無損檢測之Ｘ射線檢測實(shí)時(shí)成像技術(shù)分辨率

X射線實(shí)時(shí)成像檢測技術(shù)作為一種新興的無損檢測技術(shù)，已進(jìn)入工業(yè)產(chǎn)品檢測的實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域。與其他檢測技術(shù)一樣，X射線實(shí)時(shí)成像檢測技術(shù)需要一套設(shè)備(硬件與軟件)作為支撐，構(gòu)成一個(gè)完整的檢測系統(tǒng)，簡稱X射線實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)。X射線實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)使用X射線機(jī)或加速器等作為射線源，X射線透過后被檢測物體后衰減，由射線接收/轉(zhuǎn)換裝置接收并轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)，利用半導(dǎo)體傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)和信息處理技術(shù)，將檢測圖像直接顯示在顯示器屏幕上，應(yīng)用計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行評(píng)定，然后將圖像數(shù)據(jù)保存到儲(chǔ)存介質(zhì)上。X射線實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)可用金屬焊縫、金屬或非金屬器件的無損檢測。

2 X射線實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)的基本配置及影響因素

X射線實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)主要由X射線機(jī)、X射線接收轉(zhuǎn)換裝置、數(shù)字圖像處理單元、圖像顯示單元、圖像儲(chǔ)存單元及檢測工裝等組成。

2.1 X射線機(jī)

根據(jù)被檢測工件的材質(zhì)和厚度范圍選擇X射線機(jī)的能量范圍，并應(yīng)留有一定的的能量儲(chǔ)備。對(duì)于要求連續(xù)檢測的作業(yè)方式，宜選擇直流恒壓強(qiáng)制冷卻X射線機(jī)。X射線管的焦點(diǎn)尺寸對(duì)檢測圖像質(zhì)量有較大的影響，小焦點(diǎn)能夠提高系統(tǒng)分辨率，因此，應(yīng)盡可能選用小焦點(diǎn)X射線管。

目前探傷機(jī)廠能夠提供的小焦點(diǎn)X射線探傷機(jī)是：160 kV恒壓式X射線系統(tǒng)，焦點(diǎn)尺寸≤ 0.4mm×0.4mm;225 kV恒壓式X射線系統(tǒng)，焦點(diǎn)尺寸≤0.8mm×0.8mm;320 kV恒壓式X射線系統(tǒng)，焦點(diǎn)尺寸≤1.2mm×1.2mm;450 kV恒壓式X射線系統(tǒng)，焦點(diǎn)尺寸≤1.8mm×1.8mm。對(duì)焦點(diǎn)的要求也不宜過小，如果焦點(diǎn)過小且冷卻不好，焦點(diǎn)容易"燒壞"。

2.2 X射線接收轉(zhuǎn)換裝置

X射線接收轉(zhuǎn)換裝置的作用是將不可見的X光轉(zhuǎn)換為可見光，它可以是圖像增強(qiáng)器或成像面板或者線性掃描器等射線敏感器件。X射線接收轉(zhuǎn)換裝置的分辨率應(yīng)不小于3.0LP/mm。

X射線接收轉(zhuǎn)換裝置子系統(tǒng)又稱為圖像成像系統(tǒng)，按目前成像的技術(shù)水平可分為兩種。一種是以圖像增強(qiáng)器為主的傳統(tǒng)成像器系統(tǒng)。圖像增強(qiáng)器為一種真空管，射線輸入屏由較薄的鋁或鈦材料制成，屏的基層涂有鈉(Na)-碘化銫(CsI)作為輸入閃爍體(CsI∶Na)，它能夠?qū)⒉豢晒獾腦光圖像轉(zhuǎn)換為可見光圖像，再經(jīng)過光電陰極板的作用將可見光圖像轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電子束，電子束在高電壓作用下加速并聚焦于熒光輸出屏(ZnCdS：Ag閃爍體材料)，從而形成可視的檢測圖像。在輸出屏后端配有聚焦光學(xué)鏡頭和CCD(charge-coupled device電荷耦合器件)攝像機(jī)，將可視圖像的模擬信號(hào)采集輸入圖像采集卡進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，再輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像處理。當(dāng)前可供選用的圖像增強(qiáng)器按輸入屏直徑有Φ225mm(9″)、Φ150mm(6″)、Φ100mm(4″) 三種;Φ225mm(9″)圖像增強(qiáng)器直徑較大，視野寬闊，一次檢測長度較大，但清晰度較低，價(jià)格較高;Φ100mm(4″)圖像增強(qiáng)器直徑較小，重量較輕，便于攜帶式作業(yè)，且清晰度較高，但視野較狹小，一次檢測長度較小，工效較低;通常以選擇Φ150mm(6″)圖像增強(qiáng)器為宜。常用的CCD攝像機(jī)有晶片為1/2″、分辨率為 752×582線和晶片為1/3″、分辨率可達(dá)到1000×752線的CCD攝像機(jī)，目前更高清晰度的CCD攝像也已新近上市。

另一種是基于線陣掃描探測器(LDA-linear diode arrays 線陣探測器)的成像系統(tǒng)，LDA含有大量的電子元件和成像點(diǎn)，主要由發(fā)光晶體、光電二極管陳列，前端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成，X射線閃爍體材料(常用晶體有基于磷屏的釔、GdWO4和CsI)能夠?qū)射線轉(zhuǎn)換為可見光，晶體安裝在眾多的光電二極管表面并按一定規(guī)則排列成為光電二極管陣列(大規(guī)型集成電路)，按掃描方式分為線掃描(線陣列)和面掃描(面陣列)。面陣探測器價(jià)格昂貴，目前多采用線陳列探測器。線陣掃描探測器LDA成像系統(tǒng)按照結(jié)合方式又分為兩種，一種是LDA成像系統(tǒng)直接與圖像采集要卡相結(jié)合，LDA成像系統(tǒng)采集的模擬圖像送到采集卡進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換，再經(jīng)計(jì)算機(jī)圖像處理，其工作原理基本與圖像增強(qiáng)器相同，但LDA成像系統(tǒng)的分辨率比起圖像增強(qiáng)器成像系統(tǒng)的分辨率有較大的提高。另一種是LDA成像系統(tǒng)與CMOD(complementary metal -oxide-semiconductor (transistor)，互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(晶體管))傳感器相結(jié)合，一步完成射線光電轉(zhuǎn)換、數(shù)字采集的全過程， 這種成像系統(tǒng)稱為LDA-CMOS射線數(shù)字直接成像系統(tǒng)。LDA-CMOS射線數(shù)字直接成像系統(tǒng)目前在各種成像系統(tǒng)中處于先進(jìn)水平。LDA-CMOS射線-數(shù)字直接成像系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換方式大大減少了信號(hào)長距離傳輸和轉(zhuǎn)換過程的信號(hào)干擾，且光電陣列像素尺寸很小，因此，空間分辨率得到很大的提高。

線陣探測器-CMOS射線直接數(shù)字成像系統(tǒng)的造價(jià)比圖像增強(qiáng)器成像系統(tǒng)要高出許多，基于價(jià)格因素的考慮，對(duì)于普通產(chǎn)品的X射線實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)多采用圖像增強(qiáng)器成像系統(tǒng)，而對(duì)于要求較高的產(chǎn)品可采用線陣探測器-CMOS射線直接數(shù)字成像系統(tǒng)。如采用線陣探測器-CMOS射線直接數(shù)字成像系統(tǒng)，X 射線機(jī)可不受小焦點(diǎn)的限制，X 射線機(jī)的造價(jià)相對(duì)較低。因?yàn)槭蔷€掃描，像素是逐線掃描成像，幾乎不存在幾何不清晰度，因此，圖像清晰度大大提高;但是，由于逐線掃描，成像檢測速度較慢。現(xiàn)在國外有一種面陣列成像板，既可大大提高圖像的清晰和又能提高檢測速度，但價(jià)格昂貴，現(xiàn)多用海關(guān)集裝箱高能射線檢測裝置。

2.3 圖像處理單元

圖像處理單元應(yīng)具有圖像數(shù)據(jù)采集和處理功能。 圖像數(shù)據(jù)采集方式可以是圖像采集卡或其它數(shù)字圖像合成裝置。圖像采集分辨率應(yīng)不低于768×576像素，且保證水平方向分辨率與垂直方向分辨率之比為4∶3;動(dòng)態(tài)范圍即灰度等級(jí)應(yīng)不小于256 級(jí)。

圖像采集卡安裝在計(jì)算機(jī)中，主要作用是進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將成像系統(tǒng)采集來的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為能被計(jì)算機(jī)識(shí)別的數(shù)字信號(hào)成為數(shù)字圖像。常用圖像采集卡的采集分辨率多為768×576像素，動(dòng)態(tài)范圍為8bit=256灰度級(jí)，隨著技術(shù)的發(fā)展，目前已有高分辨的圖像采集分辨率可達(dá)到1k×1K，動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)到12bit=4096灰度級(jí)。如選用高分辨率的圖像采集卡，能大大提高系統(tǒng)分辨系率，但價(jià)格較高。通常隨卡提供成像軟件。

2.4 圖像處理軟件

圖像處理軟件應(yīng)具有降噪、亮度對(duì)比度增強(qiáng)、邊緣增強(qiáng)等基本功能。圖像處理軟件應(yīng)能適應(yīng)相應(yīng)檢測產(chǎn)品所規(guī)定的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，具有圖像幾何尺寸標(biāo)定和測量以及缺陷定位功能;在檢測圖像中標(biāo)定的缺陷位置與實(shí)際位置誤差應(yīng)≤2mm，單個(gè)缺陷的測量精度為±0.5mm。

圖像處理軟件基本上需要兩種，一種是控制軟件，其功能是通過數(shù)據(jù)總線發(fā)送命令來控制成像系統(tǒng)，這些命令包括工件動(dòng)作指令、成像裝置的校準(zhǔn)、從采集卡得到圖像、圖像平面尺寸校定、圖像實(shí)時(shí)采集、圖像的同步處理和圖像儲(chǔ)存等。根據(jù)視頻技術(shù)理論，圖像采集速度達(dá)到25幀/秒即視為實(shí)時(shí)成像。如果對(duì)工件只進(jìn)行普查，則可不起用圖像采集等指令。另一種是成像軟件，其功能是在計(jì)算機(jī)上顯示圖像，按所檢測工件的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行缺陷等級(jí)評(píng)定，同時(shí)生成工件檢測數(shù)據(jù)庫文件，輸出評(píng)定報(bào)告，再將檢測圖像和數(shù)據(jù)庫文件同時(shí)保存到光盤等儲(chǔ)存介質(zhì)中去。 如果檢測圖像的采集分辨率很高，采集的動(dòng)態(tài)范圍很大，則圖像的數(shù)據(jù)容量很大，因此，成像軟件還應(yīng)具有數(shù)據(jù)壓縮功能，由于檢測圖像是重要的技術(shù)資料，應(yīng)采取無損壓縮，并應(yīng)具有良好的解壓和回放再現(xiàn)功能。圖像處理軟件通常由X射線實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)研制單位提供給使用單位，有條件的使用單位也可以自行開發(fā)圖像處理軟件。

2.5 圖像顯示單元

圖像顯示采取黑白方式顯示圖像，顯示器點(diǎn)距不大于0.26mm，顯示器應(yīng)為逐行掃描，刷新頻率不小于85Hz，圖像評(píng)定可選用17~19″顯示器，使觀察者的視野感到更舒適。

2.6 圖像儲(chǔ)存單元

檢測圖像可儲(chǔ)存在數(shù)字光盤等介質(zhì)中，儲(chǔ)存的數(shù)字圖像和有效信息不可修改和刪除，保留的數(shù)字圖像還應(yīng)包含有原始的采集數(shù)據(jù)。對(duì)于要求保存3~30年的重要檢測技術(shù)資料，應(yīng)選擇CD-R一次性光盤，(CD-R光盤的保存期可達(dá)50年)，不能選擇CD-RW可擦寫光盤。