X射线数字化实时成像检测技术

摘要  X射线数字化实时成像检测技术作为一种新的无损检测方法已进入工业产品的无损检测领域。概述了X射线数字化实时成像检测技术的基本原理与成像技术及应用前景，为推广应用X射线数字化实时成像检测技术，应加强科研与标准化、技术培训及人员资格考核的工作。

关键词  X射线  数字化  实时成像  成像技术

1  数字时代的到来

随着计算机技术的发展和普及，现在已进入数字化时代。

Ｘ射线无损探伤作为一种常规的无损检测方法在工业领域应用已有近百年的历史,Ｘ射线无损探伤通常以胶片照相为主要方法，在检测速度和成本等方面已无法满足目前生产快速发展和竞争日益激烈的需要。粗糙度测量仪 http://www.cucaoduceliangyi.com 我国经过十多年的发展，一种新兴的X射线无损检测方法-X射线数字化实时成像检测技术已日臻成熟并已成功应用于我国的实践。X射线数字实时成像检测技术主要特点是无需胶片照相，这与数码相机可以代替普通相机技术一样，检测结果的载体是数字图像,标志着我国Ｘ射线检测技术进入无胶片时代，是无损检测技术的一次革命。

 

1.1  原子和比特(bit)  

工业化时代的标志-原子。钢铁是工业化时代的标志，构成钢铁的最基本的物质是原子。

数字化时代的标志-比特。数字化的特征是数字的编码技术，二进制数字编码方法是多个由“0”和“1”的数字组合。一个“0”或一个“1”构成一个最基本的编码，称之为bit (bit 读音为“比特”)。“比特”是英语bit一词的音译。bit是由binary（二进制的）和digit（数字）两个词压缩而成的，bit意为“二进制数字”。bit是数字二进制中的最小单位，有时也用一位比特来表示，即二进制的一位（21 bit=2bit）。比特是一种存在的状态：表示开或关，真或伪，上或下，入或出，黑或白。为便于实用，把比特想成１或０，构成数字化的的基本要素是比特。比特成为数字化时代的标志。

 

二进制中有多位组成的编码，例如在8位编码中，从00000000到11111111的数字，跳过所有不含1 和0的数字，有256种只含“1”和“0”的排列方式，表示为8位比特（有时简称8 比特或8个比特），记为28bit=256bit；同样的道理，10位比特是210bit=1024bit，12位比特是212bit=4096bit ，等等。

1.2  颗粒与像素

胶片的载体是溴化银颗粒, 显影后生成的银颗粒是构成底片影像的最小单元。颗粒由众多原子和分子构成的。

假设数字影像屏幕上在水平方向上有若干行，在垂直方向有若干列，横平竖直的交点就为一个像素，整个屏幕的像素则由行数乘列数组成；数字图像的载体是像素,像素是构成数字图像的最小单元。成像器中行数与列数越多，则成像器中的像素就越大，例如，通常所说的300万像素的数码相机，有 2048×1536＝3145728像素。

1.3  黑度与灰度

在胶片照片方法中，胶片经曝光、显影、定影后，胶片上的颗粒被还原为黑色的银团，曝光越充分，底片就越黑，底片黑白的程度在胶片照相方法中称为黑度。

在数字图像中，赋于像素一定的亮度值，假如把全黑的值设定为0，全白的值设定为255，那么任何黑白之间的灰色都介于这两者之间，这下好是8位比特（28=256）的排列方式，称之为8位比特灰度。灰度通常用比特的位数来表示，例如，8位比特（28bit =256bit）灰度，10位比特（210bit =1024bit）灰度等。比特位数越大，像素所载含的亮度层次就越丰富，图像处理后的表现效果更好，但计算机所需的容量就需要越大，所幸如今大容量的计算机已不成问题。

1.4  底片与图像

如同胶片显影技术使底片得以实现一样，计算机图像采集技术和图像处理使得图像得以实现。

原子是构成物质的基本颗粒，而比特不是物质，客观存在是一无损检测资源网组数字的组合；为了发挥人们的想象力，暂且将比特想象成“虚拟原子”。在射线胶片照相检测技术中，构成底片影像的基本物质是溴化银原子显影后的银颗粒，它所产生的图像是摸拟图像，不能为计算机所识别；在射线数字化检测技术上，构成数字图像基本要素是像素，它所产生的图像是数字化图像，很容易为计算机所识别，因此应用计算机图像处理技术，就能产生与胶片照相底片相媲美的数字图像。射线数字实时成像检测技术正是建立在计算机图像处理技术基础上而发展起来的无损检测新技术。

2  射线数字化实时成像检测技术基本原理

 

注：对于具有数字采集功能的图像成像器，由于光学镜头、摄像机和图像采集卡的功能已集成于图像成像器一体，因此可以省略。

Ｘ射线数字化实时成象无损检测原理如图一所示，它可用两个“转换”来概述：Ｘ射线穿透金属材料后被图象采集器所接收，图像采集器把不可见的Ｘ射线检测信号转换为光学图像，称为“光电转换”；图象采集器（对于图像不具备数字采集功能的图像增强器而言，用高清晰度电视摄像机摄取光学图像，输入计算机进行Ａ／Ｄ转换），将采集到的数字信号转换为数字图像，经计算机处理后，还原在显示器屏幕上，可显示出材料内部的缺陷性质、大小、位置等信息，按照有关标准对检测结果进行缺陷等级评定，从而达到无损检测的目的。Ｘ射线数字化实时成像技术无论在检测效率、经济效益、表现力、远程传送、方便实用等方面都比照相底片更胜一筹，因而具有良好的发展前景。

所谓“实时”的是指图像的采集速度制式，图像采集速度能够达到25帧／秒（PAL制）或30帧／秒（NTSC制），即视为实时成像。关于图像的采集制式，我国采用PAL制式，欧美等国家多采用NTSC制式。

3  成像器方式

X射线透过工件后在图像成像器上图像是模拟图像，模拟图像只有转换为数字图像后才能为计算机所识别，因此，模拟图像转换为数字图像的关键是成像技术。目前成像器有三种方式，成像技术的方式与图像成像器的形式有关。

3.1 图像增强器

 

射线穿透工件后图像增强器的前端荧光板，经光电转换，光电子在真空度很高的封闭的空腔内经高压电场聚焦，工件的摸拟图像被摄像机所摄取，输入计算机进行摸拟量/数字化转换。

3.2  线阵列探测器

线阵列探测器扫查方式是线型扫描，扫描图形是一条直线，一条条直线排列组成一幅图像。检测时工件移动，经过相对固定的线阵列器的扫查，得到一幅连续的图像。其工作原理是：荧光屏接受穿透了被测物体的X-射线的能量，发出可见光，感光二极管受到可见光的照射，产生电压信号，该信号经过集成电路的处理变成14位（或16位）的数字信号发给计算机。调整照射角度，重复以上过程，全部扫描结束后，计算机对每次得到的数据进行计算，重建出所需图象，并进行分析。

  图6  线阵列探测器

 

3.3  平面阵列探测器

平面阵列探测器扫查方式：（1）逐行线型扫描，在平面阵列探测器上形成平面图像输出；（2）面扫描，在平面阵列探测器上形成平面图像输出；检测时工件移动，经过相对固定的平面阵列器，得到一幅幅检测图像。

 

3.4  三种成像方式的比较

1) 图像增强器价格较低，可以进行实时影像检测，但成像灵敏度不如阵列探测成像器好；图像增强器体积和重量的受一定的限制。  

2）平面阵列成像板的价格高，成像灵敏度也相对较高，但成像较慢无损检测资源网，实际使用时如拍X射线片一样，但拍片时间只需3至10秒才能完成。成像板可以与携带式高频恒电压X射线机、笔记本计算机等组合成携带式X射线影像系统，可以满足现场使用要求。

3) 线性扫描器成像速度较慢，价格介于图像增强器与成像面板之间，因对机械传动要求高，检测速度较慢。

4  图像采集方式

图像采集主要是通过数码感光元件把光线转变成电荷，通过模/数转换器芯片转换成数字信号。目前图像采集部件有两种：一种是广泛使用的CCD（电荷藕合）元件；另一种是CMOS（互补金属氧化物导体）器件。

4.1  CCD摄像机

CCD是Charge Coupled Device(电荷耦合器件)的缩写，它是一种半导体成像器件因而具有灵敏度高、抗强光、畸变小、体积小、寿命长、抗震动等优点

CCD摄像机的工作方式 ：被摄物体的图像经过镜头聚焦至CCD芯片上，CCD根据光的强弱积累相应比例的电荷，各个像素积累的电荷在视频时序的控 制下，逐点外移，经滤波、放大处理后，形成视频信号输出。视频信号连接到监视器或电视机的视频输入端便可以看到与原始图像相同的视频图像。

4.2  CMOS数字成像器

CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）互补性氧化金属半导体，和CCD一样，是可记录光线变化的半导体。CMOS的制造技术和一般计算机芯片没什么差别，主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体，使其在CMOS上共存着带N（带–电） 和 P（带+电）级的半导体，这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片纪录和解读成影像。然而，CMOS的缺点就是容易出现杂点, 这主要是由于电流变化过于频繁而会产生过热的现象。

4.3 比较

在相同分辨率下，CMOS价格比CCD便宜，但是CMOS器件产生的图像质量和速度相比CCD来说要低一些。

5  X射线机

对X射线机的基本制要求：

1）焦点：对于图像增强器和成像面板成像器，宜采用小焦点，对于线阵列探测器，焦点可大些；

2）频率：工频或变频（中频、高频 ），建议采用变频；

3）电压和电流：视工件厚度的不同，选择额定管电压和管电流；

4）高压稳定性：建议采用恒电位；

5）射线管：建议采用金属陶瓷管；建议采用强制冷却方式，以能够较长时间地连续工作；

6）移动方式：视作业方式的不同，固定式、移动式均可；

7）射线束方向：视作业方式的不同，定向、周向均可；

8）其他：视工件和作业方式而定。

6  计算机与程序

计算机配置：目前市面上高配置的台式机和笔记本机均可，对于较差的工作环境应选用工业控制机；

程序：1）计算机操作程序，例如WindowsXP;2) 图像采集程序；3）图像处理程序；4）图像辅助评定程序。

实时成像系统研制单位（或使用单位）可根据检测工件和作业方式的不同自行编制程序，也可以委托大专院校和科研单位编制程序。

7  图像质量

X射线数字实时成像图像质量指标与胶片照相底片质量一样，是像质计灵敏度，用像质计描述图像质量时，受两个因素的影响：1）图像分辨率---用分辨率测试卡测试图像分辨率（或称清晰度）描述；2）对比度--- 用灰度差来描述。

 

8  系统质量

X射线实时成像检测系统（设备系统）质量指标按标准规定或合同中的技术条件的规定，用系统分辨率表述；系统分辨率用分辨率测试卡在系统上直接测试。

9  成像技术特点

X射线实时成像检测检测技术/工艺与胶片照片检测技术在工艺上有相同之处，胶片照片检测技术/工艺基本上可指导X射线实时成像检测技术/工艺，但两者在成像原理和检测结果载体上毕竟不同，因此X射线实时成像检测技术/工艺有其特殊考虑。

因为成像器是一种固体器械，它不可能像胶片那样软，不可能紧贴在被检测工件的表面上，成像器工件表面之间必然有一段距离，从几何投影的原理可知，检测图像必然是放大的。加外，像素的大小尺寸毕竟要大于胶片的颗粒，为了提高图像的灵敏度和清晰度，检测图像也需要放大，这就是X射线实时成像检测技术的特点。

（1）图象检测的最佳放大倍数

随着放大倍数的增大，几何不清晰度也随之增大，根据Ｘ射线实时成象系统的固有不清晰度Us与Ｘ射线机焦点尺寸d之间的关系，确定图象检测的最佳放大倍数Mopt：

 

（2）可检测出的最小缺陷尺寸  

在一定的条件下，图象可检测出的最小缺陷尺寸dmin为：

 

（3）图象储存

检测的图象储存在计算机内，并可转储存到光盘等保存媒体中。

（4）图象的显示方式  

图象在显示屏上可以正象或负象的方式显示；也可以黑白或彩色的方式显示。

10  检测工装

“工欲善其事，必先利其器”。根据检测对象(工件)设计和制造检测检测工装，根据检测方位的不同，检测工装应至少具备一个自由度；为了检测工装具有较高的运转精度，一个工装上通常应有1～3个自由度无损检测资源网的结合；不过自由度较多，工装制作成本较高。工装设计与制作水平的高低，往往会影响到工件检测的质量和速度。

11  标准

关于X 射线实时成像检测方法，到目前为止我国已发布了GB 17925-1999《气瓶对接焊缝  X射线实时成像检测》和GB/T 19293-2003《对接焊缝X射线实时成像检测法》两个标准。GB/T 19293-2003是关于对接焊缝X射线实时成像检测的通用方法标准，GB 17925-1999是关于气瓶产品对接焊缝X射线实时成像检测的方法标准。这两个标准的发布，标志着我国 X 射线实时成像无损检测技术的研究和应用已达到了一个新水平。但是，作为射线实时成像无损检测标准化体系在我国尚未建立起来，需要尽快建立我国射线实时成像无损检测标准化体系。

12  人员培训、教育与科研

为了尽快推广和应用X射线实时成像无损检测新技术，要抓紧射线数字成像检测新技术的宣传与普及；抓紧射线数字成像检测新技术的培训与教育；抓紧编写培训教材，组织专业检测检测培训教育，建立人员考核规则。

X射线数字成像无损检测毕竟是一项新技术，要加强射线数字成像检测新技术论理与实际应用的研究。

13  加快数字成像检测新设备与器材的国产化

目前，数字成像检测的关键设备器材，例如高像素的CCD摄像机、高分辨率的图像增强器、线阵列探测器、平面探测器等还是依靠进口，设备购置费用高是影响我国数字成像检测技术推广应用的重要原因。我们需要加快数字成像检测新设备与器材的研制，迎头赶上和超过发达国家的水平，提高数字成像检测设备、器材国产化的程度，降低设备成本，为推广应用数字成像检测无损检测技术的发展铺平道路。

14  X射线数字化实时成像技术的应用

X射线数字化实时成像技术在工业各个领域都有广泛的应用，例如在气瓶、锅炉、压力容器、压力管道、油气长输管道对接焊缝的无损检测，汽车轮毂、汽车/飞机轮胎等领域的无损检测，机械 零件的无损检测等。

14.1 气瓶对接焊缝X射线实时成像检测

在20世纪90年代中期，X射线数字化实时成像检测已正式应用于液化石油气钢瓶对接焊缝的无损检测。

 

1-Ｘ射线管焦点 2-气瓶 3-被检测焊缝 4-图象增强器 5-光学镜头 6-摄象机

 

当时图像采集器主要是采用图像增强器技术，可以说是X射线实时成像检测系统的第一代技术，在此技术的基础上形成了17925-1999标准。采用此技术的设备造价较低，虽然图像质量比现在的线阵列探测器技术低一些，但经过十多年实际应用，证明技术已经日臻成熟，能满足气瓶和压力管道及有关压力容器焊缝无损检测的要求，至今仍然有坚强生命力。检测工装由两个自由构成，检测环焊缝时，气瓶在工装上绕轴线呈360°旋转，检测纵焊缝时，气瓶沿水平方向移动，确保焊缝100%检验。

14.2  线阵列探测器X射线实时成像检测技术

线阵列探测器X射线实时成像检测技术是当前比较流行的X射线实时成像检测技术，它采用线阵列探测器作为图像采集器，可以说是第二代X射线实时成像检测系统技术。由于线阵列探测器本身具有数字化采集功能，因此光学镜头、摄像机和图像采集卡可以省略；，虽然线阵列探测器的造价比图像增强器高，但是由于线阵列探测器是采取线扫描逐行成像，对X射线源不过分强调采用小焦点，同时省略了光学镜头、摄像机和图像采集卡，因此，总体造价比图像增强器成像系统高不了太多。在检测图像质量上比图像增强技术高。在此基础上，建立了GB/T 19293-2003《对接焊缝X射线实时成像检测法》标准。但是，线阵列探测器X射线实时成像检测技术的成像速度较慢，影响了检测效率的发挥，这是它的美中不足之处。

线阵列探测器X射线实时成像检测技术当前在气瓶、锅炉、压力容器、压力管道、油气长输管道对接焊缝及机械零件、航空航天部件的无损检测领域中应用的势头正猛。

 

14.3  平面阵列探测器X射线实时成像检测技术

平面阵列探测器可以认为是多条线阵列探器的集合，；具有更大容量的像素，图像灵敏度高，高分辨率和高清晰度，代表着当今图像采集器的最新技术，可以说是第三代X射线实时成像检测系统技术。但是，平面阵列探测器的生产当前集中于国外的少数几个厂家，形成技术垄断，价格昂贵，目前主要还是用实验室的课题研究，尚未真正走向生产实际应用，相信不久的将来，一定会得到广泛的应用。

15  结束语

射线数字实时成像技术作为一种新兴的无损检测技术具有无比广阔的前景， 在数字时代到来的时候，让我们像拥抱朝阳一样拥抱射线数字实时成像无损检测新技术。