電磁激勵紅外熱成像無損檢測專利技術綜述

陳云龍，馮志華

（國家知識產權局專利局，北京 102206）

1.引言

電磁感應無損檢測技術是利用電磁感應原理，當通有交變電流的線圈靠近被測導體時，導體內部缺陷會改變渦流的分布，使裂紋邊緣的溫度高于非裂紋區域，通過試件表面的異常溫升辨別裂紋缺陷的存在[1-6]。文章對電磁激勵紅外熱成像無損檢測相關國內外專利技術進行了統計分析，希望給該領域的發展方向起到一定的參考作用。

2.電磁激勵紅外熱成像無損檢測專利技術現狀分析

2.1 全球專利申請趨勢分析

對全球和中國專利申請數據按時間序列進行了統計分析，全球申請量及中國申請量發展趨勢如圖1所示。從圖中能夠看出，從申請量發展趨勢來看，全球范圍內電磁激勵紅外熱成像無損檢測專利申請大致可以分為以下兩個階段：

2.1.1 緩慢發展期（1982-2010年）

該時期主要是電磁激勵紅外熱成像檢測技術的初始階段，該階段的申請量基本為個位數，但是該階段的專利文獻涉及的是相關技術的起源，是后期技術發展的重要基礎。例如1982年的日本專利JPS5930052A便開始在待檢測物體中產生渦流，并利用紅外線來檢查物體的內部缺陷。此外，該階段主要集中在國外專利申請，中國專利申請極少，說明這一階段國內該領域的研究基本處于空白或起步狀態。

圖1 全球和中國專利申請趨勢

2.1.2 快速發展期（2011年至今）

隨著電磁感應技術的發展以及熱像儀的廣泛使用，2011年開始，專利申請出現明顯增長。從圖1可以看出，這主要歸功于中國專利申請的快速增長，說明我國電磁無損檢測的研究發展較快，技術已在中國得到成熟研究和廣泛認可。同時該檢測技術也已應用于各行業，特別是航空行業，集中于對金屬試件、鋼結構等裂紋損傷的檢測[7-10]。目前相關技術專利仍然維持在較高的申請數量。

2.2 地域分布分析

從圖2可見，電磁激勵紅外熱成像檢測技術專利申請主要來自中國、日本、美國和德國。中國以47%的份額高居榜首，日本、美國以20%居次席，中、日、美、德四國的專利申請占據了94%的份額，這反映了這些國家在該技術領域的儲備和應用較為豐富。但在2010年之前，日本的專利申請占據了全球申請量的50%以上，說明日本在該檢測技術的發展初期做出了重要的基礎性研究貢獻，這與當時電磁感應技術在日本工業的廣泛應用密不可分。

圖2 全球專利地域分布

2.3 主要申請人分布

如圖3，在國外申請人方面，分布分散，排名前位的申請人分別是日本大同特殊鋼株式會社、第一高周波工業株式會社、波音公司、西門子、德國MTU等公司，主要集中于日本公司。

圖3 國外專利申請人排名

如圖4，中國申請量排名前十的申請人為大專院校、國內研究所和國外企業，有電子科技大學、廣東工業大學、四川大學、西門子等。整體上來說，國內創新主體比較分散，主要集中于科研院所，企業方面與國外創新主體尤其是日本企業還有較大的差距。

圖4 國內專利申請人排名

3.電磁激勵紅外熱成像無損檢測技術路線演進

1982-2002年涉及電磁激勵紅外熱成像無損檢測技術的專利申請均為國外申請，主要集中于日本企業，這與當時日本電磁加熱技術的工業應用發展密切相關。如最早的JPS5930052A開始提出相關方法，在待檢查物體中產生渦流，將其轉換成電信號通過依次移動被檢查物體表面上的線圈，可以找到被檢查物體內部缺陷的位置和粗糙狀態。JP03183940A開始研究如何提高探傷可靠性，其采用多個加熱線圈實現同一檢測平面上的多重結構，提高加熱效率，并設置自動控制器。JPH0815194A采用高頻電感應線圈實現渦流的滲透深度精確控制和表面溫度的均勻。JPH07151719A則將該技術用于對混凝土表面的無損檢測，判斷混凝土中鋼筋的銹蝕情況。

2004-2010年的相關專利申請主要集中在電磁激勵紅外熱成像無損檢測成套裝置以及應用方面，并且開始將該技術應用于航空等重點領域，說明該階段相關技術和設備已發展較為成熟，可靠性以得到認可。例如US2008304539A1用于飛機機翼的無損檢測，US2005167596A用于飛機蒙皮的缺陷檢測系統，DE102011009624A用于航空發動機的過程檢測。此外，在其他領域，JP2006200654A用于鑄件表面氣孔的檢測，JP2011242362A用于對鋼板的檢測。其中，中國專利申請中，電磁激勵紅外熱成像無損檢測領域最早的申請為美國吉萊特公司的CN101080630A，其用于對剃刀片中的裂紋檢測。該階段，中國申請量還較少。

從2012年開始，電磁激勵紅外熱成像無損檢測技術的中國專利申請量快速增加。專利內容方面，除將該技術應用到不同的工業領域，對磁場、線圈等基礎研究和關鍵構件的研究和升級開始涌現。特別是在2016年以后，中國的電子科技大學、中國計量大學等高校開始轉向磁場原理等基礎研究，主要是磁場研究和線圈部件的改進，例如CN105823797A的共生式磁軛線圈的感應熱像無損檢測裝置、CN106525903A的旋轉磁場渦流熱成像檢測系統以及相關線圈部件的改進。同時，隨著數值模擬技術的應用，也出現了對電磁激勵紅外熱成像無損檢測技術的模擬研究，如華東交通大學的CN103472092A建立了基于偏最小二乘回歸的紅外無損檢測電磁激勵數學模型建模方法。缺陷識別也開始從人工識別向自動識別發展，如電子科技大學的CN105352998A便建立了脈沖渦流紅外熱圖像的自動識別方法。

4.結語

整體來看，隨著成套檢測設備的逐漸成熟和應用領域的廣泛覆蓋，專利申請的重點逐漸轉移到可靠性提高、自動控制等研究上來。未來電磁激勵紅外熱成像無損檢測技術將朝向便攜式、小型化、多種檢測技術融合、自動識別、自動化控制以及工程化應用等方向發展。

在此基礎上，通過國內外相關技術專利的分析和統計，既可以對現有的電磁激勵紅外熱成像無損檢測技術進行定位，也可以明確未來相關技術的發展趨勢，能夠達到技術學習和互補的目的，指導專利布局，為制造業的發展提供支撐。