基于CR 技術的鋁蜂窩夾層板內部積水評估

崔凱歌 ， 邵正杰 ， 高鴻波 ， 鄭雪鵬 ， 鄔冠華 ， 董建彪

（無損檢測技術教育部重點實驗室（南昌航空大學），南昌 330063）

0 引言

鋁蜂窩復合材料是由上下兩層或多層薄而強的復材板與填充其中用以保證面板共同工作的鋁蜂窩夾芯層通過粘接所構成，如圖1 所示。而其中蜂窩夾層結構更是以其質輕、堅固、阻聲降噪以及良好的保溫隔熱性能等優(yōu)點在各種航空航天飛行器的外殼結構中廣泛應用[1]。蜂窩板結構在工作載荷作用下密封性能會下降，其工作環(huán)境中的雨水、空運貨物漏水或冷凝水可能會滲漏其間，一旦出現(xiàn)局部積水的情況，則會破壞飛行器的負載平衡，產生疲勞損傷，同時積水會進一步引起脫膠、增重、蜂窩結冰脹裂、降低結構強度等嚴重問題，從而危及飛行安全[2]，因此檢測蜂窩板的積水是非常必要的。

針對蜂窩結構積水，國內外開展了多種無損檢測方法的研究。嚴罡等[3]采用多極片之間用銅條焊接的方法構成傳感器探頭，研制了一種基于介電常數(shù)調制的曲面雷達罩的蜂窩積水傳感器。郭興旺等[4]用ANSYS 有限元分析軟件對蜂窩板積水的脈沖熱像檢測法進行數(shù)值模擬，研究可檢信息參數(shù)（如最大溫差和最大對比度）與積水量的關系。盧鵬等[5]針對鋁蜂窩夾芯結構，制作了6 種典型人工缺陷，對夾雜、蜂窩芯變形、蜂窩芯格斷裂、富膠等缺陷進行了數(shù)字射線成像檢測，采集了高質量的缺陷數(shù)字圖像，并進行了對比分析。陳俊逸[6]基于紅外熱成像原理技術對航空器復合材料蜂窩結構積水缺陷進行檢測，分析比較目前常規(guī)復合材料的檢測方法與紅外熱成像檢測的特點，詳述了紅外熱成像的應用程序及注意事項。

目前，可用于蜂窩板積水檢測的無損檢測方法有超聲法、紅外熱成像法以及常規(guī)X 射線檢測法[7]。紅外熱成像檢測技術快速、非接觸，受環(huán)境溫度影響較小，但用于蜂窩積水檢測的缺點是還不能夠實現(xiàn)定量化；因為蜂窩結構復雜，異質界面多，容易產生散射、折射，噪聲較大等情況而且芯材的聲衰減較大導致信噪比低，所以用超聲技術檢測蜂窩結構積水存在一定的不足。X 射線照相技術具有檢測效率高、非接觸、顯示結果直觀、便于積水的定位定量等優(yōu)點，因此在蜂窩積水檢測方面則具有明顯的優(yōu)勢。隨著技術的進步，傳統(tǒng)的膠片射線照相正在逐漸為數(shù)字射線檢測替代[8-10]。在鋁蜂窩夾層板積水檢測方面，與其他數(shù)字射線成像技術相比，CR 技術與傳統(tǒng)膠片照相最為相似，IP 板柔軟，可彎曲，便于貼合檢測對象，檢測可達性好，尤其適合于具有復雜曲面的檢測對象，其數(shù)字圖像沒有額外增加的幾何不清晰度[11-12]，傳統(tǒng)膠片射線照相檢測工藝稍加改造就可以直接用于CR 技術，對檢測人員的技術要求和透照裝置的改造成本是最低的；因此，本研究將采用CR 技術進行蜂窩積水檢測。

圖 1 鋁蜂窩復合夾層板示意圖Fig.1 Schematic diagram of composite aluminum honeycomb sandwich panel

1 實驗

1.1 實驗對象及器材

實驗檢測對象是具有不同積水層深度的鋁蜂窩夾層板試塊。X 射線源采用X2515 型X 射線機，CR 掃描儀型號為CRx25P。掃描參數(shù)： 激光掃描分辨率為25 μm，激光功率為高；光電倍增管增益10。IP 采用IPU 白光板，最大灰階值為49 140，像素尺寸P=50 μm。

1.2 實驗步驟

主要包括實驗準備、曝光參數(shù)的選擇、數(shù)據(jù)測量、最佳參數(shù)的選擇。其流程圖如圖2 所示。

圖 2 試驗步驟流程圖Fig.2 Test procedure flow chart

實驗準備包括X 射線機訓機、散射線防護、CR 掃描儀調試。曝光參數(shù)：焦距為0.65 m，曝光量 分 別 為3 mA?20 s、3 mA?25 s、3 mA?30 s、3 mA?35 s、3 mA?40 s，管電壓分別為70、75、80、85、90 kV，雙絲像質計置于X 射線機側，射線源到成像板的距離（焦距）為650 mm。然后對采集的數(shù)字圖像進行測量，分別計算出不同曝光參數(shù)下，圖像的空間分辨率、歸一化信噪比；最后通過數(shù)據(jù)指標比對，選擇最佳曝光參數(shù)。

2 最佳參數(shù)的選取

2.1 數(shù)字圖像質量因素

目前的有關標準中，一般規(guī)定數(shù)字圖像質量由2 個因素控制，即信噪比和空間分辨力(率)，并按照歸一化信噪比（SNR_N）和空間分辨力(率)規(guī)定了數(shù)字圖像質量指標。首先需要對生成的數(shù)字圖像質量進行評價，以確定最佳透照參數(shù)。

1）歸一化信噪比。信噪比是指圖像感興趣區(qū)域的信號平均值與信號標準差之比。在樣品數(shù)字圖像上的待測區(qū)取面積不小于50 像素×50 像素的矩形感興趣區(qū)，計算此區(qū)域的灰度均值和標準差，信噪比測量值要用基本空間分辨率標準化即歸一化處理。歸一化信噪比相同的系統(tǒng)，對細小細節(jié)具有相似的檢測性能[13]。

2）空間分辨率。空間分辨力不足對圖像質量的主要影響是降低小細節(jié)的對比度。當圖像小細節(jié)寬度小于空間分辨力決定的不清晰度時，圖像小細節(jié)的對比度將降低。這可以按射線照相技術基本理論中不清晰度對對比度的影響理解。

圖像空間分辨率采用雙線型像質計進行測定，像質計置于源側與檢測樣品材質和透照厚度相同的對比試塊上與IP 板掃描方向大致成2°～5°。在圖像上雙線像質計的識別根據(jù)ASTM E 2445/E 2445M—2014 的瑞利判據(jù)[14]。

2.2 最佳曝光參數(shù)選取

對不同管電壓下得出的CR 圖像進行分析，根據(jù)瑞利判據(jù)對雙絲像質計的識別可得圖像空間分辨率，如表1 所示。

由表1 可知，管電壓為80、85 kV 時，CR 圖像空間分辨率較高。進而分析圖像的歸一化信噪比，結果如圖3 所示。

表 1 不同管電壓下的圖像空間分辨率Table 1 Image spatial resolution at different tube voltages

圖 3 不同管電壓下的圖像歸一化信噪比Fig.3 Image normalized signal-to-noise ratio at different tube voltages

根據(jù)其空間分辨率及歸一化信噪比分析結果可知，最佳管電壓為80 kV。在此基礎上通過改變曝光時間改變曝光量，對相同管電壓（80 kV）、相同管電流（3 mA）、不同曝光時間下得出的CR 圖像進行空間分辨率分析，分析結果如表2 所示。

由表2 可得，曝光量在3 mA?30 s、3 mA?35 s、3 mA?40 s 時，CR 圖像空間分辨率較高。進而分析圖像歸一化信噪比，結果如圖4 所示。

根據(jù)分析，本次復合材料鋁蜂窩夾層板積水量數(shù)字射線檢測選取的最佳參數(shù)為：管電壓80 kV，曝光量為3 mA?35 s。其CR 數(shù)字射線圖像如圖5所示。

表 2 不同曝光量下的圖像空間分辨率Table 2 Spatial resolution of images at different exposures

3 結果及數(shù)據(jù)分析

3.1 積水層CR 數(shù)字成像試驗

1）取最佳曝光參數(shù)：曝光時間為35 s，管電壓80 kV、管電流3 mA、焦點尺寸為3.0 mm。

2）透照過程及數(shù)據(jù)采集：在選定的3 個形狀規(guī)則的蜂窩孔內，分別注入相同的水量，從0 mL開始以0.1 mL 為梯度，直至注滿。透照布置完成后按預設參數(shù)進行透照，透照結束后將IP 板送入掃描儀內掃描，掃描完成后擦除IP 板，最后保存數(shù)字圖像。

3.2 實驗結果及數(shù)據(jù)分析

圖6 為不同注水量的鋁蜂窩復合夾層板的CR 圖像，圖像中灰度值越大，工件材料密度越小。圖像黑色背景區(qū)域灰度值達到49 140，芯格壁的灰度值達到22 000。

對同一圖像中注水量相同的3 個蜂窩孔注水區(qū)域灰度值進行測量取平均值，并結合其孔內水層高度，畫出灰度?水層高度擬合曲線，結果如圖7所示。

擬合系數(shù)為0.993，接近于1，擬合線性相關性較好，擬合方程為：

式中，y 表示灰度值，x 表示水層高度。

圖 4 不同曝光量下的圖像歸一化信噪比Fig.4 Image normalized signal-to-noise ratio at different exposures

圖 5 80 kV，3 mA?35 s 下的CR 數(shù)字射線圖像Fig.5 CR digital ray image at 80 kV, 3 mA?35 s

圖 6 不同注水量的鋁蜂窩CR 圖像Fig.6 CR images of composite aluminum honeycomb sandwich panel with different water injections

3.3 驗證試驗

在蜂窩容積區(qū)間內任取5 組不同水層高度，分別注水后進行CR 數(shù)字射線檢測，并將得出的灰度值代入所擬合的直線，得出水層高度，并將得出的水層高度與實際測得的水層高度進行比對，結果如圖8 所示。

經過數(shù)據(jù)分析可得，所得結果與實際結果誤差均在5%以內，表明通過射線CR 檢測評估鋁蜂窩夾層板積水量的方法可靠性與準確性較高。

根據(jù)分析可知，誤差主要為系統(tǒng)誤差、透照誤差和測量誤差。系統(tǒng)誤差主要是CR 檢測系統(tǒng)自身的固有誤差；透照誤差主要原因在于透照布置和散射線，工件擺放時射線束應對準透檢區(qū)中心，并在該點垂直于試件表面。若透照位置發(fā)生偏移，沒放在中心區(qū)域，則會由于透照厚度變大，灰度變小，產生測量誤差。由于透照對象屬于蜂窩狀結構，其內部結構較為復雜，射線穿透材料時康普頓效應產生的散射線將降低數(shù)字圖像的信噪比和對比度，測量精度降低；測量誤差主要在于測量實際水層高度時受測量精度的影響。

圖 7 蜂窩孔積水層高度?灰度值線性擬合Fig.7 Honeycomb aquifer height-gray value linear fitting

圖 8 水層高度計算值與實際值對比Fig.8 Comparison of calculated and actual values of water layer height

4 結論

1）采用控制變量法，結合CR 圖像的空間分辨率及歸一化信噪比，優(yōu)化選取最佳曝光參數(shù)，即管電壓80 kV，曝光量為3 mA?35 s。

2）積水量與CR 圖像灰度值存在顯著的線性相關性，積水量越高，對應區(qū)域圖像灰度值越低。通過5 組任意積水量的實驗，得到理論積水層高度，與實際量值的誤差在5%以內。

3）通過實例討論并驗證了CR 測量鋁蜂窩復合材料夾層板積水量的可行性，為飛行器的安全提供了可靠保證。