无损评价实验室开发了微波和多层结构之间相互作用的理论成像模型，展示了该方法检测多层复合材料亚表面夹杂的潜力。利用K波段（25.5GHz或26GHz）末端开口矩形波导作为成像传感器，120°相位动态范围，x和y方向分辨率为1mm，从而获得近场微波图像。
　　美国Missouri-Rolla大学应用微波无损检测实验室与波音公司、空军研究实验室AFRL、Texas研究所合作，对微波技术检测飞机材料和结构进行了系统的研究。利用具有末端开口矩形波导探头，工作频率在V波段 (50～75GHz)和W波段 (75～110GHz)，通过近场毫米波反射计输出直流电压信号并经过信号处理成像，成功检测油漆下和钢/铝金属层底漆下的腐蚀产物。以铝板上的激光模拟蚀坑（直径和深度为200～400μm）为研究对象，利用相位敏感反射计和孔径1mm × 0.5mm的介电波导探头（V波段，50～75GHz），最终得到高分辨光栅扫描毫米波图像，用于估计坑的直径和深度。
　　微波检测无需耦合剂，便携式、廉价小型的毫米波探头适用于飞机的快速在线实时检测。单探头利用末端开口波导孔径产生图像，空间分辨率高，对油漆下的腐蚀和提离变化非常敏感。为此，Missouri-Rolla大学开发了一种新型差动探头，由1个毫米波源、1个3dB电源分配器、2个相同的波导孔径探头、1个电源合成仪和1个探测器组成，探头输出代表了每个孔径获得的反射信号和不受提离影响的相干差异。因为大面积结构腐蚀不是均匀的，敏感的差动探头不仅可以探测腐蚀区域的边界，还可探测腐蚀的内部。
　　3 振动监控及其光纤传感器
　　结构健康监控（SHM）有多种方法，振动监控是有效方法之一，可用于飞机机翼等结构的检测。当复合材料出现分层或脱粘时，结构的动力学振动特征会发生变化，分析振动信号可进行监控。振动传感器有很多，如标准应变计、压电换能器和光纤传感器等。
　　英国Cranfield大学开发了一种基于光纤传感器的智能结构系统，进行飞机结构的损伤监控。该系统采用直径　　　200/230μm的多模光纤振动传感器，可将其固定在铝样品表面，或嵌入碳纤维/环氧树脂复合材料样品来进行空间光斑检测的理论分析和试验测试。当连续光射入多模光纤时，光纤末端会获得光斑的木纹状干涉图像；当结构发生损伤时，外部扰动施加到光纤上时，散斑会发生变化（总强度保持不变），由此对结构损伤状况进行评价。研究结果显示，这种多模光纤传感器可通过振动监控进行智能材料的无损评价，有效地进行服役状态下的SHM。
　　与传统的电子传感器技术相比，光纤传感器很多优点：重量轻，体积小，价格低；不受电磁干扰，无电流放电和闪电现象；对很多参数敏感，可调节在纤维内部传输的光的强度、频率、偏振或相位。正因为传感器重量轻、体积小，可方便地嵌入飞机结构或固定在表面，不影响结构完整性和嵌入材料内部等性能，可以在监控振动特性的同时不破坏飞机结构。此外，光纤传感器灵敏度高，传感距离长，传感面积大，与复合材料相容性好，可检测机翼等大型结构的振动和损伤状况。嵌入光纤传感器的智能复合材料结构可以监控服役条件下的结构健康状态。
　　4 磁共振检测及其NMR传感器
　　飞机机翼等部位通常为蜂窝夹层结构，在潮湿或雨水环境下容易吸潮进水，长期作用下会导致分层或脱粘，影响结构完整性，容易引发事故。核磁共振(NMR)是交变磁场与物质相互作用的一种物理现象，用感应线圈磁场传感器检测核磁共振信号，经数据处理后可以获取物质的内部结构图像。
　　加拿大Moncton大学和New Brunswick大学等单位合作，提出了一种基于核磁共振NMR的方法来检测夹层板进水。采用便携式Bruker 0.36 T MOUSE传感器，尺寸大约为10cm×10cm×10cm，重量约1.5kg。由相反方向的磁棒产生静态磁场，磁体之间的螺线管线圈产生一个RF场，在线圈上部形成一个半径0.5cm、高0.1cm的圆屋顶状敏感区域，磁体通过一个铁磁性轭连接在装置底部。对于Nomex或铝蜂窝芯和石墨-环氧蒙皮夹层板中的水，便携式单侧磁共振技术成功获得了高分辨磁共振图像，采用优化的单边NMR传感器可进行夹层板临界区域的原位检测。
　　5 敲击检测及其加速度计传感器
　　飞行操纵面，如副翼、襟翼、方向舵等，是典型的粘结复合材料或铝蜂窝夹层结构，容易受损伤而产生断裂或皱褶。美国爱荷华州立大学无损评价中心对飞机操纵面损伤进行无损检测时，采用了计算机辅助敲击测试仪(CATT)。该仪器有一个半球状金属锤头，通过压电式加速度计传感器测量半球状金属锤头与结构表面的接触时间，基于所测的接触时间对检测区域成像。正常的部件坚硬，敲击声清脆，接触时间短；而受损部件刚度降低，敲击声低沉，弹性增加，接触时间变长。
　　美国海军开发了一种新的检测技术——结构不规则和损伤评估程序（SIDER）——用于大面积复合材料结构部件的快速检测，查找由于工艺畸形和服役损伤的结构异常和刚度变化。在A320飞机垂直安定面右舷和左舷分别安装4个加速度计，通过一系列碰撞试验模拟碰撞损伤，可以发现，撞击位置很容易确定，更重要的是，SIDER方法效率很高，只需3h就可xx检测垂直安定面左舷，而热成像和超声等其他检测方法需要几天时间。
　　结束语
　　无论是对xx飞机还是民用飞机来说，结构完整性和飞行安全都非常重要。随着军事和商业需求的不断提高以及微电子技术和微机电系统技术等的进步，基于不同原理的先进传感器技术进步很快，促进了航空无损检测的快速发展。各种高性能传感器给科学家和工程师们提供了新的机会，设计低成本、小型化检测系统，比传统技术的分辨率、可靠性更高，响应更快。光学、微波、磁共振、光纤等新型传感器和相关无损检测技术都将在飞机检测中发挥重要作用，尤其是对于日益增多的蜂窝复合材料等新材料构件。
　　SHM是一种新的预警范例，可以用来防止灾难性失效，明确修补策略，减少维修成本，提高飞机安全。最有前途的SHM技术需要先进的智能化传感器，例如小型PZT传感器和光纤传感器，使之容易嵌入或粘接到重要的飞机结构上。基于实时原位SHM的视情维修将是飞机无损检测和维修理论的未来发展方向。（