无损检测技术在农业植保无人机检测维护中的应用*

李笑瑜，沈宝国，王彩凤，朱莉凯

（江苏航空职业技术学院航空工程学院，江苏 镇江 212134）

随着无人机技术的不断发展，工业级无人机正逐步成为农林植保、农田测绘、安保巡防等领域的重要工具之一，助推行业智能化转型升级。我国是传统农业大国，农业发展关系民生大计，为了进一步提高农业设备现代化水平，国家相关部门出台了一系列政策。农业植保无人机发挥着越来越重要的作用，同时也是无人机行业最典型的行业应用之一[1]。无损检测技术是指应用于机械结构损伤检查的一系列非破坏性检查技术。无损检测涉及的技术和方法不损害或不影响被检测对象使用性能和内部组织，而是依托相关技术和设备，借助物理或化学手段，通过被检材料内部结构异常或缺陷存在引起的光、电、磁、热等反应的变化，检测获取被检材料内部与表面的结构、状态及缺陷的类型、数量、形状、性质、位置、尺寸、分布等信息。无损检测技术被广泛应用在工业领域中，在工业设备维修维护、性能检测等工作中发挥着越来越重要的作用[2]。近年来，在农业植保无人机日常使用中，由于机体结构损伤导致的农业植保无人机坠机甚至是伤人情况屡见不鲜。因此，首先要关注的问题就是无人机机体健康情况，借助具备独特优势的无损检测技术对农业植保无人机进行检测维护显得至关重要。

1 常见的无损检测技术

1.1 目视检查

目视检查是指仅用人的眼睛或一些辅助设备，对无人机等构件表面进行直接检查，并根据个人的技能、技术规范对损伤做出判断和评价。通常借助的是照明工具、内窥镜、放大镜、反光镜、测量器具等辅助设备。目视检查是维护中最基本、最常用的检查方法，在对被检试件进行其他的无损检测前，对能够采用目视检查的部位，都应进行必要的目视检查。

1.2 超声波检测法

超声波检测法是利用振动频率高于20 kHz的机械波产生的超声振动，通过超声波在弹性介质中的传播进行探伤和检测的方法、技术。其传播能量大，穿透性强，具有良好的指向性，并且会随着传播介质的物理、几何特性而发生变化。超声波检测法适用的范围较为广泛，可适用于金属材料、非金属材料、复合材料等。超声波检测法中被广泛应用的是纵波、横波、表面波和板波。纵波易于检测出与被检试件检测面平行的缺陷；利用横波进行超声波检测中，可以通过调节透声楔块的透射角度，使得反射波束最大，从而获得检测数据，更适用于检测复杂的试件；表面波适用于检测工件表面或近表面的裂纹和缺陷；板波一般用于薄板、薄壁管件等简单形状工件的检测[2]。

1.3 X射线检测法

X射线与其他无线电波、红外线、紫外线、可见光一样，属于一种电磁波。当X射线穿过被检试件时，与物质原子相互作用，致使X射线被吸收，强度减弱。当受损工件内部组织不均匀时，X射线穿透过程中发生不同程度衰减，最终在感光胶片上留下不同黑度影像，通过影像就可以判断被检试件的内部缺陷情况。X射线适用于所有材料的检测，对被检工件形状无特殊要求。同时，X射线检测法能够直观地显示缺陷影像，便于操作者对缺陷进行定性、定量分析。但需要注意的是X射线对人体有害，检测人员应注意做好防护。

1.4 涡流检测法

涡流检测法是以电磁感应原理为基础的，如图1所示。当检测线圈靠近被检测的导电试件，试件内部感应产生交变电流，也就是涡流，涡流产生交变磁场。根据楞次定律可知，次级磁场在被检测的导电试件中产生感应电流，当导电试件的表面或者近表面有裂纹时，涡流会发生畸变从而影响次级磁场和感应电流。通过检测线圈中电流的变化，就可以获知导电试件中产生的损伤。由于涡流存在趋肤效应，涡流检测法可通过非接触式检测方法，检测可导电试件表面或者近表面的缺陷和损伤。

图1 涡流检测法的工作原理

1.5 磁粉检测法

铁磁性材料和试件被磁化后，由于试件内部缺陷的不连续性存在，试件表面和近表面的磁力线发生局部畸变而产生漏磁场，吸附施加在试件表面的磁粉，从而形成在合适光照下目视可见的磁痕。磁痕所在位置即试件缺陷所在，因此，通过磁痕的位置、形状和大小可以判断试件的损伤情况。磁粉检测法一般运用于检测铁磁性材料，检测的灵敏度较高，也不受试件大小和形状的限制。

1.6 渗透检测法

渗透检测法的原理是自然界存在的毛细现象，可将试件表面的开口缺陷看作是毛细管或毛细缝隙。由于所采用的渗透液都是能润湿试件的，因此，渗透液在毛细作用下能渗入表面缺陷中去。然后，清除附着在试件表面上多余的渗透剂，干燥后，再将试件表面涂一层显像剂，缺陷中的渗透剂在毛细作用下，重新被吸附到试件表面上，从而显示出表面上的开口缺陷。

2 无损检测技术在农业植保无人机维护中的应用

2.1 目视检查法的具体应用

农业植保无人机的作业环境通常是室外的田间地头，机身容易存在污垢、灰尘等。在进行目视检查前，通常先要对其表面进行清洗、除垢，防止污垢干扰检查视线，造成检查情况不准确。对于大型农业植保无人机通常是先粗略绕机身一周，紧接着借助照明设备和放大镜对机体表面进行仔细检查。如果要检查机身内部，如多旋翼植保无人机的机臂内侧，可借助内窥镜和反光镜对内部进行检查。通过目视检查，可以对农业植保无人机机体表面的腐蚀损伤、紧固件、表面裂纹、某些结构的内部损伤等情况进行初步判断，再根据实际情况选择其他合适的无损检测方法，进行更深入的检查。

2.2 超声波检测法的具体应用

对于大型农业植保无人机，需要定期维护其动力系统，尤其是发动机部分，防止因动力系统的机械故障导致设备无法正常作业。通常情况下，发动机常见机械故障为叶片内部存在裂纹，裂纹容易导致应力腐蚀和脆断，进而导致飞行事故的发生。可以利用超声波检测方法对农业植保无人机发动机的叶片进行无损探测，超声波检测法通常要借助超声波探伤仪等专用设备。一般情况下，超声波探测仪都是便携式的，方便转移和携带，有利于户外作业的及时检查[3]。

以纵波检测法为例，将超声波探伤仪探头放置于叶片表面，启动设备后，超声波在叶片内部开始传播。通过观察超声波探伤仪上的波形，即可获知发动机叶片材料对于超声波传播的影响程度，进而对损伤位置进行定位。如果发动机叶片内部没有缺陷，那么显示器只显示出始波和底波，如图2所示；如果发动机叶片内部存在缺陷，那么显示器上在始波和底波之间形成一个伤波或缺陷波，如图3所示。操作者即可判断损伤的位置，但对损伤的大小还要通过其他定量的方法进行分析判断。

图2 发动机叶片无缺陷的显示器示意图

图3 发动机叶片存在缺陷的显示器示意图

2.3 X射线检测法的具体应用

农业植保无人机在喷洒农药等作业过程中，不可避免地会接触到水剂、药剂等液体，因此，结构中可能存在内部积水、脱层等情况。此时，可以借助X射线检测设备对机体、起落架等结构内部进行损伤探测。操作者要做好防护，穿戴防X射线辐射的专用服装，利用X射线设备对机体、起落架进行探伤。通过感光胶片上的图像进行分析研究，确定积水、脱层位置，便于零件的更换、维修[4]。

2.4 涡流检测法的具体应用

涡流检测法是一种非接触式的检测方法，可以检测农业植保无人机机体金属结构部分的缺陷，主要是表面或者近表面的缺陷。常见的涡流检测设备有掌上型多功能涡流仪等。测试过程中要特别注意避免外界磁场对仪器检测的干扰，也要避免在极低温或者高温条件下使用，以免影响测量结果。

2.5 磁粉检测法的具体应用

磁粉检测法可以用于检测农业植保无人机结构中碳钢、合金钢的结构表面或者近表面的裂纹、夹杂等缺陷问题，这种方法操作简单、速度快、灵敏度高、成本比较低。吸附在缺陷上的磁粉形成的磁痕对裂纹缺陷有放大作用。可以采用多种磁化方法，发现不同位置、不同方向的缺陷。工件的大小和形状都不受限制。但需要注意的是，要对经过磁粉检测后的结构件进行退磁处理，否则结构件上的剩磁会对其以后的工作造成不利影响。例如，剩磁会影响农业植保无人机磁罗盘等仪器仪表的精度和功能，也会对结构件本身造成磨损。

2.6 渗透检测法的具体应用

由于高负荷、连续的作业，尤其是多旋翼农业植保无人机的螺旋桨会存在裂纹。但是由于裂纹较小且数量较多，一般用目视检查难以发现，就可以借助渗透检测法进行探伤。首先，清除螺旋桨上表面的污垢，防止污垢将缺陷堵塞，阻塞渗透液渗入。充分干燥后，将渗透液覆盖在被检测螺旋桨的表面，对于后乳化型渗透剂还要进行乳化处理。在涂覆渗透剂并保持适当的时间后，对被检螺旋桨进行清洗处理，清洗表面的渗透剂。干燥处理后进行显像操作，利用显像剂将零件表面缺陷内的渗透剂吸附至螺旋桨表面。如果有缺陷，便可观察到形成清晰可见的缺陷图像，应及时更换螺旋桨，避免飞行事故的发生[5]。

3 结语

目视检查法、超声波检测法、X射线检测法、涡流检测法、磁粉检测法等无损检测技术在工业领域的认可度较高，尤其是航空领域。农业植保无人机是无人机在工业级应用中的重要方向之一，其在智慧农业中发挥着愈发重要的作用。将无损检测技术应用于农业植保无人机的日常维护，可以有效延长其生命周期，保障农业植保无人机安全、高效执行作业任务。此外，还应不断提升农业植保无人机维护的信息化技术手段，不断丰富无人机行业技术技能人才在农业植保领域的职业内涵。