面向無人機的X射線耐張線夾檢測系統

白 洋，俞 華，韓 鈺

（國網山西省電力公司電力科學研究院，山西太原 030001）

0 引言

近年來，不少地區的高壓線夾出現故障，如2016年12月營口區和瓦房店高壓線嚴重受損，高壓線內部鋼芯斷裂，線夾拔脫，給當地居民用電帶來不便，造成較為嚴重的經濟損失。高壓線夾的缺陷檢測研究一度成為熱點。傳統輸電線路線夾檢測主要是機械性能檢驗，包括抗拉強度、沖擊強度、彎曲強度等抽樣檢測，對于在運高壓線的耐張線夾僅能進行外觀檢測與尺寸測量，且是人工檢測，耗時耗力效率低下[1]。

20世紀90年代，清華大學將X射線透照檢測技術應用于合成絕緣子的檢測，但由于成像技術分辨率太低，而無法進行細微缺陷識別[2-4]。2013年華北電力大學呂占杰等開展了X射線到成像板間的物距測量研究，從理論上計算了物距對圖像幾何不清晰度的影響關系，能夠更快速地定位檢測距離，確定X射線機與檢測對象的相對空間位置[5]。

目前，X射線檢測技術用于耐張線夾試件地面檢測，且X光片成像質量較差，對線夾內部壓接細節無法有效識別，無法解決在運線路中存在的安全隱患問題。因此，本文設計研制了搭載于無人機的小型X射線成像檢測系統，通過選擇合適的檢測參數與圖像處理來提高X光片的圖像質量，保證線夾X光片的有效分析判斷，提高耐張線夾質量缺陷的識別度。

1 X射線成像檢測系統

1.1 X射線檢測基本原理

1.1.1 產生X射線

X射線管用鎢絲作為陰極，陽極靶材一般使用高熔點的鎢、鋁等制成。在陰陽兩極之間加特高的直流管電壓后陰極釋放大量電子，在高壓電場中電子形成高速流束，并轟擊陽極靶，其中絕大部分動能轉換為熱能，少量形成X射線。實驗表明，X射線穿透耐張線夾材質后的強度IT與射線管電壓U、管電流i、陽極靶的原子序數Z有關，公式如下。

式（1）表明，射線強度與管電流、管電壓平方成正比關系，通過調節射線管對應參數大小，可提高X射線強度。

1.1.2 冷陰極X射線管的研究

傳統X射線源使用熱陰極燈絲當作陰極的材料，發射X射線時需要對燈絲加熱從而產生熱電子發射。如果持續發射X射線，則需要持續對陰極進行加熱。在X射線成像檢測系統內，持續工作的熱陰極X射線管將會產生大部分不必要的熱能和X射線輻射。除此之外，還要增加風冷系統對射線管進行冷卻，以便射線管安全、穩定地發射X射線。這就致使熱陰極X射線管的體積和質量不可避免地相對于無人機過大，從而導致無人機搭載難度增加，大大降低了無人機在飛行過程中的可操控性和安全穩定性。

為了實現X射線管小型化、輕量化，擬采用碳納米管作為陰極材料。碳納米管最大的優點是作為射線管陰極時無需高溫即可實現熱電子發射，從而使得碳納米管場發射的開啟電壓和閾值電壓相對低，場發射穩定性良好且發射周期較長，實現無需風冷系統、X射線激發電壓低的X射線管的目的，并可以在體積和質量上進一步優化。

利用碳納米管作為陰極制作的冷陰極X射線源，通過控制柵極電壓的方式來控制整個射線源處于快速脈沖式工作狀態。基于碳納米管冷陰極的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射線與物質的作用

由于X射線是光子流，根據粒子的波粒二象性，X射線與物質粒子之間存在光電效應、康普頓效應、電子對效應等，X射線與物質相互作用后發生定量衰變。X射線探傷檢測原理如圖2所示。

圖2 X射線探傷原理示意圖

X射線基本衰減規律如式（2）所示。

其中，I為透射后的射線強度，I0為透射前的射線強度，u為被檢試件的衰減系數，i為被X射線穿過的被檢試件的厚度。

1.2 X射線成像系統的制備

1.2.1 系統可行性分析

目前在生物醫學、工程質檢等領域，X射線成像系統應用比較廣泛，常見的有膠片成像、增感屏成像、光纖耦合CCD成像、平板探測器和線陣列掃描成像等。結合計算機技術，可以說無損檢測技術相對成熟，具備了較高的精確度和實時性。

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

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

為了滿足高壓輸電耐張線夾的檢測標準，本文提出以下面向無人機的小型化X射線成像檢測系統。

1.2.2 冷陰極X射線管

本文中的系統由冷陰極X射線管、高頻變壓器控制發射器和數據傳輸系統構成，X射線管外殼配有可充電的鋰電池組。X射線成像檢測系統的整體結構如圖3所示。

圖3 小型X射線成像檢測系統組成圖

載重無人機利用懸掛吊艙搭載該系統后，即可進行飛行并完成射線成像工作。利用無人機進行X射線成像探測時，先使用5層鉛層對X射線管進行包裹（質量為3kg），以保證在X射線管周圍半徑8 m之外無X射線輻射影響。

完成X射線源的制備后，進一步達到遠程控制X射線發射的要求，在此基礎上增加遠程通信模塊，配合遙控器使用，可以在1 km的范圍內實現遠程控制X射線發射。

X射線發射后由數字平板探測器完成成像工作。數字平板探測器由非晶硒層加薄膜半導體陣列構成，平板探測器經X射線曝光后表面會產生電信號，經過A/D轉換電路后獲取數字化圖像。此數字平板探測器可以實現每3 s完成一次A/D轉換以及圖像合成，配合路由器使用即可完成實時X射線影像傳輸。

無人機搭載的X射線成像檢測系統主要包括冷陰極X射線源、數字平板探測器、無人機懸掛吊艙3部分。無人機懸掛吊艙主要用來連接X射線成像檢測系統；數字平板探測器用來收集X射線源的射線信號，配合X射線源完成射線穿透成像工作。整個設備總質量9 kg，滿足大部分載重無人機的飛行載重要求。無人機與X射線成像檢測系統連接如圖4所示。

圖4 無人機與X射線成像系統連接圖

2 X射線檢測系統的關鍵參數

為了保證X射線源發射的射線符合穿透要求，我們研究了幾個影響因素。對于高壓耐張線夾的檢測，管電壓、管電流、額定功率和曝光量是影響成像檢測質量的關鍵。同時確定合適的參數，并選擇適量的X射線射出，以助于X射線進行穿透，獲得最佳對比度及準確性。X射線源的關鍵參數可根據耐張線夾的型號和材質確定，具體情況如表1所示。

表1 X射線測系統關鍵參數選擇

3 X射線穿透實驗分析

在廢棄的輸電線路塔中利用切割機切割獲取實驗樣品。將切割后的高壓線夾置于X射線成像檢測系統下進行測試，以NY-150/35型耐張線夾作為實驗測試對象，得到的X射線影像如圖5所示。

圖5 X射線監測系統上位機結果顯示

從圖5可以看出，耐張線夾存在未完全壓接、與電纜分離的現象。之后進行了電纜切割試驗，與射線影像結果的擬合度為93.4%，與預期的測試結果高度符合，準確性較好。以后經過進一步優化工作即可利用無人機搭載進行實地測試。

4 結束語

搭載于無人機的X射線耐張線夾成像檢測系統利用基于冷陰極的X射線管實現了成像系統小型化、輕量化的目標，并擬采用無人機取代工作人員攀爬輸電線桿，有著巨大的實用價值和研究意義。目前該系統還不具備測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，需要進一步完善。下一步計劃研究如何讓X射線探測系統進一步輕量化以及如何以3D視角實現X射線穿透耐張線夾，并進一步考察真實測試環境，優化系統，使其真正投入實際工程應用中。