射線檢測中的設計應用

     以CS探測器為記錄介質的數字化射線檢測技術，檢測精度高、溫度適應性好、結構適應性強。CMOS射線掃描探測器探測單元排成線陣列，需要在檢測時進行相對掃描運動，逐線采集并拼成完整的透照投影圖像。介紹了檢測工裝設計，完成了探測器的固定、位置調節及實現與檢測工件的相對運動。介紹了檢測應用中的探測器配置與校準、透照方式選取、運動速度控制、檢測參數優化、缺陷定量分析和圖像存檔管理等。應用結果表明，經過工藝優化，CMOS探測器能夠實現大多數產品零部件的射線檢測。最后分析了應用中存在的問題及后續研究方向。

1 CMOS探測器簡介

　　射線檢測技術利用X射線探測材料內部的不連續性，并在記錄介質上顯示出圖像。隨著技術的不斷進步，射線檢測從傳統的以膠片為記錄介質的照相方法不斷擴展，形成了多種數字化射線檢測手段，如底片的數字化處理技術(Film Digitisation)、射線實時成像技術(Radioscopy)、計算機射線成像系統(Computed Radiography)和射線數字直接成像檢測技術(Direct Radiography)等[1]。實際應用中需要根據檢測要求的分辨率和相對靈敏度選用合適的方法。相對于其它射線記錄介質(如CCD、多晶硅等)，CMOS(互補的金屬氧化硅)技術更具有性能優勢。目前，CMOS探測器的最小像素尺寸可達39μm，檢測精度較高，溫度適應性好，結構適應性強。

　　較之龐大的增強器成像系統，CMOS射線掃描探測器(圖1)結構小巧，內部芯片集成度高。較之CCD成像方式，CMOS的每個探測點都有自己的放大器進行單獨配置。CMOS在其內部通過轉換屏將接收到的射線轉換為光線，直接與轉換屏接觸的探測點單元將光線轉換為電子，每個探測點單元有自己的放大器將電信號放大，最后在探測器內對信號進行A/D轉換，形成二進制編碼傳送到計算機。CMOS主要適用于20～320 kV射線能量，80/μm的空間分辨率，無幾何放大情況下檢測分辨率為6 lp/mm，檢測圖像達到4096級灰度。

CMOS探測器的檢測應用

2.1 檢測流程

　　由于CMOS射線探測單元排成線陣列，靜止狀態下只能得到射線透過被檢物體而形成的投影圖像中的一條線。為獲取被檢測物體的圖像，需要進行相對掃描運動，逐線采集并拼成完整的投影圖像。獲取檢測圖像時要求射線能量波動盡可能小且可長時間連續工作，因此筆者采用恒壓式射線源(YX—LON MG325，更大電壓320 kV，大焦點3.0 mm，小焦點2.O mm)。采用CMOS線性X射線掃描探測器進行射線檢測的流程為：探測器配置及校準一確定透照方式，調節位置參數一相對運動，獲取掃描圖像一圖像處理，缺陷分析。

2.2 檢測工裝設計

　　探測器的成像單元(線陣列)需要與射線束中心線良好匹配，不能出現相對位置傾斜和偏移等現象。因此，需設計合適的成像工裝，以完成探測器的固定、位置調節及實現與檢測工件的相對運動。工裝要能方便地移入移出(筒形工件)，應具有一定的靈活性和較大的適應性(檢測不同類型工件)。

　　本著簡便、實用的原則，在已有射線實時成像系統基礎上進行檢測工裝設計，即檢測時將檢測工件放在載物臺上，可實現左右平移、繞垂直軸旋轉等運動;探測器通過工裝固定于射線實時成像系統增強器運動軸上，可實現垂直升降和前后平動。另外，探測器還可實現一定角度的旋轉調節。通過與實時成像檢測系統的有機結合，可實現多種類型工件的射線檢測。此外，應用時對于工件還要設計固定定位工裝。

2.3 探測器配置與校準

　　使用探測器時需指定成像器類型參數(長度和可承受電壓等)，以便確定出可用的最小積分時間。在探測器正常工作前，必須對其進行配置與校準，以便在一定的成像條件下，使所有探測單元的偏置輸出及增益輸出達到一致。

　　對于新的檢測對象，首先配置好采集圖像相關的參數(積分時間、掃描精度以及是否迭加平均)，然后開始進行探測器校準。校準時還要考慮焦距及物距的影響。一般校準時需進行三個步驟：①關閉射線源，探測器進行偏置校準。②開啟射線源，調節到檢測需使用的電流電壓值，使探測器的線陣列輸出信號達到更大但未出現飽和為止。③調節射線能量，使線陣列輸出信號降低為更大信號的一半。校準的結果以文件形式存儲，可供以后的檢測調用。但調用后若再更改其中的校準參數，則需重新校準后才能進行檢測。

　　對于大多數檢測對象，在實際檢測時應用的電流、電壓值較高，在進行探測器校準時輸出信號早已飽和。為解決這一問題，根據不同厚度的檢測情況，設計了相應的校準用檢測試板。試板厚度均勻，在校準步完成后將試板放在射線源窗口，然后開啟射線進行下一步校準操作。

2.4 透照方式選取

(1)平動方式適用于平板焊縫類工件的射線檢測，檢測時保持探測器與射線源位置相對固定，將工件放在載物臺上，以合適的速度沿X軸平行移動。對于管、筒上的環形焊縫，如果采用平動方式成像，采集的將是橢圓形透視圖像，只有中心區域的圖像才可用于檢測結果評定，并且需要旋轉多個角度才能完成全部檢測，降低了檢測靈敏度(圖2a)，某些情況下由于厚度太大而不能實現透照檢測。

(2)旋轉方式要求調節相對位置使工件放在載物臺回轉中心，且與射線束中心、探測器中心處于一條直線上。對于筒形件，通過工裝將探測器置于工件內部，盡可能貼近檢測部位，采用單壁單影的方式透照;對于內徑較小的管狀與筒形工件，采用雙壁透照的方式;旋轉一定角度即可將透照區展開成像，可有效提高檢測效率(圖2b)。對于回轉類工件，采用旋轉方式成像具有突出的優點，可提高圖像質量，縮短檢測時問。

2.5 運動速度控制

　　由于探測器必須有相對運動才能成像，因此需要將運動速度控制在合理的范圍。如果速度不合適，則得到的圖像就存在拉伸或壓縮現象。另外，分辨率越高、圖像噪聲越低，運動速度需越低。

2.7 缺陷定量分析

　在進行圖像尺寸測量時，需要將經過計量或已知尺寸的試件緊貼在被檢焊縫的一側與焊縫同時成像。每次評定前，應作一次標定，缺陷測量時進行對比或通過公式將圖像尺寸轉化為真實尺寸。為此，設計了專用的測量評片用試片(圖3)，試片也可用于檢測相對運動速度是否匹配。

　　尺寸標定完成后，通過圖像處理方法實現缺陷定量分析。選用Cany邊緣檢測算法進行缺陷邊緣定位。接著對檢測出的邊緣進行細線化處理。然后通過搜索每條邊緣線端點為中心的5×5或更大的鄰域，找出其它端點并進行填充，完成邊緣點連接，去除邊緣檢測圖像中的間隙。再應用像素標記的方法，檢查每一目標像素相鄰點的連通性，進行閉合曲線內的目標標記。通過上述操作即可將不同缺陷標記出來以供測量用，最后完成缺陷參數計算[3]。

2.8 圖像存檔管理

　　檢測結果以數字圖像形式存放在計算機上，為便于對檢測圖像進行統一管理，筆者自行設計了圖像文件的管理數據庫，記錄檢測信息(工件名、檢測日期等)、成像參數和檢測評定結果等。

3應用結論及問題分析

CMOS射線探測器具有較高的空間分辨率(61p/mm，固有不清晰度<0.2 mm)，檢測靈敏度高(4096灰度級)。成像質量優于采用增強器的實時成像系統，接近或達到膠片照相的水平;在圖像的對比度方面優于膠片照相方法和實時成像系統。

　　通過試驗優化等方法，成功地將探測器應用于平板焊縫、環焊縫和縱焊縫等大多數產品零部件的射線檢測，提高了檢測效率，降低了檢測成本。為更好地促進數字化射線檢測技術的應用，有必要在下列方面開展研究工作：

(1)復雜工件的更優化檢測及仿真[4]，為檢測結果的解釋提供理論支撐。

(2)大容量圖像文件的快速讀取、處理及分析，缺陷定量分析的自動化、半自動化方法的研究。

(3)圖像文件的管理、傳輸(引入PACS模式)[5]。

(4)建立新的數字化射線檢測標準。

射線檢測技術在鋼鐵工業中作用

近些年來,鋼鐵生產除了熔融還原(HISmelt、Corex、Finex)及薄帶連鑄(CSP)等根本性的全新工藝變革外,生產過程控制水平的提高對于鋼鐵制造業的技術進步發揮了巨大的作用。其中檢測技術與裝備是生產過程控制的關鍵之一，在鋼鐵工業的激烈競爭要素中,檢測技術與裝備也是重要的組成部分，我國鋼鐵生產過程配備的自動化控制系統大部分體現了近年來的新技術,包括在線的檢測技術以及裝備———在線儀表設備。

1、鋼鐵冶煉過程控制與檢測技術

　　現代高爐冶煉的精料和高噴煤技術,提出了過程控制中原料分析、燒結和煉焦過程溫度及分布檢測、噴煤量等的連續檢測要求,促進并實現了在線水分、灰分和紅外溫度測量及成像技術以及氣固兩相流檢測技術的開發與應用。高爐爐況控制是高爐煉鐵的關鍵技術,在高風溫、高頂壓等條件下,高爐控制模型和專家系統的有效應用,必須借助于相應的檢測技術。爐頂爐身氣體分析和爐內紅外成像技術對于爐況控制的作用等;爐身各溫度檢測對于判定爐況和高爐壽命的指導作用等;快速鐵水定硅、定硫等檢測技術得到開發和應用,是低硅冶煉的可靠保證;大噸位在線鐵水稱量的準確性使得鋼鐵物流平衡控制水平得以提高。

　　在以轉爐工藝為主的煉鋼工藝中,從加料控制、吹煉到結束,整個過程的自動控制系統，以預測模型控制方式的煉鋼過程控制,在吹氧、氬和爐氣分析實時測量和鋼水溫度、含碳量等高速采樣檢測支持下極大提高了控制精度。其中在線爐氣分析儀從紅外分析儀到質譜儀,無論是測量準確性,還是響應速度的提高,都有效地提高了過程的可預測性,特別是精煉過程控制。在國外煉鋼過程實時控制已經收到明顯效果,質量光譜儀可以分析CO、CO2、N2、H2、O2、Ar、 CH4、He等8種氣體成份,相應時間可以在1秒內,極大改進煉鋼過程特別是精煉過程質量控制。

2、連鑄與軋鋼過程控制與檢測技術

　　冶煉冶煉過程是將固體原料熔煉成高溫鋼鐵液,并通過反應控制得到相應的成分含量，物料量、溫度、成分等是冶煉過程中重要的檢測參數。此過程除了控制溫度以取得材料的強度特性等,的尺寸和鋼材外形控制也是軋鋼過程檢測的特點之一。產品與過程控制對于檢測的速度和精度要求以及參數的多樣化都是檢測技術的要點。鋼液渣層檢測在轉爐冶煉、精煉等過程中也有很高要求。電磁感應、紅外成像、射線等技術被應用于鋼液或渣檢測以取得控制澆鋼過程夾渣量的效果。

　　在線非接觸尺寸測量技術和裝置在開發之前,軋鋼過程的高速自動化只是奢望。而當電磁、射線、激光等技術相繼應用于軋鋼過程測量,解決了各種鋼材軋制工藝的測量控制要求,并且使生產過程高速、高精度成為現實?，F在的冷板材軋制中厚度精度可以達到千分之一的精度等級,薄板材厚度控制在10μm以內。

　　板材鋼板板形控制是決定鋼板產品質量的最重要因素之一。冷軋板形在較大張力下軋制時多體現為隱性板形缺陷,因為冷軋鋼板比較薄,在帶張力軋制時冷軋板的平直度缺陷因板材彈性延伸可體現為張力分布不均,采用測張力(應力)方法檢測板形是目前較成熟的技術。而在微張力下的熱軋過程可采用非接觸(幾何)方法測量板形,熱軋過程測量是在相對高的振動和高溫、水汽以及氧化層、粉塵等的干擾下實現的。同時鋼板軋鋼過程中板材的X射線厚度及厚度分布測量、激光速度和長度測量、紅外溫度掃描和成像、CCD鋼板寬度測量和板頭尾形狀測量等技術和裝備的開發,極大提高了軋鋼自動化水平和質量水平。

　　型鋼和管材、線材同樣也存在諸如厚度、寬度、直徑、壁厚等幾何尺寸的在線實時測量控制要求,相繼誕生了可見光式、紅外、激光、射線等方法的測量裝置,線棒測徑及橢圓度儀,激光測厚和外型輪廓儀,激光超聲管壁厚度測量儀等使得工藝控制需求得到滿足。

　　鋼板涂層和鍍層在檢測技術上,產生并發展了鋼板電鍍層厚度的檢測、熱鍍層厚度測量和鋼板有機涂層厚度的檢測技術。另外,鋼板表面缺陷檢測儀,板、管超聲探傷儀等專用儀表,也已廣泛用于生產的過程控制和產品質量的檢測控制。