婁紅莉，湯丹芬，方允偉，石亞蒙

（1. 南京玻璃纖維研究設(shè)計(jì)院有限公司，南京 210012； 2. 南京國(guó)材檢測(cè)有限公司，南京 210012）

0 前言

CT檢測(cè)，是非破壞性檢測(cè)與評(píng)價(jià)的最佳綜合性檢測(cè)方法［1-2］，廣泛應(yīng)用在航空航天、武器行業(yè)［3-6］等部件的缺陷檢測(cè)、結(jié)構(gòu)分析及密度均勻性分辨。美國(guó)軍方在上世紀(jì)80年代開始使用CT檢測(cè)材料的內(nèi)部缺陷［7-8］，并制定了相應(yīng)的ASTM標(biāo)準(zhǔn)密度測(cè)試方法［9-10］。立體織物因其成型的特殊性，尚未有資料顯示對(duì)其密度的準(zhǔn)確測(cè)試方法。

本文從設(shè)計(jì)與制作參比密度樣品出發(fā)，優(yōu)選掃描儀器，同時(shí)設(shè)計(jì)了新的掃描方式，最終根據(jù)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，獲得灰度值與密度的關(guān)系曲線。通過(guò)密度的偏差范圍判斷立體織物的密度均勻性。

文中的灰度值指黑白圖像中點(diǎn)的顏色深度。在醫(yī)學(xué)、圖像識(shí)別領(lǐng)域有很廣泛的用途。參比密度樣品指測(cè)定立體織物的密度時(shí)，選用作密度參照的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.1 原料

石英纖維：B型195Tex石英紗，菲利華。

1.2 儀器和設(shè)備

CT檢測(cè)設(shè)備：德國(guó)diondo d2微納米CT檢測(cè)系統(tǒng)，德國(guó)diondo GmbH。

1.3 試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)

立體織物內(nèi)部均勻性檢測(cè)的根本目標(biāo)是獲得不同位置的密度，由密度變化的區(qū)間范圍判斷均勻與否。因此最終目的亦是獲得被測(cè)物體的密度值?，F(xiàn)有的檢測(cè)方法可獲得被測(cè)物點(diǎn)、面的灰度值或者CT值，只需建立灰度值與密度值的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即可達(dá)到目的。

為達(dá)到研究目的，引入了參比密度樣品法。通過(guò)制作不同密度的參比密度樣品測(cè)得其灰度值，建立灰度值與密度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。參比密度樣品作為“密度參照物”，提供一個(gè)或多個(gè)密度量值作為其他量值的“參照值”。參比密度樣品用來(lái)和被檢測(cè)樣品的數(shù)據(jù)進(jìn)行比照，得出被檢測(cè)樣品的密度。

2 參比密度樣品的設(shè)計(jì)與制作

參比密度樣品的設(shè)計(jì)需要滿足4點(diǎn)要求：

（1）參比密度樣品的材質(zhì)與被檢測(cè)樣品的材質(zhì)保持一致。

（2）參比密度樣品的尺寸一般要求為邊長(zhǎng)≤30mm。

（3）參比密度樣品的密度梯度確定：應(yīng)覆蓋被測(cè)樣品的所有密度范圍，同時(shí)參比密度樣品的密度梯度越小測(cè)量精準(zhǔn)度越高。

（4）參比密度樣品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足纖維架構(gòu)穩(wěn)定，密度均勻。

參比密度樣品的制作：

（1）參比密度樣品材質(zhì)：采用與項(xiàng)目研究產(chǎn)品一致的原材料——石英纖維。

（2）由于織物的特性，切割后，斷面纖維會(huì)出現(xiàn)一定程度的松散，所以標(biāo)樣必須保證適當(dāng)?shù)某叽?。?jīng)過(guò)大量的切割實(shí)驗(yàn)，在保證織物切割完整、不脫散的情況下，所能獲得的參比密度樣品尺寸為： 長(zhǎng)50 mm×寬50 mm×厚30 mm。

（3）設(shè)定參比密度樣品的密度梯度為表1所示：

表1 石英纖維參比密度樣品密度梯度表與其對(duì)應(yīng)的體積分?jǐn)?shù)

（4）參比密度樣品結(jié)構(gòu)：制作了不同結(jié)構(gòu)的參比密度樣品，對(duì)其進(jìn)行工業(yè)CT掃描，測(cè)量灰度值變化區(qū)間，最終優(yōu)選織物內(nèi)部纖維分布均勻性好的結(jié)構(gòu)。

（5）參比密度樣品包裝：為保護(hù)參比密度樣品用透明盒封裝。要求參比密度樣品與盒內(nèi)壁貼合緊密，參比密度樣品在盒中不能移動(dòng)。

3 儀器的選擇與掃描方式設(shè)計(jì)

現(xiàn)有的檢測(cè)方法是采用醫(yī)用CT進(jìn)行織物內(nèi)部掃描，醫(yī)用CT檢測(cè)存在2個(gè)問(wèn)題。一是醫(yī)用CT受限于射線源強(qiáng)度不能超過(guò)一定范圍（人體可能承受），所以掃描精度低，呈現(xiàn)的織物內(nèi)部的灰白圖像分辨率低，只能定性判斷，且誤判機(jī)率高；二是醫(yī)用CT掃描的直徑范圍受限，為0～400 mm，不能適應(yīng)所有織物。

工業(yè)CT的射線源強(qiáng)度可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，其掃描精度可達(dá)到微米級(jí)呈現(xiàn)，成像灰白圖分辨率高，可獲得織物內(nèi)部細(xì)微結(jié)構(gòu)情況。工業(yè)CT檢測(cè)織物內(nèi)部情況時(shí)，直接將掃描圖片的顏色呈現(xiàn)為灰度值來(lái)表征所采集的圖像的特性。同時(shí)工業(yè)CT掃描直徑范圍可達(dá)到800 mm。

經(jīng)上述分析，選用工業(yè)CT掃描來(lái)研究灰度值與織物密度的關(guān)系。建立灰度值與密度值的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)密度變化的區(qū)間范圍判斷織物內(nèi)部的均勻程度。

采用德國(guó)diondo d2微納米CT系統(tǒng)（見圖1）對(duì)參比密度樣品進(jìn)行X射線掃描（圖2）。

圖1 德國(guó)diondo d2微納米CT系統(tǒng)

圖2 樣品X射線掃描圖

將采集到的二維圖像數(shù)字序列，根據(jù)中心切片定理重建掃描區(qū)域內(nèi)被檢測(cè)參比密度樣品橫截面的射線衰減系數(shù)分布的映射圖像，形成三維CT結(jié)果。被檢測(cè)立體織物內(nèi)部的密度越大的地方灰度值越大，圖像顏色越白。反之密度越小的地方灰度值越小，圖像顏色呈灰黑色。

4 數(shù)據(jù)呈現(xiàn)與分析

4.1 參比密度樣品檢測(cè)

選用內(nèi)部密度均勻的結(jié)構(gòu)制作了一組參比密度樣品，序號(hào)為35#～48#，參比密度樣品材質(zhì)為石英纖維，其密度梯度見表2，每種密度梯度2個(gè)參比密度樣品。工業(yè)CT掃描后將采集到的二維圖像數(shù)字序列，形成三維CT結(jié)果見圖3。

表2 石英纖維參比密度樣品35#～48#密度梯度表與其對(duì)應(yīng)的體積分?jǐn)?shù)

圖3 CT掃描后灰度呈現(xiàn)

為清晰顯示每個(gè)參比密度樣品灰度值的差異，用彩虹色階來(lái)處理掃描后的參比密度樣品圖片，藍(lán)色為灰度值低的區(qū)域，紅色為灰度值高的區(qū)域（見圖4）。從圖中可看出參比密度樣品的密度階梯 清晰。

圖4 CT掃描彩虹色階圖

圖中左側(cè)灰度值色階條顯示最頂端紅色灰度值為40 000，最底端藍(lán)色灰度值為20 000。圖中44#與45#樣呈現(xiàn)藍(lán)綠相交，說(shuō)明其灰度值正好處于顏色變化的區(qū)域24 000至25 000附近，從后期的灰度值統(tǒng)計(jì)中也可以體現(xiàn)這一點(diǎn)。

采用VG Studio分析軟件對(duì)CT數(shù)據(jù)進(jìn)行灰度值統(tǒng)計(jì)，每個(gè)參比密度樣品的平均灰度值統(tǒng)計(jì)見表3。

表3 每個(gè)參比密度樣品的平均灰度值表

以參比密度樣品的密度為X軸，所對(duì)應(yīng)的灰度值為Y軸，做散點(diǎn)圖（見圖5），可以觀察到這些點(diǎn)都分布在一條直線附近，密度越大灰度值越大，以這些點(diǎn)為基礎(chǔ)做線性回歸方程為：y=19 164x+16 023，R2=0.949。相關(guān)系數(shù)R大于0.9說(shuō)明參比密度樣品密度與其相應(yīng)的灰度值有強(qiáng)相關(guān)性。

圖5 密度與灰度值關(guān)系圖

密度與灰度值關(guān)系曲線的建立，可以獲求任意灰度值下的密度值，即將灰度值轉(zhuǎn)化為密度值。

4.2 參比密度樣品法測(cè)試立體織物

為了將上述結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證和應(yīng)用，設(shè)計(jì)一件待測(cè)物體A，其稱重法的密度為0.968。將其與上述參比密度樣品同時(shí)掃描測(cè)量，見圖6。在A織物內(nèi)部分區(qū)域測(cè)量了10個(gè)位置的平均灰度值，見圖7。

圖6 被測(cè)織物A為2.5D平板織物

圖7 A織物內(nèi)部10個(gè)被測(cè)區(qū)域

10個(gè)被測(cè)區(qū)域的的平均灰度值見表4。將檢測(cè)到的灰度值代入到回歸方程y=19 164x+16 023中，計(jì)算得到10個(gè)被測(cè)區(qū)域的織物內(nèi)部密度見表4。

表4 10個(gè)被測(cè)區(qū)域的密度值

表4中被測(cè)織物A內(nèi)部10個(gè)被測(cè)區(qū)域密度的平均值為0.958，其變異系數(shù)為0.016，說(shuō)明10個(gè)被測(cè)區(qū)域的纖維體積密度的離散性很低。

5 結(jié)論

（1）建立了一種立體織物各區(qū)域密度的定量檢測(cè)方法-參比密度樣品法。

（2）立體織物密度與其相應(yīng)的工業(yè)CT灰度值有強(qiáng)相關(guān)性，織物密度越大其灰度值越大，織物密度越小其灰度值越小。

（3）建立了灰度值與密度的關(guān)系方程。檢測(cè)時(shí)只需將被測(cè)樣品與參比密度樣品同時(shí)進(jìn)行掃描，將測(cè)得的灰度值帶入回歸方程中即可得到各區(qū)域位置的密度值。

（4）可根據(jù)密度值差異進(jìn)行立體織物內(nèi)部密度均勻性判斷。