無損檢測中X射線在線檢測實時成像系統的研究

無損檢測中X射線在線檢測實時成像系統的研究

X射線膠片照相法以其直觀、可靠、靈敏度和分辨力高等優點在現代工業產品檢測中占有重要的位置。但是這種方法存在拍片工序多、運行成本高、結果不易保存、評片結果易受人為因素的影響等缺點。隨著圖象增強器的出現和計算機技術的發展, X射線實時成像系統越來越廣泛應用于X線探傷領域,并在軍工、石油、化工、耐火材料、鋼管、鍋爐、汽車、壓力容器、航空、航天等行業得到推廣應用[1]。


1X射線實時成像原理

X射線實時成像系統組成如圖1所示,射線源(X射線機或加速器)發射的X射線透照被檢測物體后衰減,被1個包括集光學鏡頭、攝像機和圖像采集卡(俗稱數碼卡)所構成的圖像采集器所接收,并轉換成模擬信號或數字信號,利用半導體傳感技術、計算機圖像處理技術和信息處理技術,將檢測圖像還原在顯示器上,再應用計算機程序對檢測結果進行缺陷等級評定,最后將圖像數據保存到儲存介質上。

相對于傳統X射線照相底片法, X射線實時成像系統具有以下特點：

(1)易于圖像存儲

傳統膠片保存、管理、查詢需要花費大量的人力、物力及時間,另外膠片會隨保存時間的增加而逐漸變質,使影像質量下降。X射線實時成像系統生成數字圖像,可利用計算機的海量存儲,以數字化的電子方式進行管理,將不再需要龐大而難于保管的底片庫[2]。

(2)便于圖像處理

傳統X射線成像所得的圖像不能進行成像后處理。若圖像質量由于各種原因達不到評判要求,則只能重復檢測。而數字化成像則可進行邊緣增強、灰階變換等后處理以滿足技術要求[3]。

(3)可實現網絡化操作

X射線實時成像系統擺脫了對傳統硬拷貝技術的依賴,利用方便快捷的網絡傳輸,可實現遠程集中評片,有效杜絕人為因素的影響。

(4)降低對人體的損傷

傳統X射線照相底片法中,拍片時必須離開現場,或增加隔離輻射的設施,以避免射線輻射對人體的傷害。X射線實時成像系統可將現場圖像傳送到安全區域進行觀測,既可使檢測人員離開現場,減少輻射傷害,又可通過計算機進行圖像計算、處理、存儲和傳輸。

(5)環保

X射線實時成像系統由于不再使用傳統膠片,消除了膠片沖洗中工業重金屬的污染與有害廢水的產生,有利于環境保護[4]。

2X射線實時成像系統的發展歷程及現狀

20世紀初期, X射線首先被應用于鍋爐檢測,由射線源發射的X射線穿過物體,由膠片或熒光屏接收。20世紀70年代末, X射線電視成像技術逐漸走向工業應用,系統的核心部件是X射線圖像增強器、電視攝像機和圖像顯示器。圖像增強器的功能主要是完成從X射線到可見光的轉換和亮度增強。X射線電視成像系統可直接觀察或通過高質量的TV或CCD攝像機觀察。但由于原始圖像是在多晶體轉換屏上形成的,對裂紋類平面狀缺陷的檢出能力存在著靈敏度差、清晰度較低的缺點,成像質量遠低于膠片法。從20世紀80年代后期開始,射線檢測引入了計算機化的X射線技術(CR),才真正實現了自動化檢驗、缺陷識別、存儲、圖像評判與解釋。CR使無膠片X射線技術前進了一大步,但仍未實現實時成像。在20世紀90年代后期,出現了數字平板技術(DR)。通過面板探測器將提取的X射線轉化成為數字圖像,實現了圖像的實時采集[5-7]。

近年來,國內外對X射線實時成像系統的研究都給予了足夠的重視。1986年,《British JournalofNDT》刊登了國際焊接學會有關焊接的X射線實時圖像檢測的進展報告。1988年以來,美國國防科技情報中心和國家航空航天局發布了一系列研究報告,其中就指出“射線檢測成像及微小缺陷檢測等新方法新技術研究”是將來的研究重點。

美國機械工程學會、日本工業標準調查會、歐洲標準化委員會無損檢測分會、國際標準化協會分別發布了關于射線實時成像的行業標準,即美國ASME、歐洲EN、ISO及日本JIS,并在不斷更新。美國GE檢測科技推出了DP 435 Vario (P)型實時成像射線檢測系統以及GE數字化X射線系統,前者圖像系統主要是1臺配有大動態范圍的CCD像機的高分辨率X射線圖像增強器,后者采用攝影速度快捷、動態范圍大的GE高性能平板(實時成像探測器),可采用很低的射線劑量(高DQE)獲得較好的圖像質量,具有曝光快速、電子噪聲低、對比度高等優點,主要應用航空航天、汽車、電力、石化、鑄造等行業。

我國氣瓶制造行業從20世紀70年代開始引入圖像增強器射線實時成像檢驗系統,并在輪胎、鑄造汽車輪轂、蒸汽鍋爐過熱器等的小管徑對接焊縫檢驗得到廣泛應用。為了適應行業發展的需要, 1999年國家標準化委員會發布了GB 17925—1999《氣瓶對接焊縫X射線數字成像檢測》; 2003國家標準化委員會發布了GB/T 19293—2003《對接焊縫X射線數字成像檢測法》。2005年國防科學技術工業委員會發布國家軍用標準GJB 5346-2005《射線實時成像檢測方法》,是關于射線實時成像檢測的通用方法標準。丹東奧龍射線儀器有限公司研制了X射線實時成像檢測系統,該系統實現了動態實時成像,具有圖像質量高,運行速度快,動靜態降噪等特點,并在航空航天等領域得到應用。但系統的關鍵部件如圖像增強器、線掃描成像器、面陣成像器等均為進口,系統整體性能與國外有較大的差距[10]。

3X射線實時成像系統研究中的關鍵技術

從現有裝備來看, X射線實時成像系統在獲得的圖像質量、靈敏度、操作速度、設備費用及可靠性等方面還不能完全取代膠片射線照相[11]。

3·1圖像獲取

與膠片照相法相比, X射線實時成像系統為了將X射線透視圖像轉換為數字化圖像需要經過多次光電和電光轉換[12],而每一次轉換都會引入新的噪聲,從而使最后獲得的圖像信噪比降低,圖像容易產生畸變,故成像質量相對較低,檢測結果的圖像對比度和空間分辨率均不是很高,影響了根據射線圖像對被檢測構件進行分析和評價的效果。因此研制檢測效率高、系統噪聲小、靈敏度和分辨率高、動態范圍及成像面積較大的平板探測器成為獲取高質量圖像的關鍵因素之一。

3·2圖像處理

獲取高質量圖像,為后續準確可靠地識別被檢工件內部缺陷及計算機自動評片提供支持,除與原始獲取圖像質量有關外,還取決于圖像的后期處理。

(1)圖像預處理

X射線實時成像法獲得的圖像具有灰度區間比較窄、缺陷邊緣模糊、圖像噪聲多、缺陷特征有時被淹沒等特點,不便于進行直接處理。為了正確無誤地抽取缺陷特征,需要對圖像進行適當的預處理,主要包括:灰度變換、圖像去噪、圖像增強等。

①圖像去噪處理從噪聲形成過程分析和實際圖像觀察,噪聲多為分散性的白點或黑點的顆粒噪聲。降噪處理通常稱為平滑或濾波,其目的在于濾除干擾,突出目標特征。對濾波處理有2個要求:一是使圖像清晰,二是不破壞圖像中的輪廓和邊緣等有用信息[13, 14]。

②圖像增強處理X射線圖像由于圖像亮度不夠或非線性而引起對比區不理想,因此,必須對圖像進行增強。圖像增強有很多種方法,針對信號很弱的情況可采用直方圖均衡[16]。傳統的圖像預處理算法存在數據運算量大、耗時長的缺陷,因此提高實時性,改進預處理算法是關鍵。

(2)缺陷特征描述

不同的原材料種類和生產工藝產生的缺陷類型往往不同。但是缺陷的幾何形狀按照一定規律在平面上投影形成的圖形,其特征主要表現在形狀、位置、邊界平直度、端部尖銳度等方面。因此就需要對工件易產生的缺陷作具體分析,歸納出常見的缺陷類型,探討不同缺陷類型的成像特征,并對這些缺陷類型進行定性的特征描述。

(3)缺陷提取

準確有效地提取缺陷,是實現X射線自動檢測的關鍵問題。目前采用的方法大致有2種:

①針對X射線數字圖像中存在較大背景起伏的特點,先去除圖像背景,再選取合適的閾值分割方法進行缺陷的提取;②針對X射線數字圖像對比度低的特點,先對圖像進行增強處理,然后運用其他圖像處理算法提取并分離出缺陷信息。由于受工件材質、結構、加工方法、加工工藝條件、環境、圖像獲取設備及方法等因素的影響,工件的數字圖像差異較大。目前還沒有一套普適性的圖像處理算法能夠對具有不同特點的各種工件數字圖像作缺陷提取[17]。

3·3缺陷評判

對X射線檢測底片的傳統評定方法都是人工方式來評判工件質量。這種評判方法比較簡單易行,但這種方法也存在一些問題:勞動強度大、主觀性強、一致性差并且易出錯。目前,缺陷的自動評判系統大多是針對焊縫缺陷檢測,且多為依據特征的描述型方法,適合于一般缺陷檢測的計算機輔助評判技術還不成熟[18]。特別是在評判表面偽缺陷以及人工幾乎難以辨認,但經反復并借助經驗評判缺陷方面,其成功率很低,甚至不能評判。

4結論

目前,除前述技術問題外,初次投資成本較高也成為制約X射線實時成像系統推廣應用的重要因素。隨著計算機技術、圖像處理技術、電子技術的飛速發展,實現數字化、圖像化、智能化、實時化的X射線實時成像系統的普及將成為X射線無損檢測的必然趨勢。X射線實時成像系統的硬件開發以及圖像處理新技術的探索也成為將來有待研究的重要課題。