基于CR 技术的铝蜂窝夹层板内部积水评估

2020-10-12崔凯歌邵正杰高鸿波郑雪鹏邬冠华董建彪

失效分析与预防 2020年4期

崔凯歌，邵正杰，高鸿波，郑雪鹏，邬冠华，董建彪

（无损检测技术教育部重点实验室（南昌航空大学），南昌 330063）

0 引言

铝蜂窝复合材料是由上下两层或多层薄而强的复材板与填充其中用以保证面板共同工作的铝蜂窝夹芯层通过粘接所构成，如图1 所示。而其中蜂窝夹层结构更是以其质轻、坚固、阻声降噪以及良好的保温隔热性能等优点在各种航空航天飞行器的外壳结构中广泛应用[1]。蜂窝板结构在工作载荷作用下密封性能会下降，其工作环境中的雨水、空运货物漏水或冷凝水可能会渗漏其间，一旦出现局部积水的情况，则会破坏飞行器的负载平衡，产生疲劳损伤，同时积水会进一步引起脱胶、增重、蜂窝结冰胀裂、降低结构强度等严重问题，从而危及飞行安全[2]，因此检测蜂窝板的积水是非常必要的。

针对蜂窝结构积水，国内外开展了多种无损检测方法的研究。严罡等[3]采用多极片之间用铜条焊接的方法构成传感器探头，研制了一种基于介电常数调制的曲面雷达罩的蜂窝积水传感器。郭兴旺等[4]用ANSYS 有限元分析软件对蜂窝板积水的脉冲热像检测法进行数值模拟，研究可检信息参数（如最大温差和最大对比度）与积水量的关系。卢鹏等[5]针对铝蜂窝夹芯结构，制作了6 种典型人工缺陷，对夹杂、蜂窝芯变形、蜂窝芯格断裂、富胶等缺陷进行了数字射线成像检测，采集了高质量的缺陷数字图像，并进行了对比分析。陈俊逸[6]基于红外热成像原理技术对航空器复合材料蜂窝结构积水缺陷进行检测，分析比较目前常规复合材料的检测方法与红外热成像检测的特点，详述了红外热成像的应用程序及注意事项。

目前，可用于蜂窝板积水检测的无损检测方法有超声法、红外热成像法以及常规X 射线检测法[7]。红外热成像检测技术快速、非接触，受环境温度影响较小，但用于蜂窝积水检测的缺点是还不能够实现定量化；因为蜂窝结构复杂，异质界面多，容易产生散射、折射，噪声较大等情况而且芯材的声衰减较大导致信噪比低，所以用超声技术检测蜂窝结构积水存在一定的不足。X 射线照相技术具有检测效率高、非接触、显示结果直观、便于积水的定位定量等优点，因此在蜂窝积水检测方面则具有明显的优势。随着技术的进步，传统的胶片射线照相正在逐渐为数字射线检测替代[8-10]。在铝蜂窝夹层板积水检测方面，与其他数字射线成像技术相比，CR 技术与传统胶片照相最为相似，IP 板柔软，可弯曲，便于贴合检测对象，检测可达性好，尤其适合于具有复杂曲面的检测对象，其数字图像没有额外增加的几何不清晰度[11-12]，传统胶片射线照相检测工艺稍加改造就可以直接用于CR 技术，对检测人员的技术要求和透照装置的改造成本是最低的；因此，本研究将采用CR 技术进行蜂窝积水检测。

图 1 铝蜂窝复合夹层板示意图Fig.1 Schematic diagram of composite aluminum honeycomb sandwich panel

1 实验

1.1 实验对象及器材

实验检测对象是具有不同积水层深度的铝蜂窝夹层板试块。X 射线源采用X2515 型X 射线机，CR 扫描仪型号为CRx25P。扫描参数：激光扫描分辨率为25 μm，激光功率为高；光电倍增管增益10。IP 采用IPU 白光板，最大灰阶值为49 140，像素尺寸P=50 μm。

1.2 实验步骤

主要包括实验准备、曝光参数的选择、数据测量、最佳参数的选择。其流程图如图2 所示。

图 2 试验步骤流程图Fig.2 Test procedure flow chart

实验准备包括X 射线机训机、散射线防护、CR 扫描仪调试。曝光参数：焦距为0.65 m，曝光量分别为3 mA•20 s、3 mA•25 s、3 mA•30 s、3 mA•35 s、3 mA•40 s，管电压分别为70、75、80、85、90 kV，双丝像质计置于X 射线机侧，射线源到成像板的距离（焦距）为650 mm。然后对采集的数字图像进行测量，分别计算出不同曝光参数下，图像的空间分辨率、归一化信噪比；最后通过数据指标比对，选择最佳曝光参数。

2 最佳参数的选取

2.1 数字图像质量因素

目前的有关标准中，一般规定数字图像质量由2 个因素控制，即信噪比和空间分辨力(率)，并按照归一化信噪比（SNR_N）和空间分辨力(率)规定了数字图像质量指标。首先需要对生成的数字图像质量进行评价，以确定最佳透照参数。

1）归一化信噪比。信噪比是指图像感兴趣区域的信号平均值与信号标准差之比。在样品数字图像上的待测区取面积不小于50 像素×50 像素的矩形感兴趣区，计算此区域的灰度均值和标准差，信噪比测量值要用基本空间分辨率标准化即归一化处理。归一化信噪比相同的系统，对细小细节具有相似的检测性能[13]。

2）空间分辨率。空间分辨力不足对图像质量的主要影响是降低小细节的对比度。当图像小细节宽度小于空间分辨力决定的不清晰度时，图像小细节的对比度将降低。这可以按射线照相技术基本理论中不清晰度对对比度的影响理解。

图像空间分辨率采用双线型像质计进行测定，像质计置于源侧与检测样品材质和透照厚度相同的对比试块上与IP 板扫描方向大致成2°～5°。在图像上双线像质计的识别根据ASTM E 2445/E 2445M—2014 的瑞利判据[14]。

2.2 最佳曝光参数选取

对不同管电压下得出的CR 图像进行分析，根据瑞利判据对双丝像质计的识别可得图像空间分辨率，如表1 所示。

由表1 可知，管电压为80、85 kV 时，CR 图像空间分辨率较高。进而分析图像的归一化信噪比，结果如图3 所示。

表 1 不同管电压下的图像空间分辨率Table 1 Image spatial resolution at different tube voltages

图 3 不同管电压下的图像归一化信噪比Fig.3 Image normalized signal-to-noise ratio at different tube voltages

根据其空间分辨率及归一化信噪比分析结果可知，最佳管电压为80 kV。在此基础上通过改变曝光时间改变曝光量，对相同管电压（80 kV）、相同管电流（3 mA）、不同曝光时间下得出的CR 图像进行空间分辨率分析，分析结果如表2 所示。

由表2 可得，曝光量在3 mA•30 s、3 mA•35 s、3 mA•40 s 时，CR 图像空间分辨率较高。进而分析图像归一化信噪比，结果如图4 所示。

根据分析，本次复合材料铝蜂窝夹层板积水量数字射线检测选取的最佳参数为：管电压80 kV，曝光量为3 mA•35 s。其CR 数字射线图像如图5所示。

表 2 不同曝光量下的图像空间分辨率Table 2 Spatial resolution of images at different exposures

3 结果及数据分析

3.1 积水层CR 数字成像试验

1）取最佳曝光参数：曝光时间为35 s，管电压80 kV、管电流3 mA、焦点尺寸为3.0 mm。

2）透照过程及数据采集：在选定的3 个形状规则的蜂窝孔内，分别注入相同的水量，从0 mL开始以0.1 mL 为梯度，直至注满。透照布置完成后按预设参数进行透照，透照结束后将IP 板送入扫描仪内扫描，扫描完成后擦除IP 板，最后保存数字图像。

3.2 实验结果及数据分析

图6 为不同注水量的铝蜂窝复合夹层板的CR 图像，图像中灰度值越大，工件材料密度越小。图像黑色背景区域灰度值达到49 140，芯格壁的灰度值达到22 000。

对同一图像中注水量相同的3 个蜂窝孔注水区域灰度值进行测量取平均值，并结合其孔内水层高度，画出灰度−水层高度拟合曲线，结果如图7所示。

拟合系数为0.993，接近于1，拟合线性相关性较好，拟合方程为：

式中，y 表示灰度值，x 表示水层高度。

图 4 不同曝光量下的图像归一化信噪比Fig.4 Image normalized signal-to-noise ratio at different exposures

图 5 80 kV，3 mA•35 s 下的CR 数字射线图像Fig.5 CR digital ray image at 80 kV, 3 mA•35 s

图 6 不同注水量的铝蜂窝CR 图像Fig.6 CR images of composite aluminum honeycomb sandwich panel with different water injections

3.3 验证试验

在蜂窝容积区间内任取5 组不同水层高度，分别注水后进行CR 数字射线检测，并将得出的灰度值代入所拟合的直线，得出水层高度，并将得出的水层高度与实际测得的水层高度进行比对，结果如图8 所示。

经过数据分析可得，所得结果与实际结果误差均在5%以内，表明通过射线CR 检测评估铝蜂窝夹层板积水量的方法可靠性与准确性较高。

根据分析可知，误差主要为系统误差、透照误差和测量误差。系统误差主要是CR 检测系统自身的固有误差；透照误差主要原因在于透照布置和散射线，工件摆放时射线束应对准透检区中心，并在该点垂直于试件表面。若透照位置发生偏移，没放在中心区域，则会由于透照厚度变大，灰度变小，产生测量误差。由于透照对象属于蜂窝状结构，其内部结构较为复杂，射线穿透材料时康普顿效应产生的散射线将降低数字图像的信噪比和对比度，测量精度降低；测量误差主要在于测量实际水层高度时受测量精度的影响。