X射線的無損檢測技術(shu)

一 . 前言

無損檢(jian)測(ce)(ce)方(fang)法(fa)是利用(yong)聲(sheng)、光、電、熱、磁及(ji)射(she)線等與(yu)被(bei)(bei)測(ce)(ce)物(wu)質(zhi)的(de)(de)相互作用(yong)，在不破(po)壞和(he)損傷被(bei)(bei)測(ce)(ce)物(wu)質(zhi)的(de)(de)結構和(he)性能(neng)的(de)(de)前提下，檢(jian)測(ce)(ce)材料、構件(jian)或設備(bei)中存在的(de)(de)內外部缺(que)(que)陷(xian)，并能(neng)確定(ding)缺(que)(que)陷(xian)的(de)(de)大小、形狀和(he)位置(zhi)。

無損檢測(ce)(ce)的(de)技(ji)術有(you)很多，包括(kuo)：染料滲(shen)透檢測(ce)(ce)法(fa)、超(chao)聲波檢測(ce)(ce)法(fa)、強型光學檢測(ce)(ce)法(fa)、滲(shen)透檢測(ce)(ce)法(fa)﹑聲發射檢測(ce)(ce)法(fa)，以及本文介紹的(de)x射線(xian)檢測(ce)(ce)法(fa)。

X射線(xian)無損測試是(shi)(shi)工業(ye)無損檢測的(de)主要(yao)(yao)方法(fa)之一，是(shi)(shi)保證焊接質量的(de)重要(yao)(yao)技術，其檢測結果己作(zuo)為焊縫缺陷分(fen)析和質量評定的(de)重要(yao)(yao)判定依據(ju)，應(ying)用十分(fen)廣(guang)泛。膠(jiao)片(pian)(pian)照相(xiang)法(fa)是(shi)(shi)早期X射線(xian)無損測試中常用的(de)方法(fa)。X射線(xian)膠(jiao)片(pian)(pian)的(de)成像(xiang)質量較(jiao)高，能夠準確(que)地提(ti)供焊縫中缺陷真實信息，但是(shi)(shi)，該(gai)方法(fa)具有操作(zuo)過程復雜、運行成本高、結果不易存放且查詢攜帶不方便等缺點。

由于電(dian)(dian)子技術(shu)的(de)飛速發(fa)展(zhan)，一種(zhong)新(xin)型(xing)的(de)X射線(xian)(xian)(xian)無(wu)(wu)損(sun)檢測(ce)(ce)方法"X射線(xian)(xian)(xian)工(gong)(gong)(gong)(gong)業(ye)電(dian)(dian)視"已應運(yun)而生，并開始應用到(dao)焊(han)縫質量的(de)無(wu)(wu)損(sun)檢測(ce)(ce)當中(zhong)。X射線(xian)(xian)(xian)工(gong)(gong)(gong)(gong)業(ye)電(dian)(dian)視己經(jing)發(fa)展(zhan)到(dao)由工(gong)(gong)(gong)(gong)業(ye)線(xian)(xian)(xian)陣X射線(xian)(xian)(xian)相機(ji)取(qu)代原始X射線(xian)(xian)(xian)無(wu)(wu)損(sun)測(ce)(ce)試(shi)(shi)中(zhong)的(de)膠片，并用監視器<工(gong)(gong)(gong)(gong)業(ye)電(dian)(dian)視>實(shi)時顯示測(ce)(ce)試(shi)(shi)圖像，這(zhe)樣不僅(jin)可以(yi)節(jie)省(sheng)大量的(de)X射線(xian)(xian)(xian)膠片，而且(qie)還(huan)(huan)可以(yi)在線(xian)(xian)(xian)實(shi)時檢測(ce)(ce)，提高了(le)X射線(xian)(xian)(xian)無(wu)(wu)損(sun)檢測(ce)(ce)的(de)檢測(ce)(ce)效率。但現在的(de)X射線(xian)(xian)(xian)工(gong)(gong)(gong)(gong)業(ye)電(dian)(dian)視大多還(huan)(huan)都采用人工(gong)(gong)(gong)(gong)方式進行在線(xian)(xian)(xian)檢測(ce)(ce)與分析，而人工(gong)(gong)(gong)(gong)檢測(ce)(ce)本身存在幾個(ge)不可避免的(de)缺點，如主(zhu)觀(guan)標準(zhun)不一致、勞動(dong)強度大、檢測(ce)(ce)效率低(di)等等。

x射線無損測試計算(suan)(suan)機(ji)輔助(zhu)評判(pan)系統(tong)的(de)原理可(ke)(ke)以(yi)用兩(liang)個"轉換(huan)(huan)(huan)"來概(gai)述：首先X射線穿透金屬材料及焊縫區(qu)域后被(bei)圖(tu)像(xiang)增(zeng)強器(qi)所(suo)接收，圖(tu)像(xiang)增(zeng)強器(qi)把不可(ke)(ke)見的(de)X射線檢測信息(xi)(xi)轉換(huan)(huan)(huan)為(wei)可(ke)(ke)視(shi)圖(tu)像(xiang)，并(bing)被(bei)線陣X射線相機(ji)所(suo)攝取(qu)(qu)，這個過(guo)程稱為(wei)"光電轉換(huan)(huan)(huan)";就信息(xi)(xi)量(liang)(liang)的(de)性(xing)質(zhi)而言，可(ke)(ke)視(shi)圖(tu)像(xiang)是模擬(ni)量(liang)(liang)，它不能被(bei)計算(suan)(suan)機(ji)所(suo)識別，如(ru)果(guo)要輸入計算(suan)(suan)機(ji)進行(xing)處(chu)理，則需要將模擬(ni)量(liang)(liang)轉換(huan)(huan)(huan)為(wei)數字量(liang)(liang)，進行(xing)"模/數轉換(huan)(huan)(huan)"，即經(jing)過(guo)計算(suan)(suan)機(ji)處(chu)理后將可(ke)(ke)視(shi)圖(tu)像(xiang)轉換(huan)(huan)(huan)為(wei)數字圖(tu)像(xiang)。其(qi)方法是用高清晰(xi)度工業線陣X射線相機(ji)攝取(qu)(qu)可(ke)(ke)視(shi)圖(tu)像(xiang)，輸入到視(shi)頻采集卡當中，并(bing)將其(qi)轉換(huan)(huan)(huan)為(wei)數字圖(tu)像(xiang)，再經(jing)過(guo)計算(suan)(suan)機(ji)處(chu)理后，在(zai)顯(xian)示(shi)器(qi)屏幕上(shang)顯(xian)示(shi)出材料內部缺陷(xian)的(de)性(xing)質(zhi)、大小和位置等信息(xi)(xi)，再按照(zhao)有關標準對檢測結(jie)果(guo)進行(xing)等級評定，從而達到焊縫焊接質(zhi)量(liang)(liang)的(de)檢測和分(fen)析。

二 . X射線(xian)無損檢測(ce)系統結(jie)構與原理

2.1．X射線(xian)的產生

用(yong)來產生X射(she)線(xian)的(de)(de)(de)裝(zhuang)置是X射(she)線(xian)管。它由陰極、陽(yang)極和(he)真空玻(bo)璃（或金屬(shu)陶瓷）外(wai)殼(ke)組成，其簡單結(jie)構(gou)和(he)工(gong)作原理如圖1所示。陰極通(tong)以電(dian)流加熱至白熾狀態時，其陽(yang)極周圍(wei)形成電(dian)子云，當在陽(yang)極與陰極間(jian)(jian)施加高壓時，電(dian)子加速穿(chuan)過真空空間(jian)(jian)，高速運動的(de)(de)(de)電(dian)子束(shu)集中(zhong)轟擊陽(yang)極靶子的(de)(de)(de)一個面積（幾平(ping)方毫米左右(you)、稱實際焦點），電(dian)子被(bei)阻擋減速和(he)吸收，其部分動能（約(yue)1%）轉換為X射(she)線(xian)， 其余99%以上的(de)(de)(de)能量變成熱能。

圖1   X射線的產生示(shi)意圖

2.2  X射線(xian)的(de)主要(yao)性質(zhi)

（1）不可(ke)見，以光速直線傳播。

（2）具(ju)有可穿(chuan)(chuan)透(tou)可見光不能穿(chuan)(chuan)透(tou)的物質(zhi)如骨骼、金屬等的能力，并且在物質(zhi)中有衰減的特性。

（3）可以(yi)使物質電離，能(neng)使膠片感光(guang)，亦能(neng)使某些物質產生熒光(guang)。

2.3  γ射(she)線(xian)的產生及(ji)性質

γ射(she)線是由放射(she)性物質(zhi)（Co、Ir等）內(nei)部(bu)原子核(he)的衰變過程產(chan)生的。

γ射線(xian)的(de)性質(zhi)與X射線(xian)相似，由于其(qi)波(bo)長比X射線(xian)短，因而(er)射線(xian)能量(liang)高，具有更大的(de)穿透力(li)。例如，目前廣泛使用的(de)γ射線(xian)源Co，它可以檢查250mm厚(hou)的(de)銅質(zhi)工(gong)件(jian)、350mm厚(hou)的(de)鋁(lv)制工(gong)件(jian)和300mm厚(hou)的(de)鋼制工(gong)件(jian)。

2.4. 射(she)線

當射線(xian)穿透物質時，由于物質對射線(xian)有吸(xi)收和散(san)射作用，從而引起(qi)射線(xian)能量的衰減。

射線(xian)在物(wu)質中的(de)衰(shuai)減(jian)是按照射線(xian)強度(du)的(de)衰(shuai)減(jian)是呈負指數(shu)規(gui)律變(bian)化(hua)的(de)，以(yi)強度(du)為(wei)I的(de)一束平行(xing)射線(xian)束穿過厚度(du)為(wei)δ的(de)物(wu)質為(wei)例(li)，穿過物(wu)質后的(de)射線(xian)強度(du)為(wei)：

I=Ie

式中I—－射線(xian)透過厚度δ的物(wu)質(zhi)的射線(xian)強度；

I—－射(she)線的初始強(qiang)度；

e—－自然對數的底；

δ—－透(tou)過物質的(de)厚度；

μ—－衰(shuai)減系數（㎝）。

射線無損測試缺(que)陷自動(dong)檢測系統的(de)硬件組(zu)成與結構如圖1所示。系統主要由三(san)個部分(fen)組(zu)成：信號轉換部分(fen)、圖像(xiang)處理部分(fen)及缺(que)陷位置(zhi)的(de)獲(huo)取與傳(chuan)輸部分(fen)。

圖2 探(tan)測器(qi)外(wai)觀圖

圖3  檢測系統示意(yi)圖

信(xin)(xin)號(hao)轉(zhuan)換部(bu)分主(zhu)要(yao)由(you)X光(guang)光(guang)源、檢(jian)測樣(yang)(yang)品(pin)、傳送車(che)、線(xian)陣(zhen)相(xiang)機組(zu)成，信(xin)(xin)號(hao)轉(zhuan)換部(bu)分的(de)(de)(de)(de)主(zhu)要(yao)功(gong)能是(shi)完(wan)成從x射線(xian)到(dao)(dao)(dao)(dao)可見光(guang)的(de)(de)(de)(de)信(xin)(xin)息(xi)載體轉(zhuan)換以(yi)(yi)及可見光(guang)到(dao)(dao)(dao)(dao)可視圖(tu)像(xiang)的(de)(de)(de)(de)光(guang)電(dian)轉(zhuan)換。樣(yang)(yang)品(pin)首先被放(fang)置到(dao)(dao)(dao)(dao)傳送車(che)上(shang)，傳送車(che)在承載樣(yang)(yang)品(pin)前進(jin)的(de)(de)(de)(de)同(tong)時(shi)，傳送帶(dai)的(de)(de)(de)(de)旋轉(zhuan)滾輪(lun)帶(dai)動樣(yang)(yang)品(pin)前進(jin)，通過(guo)X射線(xian)檢(jian)測區域(yu)時(shi)，線(xian)陣(zhen)相(xiang)機捕捉(zhuo)到(dao)(dao)(dao)(dao)穿(chuan)透能量(liang)的(de)(de)(de)(de)變化，從而產(chan)生相(xiang)應增益信(xin)(xin)息(xi)，通過(guo)模數(shu)轉(zhuan)換，數(shu)字采集卡傳輸到(dao)(dao)(dao)(dao)電(dian)腦成像(xiang)，成像(xiang)如下圖(tu)4.  可以(yi)(yi)清晰(xi)的(de)(de)(de)(de)看到(dao)(dao)(dao)(dao)內部(bu)的(de)(de)(de)(de)缺陷信(xin)(xin)息(xi)，作為產(chan)品(pin)質量(liang)信(xin)(xin)息(xi)的(de)(de)(de)(de)中要(yao)依據。

圖4   X 射線成像信息

圖(tu)(tu)(tu)像(xiang)(xiang)處理(li)部分中(zhong)(zhong)主(zhu)(zhu)要包括監(jian)(jian)視(shi)器(qi)<工業電視(shi)>，視(shi)頻(pin)采(cai)集卡(ka)(ka)，計(ji)算(suan)(suan)(suan)機，計(ji)算(suan)(suan)(suan)機顯(xian)示器(qi)等(deng)設(she)備(bei)，圖(tu)(tu)(tu)像(xiang)(xiang)處理(li)部分的(de)(de)功能(neng)主(zhu)(zhu)要包括采(cai)集、顯(xian)示、處理(li)并存(cun)儲(chu)所(suo)采(cai)集到(dao)的(de)(de)測(ce)(ce)試(shi)圖(tu)(tu)(tu)像(xiang)(xiang)數據(ju)。由線陣X射線相機攝(she)取到(dao)的(de)(de)測(ce)(ce)試(shi)圖(tu)(tu)(tu)像(xiang)(xiang)數據(ju)<模擬數據(ju)>首先被(bei)送入(ru)監(jian)(jian)視(shi)器(qi)，并在監(jian)(jian)視(shi)器(qi)上實時(shi)顯(xian)示，同時(shi)該(gai)測(ce)(ce)試(shi)圖(tu)(tu)(tu)像(xiang)(xiang)數據(ju)被(bei)輸入(ru)到(dao)視(shi)頻(pin)采(cai)集卡(ka)(ka)當(dang)中(zhong)(zhong)，經過視(shi)頻(pin)采(cai)集卡(ka)(ka)進行采(cai)樣(yang)、量化(hua)和編碼之后(hou)(hou)將其(qi)數字(zi)(zi)化(hua)。數字(zi)(zi)化(hua)后(hou)(hou)的(de)(de)測(ce)(ce)試(shi)圖(tu)(tu)(tu)像(xiang)(xiang)同樣(yang)以幀(zhen)的(de)(de)形式送入(ru)到(dao)計(ji)算(suan)(suan)(suan)機當(dang)中(zhong)(zhong)，在計(ji)算(suan)(suan)(suan)機中(zhong)(zhong)通(tong)過下(xia)述基于(yu)模糊識(shi)別準則的(de)(de)模糊缺(que)陷檢(jian)測(ce)(ce)算(suan)(suan)(suan)法(fa)來檢(jian)測(ce)(ce)每(mei)一(yi)幀(zhen)測(ce)(ce)試(shi)圖(tu)(tu)(tu)像(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)是(shi)否存(cun)在缺(que)陷<本文將在后(hou)(hou)續詳(xiang)細介紹該(gai)模糊缺(que)陷檢(jian)測(ce)(ce)算(suan)(suan)(suan)法(fa)>，并在計(ji)算(suan)(suan)(suan)機顯(xian)示器(qi)上實時(shi)顯(xian)示檢(jian)測(ce)(ce)結果，同時(shi)將檢(jian)測(ce)(ce)結果存(cun)儲(chu)到(dao)計(ji)算(suan)(suan)(suan)機的(de)(de)存(cun)儲(chu)器(qi)當(dang)中(zhong)(zhong)，以備(bei)后(hou)(hou)續的(de)(de)查(cha)找(zhao)和驗證。

缺(que)陷位(wei)(wei)(wei)置的(de)(de)(de)獲(huo)(huo)取與傳(chuan)(chuan)(chuan)輸(shu)部分主要由AT89C2051單片(pian)機(ji)、旋轉編(bian)碼器、Max232芯片(pian)、ADAM一(yi)4520模塊(kuai)和傳(chuan)(chuan)(chuan)輸(shu)線等組(zu)成，缺(que)陷位(wei)(wei)(wei)置的(de)(de)(de)獲(huo)(huo)取與傳(chuan)(chuan)(chuan)輸(shu)部分的(de)(de)(de)主要功能是獲(huo)(huo)取并(bing)傳(chuan)(chuan)(chuan)輸(shu)缺(que)陷的(de)(de)(de)位(wei)(wei)(wei)置信(xin)(xin)(xin)息、系(xi)統利用AT89C2051單片(pian)機(ji)并(bing)通(tong)(tong)過(guo)(guo)日本歐姆龍公司生(sheng)產的(de)(de)(de)旋轉編(bian)碼器將(jiang)位(wei)(wei)(wei)移(yi)信(xin)(xin)(xin)號轉換為(wei)脈沖信(xin)(xin)(xin)號，通(tong)(tong)過(guo)(guo)脈沖信(xin)(xin)(xin)號的(de)(de)(de)個數來一(yi)記錄(lu)傳(chuan)(chuan)(chuan)送車的(de)(de)(de)位(wei)(wei)(wei)移(yi)信(xin)(xin)(xin)號，再通(tong)(tong)過(guo)(guo)串行(xing)(xing)通(tong)(tong)信(xin)(xin)(xin)接口將(jiang)位(wei)(wei)(wei)移(yi)信(xin)(xin)(xin)號傳(chuan)(chuan)(chuan)送給(gei)計算(suan)機(ji)進行(xing)(xing)處理，從而(er)確定缺(que)陷的(de)(de)(de)位(wei)(wei)(wei)置信(xin)(xin)(xin)息。

三.  缺陷檢測流程

在本(ben)文設計(ji)并實現的(de)(de)X射線無(wu)損測(ce)試缺陷(xian)自(zi)動檢(jian)測(ce)系統中，缺陷(xian)的(de)(de)自(zi)動檢(jian)測(ce)與識別部分(fen)是(shi)系統的(de)(de)核心部分(fen)，該部分(fen)的(de)(de)程序流(liu)程可分(fen)為(wei)如下幾個步驟：

1. 程(cheng)序(xu)初(chu)(chu)始(shi)化：完成程(cheng)序(xu)開始(shi)運行時，一些變(bian)量的定義和(he)賦值以(yi)及視(shi)頻采集卡的初(chu)(chu)始(shi)化工作;

2. 圖(tu)像采(cai)集(ji)和串行(xing)通信(xin)接口(kou)初(chu)始(shi)化：利用視頻采(cai)集(ji)卡采(cai)集(ji)X射(she)線測試圖(tu)像，并同時初(chu)始(shi)化串行(xing)通信(xin)接口(kou)，完(wan)成串行(xing)通信(xin)的初(chu)始(shi)連接;

3. 圖像預處理(li)和獲取位置信(xin)息(xi)(xi)：完(wan)成一(yi)些必(bi)要的(de)(de)(de)圖像預處理(li)運(yun)算(suan)，從而保(bao)證(zheng)模糊缺陷檢測算(suan)法的(de)(de)(de)有效檢測;獲取樣品(pin)前進的(de)(de)(de)位置信(xin)息(xi)(xi)，以(yi)保(bao)證(zheng)計算(suan)缺陷位置信(xin)息(xi)(xi)時使用：

4. 檢(jian)(jian)測缺(que)陷：應用模(mo)糊缺(que)陷檢(jian)(jian)測算法，檢(jian)(jian)測當前X射線測試圖像中是否有缺(que)陷存在(zai)，并在(zai)測試圖像中標記檢(jian)(jian)測到的(de)缺(que)陷;

5. 缺(que)陷(xian)的(de)識別(bie)：計(ji)算缺(que)陷(xian)的(de)一些基本(ben)信息，如(ru)：大小、個數和(he)位(wei)置等信息，并按照一定(ding)的(de)標(biao)準，對檢測(ce)到的(de)缺(que)陷(xian)進行(xing)統一的(de)識別(bie)和(he)判(pan)定(ding);

6. 缺陷是否超標(biao)：判斷(duan)缺陷是否超出(chu)(chu)標(biao)準(zhun)，如(ru)果超出(chu)(chu)標(biao)準(zhun)，則(ze)發送噴標(biao)信號(hao)，在樣品(pin)上(shang)標(biao)記超出(chu)(chu)標(biao)準(zhun)的缺陷;如(ru)果沒(mei)有缺陷超出(chu)(chu)標(biao)準(zhun)，則(ze)程序(xu)返回到(dao)初始狀態(tai)，準(zhun)備下一幀(zhen)X射線測試(shi)圖像的采集、檢(jian)測與識別。

我們后期會更新一些X射線檢測的算法(fa)，以(yi)及更多(duo)的應用介紹，請持續關(guan)注我們！

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