X射線工業(yè)電視檢測系統(tǒng)靈敏度的影響因素及系統(tǒng)優(yōu)化

陳青山，崔二煒，陳曉雯，肖都容，高志凌，郭 峰，王義民，張利輝

（1.渤海裝備華油鋼管公司，河北 青縣 062658；2.渤海裝備華油一機廠 ，河北 青縣062658；3.渤海裝備巨龍鋼管公司，河北 青縣062658）

X射線工業(yè)電視檢測系統(tǒng)靈敏度的影響因素及系統(tǒng)優(yōu)化

陳青山1，崔二煒2，陳曉雯3，肖都容1，高志凌3，郭 峰1，王義民1，張利輝1

（1.渤海裝備華油鋼管公司，河北 青縣 062658；2.渤海裝備華油一機廠 ，河北 青縣062658；3.渤海裝備巨龍鋼管公司，河北 青縣062658）

簡要介紹了X射線工業(yè)電視檢測系統(tǒng)的構(gòu)成及評價動態(tài)檢測靈敏度的主要參數(shù)。為了提高X射線檢測實時成像圖像的質(zhì)量，通過合理選擇射線源焦點、焦距和圖像放大倍數(shù)，可以改善X射線圖像的不清晰度；采用外加磁場的方法矯正鋼管剩磁，克服由鋼管剩磁引起的X射線圖像畸變；在射線源上方附近及圖像增強器輸入屏處放置鉛塊，可以明顯減小由射線散射引起的X射線圖像噪聲；通過使用獨立電源和圖像增強器單獨接地等手段，能夠有效降低設(shè)備干擾引起的X射線圖像噪聲。

焊管；無損檢測；X射線檢測；圖像增強器；圖像質(zhì)量

1 X射線工業(yè)電視檢測系統(tǒng)的構(gòu)成

X射線工業(yè)電視檢測系統(tǒng)主要由X射線源、圖像增強器、平行光鏡頭和CCD攝像機等構(gòu)成，X射線實時成像光路如圖1所示。采用X射線對焊管焊縫實時自動檢測過程中，X射線源發(fā)出的射線首先穿透焊管和焊縫區(qū)域，再經(jīng)過圖像增強器將X射線轉(zhuǎn)換為光電信號，在輸出屏上形成可視圖像，CCD攝像機拍攝此可視圖像并實時通過圖像采集卡傳遞至工業(yè)控制計算機中供后續(xù)處理。

圖1 X射線實時成像光路

2 評價動態(tài)檢測靈敏度的主要參數(shù)

由于X射線實時檢測系統(tǒng)自身因素的制約，所獲得的X射線焊縫圖像存在對比度不高、灰度分布不均衡、圖像中噪聲多的特點。另外在檢測過程中，被檢測對象焊縫缺陷連續(xù)運動，導(dǎo)致圖像存在一定程度的動態(tài)模糊等，因此，在檢測過程中，首先要提高動態(tài)檢測的靈敏度。評價動態(tài)檢測靈敏度的主要參數(shù)有系統(tǒng)分辨率，系統(tǒng)細(xì)節(jié)對比度，系統(tǒng)總的不清晰度和噪聲。

2.1 系統(tǒng)分辨率

系統(tǒng)分辨率是X射線實時成像整個系統(tǒng)性能的綜合反映，分辨率越高表示系統(tǒng)的性能越好。系統(tǒng)分辨率是設(shè)備客觀性能的反映，僅與系統(tǒng)的構(gòu)成及其性能有關(guān)，與檢測工藝方法無關(guān)，故系統(tǒng)分辨率也稱為固有分辨率。隨著設(shè)備的老化，系統(tǒng)分辨率也會衰退，因此，對系統(tǒng)分辨率應(yīng)定期進行測試。系統(tǒng)分辨率可以用分辨率測試卡直接測試。

一般X射線的實時成像檢測系統(tǒng)可以分為A、AB、B三個級別。規(guī)定的A級系統(tǒng)分辨率≥1.4 LP/mm，用于普通產(chǎn)品的X射線實時成像檢測，例如汽車鋁合金輪轂、煉鐵高爐爐襯耐火磚以及食品罐頭的檢驗；規(guī)定AB級系統(tǒng)分辨率≥2.0 LP/mm，用于較重要產(chǎn)品的檢測，例如鍋爐壓力容器壓力管道對接焊縫的檢測，汽車零部件、電子元器件的檢測；規(guī)定B級系統(tǒng)分辨率≥3.0 LP/mm，用于重要產(chǎn)品的檢測，例如核工業(yè)產(chǎn)品、航空航天器材的檢測。不同分辨率的圖像如圖2所示。

圖2 不同分辨率的圖像

2.2 對比度

對比度是指被檢試件厚度或密度變化引起圖像與背景之間的灰度差。

式中：ΔB/B—圖像亮度對比度；

μ—射線衰減系數(shù)；

ΔD—被檢工件厚度差；

n—散射比。

由式（1）可看出，ΔD與缺陷尺寸有關(guān)，某些情況下還與透照方向有關(guān)。對于具有方向性的面積型缺陷，如裂紋、未熔合等，透照方向與ΔD的關(guān)系特別明顯，為提高成像對比度，就必須考慮選擇適當(dāng)?shù)耐刚辗较蚧蚩刂埔欢ǖ耐刚战嵌取＆躺渚€衰減系數(shù)與工件材質(zhì)和射線能量有關(guān)，在工件材質(zhì)給定的情況下，透照的射線能量越低，線質(zhì)越軟，μ越大，在保證射線穿透力的前提下，選擇能量較低的射線進行成像，可以增大對比度。透照時采取有效措施控制和屏蔽散射線，即減小散射線比n可提高對比度。

檢測小缺陷時，成像的幾何條件也會影響其對比度。所謂小缺陷，是指缺陷橫向（垂直射線束方向）尺寸遠(yuǎn)小于射線源焦點尺寸的缺陷，小缺陷包括小的點狀缺陷和細(xì)的線狀缺陷。影響對比度的成像幾何條件主要是射線源焦點尺寸df，此射線源到缺陷的距離L1，缺陷到膠片的距離L2。

成像幾何條件對小缺陷的對比度的影響如圖3所示。正常情況下，缺陷影像由本影和半影組成（見圖3（a）），但隨著df的增大或L2的增大，或L1的減小，缺陷影像的本影區(qū)域?qū)p小，半影區(qū)域?qū)U大。圖3（b）表示一種臨界狀態(tài)，即本影縮小為一個點；如果進一步增大df、L2或縮小L1，則情況如圖3（c）所示，缺陷的本影將消失，其影像只由半影構(gòu)成，對比度將顯著下降。減少散射線可以提高對比度。

2.3 系統(tǒng)總的不清晰度

清晰度通常用不清晰度來衡量。不清晰度分為固有不清晰度、幾何不清晰度和動態(tài)不清晰度。固有不清晰度是設(shè)備固有的技術(shù)參數(shù)所決定的，如圖像增強器射線轉(zhuǎn)換效率、顯示器的自身清晰度等。動態(tài)不清晰度是由工件移動而引起的不清晰度，其決定因素有X射線的激發(fā)率、熒光屏上熒光物質(zhì)的衰變時間（ms級）、成像系統(tǒng)部分的延遲時間或掃描時間（30幀/s的幀速）。人眼的積累時間大約需要0.2 s。

2.4 噪聲

X射線檢測圖像中包含了很多的噪聲信息，如X射線源噪聲、圖像增強器轉(zhuǎn)換噪聲、CCD攝像機噪聲、傳輸過程噪聲、圖像采集卡噪聲等。這些噪聲的存在會影響對圖像的分析和處理結(jié)果，特別是對缺陷檢測精度的影響。因此，必須要對圖像進行降噪處理，降噪常用的方法有硬件濾除散射線和軟件濾波等。

3 X射線工業(yè)電視檢測系統(tǒng)的優(yōu)化

3.1 幾何不清晰度的優(yōu)化

幾何不清晰度Ug由式（2）確定。

式中：T—工件厚度；

L1—X射線管焦點到工件的距離；

L2—工件到圖像增強器的距離；

df—焦點尺寸。

從圖1中可以得出焦距F由三部分組成，F(xiàn)=L1+T+L2。

3.1.1 焦距F的選擇

焦距對圖像幾何清晰度和靈敏度的影響較大，隨著焦距增大，射線的散射面積加大，從而使圖像清晰度和靈敏度下降。從幾何不清晰度公式（2）可知，為減小幾何清晰度，應(yīng)增長L1或縮短L2。但是，在增長L1和縮短L2的同時，檢測圖像的放大比例也會降低，從而減小了檢測靈敏度，導(dǎo)致微小缺陷將無法識別。L1和L2對靈敏度的影響如圖4所示。L1、L2及CCD攝像機的焦距調(diào)整效果如圖5所示。

圖4 L1和L2對靈敏度的影響

圖5 L1、L2及CCD攝像機的焦距調(diào)整效果

3.1.2 焦點的選擇

X射線實時成像系統(tǒng)所用X射線管以小焦點為主。設(shè)備確定之后，系統(tǒng)的固有不清晰度和射線管焦點是已知條件，系統(tǒng)的不清晰度與固有不清晰度大小及X射線管焦點尺寸成正比關(guān)系，因而減小焦點尺寸，可以提高系統(tǒng)的清晰度，從而改善圖像質(zhì)量。Φ711 mm×9.5 mm焊管，采用X射線管型號為MXR 225/0.4-1.5時，不同焦點尺寸的成像效果如圖6所示。另一方面，減小焦點尺寸能夠檢測出更小的缺陷，有利于提高射線實時成像檢測的可靠性。而且隨著板厚的增加，其焦點對圖像檢測質(zhì)量的影響更為顯著。射線管焦點尺寸df不可能無限制減小，減小了焦點尺寸，一方面意味著射線強度減小，會使檢測圖像的亮度和對比度下降，不利于圖像的觀察；另一方面，小焦點發(fā)熱量大，如果冷卻不好，射線管很容易燒壞。

圖6 不同焦點尺寸的成像效果

3.1.3 檢測規(guī)范的選擇

X射線實時成像檢測的主要參數(shù)是管電壓U和管電流I。通過對管線鋼焊縫的系列規(guī)范試驗，試驗對象為Φ529 mm×8 mm，焊縫余高3.5 mm，焦距F為300 mm。

圖7 管電壓和管電流對靈敏度的影響

管電壓和管電流對靈敏度S的影響如圖7所示。從圖7可以看出，影響靈敏度的主要參數(shù)是管電壓，過低和過高的電壓均顯著影響系統(tǒng)靈敏度，而管電流對靈敏度的影響不顯著。

3.1.4 放大倍數(shù)的選擇

在射線實時成像檢測中，圖像顯示的載體是顯示器，與膠片的顆粒度相比，顯示器的像素較大，因而圖像質(zhì)量受到較大影響，采取圖像放大技術(shù)，可以彌補轉(zhuǎn)換屏熒光顆粒度和顯示器的像素較大的缺陷，有利于提高X射線實時成像的圖像質(zhì)量。圖像放大后，檢測影像得到放大，工件中的細(xì)小缺陷也隨之放大，在提高了系統(tǒng)靈敏度和分辨率的同時，圖像的不清晰度也隨之下降，改善了圖像質(zhì)量。

根據(jù)幾何圖影原理，在成像平面上得到圖像放大倍數(shù)公式為

因此幾何不清晰度Ug可寫為

從該式（3）和式（4）可以得出，隨著放大倍數(shù)M增大，幾何不清晰度Ug也會同時增大。但圖像放大倍數(shù)與圖像的靈敏度和清晰度并非成線性關(guān)系，最佳放大倍數(shù)Mopt為

式中：Us—轉(zhuǎn)換屏的不清晰度。

根據(jù)上述公式，現(xiàn)X射線管焦點尺寸一般在1 mm×1 mm左右，再根據(jù)實際測試，最佳放大倍數(shù)應(yīng)在1.3～1.5。放大比對靈敏度的影響如圖8所示。 圖8（a）的放大比是 1.5， 圖8（b）的放大比是2.0。對比可見，圖8（a）的靈敏度明顯優(yōu)于圖8（b）。

圖8 放大比對靈敏度的影響

3.2 消除管端磁場影響

如果圖像受磁場干擾嚴(yán)重，就會發(fā)生扭曲變形，甚至導(dǎo)致無法檢測。使用磁校正裝置，即在圖像增強器下方增加一個極性方向和磁場大小均可調(diào)節(jié)的磁場校正補償線圈，校正前后圖像如圖9所示。消磁校正及控制裝置如圖10所示。

圖9 受磁場影響及磁校正前后圖像對比

圖10 圖像磁校正及控制裝置

3.3 減小散射線和檢測盲區(qū)

檢查鋼管管端時，會出現(xiàn)散射嚴(yán)重、管端有盲區(qū)、噪聲嚴(yán)重，對比度差的現(xiàn)象 （如圖11（a）所示）。

分析散射線的分布特點，用鉛皮調(diào)節(jié)射線源窗口大小，吸收和阻擋散射線，并配合薄銅皮濾掉多余雜波，以達(dá)到圖像明晰，噪聲減少，無盲區(qū)的效果（如圖11（b）所示）。

鉛準(zhǔn)直器原理及實物照片如圖12所示。在X射線管窗口及圖像增強器輸入屏加鉛板作準(zhǔn)直器，一方面減少散射線，把主射線束的必要觀察面積準(zhǔn)直到最小，并對主射線束濾波，濾去能譜中易感生散射的低能部分，盡可能得到窄束單色射線；另一方面使圖像增強器輸入屏處鉛板與鋼管管端平行，以此減少甚至杜絕管端盲區(qū)。

圖11 散射及噪聲嚴(yán)重、對比度差的圖像處理前后對比

圖12 鉛準(zhǔn)直器原理及實物照片

3.4 噪聲及干擾

噪聲及干擾包括硬件固有噪聲、傳輸過程中的噪聲或其他設(shè)備造成的干擾等。這些噪聲和干擾可以通過濾波器和軟件進行處理。在實際生產(chǎn)應(yīng)用中，為減小空間電磁和可能竄入的變頻信號等干擾，采取加強屏蔽措施，使用獨立靜化電源，單獨走線、接地等措施。減小噪聲和干擾前后的圖像對比如圖13所示。

圖13 減小噪聲和干擾前后的圖像對比

4 結(jié) 語

通過對螺旋焊管X射線在線自動檢測的長期實踐、研究并得出了以下提高X射線工業(yè)電視圖像質(zhì)量的方法。

（1）采用外加磁場的方法矯正鋼管剩磁，克服由鋼管剩磁引起的X射線圖像畸變。

（2）在射線源上方附近及圖像增強器輸入屏處放置鉛塊，可以明顯減小由射線散射引起的X射線圖像噪聲。

（3）通過合理選擇射線源焦點、焦距和圖像放大倍數(shù)，可以改善X射線圖像的不清晰度。

（4）通過使用獨立電源和圖像增強器單獨接地等手段，能夠有效降低設(shè)備干擾引起的X射線圖像噪聲。

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Influence Factors of X-ray Industrial TV Inspection System Sensitivity and System Optimization

CHEN Qingshan1,CUI Erwei2,CHEN Xiaowen3,XIAO Durong1,GAO Zhiling3,GUO Feng1,WANG Yimin1,ZHANG Lihui1
（1.CNPC Bohai Equipment Steel Pipe Co.,Ltd.,Qingxian 062658,Hebei,China;2.CNPC Bohai Equipment 1st Machinery,Qingxian 062658,Hebei,China;3.CNPC Bohai Equipment Julong Steel Pipe Co.,Ltd.,Qingxian 062658,Hebei,China）

In this article,it briefly introduced the composition of X-ray industrial TV inspection system and main parameters of dynamic detection sensitivity.In order to increase the real-time imaging quality of X-ray detection,reasonably selecting radiation source focus,focal length and image magnification times can improve image unintelligibility.It adopted applied magnetic field method to correct steel pipe residual magnetism,overcome X-ray image distortion;Placing lead over radiation source and the image intensifier input screen,can significantly reduce the noise caused by ray scattering;Through using independent power supply and the image intensifier separate grounding,can effectively reduce the X-ray image noise caused by equipment interference.

welded pipe;non-destructive inspection;image intensifier;image quality

TE973.6

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.01.012

陳青山（1978—），男，本科學(xué)歷，2003年畢業(yè)于江漢石油學(xué)院，現(xiàn)從事鋼管檢驗工作。

2015-08-24

修改稿收稿日期：2015-12-03

謝淑霞