無損檢測技術在農業植保無人機檢測維護中的應用*

李笑瑜，沈寶國，王彩鳳，朱莉凱

（江蘇航空職業技術學院航空工程學院，江蘇 鎮江 212134）

隨著無人機技術的不斷發展，工業級無人機正逐步成為農林植保、農田測繪、安保巡防等領域的重要工具之一，助推行業智能化轉型升級。我國是傳統農業大國，農業發展關系民生大計，為了進一步提高農業設備現代化水平，國家相關部門出臺了一系列政策。農業植保無人機發揮著越來越重要的作用，同時也是無人機行業最典型的行業應用之一[1]。無損檢測技術是指應用于機械結構損傷檢查的一系列非破壞性檢查技術。無損檢測涉及的技術和方法不損害或不影響被檢測對象使用性能和內部組織，而是依托相關技術和設備，借助物理或化學手段，通過被檢材料內部結構異常或缺陷存在引起的光、電、磁、熱等反應的變化，檢測獲取被檢材料內部與表面的結構、狀態及缺陷的類型、數量、形狀、性質、位置、尺寸、分布等信息。無損檢測技術被廣泛應用在工業領域中，在工業設備維修維護、性能檢測等工作中發揮著越來越重要的作用[2]。近年來，在農業植保無人機日常使用中，由于機體結構損傷導致的農業植保無人機墜機甚至是傷人情況屢見不鮮。因此，首先要關注的問題就是無人機機體健康情況，借助具備獨特優勢的無損檢測技術對農業植保無人機進行檢測維護顯得至關重要。

1 常見的無損檢測技術

1.1 目視檢查

目視檢查是指僅用人的眼睛或一些輔助設備，對無人機等構件表面進行直接檢查，并根據個人的技能、技術規范對損傷做出判斷和評價。通常借助的是照明工具、內窺鏡、放大鏡、反光鏡、測量器具等輔助設備。目視檢查是維護中最基本、最常用的檢查方法，在對被檢試件進行其他的無損檢測前，對能夠采用目視檢查的部位，都應進行必要的目視檢查。

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的機械波產生的超聲振動，通過超聲波在彈性介質中的傳播進行探傷和檢測的方法、技術。其傳播能量大，穿透性強，具有良好的指向性，并且會隨著傳播介質的物理、幾何特性而發生變化。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、復合材料等。超聲波檢測法中被廣泛應用的是縱波、橫波、表面波和板波。縱波易于檢測出與被檢試件檢測面平行的缺陷；利用橫波進行超聲波檢測中，可以通過調節透聲楔塊的透射角度，使得反射波束最大，從而獲得檢測數據，更適用于檢測復雜的試件；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X射線穿過被檢試件時，與物質原子相互作用，致使X射線被吸收，強度減弱。當受損工件內部組織不均勻時，X射線穿透過程中發生不同程度衰減，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，檢測人員應注意做好防護。

1.4 渦流檢測法

渦流檢測法是以電磁感應原理為基礎的，如圖1所示。當檢測線圈靠近被檢測的導電試件，試件內部感應產生交變電流，也就是渦流，渦流產生交變磁場。根據楞次定律可知，次級磁場在被檢測的導電試件中產生感應電流，當導電試件的表面或者近表面有裂紋時，渦流會發生畸變從而影響次級磁場和感應電流。通過檢測線圈中電流的變化，就可以獲知導電試件中產生的損傷。由于渦流存在趨膚效應，渦流檢測法可通過非接觸式檢測方法，檢測可導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，由于試件內部缺陷的不連續性存在，試件表面和近表面的磁力線發生局部畸變而產生漏磁場，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現象，可將試件表面的開口缺陷看作是毛細管或毛細縫隙。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 無損檢測技術在農業植保無人機維護中的應用

2.1 目視檢查法的具體應用

農業植保無人機的作業環境通常是室外的田間地頭，機身容易存在污垢、灰塵等。在進行目視檢查前，通常先要對其表面進行清洗、除垢，防止污垢干擾檢查視線，造成檢查情況不準確。對于大型農業植保無人機通常是先粗略繞機身一周，緊接著借助照明設備和放大鏡對機體表面進行仔細檢查。如果要檢查機身內部，如多旋翼植保無人機的機臂內側，可借助內窺鏡和反光鏡對內部進行檢查。通過目視檢查，可以對農業植保無人機機體表面的腐蝕損傷、緊固件、表面裂紋、某些結構的內部損傷等情況進行初步判斷，再根據實際情況選擇其他合適的無損檢測方法，進行更深入的檢查。

2.2 超聲波檢測法的具體應用

對于大型農業植保無人機，需要定期維護其動力系統，尤其是發動機部分，防止因動力系統的機械故障導致設備無法正常作業。通常情況下，發動機常見機械故障為葉片內部存在裂紋，裂紋容易導致應力腐蝕和脆斷，進而導致飛行事故的發生。可以利用超聲波檢測方法對農業植保無人機發動機的葉片進行無損探測，超聲波檢測法通常要借助超聲波探傷儀等專用設備。一般情況下，超聲波探測儀都是便攜式的，方便轉移和攜帶，有利于戶外作業的及時檢查[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，啟動設備后，超聲波在葉片內部開始傳播。通過觀察超聲波探傷儀上的波形，即可獲知發動機葉片材料對于超聲波傳播的影響程度，進而對損傷位置進行定位。如果發動機葉片內部沒有缺陷，那么顯示器只顯示出始波和底波，如圖2所示；如果發動機葉片內部存在缺陷，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行分析判斷。

圖2 發動機葉片無缺陷的顯示器示意圖

圖3 發動機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用

農業植保無人機在噴灑農藥等作業過程中，不可避免地會接觸到水劑、藥劑等液體，因此，結構中可能存在內部積水、脫層等情況。此時，可以借助X射線檢測設備對機體、起落架等結構內部進行損傷探測。操作者要做好防護，穿戴防X射線輻射的專用服裝，利用X射線設備對機體、起落架進行探傷。通過感光膠片上的圖像進行分析研究，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用

渦流檢測法是一種非接觸式的檢測方法，可以檢測農業植保無人機機體金屬結構部分的缺陷，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，以免影響測量結果。

2.5 磁粉檢測法的具體應用

磁粉檢測法可以用于檢測農業植保無人機結構中碳鋼、合金鋼的結構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。可以采用多種磁化方法，發現不同位置、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，要對經過磁粉檢測后的結構件進行退磁處理，否則結構件上的剩磁會對其以后的工作造成不利影響。例如，剩磁會影響農業植保無人機磁羅盤等儀器儀表的精度和功能，也會對結構件本身造成磨損。

2.6 滲透檢測法的具體應用

由于高負荷、連續的作業，尤其是多旋翼農業植保無人機的螺旋槳會存在裂紋。但是由于裂紋較小且數量較多，一般用目視檢查難以發現，就可以借助滲透檢測法進行探傷。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行乳化處理。在涂覆滲透劑并保持適當的時間后，對被檢螺旋槳進行清洗處理，清洗表面的滲透劑。干燥處理后進行顯像操作，利用顯像劑將零件表面缺陷內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，應及時更換螺旋槳，避免飛行事故的發生[5]。

3 結語

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在工業領域的認可度較高，尤其是航空領域。農業植保無人機是無人機在工業級應用中的重要方向之一，其在智慧農業中發揮著愈發重要的作用。將無損檢測技術應用于農業植保無人機的日常維護，可以有效延長其生命周期，保障農業植保無人機安全、高效執行作業任務。此外，還應不斷提升農業植保無人機維護的信息化技術手段，不斷豐富無人機行業技術技能人才在農業植保領域的職業內涵。