X射線的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)

一 . 前言

無(wú)損檢測(cè)方法是利用聲、光、電、熱、磁及射線等與被測(cè)物質(zhì)的相互作用，在不破壞和損傷被測(cè)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性能的前提下，檢測(cè)材料、構(gòu)件或設(shè)備中存在的內(nèi)外部缺陷，并能確定缺陷的大小、形狀和位置。

無(wú)損檢測(cè)的技術(shù)有很多，包括：染料滲透檢測(cè)法、超聲波檢測(cè)法、強(qiáng)型光學(xué)檢測(cè)法、滲透檢測(cè)法﹑聲發(fā)射檢測(cè)法，以及本文介紹的x射線檢測(cè)法。

X射線無(wú)損測(cè)試是工業(yè)無(wú)損檢測(cè)的主要方法之一，是保證焊接質(zhì)量的重要技術(shù)，其檢測(cè)結(jié)果己作為焊縫缺陷分析和質(zhì)量評(píng)定的重要判定依據(jù)，應(yīng)用十分廣泛。膠片照相法是早期X射線無(wú)損測(cè)試中常用的方法。X射線膠片的成像質(zhì)量較高，能夠準(zhǔn)確地提供焊縫中缺陷真實(shí)信息，但是，該方法具有操作過程復(fù)雜、運(yùn)行成本高、結(jié)果不易存放且查詢攜帶不方便等缺點(diǎn)。

由于電子技術(shù)的飛速發(fā)展，一種新型的X射線無(wú)損檢測(cè)方法"X射線工業(yè)電視"已應(yīng)運(yùn)而生，并開始應(yīng)用到焊縫質(zhì)量的無(wú)損檢測(cè)當(dāng)中。X射線工業(yè)電視己經(jīng)發(fā)展到由工業(yè)線陣X射線相機(jī)取代原始X射線無(wú)損測(cè)試中的膠片，并用監(jiān)視器<工業(yè)電視>實(shí)時(shí)顯示測(cè)試圖像，這樣不僅可以節(jié)省大量的X射線膠片，而且還可以在線實(shí)時(shí)檢測(cè)，提高了X射線無(wú)損檢測(cè)的檢測(cè)效率。但現(xiàn)在的X射線工業(yè)電視大多還都采用人工方式進(jìn)行在線檢測(cè)與分析，而人工檢測(cè)本身存在幾個(gè)不可避免的缺點(diǎn)，如主觀標(biāo)準(zhǔn)不一致、勞動(dòng)強(qiáng)度大、檢測(cè)效率低等等。

x射線無(wú)損測(cè)試計(jì)算機(jī)輔助評(píng)判系統(tǒng)的原理可以用兩個(gè)"轉(zhuǎn)換"來(lái)概述：首先X射線穿透金屬材料及焊縫區(qū)域后被圖像增強(qiáng)器所接收，圖像增強(qiáng)器把不可見的X射線檢測(cè)信息轉(zhuǎn)換為可視圖像，并被線陣X射線相機(jī)所攝取，這個(gè)過程稱為"光電轉(zhuǎn)換";就信息量的性質(zhì)而言，可視圖像是模擬量，它不能被計(jì)算機(jī)所識(shí)別，如果要輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，則需要將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，進(jìn)行"模/數(shù)轉(zhuǎn)換"，即經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理后將可視圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像。其方法是用高清晰度工業(yè)線陣X射線相機(jī)攝取可視圖像，輸入到視頻采集卡當(dāng)中，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像，再經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理后，在顯示器屏幕上顯示出材料內(nèi)部缺陷的性質(zhì)、大小和位置等信息，再按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行等級(jí)評(píng)定，從而達(dá)到焊縫焊接質(zhì)量的檢測(cè)和分析。

二 . X射線無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

2.1．X射線的產(chǎn)生

用來(lái)產(chǎn)生X射線的裝置是X射線管。它由陰極、陽(yáng)極和真空玻璃（或金屬陶瓷）外殼組成，其簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)和工作原理如圖1所示。陰極通以電流加熱至白熾狀態(tài)時(shí)，其陽(yáng)極周圍形成電子云，當(dāng)在陽(yáng)極與陰極間施加高壓時(shí)，電子加速穿過真空空間，高速運(yùn)動(dòng)的電子束集中轟擊陽(yáng)極靶子的一個(gè)面積（幾平方毫米左右、稱實(shí)際焦點(diǎn)），電子被阻擋減速和吸收，其部分動(dòng)能（約1%）轉(zhuǎn)換為X射線， 其余99%以上的能量變成熱能。

圖1   X射線的產(chǎn)生示意圖

2.2  X射線的主要性質(zhì)

（1）不可見，以光速直線傳播。

（2）具有可穿透可見光不能穿透的物質(zhì)如骨骼、金屬等的能力，并且在物質(zhì)中有衰減的特性。

（3）可以使物質(zhì)電離，能使膠片感光，亦能使某些物質(zhì)產(chǎn)生熒光。

2.3  γ射線的產(chǎn)生及性質(zhì)

γ射線是由放射性物質(zhì)（Co、Ir等）內(nèi)部原子核的衰變過程產(chǎn)生的。

γ射線的性質(zhì)與X射線相似，由于其波長(zhǎng)比X射線短，因而射線能量高，具有更大的穿透力。例如，目前廣泛使用的γ射線源Co，它可以檢查250mm厚的銅質(zhì)工件、350mm厚的鋁制工件和300mm厚的鋼制工件。

2.4. 射線

當(dāng)射線穿透物質(zhì)時(shí)，由于物質(zhì)對(duì)射線有吸收和散射作用，從而引起射線能量的衰減。

射線在物質(zhì)中的衰減是按照射線強(qiáng)度的衰減是呈負(fù)指數(shù)規(guī)律變化的，以強(qiáng)度為I的一束平行射線束穿過厚度為δ的物質(zhì)為例，穿過物質(zhì)后的射線強(qiáng)度為：

I=Ie

式中I—－射線透過厚度δ的物質(zhì)的射線強(qiáng)度；

I—－射線的初始強(qiáng)度；

e—－自然對(duì)數(shù)的底；

δ—－透過物質(zhì)的厚度；

μ—－衰減系數(shù)（㎝）。

射線無(wú)損測(cè)試缺陷自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的硬件組成與結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)主要由三個(gè)部分組成：信號(hào)轉(zhuǎn)換部分、圖像處理部分及缺陷位置的獲取與傳輸部分。

圖2 探測(cè)器外觀圖

圖3  檢測(cè)系統(tǒng)示意圖

信號(hào)轉(zhuǎn)換部分主要由X光光源、檢測(cè)樣品、傳送車、線陣相機(jī)組成，信號(hào)轉(zhuǎn)換部分的主要功能是完成從x射線到可見光的信息載體轉(zhuǎn)換以及可見光到可視圖像的光電轉(zhuǎn)換。樣品首先被放置到傳送車上，傳送車在承載樣品前進(jìn)的同時(shí)，傳送帶的旋轉(zhuǎn)滾輪帶動(dòng)樣品前進(jìn)，通過X射線檢測(cè)區(qū)域時(shí)，線陣相機(jī)捕捉到穿透能量的變化，從而產(chǎn)生相應(yīng)增益信息，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換，數(shù)字采集卡傳輸?shù)诫娔X成像，成像如下圖4.  可以清晰的看到內(nèi)部的缺陷信息，作為產(chǎn)品質(zhì)量信息的中要依據(jù)。

圖4   X 射線成像信息

圖像處理部分中主要包括監(jiān)視器<工業(yè)電視>，視頻采集卡，計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)顯示器等設(shè)備，圖像處理部分的功能主要包括采集、顯示、處理并存儲(chǔ)所采集到的測(cè)試圖像數(shù)據(jù)。由線陣X射線相機(jī)攝取到的測(cè)試圖像數(shù)據(jù)<模擬數(shù)據(jù)>首先被送入監(jiān)視器，并在監(jiān)視器上實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)該測(cè)試圖像數(shù)據(jù)被輸入到視頻采集卡當(dāng)中，經(jīng)過視頻采集卡進(jìn)行采樣、量化和編碼之后將其數(shù)字化。數(shù)字化后的測(cè)試圖像同樣以幀的形式送入到計(jì)算機(jī)當(dāng)中，在計(jì)算機(jī)中通過下述基于模糊識(shí)別準(zhǔn)則的模糊缺陷檢測(cè)算法來(lái)檢測(cè)每一幀測(cè)試圖像中是否存在缺陷<本文將在后續(xù)詳細(xì)介紹該模糊缺陷檢測(cè)算法>，并在計(jì)算機(jī)顯示器上實(shí)時(shí)顯示檢測(cè)結(jié)果，同時(shí)將檢測(cè)結(jié)果存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器當(dāng)中，以備后續(xù)的查找和驗(yàn)證。

缺陷位置的獲取與傳輸部分主要由AT89C2051單片機(jī)、旋轉(zhuǎn)編碼器、Max232芯片、ADAM一4520模塊和傳輸線等組成，缺陷位置的獲取與傳輸部分的主要功能是獲取并傳輸缺陷的位置信息、系統(tǒng)利用AT89C2051單片機(jī)并通過日本歐姆龍公司生產(chǎn)的旋轉(zhuǎn)編碼器將位移信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)，通過脈沖信號(hào)的個(gè)數(shù)來(lái)一記錄傳送車的位移信號(hào)，再通過串行通信接口將位移信號(hào)傳送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，從而確定缺陷的位置信息。

三.  缺陷檢測(cè)流程

在本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的X射線無(wú)損測(cè)試缺陷自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中，缺陷的自動(dòng)檢測(cè)與識(shí)別部分是系統(tǒng)的核心部分，該部分的程序流程可分為如下幾個(gè)步驟：

1. 程序初始化：完成程序開始運(yùn)行時(shí)，一些變量的定義和賦值以及視頻采集卡的初始化工作;

2. 圖像采集和串行通信接口初始化：利用視頻采集卡采集X射線測(cè)試圖像，并同時(shí)初始化串行通信接口，完成串行通信的初始連接;

3. 圖像預(yù)處理和獲取位置信息：完成一些必要的圖像預(yù)處理運(yùn)算，從而保證模糊缺陷檢測(cè)算法的有效檢測(cè);獲取樣品前進(jìn)的位置信息，以保證計(jì)算缺陷位置信息時(shí)使用：

4. 檢測(cè)缺陷：應(yīng)用模糊缺陷檢測(cè)算法，檢測(cè)當(dāng)前X射線測(cè)試圖像中是否有缺陷存在，并在測(cè)試圖像中標(biāo)記檢測(cè)到的缺陷;

5. 缺陷的識(shí)別：計(jì)算缺陷的一些基本信息，如：大小、個(gè)數(shù)和位置等信息，并按照一定的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)檢測(cè)到的缺陷進(jìn)行統(tǒng)一的識(shí)別和判定;

6. 缺陷是否超標(biāo)：判斷缺陷是否超出標(biāo)準(zhǔn)，如果超出標(biāo)準(zhǔn)，則發(fā)送噴標(biāo)信號(hào)，在樣品上標(biāo)記超出標(biāo)準(zhǔn)的缺陷;如果沒有缺陷超出標(biāo)準(zhǔn)，則程序返回到初始狀態(tài)，準(zhǔn)備下一幀X射線測(cè)試圖像的采集、檢測(cè)與識(shí)別。

我們后期會(huì)更新一些X射線檢測(cè)的算法，以及更多的應(yīng)用介紹，請(qǐng)持續(xù)關(guān)注我們！

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