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    x射線數字化檢測系統特點及其應用

    來源: 瀏覽:23030 發布日期:2019-12-11

     x射線數字化檢測系統特點及其應用


    隨著計算機技術的發展和普及,現在已進入數字化時代。




    X射線無損探傷作為一種常規的無損檢測方法在工業領域應用已有近百年的歷史,X射線無損探傷通常以膠片照相為主要方法,在檢測速度和成本等方面已無法滿足目前生產快速發展和競爭日益激烈的需要。我國經過十多年的發展,一種新興的X射線無損檢測方法-X射線數字化實時成像檢測技術已日臻成熟并已成功應用于我國的實踐。X射線數字實時成像檢測技術主要特點是無需膠片照相,這與數碼相機可以代替普通相機技術一樣,檢測結果的載體是數字圖像,標志著我國X射線檢測技術進入無膠片時代,是無損檢測技術的一次革命。




    1.1原子和比特(bit)




      工業化時代的標志-原子。鋼鐵是工業化時代的標志,構成鋼鐵的基本的物質是原子。




      數字化時代的標志-比特。數字化的特征是數字的編碼技術,二進制數字編碼方法是多個由“0”和“1”的數字組合。一個“0”或一個“1”構成一個基本的編碼,稱之為bit (bit 讀音為“比特”)?!氨忍亍笔怯⒄Zbit一詞的音譯。bit是由binary(二進制的)和digit(數字)兩個詞壓縮而成的,bit意為“二進制數字 ”。bit是數字二進制中的單位,有時也用一位比特來表示,即二進制的一位(21 bit=2bit)。比特是一種存在的狀態:表示開或關,真或偽,上或下,入或出,黑或白。為便于實用,把比特想成1或0,構成數字化的的基本要素是比特。比特成為數字化時代的標志。




    1.2粒與像素




      膠片的載體是溴化銀顆粒, 顯影后生成的銀顆粒是構成底片影像的單元。顆粒由眾多原子和分子構成的。




      假設數字影像屏幕上在水平方向上有若干行,在垂直方向有若干列,橫平豎直的交點就為一個像素,整個屏幕的像素則由行數乘列數組成;數字圖像的載體是像素,像素是構成數字圖像的單元。成像器中行數與列數越多,則成像器中的像素就越大,例如,通常所說的300萬像素的數碼相機,有 2048×1536=3145728像素。




    1.3黑度與灰度




      在膠片照片方法中,膠片經曝光、顯影、定影后,膠片上的顆粒被還原為黑色的銀團,曝光越充分,底片就越黑,底片黑白的程度在膠片照相方法中稱為黑度。




      在數字圖像中,賦于像素一定的亮度值,假如把全黑的值設定為0,全白的值設定為255,那么任何黑白之間的灰色都介于這兩者之間,這下好是8位比特(28=256)的排列方式,稱之為8位比特灰度?;叶韧ǔS帽忍氐奈粩祦肀硎?,例如,8位比特(28bit =256bit)灰度,10位比特(210bit =1024bit)灰度等。比特位數越大,像素所載含的亮度層次就越豐富,圖像處理后的表現效果更好,但計算機所需的容量就需要越大,所幸如今大容量的計算機已不成問題。




    1.4底片與圖像




      如同膠片顯影技術使底片得以實現一樣,計算機圖像采集技術和圖像處理使得圖像得以實現。




      原子是構成物質的基本顆粒,而比特不是物質,客觀存在是一組數字的組合;為了發揮人們的想象力,暫且將比特想象成“虛擬原子”。在射線膠片照相檢測技術中,構成底片影像的基本物質是溴化銀原子顯影后的銀顆粒,它所產生的圖像是摸擬圖像,不能為計算機所識別;在射線數字化檢測技術上,構成數字圖像基本要素是像素,它所產生的圖像是數字化圖像,很容易為計算機所識別,因此應用計算機圖像處理技術,就能產生與膠片照相底片相媲美的數字圖像。射線數字實時成像檢測技術正是建立在計算機圖像處理技術基礎上而發展起來的無損檢測新技術。




    2射線數字化實時成像檢測技術基本原理




    X射線數字化實時成象無損檢測原理可用兩個“轉換”來概述:X射線穿透金屬材料后被圖象采集器所接收,圖像采集器把不可見的X射線檢測信號轉換為光學圖像,稱為“光電轉換”;圖象采集器(對于圖像不具備數字采集功能的圖像增強器而言,用高清晰度電視攝像機攝取光學圖像,輸入計算機進行A/D轉換),將采集到的數字信號轉換為數字圖像,經計算機處理后,還原在顯示器屏幕上,可顯示出材料內部的缺陷性質、大小、位置等信息,按照有關標準對檢測結果進行缺陷等級評定,從而達到無損檢測的目的。X射線數字化實時成像技術無論在檢測效率、經濟效益、表現力、遠程傳送、方便實用等方面都比照相底片更勝一籌,因而具有良好的發展前景。




      所謂“實時”的是指圖像的采集速度制式,圖像采集速度能夠達到25幀/秒(PAL制)或30幀/秒(NTSC制),即視為實時成像。關于圖像的采集制式,我國采用PAL制式,歐美等多采用NTSC制式。




    3成像器方式




    X射線透過工件后在圖像成像器上圖像是模擬圖像,模擬圖像只有轉換為數字圖像后才能為計算機所識別,因此,模擬圖像轉換為數字圖像的關鍵是成像技術。目前成像器有三種方式,成像技術的方式與圖像成像器的形式有關。




    3.1 圖像增強器




      射線穿透工件后圖像增強器的前端熒光板,經光電轉換,光電子在真空度很高的封閉的空腔內經高壓電場聚焦,工件的摸擬圖像被攝像機所攝取,輸入計算機進行摸擬量/數字化轉換。




    3.2線陣列探測器




      線陣列探測器掃查方式是線型掃描,掃描圖形是一條直線,一條條直線排列組成一幅圖像。檢測時工件移動,經過相對固定的線陣列器的掃查,得到一幅連續的圖像。其工作原理是:熒光屏接受穿透了被測物體的X-射線的能量,發出可見光,感光二極管受到可見光的照射,產生電壓信號,該信號經過集成電路的處理變成14位(或16位)的數字信號發給計算機。調整照射角度,重復以上過程,全部掃描結束后,計算機對每次得到的數據進行計算,重建出所需圖象,并進行分析。




      平面陣列探測器掃查方式:(1)逐行線型掃描,在平面陣列探測器上形成平面圖像輸出;(2)面掃描,在平面陣列探測器上形成平面圖像輸出;檢測時工件移動,經過相對固定的平面陣列器,得到一幅幅檢測圖像。




    3.4三種成像方式的比較




    1) 圖像增強器價格較低,可以進行實時影像檢測,但成像靈敏度不如陣列探測成像器好;圖像增強器體積和重量的受一定的限制。




    2)平面陣列成像板的價格高,成像靈敏度也相對較高,但成像較慢,實際使用時如拍X射線片一樣,但拍片時間只需3至10秒才能完成。成像板可以與攜帶式高頻恒電壓X射線機、筆記本計算機等組合成攜帶式X射線影像系統,可以滿足現場使用要求。




    3) 線性掃描器成像速度較慢,價格介于圖像增強器與成像面板之間,因對機械傳動要求高,檢測速度較慢。




    4圖像采集方式




      圖像采集主要是通過數碼感光元件把光線轉變成電荷,通過模/數轉換器芯片轉換成數字信號。目前圖像采集部件有兩種:一種是廣泛使用的CCD(電荷藕合)元件;另一種是CMOS(互補金屬氧化物導體)器件。




    4.1CCD攝像機




    CCD是Charge Coupled Device(電荷耦合器件)的縮寫,它是一種半導體成像器件因而具有靈敏度高、抗強光、畸變小、體積小、壽命長、抗震動等優點




    CCD 攝像機的工作方式:被攝物體的圖像經過鏡頭聚焦至CCD芯片上,CCD根據光的強弱積累相應比例的電荷,各個像素積累的電荷在視頻時序的控制下,逐點外移,經濾波、放大處理后,形成視頻信號輸出。視頻信號連接到監視器或電視機的視頻輸入端便可以看到與原始圖像相同的視頻圖像。




    4.2CMOS數字成像器




    CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)互補性氧化金屬半導體,和CCD一樣,是可記錄光線變化的半導體。CMOS的制造技術和一般計算機芯片沒什么差別,主要是利用硅和鍺這兩種元素所做成的半導體,使其在CMOS上共存著帶N(帶–電)和 P(帶+電)級的半導體,這兩個互補效應所產生的電流即可被處理芯片紀錄和解讀成影像。然而,CMOS的缺點就是容易出現雜點, 這主要是由于電流變化過于頻繁而會產生過熱的現象。




    4.3 比較




      在相同分辨率下,CMOS價格比CCD便宜,但是CMOS器件產生的圖像質量和速度相比CCD來說要低一些。




    5X射線機




      對X射線機的基本制要求:




    1)焦點:對于圖像增強器和成像面板成像器,宜采用小焦點,對于線陣列探測器,焦點可大些;




    2)頻率:工頻或變頻(中頻、高頻),建議采用變頻;




    3)電壓和電流:視工件厚度的不同,選擇額定管電壓和管電流;




    4)高壓穩定性:建議采用恒電位;




    5)射線管:建議采用金屬陶瓷管;建議采用強制冷卻方式,以能夠較長時間地連續工作;




    6)移動方式:視作業方式的不同,固定式、移動式均可;




    7)射線束方向:視作業方式的不同,定向、周向均可;




    8)其他:視工件和作業方式而定。




      計算機與程序




      計算機配置:目前市面上高配置的臺式機和筆記本機均可,對于較差的工作環境應選用工業控制機;




      程序:1)計算機操作程序,例如WindowsXP;2) 圖像采集程序;3)圖像處理程序;4)圖像輔助評定程序。




    7圖像質量




    X射線數字實時成像圖像質量指標與膠片照相底片質量一樣,是像質計靈敏度,用像質計描述圖像質量時,受兩個因素的影響:1)圖像分辨率---用分辨率測試卡測試圖像分辨率(或稱清晰度)描述;2)對比度--- 用灰度差來描述。




    8系統質量




    X射線實時成像檢測系統(設備系統)質量指標按標準規定或合同中的技術條件的規定,用系統分辨率表述;系統分辨率用分辨率測試卡在系統上直接測試。




    9成像技術特點




    X射線實時成像檢測檢測技術/工藝與膠片照片檢測技術在工藝上有相同之處,膠片照片檢測技術/工藝基本上可指導X射線實時成像檢測技術/工藝,但兩者在成像原理和檢測結果載體上畢竟不同,因此X射線實時成像檢測技術/工藝有其特殊考慮。




      因為成像器是一種固體器械,它不可能像膠片那樣軟,不可能緊貼在被檢測工件的表面上,成像器工件表面之間必然有一段距離,從幾何投影的原理可知,檢測圖像必然是放大的。加外,像素的大小尺寸畢竟要大于膠片的顆粒,為了提高圖像的靈敏度和清晰度,檢測圖像也需要放大,這就是X射線實時成像檢測技術的特點。檢測的圖象儲存在計算機內,并可轉儲存到光盤等保存媒體中。圖象在顯示屏上可以正象或負象的方式顯示;也可以黑白或彩色的方式顯示。




    10檢測工裝




    “ 工欲善其事,必先利其器”。根據檢測對象(工件)設計和制造檢測檢測工裝,根據檢測方位的不同,檢測工裝應至少具備一個自由度;為了檢測工裝具有較高的運轉精度,一個工裝上通常應有1~3個自由度的結合;不過自由度較多,工裝制作成本較高。工裝設計與制作水平的高低,往往會影響到工件檢測的質量和速度。




    11標準




      關于X 射線實時成像檢測方法,到目前為止我國已發布了GB 17925-1999《氣瓶對接焊縫X射線實時成像檢測》和GB/T 19293-2003《對接焊縫X射線實時成像檢測法》兩個標準。GB/T 19293-2003是關于對接焊縫X射線實時成像檢測的通用方法標準,GB 17925-1999是關于氣瓶產品對接焊縫X射線實時成像檢測的方法標準。這兩個標準的發布,標志著我國 X 射線實時成像無損檢測技術的研究和應用已達到了一個新水平。但是,作為射線實時成像無損檢測標準化體系在我國尚未建立起來,需要盡快建立我國射線實時成像無損檢測標準化體系。




    12 X射線數字化實時成像技術的應用




    X射線數字化實時成像技術在工業各個領域都有廣泛的應用,例如在氣瓶、鍋爐、壓力容器、壓力管道、油氣長輸管道對接焊縫的無損檢測,汽車輪轂、汽車/飛機輪胎等領域的無損檢測,機械零件的無損檢測等。




    12.1 氣瓶對接焊縫X射線實時成像檢測




      在20世紀90年代中期,X射線數字化實時成像檢測已正式應用于液化石油氣鋼瓶對接焊縫的無損檢測。




    1-X射線管焦點 2-氣瓶 3-被檢測焊縫 4-圖象增強器 5-光學鏡頭 6-攝象機




      當時圖像采集器主要是采用圖像增強器技術,可以說是X射線實時成像檢測系統的技術,在此技術的基礎上形成了17925-1999標準。采用此技術的設備造價較低,雖然圖像質量比現在的線陣列探測器技術低一些,但經過十多年實際應用,證明技術已經日臻成熟,能滿足氣瓶和壓力管道及有關壓力容器焊縫無損檢測的要求,至今仍然有堅強生命力。檢測工裝由兩個自由構成,檢測環焊縫時,氣瓶在工裝上繞軸線呈360°旋轉,檢測縱焊縫時,氣瓶沿水平方向移動,確保焊縫檢驗。




    14.2線陣列探測器X射線實時成像檢測技術




      線陣列探測器X射線實時成像檢測技術是當前比較流行的X射線實時成像檢測技術,它采用線陣列探測器作為圖像采集器,可以說是X射線實時成像檢測系統技術。由于線陣列探測器本身具有數字化采集功能,因此光學鏡頭、攝像機和圖像采集卡可以省略;,雖然線陣列探測器的造價比圖像增強器高,但是由于線陣列探測器是采取線掃描逐行成像,對X射線源不過分強調采用小焦點,同時省略了光學鏡頭、攝像機和圖像采集卡,因此,總體造價比圖像增強器成像系統高不了太多。在檢測圖像質量上比圖像增強技術高。在此基礎上,建立了GB/T 19293-2003《對接焊縫X射線實時成像檢測法》標準。




      線陣列探測器X射線實時成像檢測技術當前在氣瓶、鍋爐、壓力容器、壓力管道、油氣長輸管道對接焊縫及機械零件、航空航天部件的無損檢測領域中應用的勢頭正猛。




    14.3平面陣列探測器X射線實時成像檢測技術




      平面陣列探測器可以認為是多條線陣列探器的集合,;具有更大容量的像素,圖像靈敏度高,高分辨率和高清晰度,代表著當今圖像采集器的新技術,可以說是第三代X射線實時成像檢測系統技術。但是,平面陣列探測器的生產當前集中于國外的少數幾個廠家,形成技術壟斷,價格昂貴,目前主要還是用實驗室的課題研究,尚未走向生產實際應用,相信不久的將來,一定會得到廣泛的應用。




    15結束語




      射線數字實時成像技術作為一種新興的無損檢測技術具有廣闊的前景,在數字時代到來的時候,讓我們像擁抱朝陽一樣擁抱射線數字實時成像無損檢測新技術。


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