直線掃描CT檢測碳纖維復合芯導線缺陷研究

呂中賓，田忠建，劉光輝，張 博，葉中飛，劉豐林

(1.國網河南省電力公司 電力科學研究院，鄭州 450052；2. 河南省電力線路舞動防治技術重點實驗室，鄭州 450052；3. 重慶大學 工業CT無損檢測教育部工程研究中心，重慶 400044)

碳纖維復合芯導線(aluminum conductor composite core，ACCC)是一種新型架空輸電導線，最早由美國和日本等國家開發，主要用于航天設備及空間站[1-2]。碳纖維復合芯導線內部是一根由碳纖維樹脂復合材料作為中心層、再包覆一層玻璃纖維樹脂復合材料制成的復合芯，外部由一系列呈梯形截面的軟鋁線絞合而成。因其具有質量輕、強度高、低弧垂、倍容輸電、使用壽命長等優異性能，廣泛應用于電網輸電[3-4]。碳纖維復合芯導線在生產、使用和維護過程中，芯棒易受損傷。由于外圍鋁絞線的遮擋，芯棒的損傷無法通過肉眼和常規檢測手段進行辨識[5-6]。帶傷導線在使用過程中受損部位會導致局部發熱、斷股、掉線等線路故障，從而引發安全事故并造成經濟損失[7]。因此，開展在役碳纖維復合芯導線關鍵位置的缺陷檢測對于保證線路安全具有重要意義。

近年來，有學者研究使用X射線透射成像檢測碳纖維復合材料導線缺陷。王永偉等[8]提出使用便攜式X光機對碳纖維復合材料導線進行透射成像，并利用圖像增強獲得芯棒圖像，進而判斷導線損傷情況。韓國棟等[9]在實驗室條件下使用X射線透射成像對高壓輸電導線內部缺陷進行檢測，通過與無缺陷的透射圖像進行對比，驗證了方法的可行性。但是，由于X射線透射成像只是一個方向上物體結構信息的疊加，對于鋁線和芯棒相互絞合的復合芯導線，該方法難以完全檢測出芯棒缺陷，尤其是微小的裂紋或斷痕。與X射線透射成像方法不同，計算機斷層成像(computed tomography, CT)可以利用射線源和探測器圍繞被檢測物體從各個角度采集被物體衰減后的射線信息，然后利用圖像重建算法重建出物體內部結構。由于可以無損地獲取物體斷層信息，被廣泛應用于航空、航天、軍事、材料和考古等多個領域[10-15]。目前CT系統主要掃描方式為圓周掃描[16]，即射線源、探測器與掃描物體做相對圓周運動，可通過將物體放置在轉臺上做旋轉運動或將射線源和探測器安裝在滑環上做圓周運動實現。圓周掃描方式適用于檢測對象結構簡單、尺寸較小且便于移動的情況。但對于結構復雜、體積較大的物體，或者類似在役導線等檢測物體不便移動的情況，圓周掃描方式并不適用。近年來，有學者提出新型CT掃描方法用于解決此問題，直線掃描CT就是其中一種。劉豐林等[17]提出一種直線掃描CT成像方法，該成像方法通過射線源和探測器圍繞檢測物體做相對平行直線掃描獲取投影數據。該方法具有結構簡單、便于攜帶、成本低等特點，能對不便于移動的對象進行有效檢測。由于在役架空碳纖維復合芯導線通常與塔架相連，不便于移動和旋轉，無法通過CT圓周掃描的方式對其進行缺陷檢測分析。因此，文中提出利用直線掃描CT成像對在役架空碳纖維復合芯導線進行缺陷檢測的思路，并進行初步研究。

CT圖像重建算法是CT檢測的重要模塊，利用重建算法可以將探測器采集的數字信號轉換成可視化的結構圖像。目前CT圖像重建算法主要分為解析類算法和迭代類算法2種。解析重建算法具有速度快、便于實現等特點，但是對數據完備性有較高要求，容易受噪聲影響降低圖像質量。迭代類算法利用數值分析方法對重建模型進行迭代求解獲取最終結果，該方法對數據完備性要求較低，可結合其它圖像特點進一步提高重建圖像質量。同步迭代重建算法(simultaneous iterations reconstruction techniques, SIRT)是迭代算法的一種，它通過對每次迭代的結果與原始投影數據做差后進行加權平均，以修正當前的圖像，具有較好的抗噪性。

文中研究利用直線掃描CT對在役架空碳纖維復合芯導線進行檢測的方法。首先，設計原理結構模型，在實驗室條件下，搭建直線掃描CT系統對小批量含有缺陷的碳纖維復合芯導線進行CT掃描，采用SIRT圖像重建算法重建CT圖像，并對斷裂、劈裂、裂痕缺陷進行分類和分析。

1 直線掃描CT成像方法

1.1 檢測裝置模型設計

圖1 直線掃描CT掃描幾何模型

圖2 直線掃描CT原理模型

1.2 圖像重建算法

為了獲取高質量重建圖像，文中采用迭代重建算法對圖像進行重建，可表示為

Af=p，

(1)

其中，A=[aij]∈RI×J是系統矩陣，f=[f1,…,fJ]T∈RJ×1為重建圖像，p=[p1,…,pI]T∈RI×1為投影測量值。迭代重建算法相比解析重建算法對數據一致性要求較低，抗噪能力較強。同時可以進一步引入其他先驗信息改善圖像質量。在求解式(1)過程中，由于系統矩陣A較大，無法通過直接求逆方法得到，文中采用SIRT算法通過迭代方式求解[18]。

(2)

其中：λ為松弛因子；φ為所有投影的索引集合。從式(2)可以看出，SIRT利用通過一個像素的所有射線修正值來確定對此像素的平均修正值，這樣取平均修正值可以進一步減小數據不一致性對重建圖像的影響。

2 碳纖維復合材料導線檢測試驗

為了評估CT直線掃描對碳纖維復合材料導線芯棒缺陷檢測方法的可行性。針對圖1所示的模型設計了不同掃描參數，利用重慶大學ICT研究中心搭建的直線掃描CT實驗平臺，在實驗室條件下，對芯棒含有缺陷的碳纖維復合芯導線進行掃描檢測，以評估在不同掃描情況下的缺陷檢測效果。針對一段直線掃描，分別對掃描角度β為45°,60°,90°進行評估；針對兩段直線掃描，分別對α為90°時，β為45°,60°,90°的情況進行評估。CT掃描參數如表1所示。

表1 不同掃描方式的掃描參數

圖3為直線掃描CT實驗平臺，系統由射線源、探測器、轉臺和直線滑臺組成。射線源、探測器通過托板安裝在直線滑臺上，由滑臺內部的電機驅動實現相對直線運動，掃描物體放置在可360°旋轉的精密轉臺上。在本次實驗中，圖1(b)所示的兩段直線掃描可通過對物體進行一段直線掃描后，轉臺轉動90°，然后進行第二次直線掃描實現。實驗所用探測器單元大小為0.085 mm，其單元個數為1 536×1 536，射線源到轉臺轉軸距離為86.5 mm，射線源到探測器距離為184 mm，掃描電壓90 kV，掃描電流20 μA。重建方法采用SIRT算法，重建圖像大小為768×768×400。

圖3 直線掃描CT實驗系統

圖4為一段相對直線掃描在不同掃描角度下的三維重建結果，其中從上到下分別表示掃描角度β為45°,60°,90°的重建圖像，從左到右分別表示yz(x=380),zx(y=380),xy(z=240) 3個方向的切片，其顯示窗口為[0, 0.018]。可以看出，芯棒的裂紋缺陷在zx平面清晰可見，當掃描角度逐漸增大時，裂紋缺陷逐漸清晰。由于投影數據的采集角度無法滿足CT圖像精確重建條件，重建圖像在yz平面和xy平面存在嚴重的偽影，無法準確判斷缺陷位置和特征。因此，一段相對直線掃描比較適用于碳纖維復合材料導線芯棒在軸向存在破裂的情況，對于在橫截面上存在的缺陷，一段相對直線掃描無法有效檢測。

圖4 一段相對直線掃描的三維圖像重建結果(T=1)

圖5為兩段相對直線掃描在不同情況下的三維重建結果，其中從上到下分別表示每段掃描角度β為45°,60°,90°的重建圖像，從左到右分別表示yz(x=380),zx(y=380),xy(z=240) 3個方向的切片，其顯示窗口為[0, 0.018]。從圖5中箭頭標示處可以明顯看出，三維重建圖像的3個方向切片都能比較清晰地呈現裂紋的形態。對比圖4可以看出，兩段相對直線掃描相比一段相對直線掃描，其圖像質量有明顯的提高。這是由于隨著掃描角度的增大，投影數據不完備問題逐漸得到改善，偽影逐漸減少，呈現的結構信息更加豐富。在CT掃描過程中，與射線相切的部位易被精確重建，而沒有與射線相切的部位不易被精確重建且會引入偽影。如圖4(i)所示，在一段相對直線掃描情況下，沒有與射線相切的水平方向偽影嚴重，結構信息丟失較多。如圖5(i)所示，在兩段相對直線掃描、每段掃描角度β=90°情況下，物體大部分部位會與射線相切，其斷層結構可以有效恢復。相較于一段相對直線掃描重建結果，兩段相對直線掃描在每段掃描角度β=90°情況下，其重建圖像質量有明顯的改善，芯棒結構的缺陷清晰可見。由于兩段直線掃描在3個方向的切片都可以檢測到缺陷，所以這種掃描方式更適用于對導線缺陷進行精細排查。當采集到的投影角度越大時，得到的圖像結構越精確，越有利于檢測微小缺陷。

圖5 兩段相對直線掃描的三維圖像重建結果(T=2)

3 缺陷檢測

碳纖維復合芯導線芯棒遭受過度擠壓、拉伸和沖擊會引起破壞，常見的損傷情況是斷裂、劈裂和裂痕3種缺陷，主要是由誤操作導致，例如，金具壓接過度、在施工過程中遭受碾壓或安裝過程中過度彎曲等。其中斷裂缺陷主要特征是芯棒在垂直于軸線方向上被折斷，劈裂缺陷的主要特征是芯棒在軸線方向上開裂，裂痕缺陷的主要特征是芯棒在橫截面上存在微小裂紋。為了驗證文中方法對碳纖維復合芯導線芯棒缺陷檢測的有效性，在實驗室條件下，對含有不同類型缺陷的小批量導線進行掃描檢測，其掃描參數如表2所示。在本次檢測中，采用兩段直線掃描方式，且每段掃描角度為90°，以確保采集足夠的數據對實驗樣品進行精細排查。圖6展示了彩色渲染后的SIRT三維重建結果，從箭頭標示處可以清晰地看到芯棒缺陷位置和特征，其中圖6(a)～圖6(d)為斷裂缺陷，圖6(e)～圖6(h)為劈裂缺陷，圖6(i)為裂痕缺陷。為了觀察文中方法對不同缺陷類型的檢測結果，對圖6中(b)、(f)、(i) 3個樣品做進一步分析。

表2 掃描參數

圖7第一行展示了芯棒斷裂缺陷的檢測結果，與圖6(b)對應，圖7(a)～圖7(c)分別展示了檢測結果在yz(x=380),zx(y=380),xy(z=240) 3個方向的切片。從圖7(a)和圖7(b)中箭頭標示處可以明顯看出，芯棒在垂直于軸線方向上被折斷、存在斷裂缺陷，從圖7(c) 箭頭標示處也可以觀察到芯棒的損壞情況。檢測結果說明兩段相對直線掃描CT成像方法檢測碳纖維復合芯導線芯棒斷裂缺陷的可行性和有效性。圖7第2行展示了芯棒劈裂缺陷的檢測結果，與圖6(f)對應，圖7(d)～圖7(f)分別展示了檢測結果在x、y和z3個方向的切片。從圖7(d)和圖7(e)中箭頭標示處可以看出，芯棒沿軸線方向的開裂損傷，存在劈裂缺陷，從圖7(f) 箭頭標示處也可以在截面觀察到芯棒的破裂情況。這說明兩段直線掃描CT檢測芯棒劈裂缺陷可行。圖7第3行展示了芯棒裂痕缺陷的檢測結果，與圖6(i)對應，圖7(g)～圖7(i)分別展示了檢測結果在x、y和z三個方向的切片。在圖7(g)和圖7(h)中沒有發現芯棒損壞，圖7(i)箭頭標示處能夠看出芯棒在橫截面上存在微小裂紋，可以判斷出芯棒存在裂痕缺陷。說明兩段直線掃描CT可以有效檢測芯棒裂痕缺陷。

圖6 實際檢測結果三維渲染圖

圖7 芯棒缺陷檢測結果，第一到第三行分別為斷裂、劈裂和裂痕檢測結果

綜上所述，兩段相對直線掃描CT成像方法能夠對碳纖維復合芯導線內部進行成像，清晰展示芯棒缺陷位置和特征，并且可以結合不同方向的切片圖像對常見斷裂、劈裂和裂痕缺陷類型進行判斷和區分，是一種新型有效的碳纖維復合芯導線缺陷檢測方法。

4 結 論

1)一段直線掃描能有效檢測沿芯棒軸向分布的劈裂或裂紋，當掃描角度增加時，其采集的投影數據增加，呈現的結構更清晰。由于一段直線掃描所采集的投影數據不能滿足CT精確重建條件，重建圖像存在較多偽影，從而影響對微小缺陷的檢測。因此，這種掃描方式適合大批量篩選含有較大缺陷的導線。

2)兩段直線掃描相比一段直線掃描可以采集更多的投影數據，有利于對微小缺陷進行檢測。從實驗結果可以看出，兩段直線掃描重建圖像可以從3個相互垂直的方向呈現缺陷特征，且能夠有效檢測沿垂直于芯棒軸向分布的斷裂裂紋。當兩段直線掃描的角度為45°和60°的時候，采集的投影角度仍然不能滿足CT精確重建的需求，導致重建圖像出現偽影，但相比一段直線掃描，兩段直線掃描可以更清晰的從x和z2個正交方向呈現缺陷的形態。當兩段直線掃描的掃描角度為90°時，采集的投影數據可以覆蓋物體180°范圍，接近精確重建條件，可以獲得較好的圖像質量，便于精細排查微小缺陷。

文中對一段以及兩段直線掃描CT檢測碳纖維復合芯導線進行了結構模型設計和實驗研究。實際應用中可采用三段及三段以上的直線掃描CT以獲取覆蓋物體角度更大的投影數據，但系統復雜性和成本也會隨之增加，需要根據實際使用情況進行優化。后續將研究利用壓縮感知理論以及字典學習等圖像重建算法提高重建圖像質量，改進直線掃描CT結構以適用于在役碳纖維復合芯導線缺陷檢測，為實際檢測儀器的開發和應用做好理論準備。