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X射线实时成像系统在无损检测中的应用

2017-07-01 14:31:59 西安丰登光电科技有限公司 阅读

X射线实时成像系统

X射线胶片照相法以其直观、可靠、灵敏度和分辨力高等优点在现代工业产品检测中占有重要的位置。但是这种方法存在拍片工序多、运行成本高、结果不易保存、评片结果易受人为因素的影响等缺点。随着图象增强器的出现和计算机技术的发展, X射线实时成像系统越来越广泛应用于X线探伤领域,并在军工、石油、化工、耐火材料、钢管、锅炉、汽车、压力容器、航空、航天等行业得到推广应用。

1,X射线实时成像原理

X射线实时成像系统组成由射线源(X射线机或加速器)发射的X射线透照被检测物体后衰减,被1个包括集光学镜头、摄像机和图像采集卡(俗称数码卡)所构成的图像采集器所接收,并转换成模拟信号或数字信号,利用半导体传感技术、计算机图像处理技术和信息处理技术,将检测图像还原在显示器上,再应用计算机程序对检测结果进行缺陷等级评定,最后将图像数据保存到储存介质上。

相对于传统X射线照相底片法, X射线实时成像系统具有以下特点:

(1)易于图像存储

   传统胶片保存、管理、查询需要花费大量的人力、物力及时间,另外胶片会随保存时间的增加而逐渐变质,使影像质量下降。X射线实时成像系统生成数字图像,可利用计算机的海量存储,以数字化的电子方式进行管理,将不再需要庞大而难于保管的底片库[2]。

(2)便于图像处理

   传统X射线成像所得的图像不能进行成像后处理。若图像质量由于各种原因达不到评判要求,则只能重复检测。而数字化成像则可进行边缘增强、灰阶变换等后处理以满足技术要求[3]。

(3)可实现网络化操作

   X射线实时成像系统摆脱了对传统硬拷贝技术的依赖,利用方便快捷的网络传输,可实现远程集中评片,有效杜绝人为因素的影响。

(4)降低对人体的损伤

   传统X射线照相底片法中,拍片时必须离开现场,或增加隔离辐射的设施,以避免射线辐射对人体的伤害。X射线实时成像系统可将现场图像传送到安全区域进行观测,既可使检测人员离开现场,减少辐射伤害,又可通过计算机进行图像计算、处理、存储和传输。

(5)环保

   X射线实时成像系统由于不再使用传统胶片,消除了胶片冲洗中工业重金属的污染与有害废水的产生,有利于环境保护。

2,X射线实时成像系统的发展历程及现状

   20世纪初期, X射线首先被应用于锅炉检测,由射线源发射的X射线穿过物体,由胶片或荧光屏接收。20世纪70年代末, X射线电视成像技术逐渐走向工业应用,系统的核心部件是X射线图像增强器、电视摄像机和图像显示器。图像增强器的功能主要是完成从X射线到可见光的转换和亮度增强。X射线电视成像系统可直接观察或通过高质量的TV或CCD摄像机观察。但由于原始图像是在多晶体转换屏上形成的,对裂纹类平面状缺陷的检出能力存在着灵敏度差、清晰度较低的缺点,成像质量远低于胶片法。从20世纪80年代后期开始,射线检测引入了计算机化的X射线技术(CR),才真正实现了自动化检验、缺陷识别、存储、图像评判与解释。CR使无胶片X射线技术前进了一大步,但仍未实现实时成像。在20世纪90年代后期,出现了数字平板技术(DR)。通过面板探测器将提取的X射线转化成为数字图像,实现了图像的实时采集。

   近年来,国内外对X射线实时成像系统的研究都给予了足够的重视。1986年,《British JournalofNDT》刊登了国际焊接学会有关焊接的X射线实时图像检测的进展报告。1988年以来,美国国防科技情报中心和国家航空航天局发布了一系列研究报告,其中就指出“射线检测成像及微小缺陷检测等新方法新技术研究”是将来的研究重点。

   美国机械工程学会、日本工业标准调查会、欧洲标准化委员会无损检测分会、国际标准化协会分别发布了关于射线实时成像的行业标准,即美国ASME、欧洲EN、ISO及日本JIS,并在不断更新。美国GE检测科技推出了DP 435 Vario (P)型实时成像射线检测系统以及GE数字化X射线系统,前者图像系统主要是1台配有大动态范围的CCD像机的高分辨率X射线图像增强器,后者采用摄影速度快捷、动态范围大的GE高性能平板(实时成像探测器),可采用很低的射线剂量(高DQE)获得较好的图像质量,具有曝光快速、电子噪声低、对比度高等优点,主要应用航空航天、汽车、电力、石化、铸造等行业。

   我国气瓶制造行业从20世纪70年代开始引入图像增强器射线实时成像检验系统,并在轮胎、铸造汽车轮毂、蒸汽锅炉过热器等的小管径对接焊缝检验得到广泛应用。为了适应行业发展的需要, 1999年国家标准化委员会发布了GB 17925—1999《气瓶对接焊缝X射线数字成像检测》; 2003国家标准化委员会发布了GB/T 19293—2003《对接焊缝X射线数字成像检测法》。2005年国防科学技术工业委员会发布国家军用标准GJB 5346-2005《射线实时成像检测方法》,是关于射线实时成像检测的通用方法标准。丹东奥龙射线仪器有限公司研制了X射线实时成像检测系统,该系统实现了动态实时成像,具有图像质量高,运行速度快,动静态降噪等特点,并在航空航天等领域得到应用。但系统的关键部件如图像增强器、线扫描成像器、面阵成像器等均为进口,系统整体性能与国外有较大的差距。

3,X射线实时成像系统研究中的关键技术

   从现有装备来看, X射线实时成像系统在获得的图像质量、灵敏度、操作速度、设备费用及可靠性等方面还不能完全取代胶片射线照相。

X射线成像图

 3.1图像获取

  与胶片照相法相比, X射线实时成像系统为了将X射线透视图像转换为数字化图像需要经过多次光电和电光转换[12],而每一次转换都会引入新的噪声,从而使最后获得的图像信噪比降低,图像容易产生畸变,故成像质量相对较低,检测结果的图像对比度和空间分辨率均不是很高,影响了根据射线图像对被检测构件进行分析和评价的效果。因此研制检测效率高、系统噪声小、灵敏度和分辨率高、动态范围及成像面积较大的平板探测器成为获取高质量图像的关键因素之一。

 3.2图像处理

  获取高质量图像,为后续准确可靠地识别被检工件内部缺陷及计算机自动评片提供支持,除与原始获取图像质量有关外,还取决于图像的后期处理。

  (1)图像预处理

   X射线实时成像法获得的图像具有灰度区间比较窄、缺陷边缘模糊、图像噪声多、缺陷特征有时被淹没等特点,不便于进行直接处理。为了正确无误地抽取缺陷特征,需要对图像进行适当的预处理,主要包括:灰度变换、图像去噪、图像增强等。

  ①图像去噪处理从噪声形成过程分析和实际图像观察,噪声多为分散性的白点或黑点的颗粒噪声。降噪处理通常称为平滑或滤波,其目的在于滤除干扰,突出目标特征。对滤波处理有2个要求:一是使图像清晰,二是不破坏图像中的轮廓和边缘等有用信息[13, 14]。

  ②图像增强处理X射线图像由于图像亮度不够或非线性而引起对比区不理想,因此,必须对图像进行增强。图像增强有很多种方法,针对信号很弱的情况可采用直方图均衡[16]。传统的图像预处理算法存在数据运算量大、耗时长的缺陷,因此提高实时性,改进预处理算法是关键。

  (2)缺陷特征描述

   不同的原材料种类和生产工艺产生的缺陷类型往往不同。但是缺陷的几何形状按照一定规律在平面上投影形成的图形,其特征主要表现在形状、位置、边界平直度、端部尖锐度等方面。因此就需要对工件易产生的缺陷作具体分析,归纳出常见的缺陷类型,探讨不同缺陷类型的成像特征,并对这些缺陷类型进行定性的特征描述。

  (3)缺陷提取

   准确有效地提取缺陷,是实现X射线自动检测的关键问题。目前采用的方法大致有2种:

   ①针对X射线数字图像中存在较大背景起伏的特点,先去除图像背景,再选取合适的阈值分割方法进行缺陷的提取;

   ②针对X射线数字图像对比度低的特点,先对图像进行增强处理,然后运用其他图像处理算法提取并分离出缺陷信息。由于受工件材质、结构、加工方法、加工工艺条件、环境、图像获取设备及方法等因素的影响,工件的数字图像差异较大。

  3.3缺陷评判

对X射线检测底片的传统评定方法都是人工方式来评判工件质量。这种评判方法比较简单易行,但这种方法也存在一些问题:劳动强度大、主观性强、一致性差并且易出错。目前,缺陷的自动评判系统大多是针对焊缝缺陷检测,且多为依据特征的描述型方法,适合于一般缺陷检测的计算机辅助评判技术还不成熟[18]。特别是在评判表面伪缺陷以及人工几乎难以辨认,但经反复并借助经验评判缺陷方面,其成功率很低,甚至不能评判。

4,结论

目前,除前述技术问题外,初次投资成本较高也成为制约X射线实时成像系统推广应用的重要因素。随着计算机技术、图像处理技术、电子技术的飞速发展,实现数字化、图像化、智能化、实时化的X射线实时成像系统的普及将成为X射线无损检测的必然趋势。X射线实时成像系统的硬件开发以及图像处理新技术的探索也成为将来有待研究的重要课题。

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