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内容摘要：X射线检测实时成象与计算机图象处理技术（简写为XRTIP）是国际上八十年代中期新兴的一项热门的无损检测技术。它是将不可见的X射线经光电转换为可见的荧屏实时图象，经计算机对荧屏图象进行数字化再处理，使检测图象质量的对比度和清晰度可与X射线照相底片质量媲美，计算机图象可以长期保存于磁带或激光盘中，且XRTIP的检测结果同样具有直观、准确、可靠、有档可查等特点，更具有检测速度快、成本低等优点。因此，XRTIP技术在无损检测的领域中将会有良好应用前景和推广价值。本文简要地介绍了X射线检测实时成象与计算机图象处理技术研究及其应用的情况。
主题词：X射线 计算机 实时成象 图象处理
一.前言
X射线照相检测方法是目前最常用的无损检测方法，因其具有直观、准确、可靠、档案可长期保存等特点而在无损检测的领域里有着广泛的应用。但是，不可否认它存在着检测工序多、检测周期长、操作人员劳动强度大、大量耗费X射线胶片和化学药品、检测费用高、并伴有一定环境污染告示不足。同时，底片质量的好坏对探伤结果的准确性有很大的影响，粗糙度测量仪 http://www.cucaoduceliangyi.com 底片的存放条件严格，并需要占较大的空间，检测结果的评定受人为因素的影响较大。因此，在当前科学技术快速发展的今天，使原有X射线检测方法既要保留原有的优点，又要有所创新和突破，开展X射线检测实时成象与计算机图象处理技术课题的研究是一项很有意义的活动，它得到了上级主管部门、科研单位、高等院校及企事业单位的大力支持。
随着现代计算机技术的广泛应用和工业电视技术的日臻成熟，八十年代中期开始，国际上争先研制开发不同类型和功能的“X射线检测计算机实时成象处理系统”，使该技术研究已成为一个热门课题。国际焊接学会（IIW）先后提出了5份实用的X射线检测实时成象系统的研究报告，有关国家制定了相应标准和应用守则，如英国BS7009-1988，美国ASTM E1000-89，对系统的标准化和检测方法提出了有益建议和推荐方法，并取得了较好的成效。为跟踪世界无损检测学科这一前沿课题的发展潮流，近年来国内一些科研单位与企业合作，相继开展了这方面课题的研究，并取得较好的成效。
二.概述
X射线检测实时成象及计算机图象处理技术（简写为XRTIP）的工作原理是将光电转换技术和计算机数字图象处理技术相结合，把不可见的X射线图象经增强方法转换为可见的视屏图象，再经计算机机对图象进行数字化处理，使视屏图象的对比度和清晰度达到X射线照相底片的影象质量，从而提高了探伤灵敏度和缺陷识别能力，探伤结果可用计算机进行智能化评定，图象可长期保存在计算机磁带或光盘上，可代替射线照相的底片，从而实现了X射线探伤方法的智能化和自动化，其工作原理见图一。
图一 XRTIP系统结构原理图
“X射线检测计算机实时成象及计算机图象处理系统”，由“X射线工业电视实时成象系统”（XRTIP）和“计算机数字图象处理系统”（PC）两大部分组成。在“X射线工业电视实时成象技术”的基础上，大量运用了计算机图象处理新技术，如数字图象处理方法，图象噪音消除方法，S-T图象变换方法，焊缝缺陷模式识别方法等，因此，使XRTIP在性能上比XRTI有了很大的提高，主要表现为：
1.提高了系统的检测灵敏度和清晰度
XRTI对钢材检测相对灵敏度仅有3-5% 。由于其灵敏度低，一些细小的缺陷难于发现，因而限制了它的推广应用；而XRTIP则用计算机对XRTI图象质量作再处理，使其相对灵敏度提高到1.0-2.0% ，达到了GB3323-87标准中AB级的图象质量要求，由于采取了图象放大方法，图象总清晰度指标可达16LP/cm（线对/厘米）以上，从而使XRTIP技术进入实际应用的阶段。
2.图象噪声小
XRTI用于工业现场检测时图象质量不可避免地受到各种环境噪音及系统噪音的影响，使图象质量下降，至使检测结果误判或漏检，而XRTIP则利用计算机图象处理技术有效抑制或消除图象噪声，无损检测资源网使图象质量可与X射线照相底片相媲美。
3.检测资料可长期保存
XRTI的检测图象是审时动态图象而难于保存，而XRTIP通过计算机将工业电视瞬时图象转换数字量化静止图象，可长期保存在计算机磁带或激光磁盘中，图象经计算机再处理具有还原查询、编缉、转储、模拟打印、拷贝等功能，多次调出图象不失真，实现了X射线探伤资料管理的电脑化和自动化。
X射线检测计算机实时成象技术与常规的X射线照相方法比更具优越性，它除了保留了照相方法的优点（直观、准确、可靠、档案长期保存）之外，克服了照相方法某些不足，例如XRTIP只需要磁带，不需要胶片和湿、定影药水，成本较低计算机评片不受人为因素干扰，因为它是实时成象，不需要拍片和暗室处理等烦琐工序，一次完成探伤的全过程，因此，特别适用于生产批量较大、检测对象相对固定、工艺比较规范的产品，如锅炉、压力容器、螺旋焊管、电器元件、机械零件、非金属材料（如耐火材料）的射线探伤。
三.XRTIP系统的设备特点
1.X射线源
在X射线照相片中，胶片的感光是一个较长时间能量的积累过程，普通交流电半波整流X射线机即能满足要求，交流电周波变化对胶片感光质量的影响不大。而XRTIP它是基于光电转换原理，要求瞬间（约1/25）摄取一幅静止的图象，并且要多次连续重复摄取，因而，常用半波整流电源已不能满足要求，而要求采用恒位直流稳压X射线探伤机，管电压不稳定度不大于2% ，管电流不稳定度不大于2% 。
2.小焦点X射线管
X射线焦点尺寸对成象质量影响很大，采用小焦点（≤0.6×0.6mm）时能获得较高的对比度（灵敏度）和清晰度（含几何不清晰度），采用微焦点（≤0.1×0.1mm）效果更好。但是随之而来的是对X射线的功率和控制方法提出更高的要求。
3.图象增强器
由于小焦点产生的X射线能量较小，且X射线图象是不可见的隐含图象，要把它转换可见的显含图象，一方面要把图象能量增强，一方面还要进行图象显示转换，才能被摄象机所接收。因此，要在X射线源与摄象机之间加一个图象增强器。
4.电视摄象机
增强后的可视检测图象要经过高分辨率的工业电视摄象机摄取，才能将信号输到工作电视监视器上显示和输入计算进行数字化处理。
5.电视监视器
使用高清晰度的电视监视器将图象显示在屏幕上，以对图象进行分析评定。
6.计算机
要求具有图象字数化处理功能的微型计算机。为了要求较快的运算速度，通常选用386或486型微机。
7.其他设备
还有一些其他辅助设备，如控制台、磁带机等。
四.软件
为了使以上设备（硬件）能正常发挥功能，还需要一套高效的工作程序（计算机软件）来支持整个系统的正常运转。软件特点为汉语菜单提示，人机界面友好。一般探伤人员经过短期培训都能上机操作。检测用数据库管理，检索、查询方便、灵活。应用计算机图象彩色处理技术，具有增强对比度、边界锐化、图象放大功能，使细小缺陷易观察、分辨，降低误判和漏检率。利用计算机辅助评片软件，使评定结果更加快速、准确。计算机辅助评定，定性、定量、定位、定级准确，检测结果计算机打印，大大地减轻了人工评片的烦琐程序和劳动强度，提高了工作效率。计算机在X射线检测中得到充分运用，标志着射线探伤技术发展迈向了新水平。
五.图象质量
XRTIP技术能否用于工业现场的检测，换句话说，它能否代替拍片探伤，至关重要的是取决于XRTIP的自身图象质量。如同射线照相法用灵敏度和黑度来描述底片质量一样，XRTIP则用灵敏度和清晰度来衡量图象质量。
1.灵敏度
象质计灵敏度是反映视屏图象对比度的主要指标，其测试方法如同射线照相方法一样，象质计放置于工件离射线源较近的一侧表面上，其象质指数要求符合GB3323-87标准的规定。
2.清晰度
由于监视器屏幕的图象是由许多灰度等级不同的象素组成的，无损检测资源网由于象素质具有一定尺寸，且荧光屏内的荧光物的颗粒度比胶片的卤化物的颗粒要大得多，在面使图象的清晰度受到影响。由射线照相灵敏度理论可知，金属丝象质计灵敏度主要取决于对比度，而对象裂纹、未焊透等要求检出灵敏度较高的平面缺陷则更多地取决于图象的清晰度。图象清晰度通常用分辨率来描述，规定在一定宽度范围内能分辨清楚若干对金属丝来表征，单位是“线对/厘米”（LP/cm），可用分辨率测试板来测试。由于GB3323-87标准尚无分辨率指标的规定，参考国外资料，对于试件厚度低于20mm的钢材，其分辨率不低于16LP/cm即可满足检测要求。IIW和英国BS标准推荐使用Pt-W双丝象质计来测定图象不清晰度，以能清楚地分辨出一对金属丝的直径和单元距间之和来表征，其单位是毫米，例如英国BS7009S标准推荐：厚度低于20mm的试件的钢材，其相应的总不清晰度不大于0.25mm。
六.提高图象质量的方法
X射线工业电视（XRTI）图象是实时的和动态的，因受各种硬件的制约，其图象质量难于达到规定的质量指标，在引进计算机图象数字化处理技术之后，图象质量可得到大大改善，从而使XRTIP图象可与常规的照相底片相媲美。
常用的处理方法有：
（1）图象积分叠加（噪音平均化）；
（2）图象勾边锐化（使图象轮廓鲜明）；
（3）照射场平整（图象平整，降低对比度）；
（4）对比增强（增强灰度等级）；
（5）伪彩色处理（用多种色彩来显示缺陷）。
此外，改善探伤工艺条件也是提高图象质量主要途径。
七.XRTIP检测工艺特点
在射线照相探伤工艺中，胶片是紧贴探伤工件背面的，所拍摄的探伤底片图象的大小与工件大小几乎是相一致的。然而在XRTIP检测中，由于被检测工件不可能象胶片那样紧贴在图像增强器的输入屏表面上，它只能置于X射线源（焦点）至图象增强器之间的某一位置上，根据几何投影的原理，XRTIP检测图象总是放大了的图象，如图所示。
图中：
q- X射线焦点尺寸
d- 工件厚度
L- 焦点至增强器输入屏表面的距离
L1- 焦点至离射线源较近的工件表面的距离
L2-离射线源较近一侧工件表面至增强器输入屏表面的距离
根据几何投影的原理，图象放大倍数M为：
M=L/L1=(L1+L2)/L1=1+(L2/L1)
图象放大不仅仅是由于几何因素所决定，更主要是为了提高图象质量的需要。由于图象是放大的，且X射线经图象增强器增强和荧光屏多次转换，因而荧光屏上的图象的清晰度就会有所下降。图象总不清晰度Uo受几何不清晰度和荧光屏固有不清晰度的影响，但是这个影响又不是简单的算术相加，它等于几何不清晰度Ug和荧光屏固有不清晰度Uf的立方和的立方根，即：
U0=(Ug3+Uf3)1/3
几何不清晰度Ug为：Ug=qL2/L1=q(M-1)
荧光屏固有不清晰度与荧光物质的颗粒度大小及X射线管电压有关，在一般情况下，荧光屏固有不清晰度至少有0.3mm 。
为了提高图象清晰度，在技术处理上，荧屏固有不清晰度可以通过计算机的多次处理来减小或消除，另一个办法是通过投影放大技术将图象在主转换屏上放大，使图象中原来细小的象素放大而变得清晰易于辨别。为了降低总不清晰度而又不产生过大的附加不清晰度（即几何不清晰度），这就需要采用小焦点或微焦点的X射线源。当采用小焦点X射线源之后，几何不清晰度影响作用要小于荧光屏固有不清晰度的作用。所以，在一般情况下（指X射线源焦点较小和放大倍数不很大时），在荧光屏固有不清晰度较大时，通过图象放大技术可以改善图象的清晰度。
但是，由于图象放大之后，工件（例如焊缝）的有效检测长度将会减少，每次可检长度为相同条件下所拍底片长度的1/M 。所以，放大倍数过大会降低检测效率。因而，这里有一个最佳放大倍数的问题。如上所述，在一般情况下，荧光屏的固有不清晰度是起主导作用的，根据美国标准介绍，最大放大倍数Mopt由下式得出：
Mopt=1+(Uf/q)3/2
如图三所示，在检测工件厚度较小时，d＜L2 ，工件厚度d对几何不清晰度Ug的影响不是起主要作用的，荧光屏固有不清晰度则起主导作用，为了得到最佳清晰度，据美国有关标准规定：Ug≤Md
假设工件厚度d内含有缺陷厚度为X，那么，在最佳放大倍数条件下，无损检测资源网最小可观察到的缺陷尺寸则由下给出：Xmin=Uf/Mopt2/3
八.试验情况
我们利用XRTIP系统对钢材焊缝进行了大量的试验，逐渐摸索出一套较完整的工艺方案，并取得了较好的检测结果。例如，当钢焊缝的透照厚度TA=12mm时，管电压U=118KV ，管电流I= 4.0 mA ，X射线焦点q = 0.4×0.4mm ，L = 740mm ，L1 =300 ，L2 = 440mm ，M=2.5 ，对工业电视动态图象经计算机32次重复积分，获得的静止图象其象质计灵敏度达到象质指数为13+（+表示第13号钢丝很清晰），图象测试板没出分辨率达18LP/cm以上，图象质量达到规定要求。图象有效长度为92mm 。XRTIP所拍摄的图象与X射线照相法所拍摄的底片相对照，焊缝上的咬边、内凹、气孔、夹渣、未熔合、未焊透、裂纹等缺陷均能发现。
有关部门曾经对一组22块12—36mm焊缝试板进行XRTIP摄象，与常规X射线拍片透照技术进行对比测试。测试结果认为：“该系统的检测灵敏度与X射线拍片法相当，能满足GB3323-87标准AB级的要求。该系统对焊缝缺陷检出能力较强，试板中的裂纹均能较好地检出。该系统无论是从检测灵敏度还是从对焊缝缺陷检出率来看都与射线拍片相当，可以代替X射线拍片法。…… 。”
XRTIP拍摄的图象可暂存储在计算机硬盘上，运用计算机软件程序，按标准对图象进行评定。计算机程序上设置有“标准尺”，对缺陷进行测量，测量精度为0.1mm ，测量方法方便、准确，很受操作人员和评片人员的欢迎。在计算机硬盘上储存的图象达到一定数量后（通常是小于500幅），运用程序可转储到计算机数据流磁带上。无损检测资源网一盘150M的磁带可存储5000幅图象，相当于1250张80×360mm的X射线底片的容量，磁带储存的图象和资料长期保存，有档可查。
九.评价及其他
从目前研究情况来看，XRTIP的硬件和软件的水平已能满足工业生产现场检测的实用要求。该技术如通过鉴定可推广应用。
由于XRTIP技术是一项新的无损检测技术，人们对它还不太熟悉和了解，因此，要大力宣传和普及，同时殷切地希望能得到社会的扶持。
由于XRTIP的技术含量高，因而附加值也相应高，在目前情况下，XRTIP系统设备一次性投资较高，随着技术的普及和批量的扩大，其造价会下降。由于它具有较多优点，特别是可以代替拍片，对于一个具有中等探伤拍量的企业来说，一套XRTIP系统设备在一至两年内，从节约胶片费用中就可以从中收回投资（一盘150M计算机磁带现售价为2.50元）。
目前该课题还有不少问题有待进一步深入研究，完善XRTIP的检测工艺，并希望上级主管部门尽快制订XRTIP检验标准，以便实施执行。
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