白 洋，俞 華，韓 鈺

（國(guó)網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西太原 030001）

0 引言

近年來(lái)，不少地區(qū)的高壓線夾出現(xiàn)故障，如2016年12月?tīng)I(yíng)口區(qū)和瓦房店高壓線嚴(yán)重受損，高壓線內(nèi)部鋼芯斷裂，線夾拔脫，給當(dāng)?shù)鼐用裼秒妿?lái)不便，造成較為嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。高壓線夾的缺陷檢測(cè)研究一度成為熱點(diǎn)。傳統(tǒng)輸電線路線夾檢測(cè)主要是機(jī)械性能檢驗(yàn)，包括抗拉強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度等抽樣檢測(cè)，對(duì)于在運(yùn)高壓線的耐張線夾僅能進(jìn)行外觀檢測(cè)與尺寸測(cè)量，且是人工檢測(cè)，耗時(shí)耗力效率低下[1]。

20世紀(jì)90年代，清華大學(xué)將X射線透照檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于合成絕緣子的檢測(cè)，但由于成像技術(shù)分辨率太低，而無(wú)法進(jìn)行細(xì)微缺陷識(shí)別[2-4]。2013年華北電力大學(xué)呂占杰等開(kāi)展了X射線到成像板間的物距測(cè)量研究，從理論上計(jì)算了物距對(duì)圖像幾何不清晰度的影響關(guān)系，能夠更快速地定位檢測(cè)距離，確定X射線機(jī)與檢測(cè)對(duì)象的相對(duì)空間位置[5]。

目前，X射線檢測(cè)技術(shù)用于耐張線夾試件地面檢測(cè)，且X光片成像質(zhì)量較差，對(duì)線夾內(nèi)部壓接細(xì)節(jié)無(wú)法有效識(shí)別，無(wú)法解決在運(yùn)線路中存在的安全隱患問(wèn)題。因此，本文設(shè)計(jì)研制了搭載于無(wú)人機(jī)的小型X射線成像檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)選擇合適的檢測(cè)參數(shù)與圖像處理來(lái)提高X光片的圖像質(zhì)量，保證線夾X光片的有效分析判斷，提高耐張線夾質(zhì)量缺陷的識(shí)別度。

1 X射線成像檢測(cè)系統(tǒng)

1.1 X射線檢測(cè)基本原理

1.1.1 產(chǎn)生X射線

X射線管用鎢絲作為陰極，陽(yáng)極靶材一般使用高熔點(diǎn)的鎢、鋁等制成。在陰陽(yáng)兩極之間加特高的直流管電壓后陰極釋放大量電子，在高壓電場(chǎng)中電子形成高速流束，并轟擊陽(yáng)極靶，其中絕大部分動(dòng)能轉(zhuǎn)換為熱能，少量形成X射線。實(shí)驗(yàn)表明，X射線穿透耐張線夾材質(zhì)后的強(qiáng)度IT與射線管電壓U、管電流i、陽(yáng)極靶的原子序數(shù)Z有關(guān)，公式如下。

式（1）表明，射線強(qiáng)度與管電流、管電壓平方成正比關(guān)系，通過(guò)調(diào)節(jié)射線管對(duì)應(yīng)參數(shù)大小，可提高X射線強(qiáng)度。

1.1.2 冷陰極X射線管的研究

傳統(tǒng)X射線源使用熱陰極燈絲當(dāng)作陰極的材料，發(fā)射X射線時(shí)需要對(duì)燈絲加熱從而產(chǎn)生熱電子發(fā)射。如果持續(xù)發(fā)射X射線，則需要持續(xù)對(duì)陰極進(jìn)行加熱。在X射線成像檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)，持續(xù)工作的熱陰極X射線管將會(huì)產(chǎn)生大部分不必要的熱能和X射線輻射。除此之外，還要增加風(fēng)冷系統(tǒng)對(duì)射線管進(jìn)行冷卻，以便射線管安全、穩(wěn)定地發(fā)射X射線。這就致使熱陰極X射線管的體積和質(zhì)量不可避免地相對(duì)于無(wú)人機(jī)過(guò)大，從而導(dǎo)致無(wú)人機(jī)搭載難度增加，大大降低了無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中的可操控性和安全穩(wěn)定性。

為了實(shí)現(xiàn)X射線管小型化、輕量化，擬采用碳納米管作為陰極材料。碳納米管最大的優(yōu)點(diǎn)是作為射線管陰極時(shí)無(wú)需高溫即可實(shí)現(xiàn)熱電子發(fā)射，從而使得碳納米管場(chǎng)發(fā)射的開(kāi)啟電壓和閾值電壓相對(duì)低，場(chǎng)發(fā)射穩(wěn)定性良好且發(fā)射周期較長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)無(wú)需風(fēng)冷系統(tǒng)、X射線激發(fā)電壓低的X射線管的目的，并可以在體積和質(zhì)量上進(jìn)一步優(yōu)化。

利用碳納米管作為陰極制作的冷陰極X射線源，通過(guò)控制柵極電壓的方式來(lái)控制整個(gè)射線源處于快速脈沖式工作狀態(tài)?；谔技{米管冷陰極的X射線源原理如圖1所示。

圖1 基于碳納米管冷陰極的X射線源

1.1.3 X射線與物質(zhì)的作用

由于X射線是光子流，根據(jù)粒子的波粒二象性，X射線與物質(zhì)粒子之間存在光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)、電子對(duì)效應(yīng)等，X射線與物質(zhì)相互作用后發(fā)生定量衰變。X射線探傷檢測(cè)原理如圖2所示。

圖2 X射線探傷原理示意圖

X射線基本衰減規(guī)律如式（2）所示。

其中，I為透射后的射線強(qiáng)度，I0為透射前的射線強(qiáng)度，u為被檢試件的衰減系數(shù)，i為被X射線穿過(guò)的被檢試件的厚度。

1.2 X射線成像系統(tǒng)的制備

1.2.1 系統(tǒng)可行性分析

目前在生物醫(yī)學(xué)、工程質(zhì)檢等領(lǐng)域，X射線成像系統(tǒng)應(yīng)用比較廣泛，常見(jiàn)的有膠片成像、增感屏成像、光纖耦合CCD成像、平板探測(cè)器和線陣列掃描成像等。結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)，可以說(shuō)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)相對(duì)成熟，具備了較高的精確度和實(shí)時(shí)性。

耐張線夾和高壓線在材質(zhì)上可分為鋁制線夾和鋼制線夾，高壓線內(nèi)部是鋼絞線，利用X射線管進(jìn)行穿透檢測(cè)，主要檢測(cè)鋼芯與線夾是否緊密結(jié)合或者高壓線夾是否有斷裂。當(dāng)鋼絞線用高壓鋼絲完全夾緊壓接時(shí)X射線穿透強(qiáng)度為ial+isteel+istrand，當(dāng)鋼絞線未完全夾緊壓接時(shí)，X射線穿透強(qiáng)度為ial+isteel。將上述兩種穿透強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比可以得到

其中，I1為高壓鋼絲夾緊壓鋼絞線時(shí)的穿透射線強(qiáng)度，I2為高壓鋼絲夾緊壓鋼絞線未完全壓緊時(shí)的穿透射線強(qiáng)度[6]。由于鋼絞線的衰減系數(shù)ustrand比較大，完全卷接后與不完全卷接后的傳輸強(qiáng)度差異明顯，且高壓線越粗，即ustrand越大，暗室處理后的底片對(duì)比度差異越顯著?？梢?jiàn)，利用X射線檢測(cè)高壓線夾狀態(tài)及壓接狀態(tài)是可行的。

為了滿足高壓輸電耐張線夾的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，本文提出以下面向無(wú)人機(jī)的小型化X射線成像檢測(cè)系統(tǒng)。

1.2.2 冷陰極X射線管

本文中的系統(tǒng)由冷陰極X射線管、高頻變壓器控制發(fā)射器和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)構(gòu)成，X射線管外殼配有可充電的鋰電池組。X射線成像檢測(cè)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 小型X射線成像檢測(cè)系統(tǒng)組成圖

載重?zé)o人機(jī)利用懸掛吊艙搭載該系統(tǒng)后，即可進(jìn)行飛行并完成射線成像工作。利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行X射線成像探測(cè)時(shí)，先使用5層鉛層對(duì)X射線管進(jìn)行包裹（質(zhì)量為3kg），以保證在X射線管周?chē)霃? m之外無(wú)X射線輻射影響。

完成X射線源的制備后，進(jìn)一步達(dá)到遠(yuǎn)程控制X射線發(fā)射的要求，在此基礎(chǔ)上增加遠(yuǎn)程通信模塊，配合遙控器使用，可以在1 km的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制X射線發(fā)射。

X射線發(fā)射后由數(shù)字平板探測(cè)器完成成像工作。數(shù)字平板探測(cè)器由非晶硒層加薄膜半導(dǎo)體陣列構(gòu)成，平板探測(cè)器經(jīng)X射線曝光后表面會(huì)產(chǎn)生電信號(hào)，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換電路后獲取數(shù)字化圖像。此數(shù)字平板探測(cè)器可以實(shí)現(xiàn)每3 s完成一次A/D轉(zhuǎn)換以及圖像合成，配合路由器使用即可完成實(shí)時(shí)X射線影像傳輸。

無(wú)人機(jī)搭載的X射線成像檢測(cè)系統(tǒng)主要包括冷陰極X射線源、數(shù)字平板探測(cè)器、無(wú)人機(jī)懸掛吊艙3部分。無(wú)人機(jī)懸掛吊艙主要用來(lái)連接X(jué)射線成像檢測(cè)系統(tǒng)；數(shù)字平板探測(cè)器用來(lái)收集X射線源的射線信號(hào)，配合X射線源完成射線穿透成像工作。整個(gè)設(shè)備總質(zhì)量9 kg，滿足大部分載重?zé)o人機(jī)的飛行載重要求。無(wú)人機(jī)與X射線成像檢測(cè)系統(tǒng)連接如圖4所示。

圖4 無(wú)人機(jī)與X射線成像系統(tǒng)連接圖

2 X射線檢測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)

為了保證X射線源發(fā)射的射線符合穿透要求，我們研究了幾個(gè)影響因素。對(duì)于高壓耐張線夾的檢測(cè)，管電壓、管電流、額定功率和曝光量是影響成像檢測(cè)質(zhì)量的關(guān)鍵。同時(shí)確定合適的參數(shù)，并選擇適量的X射線射出，以助于X射線進(jìn)行穿透，獲得最佳對(duì)比度及準(zhǔn)確性。X射線源的關(guān)鍵參數(shù)可根據(jù)耐張線夾的型號(hào)和材質(zhì)確定，具體情況如表1所示。

表1 X射線測(cè)系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)選擇

3 X射線穿透實(shí)驗(yàn)分析

在廢棄的輸電線路塔中利用切割機(jī)切割獲取實(shí)驗(yàn)樣品。將切割后的高壓線夾置于X射線成像檢測(cè)系統(tǒng)下進(jìn)行測(cè)試，以NY-150/35型耐張線夾作為實(shí)驗(yàn)測(cè)試對(duì)象，得到的X射線影像如圖5所示。

圖5 X射線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)結(jié)果顯示

從圖5可以看出，耐張線夾存在未完全壓接、與電纜分離的現(xiàn)象。之后進(jìn)行了電纜切割試驗(yàn)，與射線影像結(jié)果的擬合度為93.4%，與預(yù)期的測(cè)試結(jié)果高度符合，準(zhǔn)確性較好。以后經(jīng)過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化工作即可利用無(wú)人機(jī)搭載進(jìn)行實(shí)地測(cè)試。

4 結(jié)束語(yǔ)

搭載于無(wú)人機(jī)的X射線耐張線夾成像檢測(cè)系統(tǒng)利用基于冷陰極的X射線管實(shí)現(xiàn)了成像系統(tǒng)小型化、輕量化的目標(biāo)，并擬采用無(wú)人機(jī)取代工作人員攀爬輸電線桿，有著巨大的實(shí)用價(jià)值和研究意義。目前該系統(tǒng)還不具備測(cè)試雪天和輸電線路帶電情況下的耐張線夾的壓接或受損情況，需要進(jìn)一步完善。下一步計(jì)劃研究如何讓X射線探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)一步輕量化以及如何以3D視角實(shí)現(xiàn)X射線穿透耐張線夾，并進(jìn)一步考察真實(shí)測(cè)試環(huán)境，優(yōu)化系統(tǒng)，使其真正投入實(shí)際工程應(yīng)用中。