工業(yè)CT檢測中小缺陷定量方法

齊子誠, 倪培君, 張維國, 姜 偉, 裘信國

(1.中國兵器科學(xué)研究院寧波分院， 寧波 315103； 2.浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 杭州 310014)

電子束焊接廣泛應(yīng)用于航天工業(yè)承壓、密封構(gòu)件的連接[1-2]，如衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)中的電磁閥、自鎖閥、減壓閥等。而焊接過程的不確定性，容易在焊接接頭內(nèi)部產(chǎn)生缺陷，其中以球形冶金氣孔為主。缺陷造成焊接接頭強(qiáng)度降低，嚴(yán)重時(shí)結(jié)構(gòu)失效。因此，對(duì)焊接接頭實(shí)施100%無損檢測是確保航天產(chǎn)品質(zhì)量的主要對(duì)策。工業(yè)電子計(jì)算機(jī)斷層掃描(computed tomography,CT)成像技術(shù)[3-5]具有限制條件少、成像直觀、分辨率高的優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為電子束焊縫檢測的主要手段之一。但是，利用工業(yè)CT技術(shù)對(duì)氣孔類小缺陷進(jìn)行定量檢測存在明顯的“放大效應(yīng)”。因此，研究一種簡單、有效的小缺陷定量方法對(duì)于工業(yè)CT技術(shù)的應(yīng)用及推廣具有重要意義。

在CT技術(shù)缺陷檢測方面，中外學(xué)者圍繞缺陷特征識(shí)別、增強(qiáng)及定量等方面作了大量的研究。文獻(xiàn)[6]結(jié)合形態(tài)學(xué)開閉算法對(duì)缺陷區(qū)域進(jìn)行重建，使用最大熵閾值分割法進(jìn)行缺陷提取，然后計(jì)算缺陷尺寸。文獻(xiàn)[7-8]通過建立缺陷樣本庫對(duì)缺陷特征進(jìn)行增強(qiáng)，采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練小缺陷自動(dòng)辨識(shí)模型，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行小缺陷尺寸計(jì)算。上述研究通過辨識(shí)或增強(qiáng)算法提高小缺陷檢出率，但造成缺陷尺寸畸變，影響定量精度。文獻(xiàn)[9]通過局部鄰域平均灰度變化率、差值以及方差，計(jì)算分割條件來提取缺陷并進(jìn)行體積計(jì)算。文獻(xiàn)[10]對(duì)CT圖像點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)進(jìn)行估計(jì)，利用卷積運(yùn)算形成缺陷退化模型，采用循環(huán)迭代確定待測缺陷的最優(yōu)解。上述研究有利于小缺陷定量精度的提高，但是算法復(fù)雜性及適應(yīng)性存在差異，影響在工程上的推廣應(yīng)用。

現(xiàn)提出一種基于變異系數(shù)的電子束焊縫小缺陷定量方法。首先，利用工業(yè)CT系統(tǒng)獲得小缺陷的斷層圖像，分析小缺陷尺寸對(duì)局部區(qū)域圖像灰度變異系數(shù)的影響規(guī)律。其次，建立基于變異系數(shù)法的小缺陷定量方法。最后，通過與傳統(tǒng)小缺陷測量方法對(duì)比，進(jìn)一步證明變異系數(shù)法在對(duì)小缺陷定量中的優(yōu)勢。

1 試樣與實(shí)驗(yàn)方法

1.1 試樣與設(shè)備

檢測試樣為Ф30/40/50 mm×1.2 mm不銹鋼304圓形試樣，該材料多用于制造航天衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)中的電磁閥、壓力傳感器等零部件。采用電火花加工方式在垂直于試樣表面加工通孔，用來模擬電子束焊縫內(nèi)部氣孔型小缺陷，缺陷Ф0.1～1.1 mm，沿圓形試樣周向及徑向分布，試樣結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 模擬缺陷試樣示意圖Fig.1 Simulated defect sample schematic diagram

采用ZEISS Imager.Z2 m激光掃描共聚焦顯微鏡(confocal laser scanning microscope，CLSM)對(duì)人工缺陷實(shí)際形貌進(jìn)行觀察，測量各個(gè)通孔的上、下孔徑，確保小缺陷內(nèi)部的一致性，如圖2所示。可見電火花加工的通孔表面較為平整，孔形圓度較好，加工誤差遠(yuǎn)小于工業(yè)CT測量精度，滿足工業(yè)CT試樣精度要求。

圖2 通孔表面CLSM示意圖Fig.2 CLSM scan results of through-hole

試驗(yàn)選用的高能工業(yè)CT成像系統(tǒng)如圖3所示，采用6 MeV加速器作為射線源，信號(hào)采集裝置為線陣探測器，通道數(shù)608個(gè)，垂直準(zhǔn)直器開口為0.3 mm，相鄰?fù)ǖ篱g隔為1.3 mm，水平準(zhǔn)直器0.25～5 mm，最大劑量率約為800 cGy/min(照射距離1 m)，焦點(diǎn)尺寸為2 mm。

圖3 高能工業(yè)CT檢測系統(tǒng)Fig.3 High-energy industrial CT detection system

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

檢測時(shí)，采用兩片材質(zhì)為不銹鋼304的圓片與檢測試樣兩側(cè)緊密貼合，用以模擬內(nèi)部氣孔類人工缺陷，射線穿透方向平行于試樣打孔平面，如圖4所示。采用三代CT掃描方式，微動(dòng)次數(shù)5次、觸發(fā)次數(shù)4 096次、切片厚度0.5 mm[11-12]。

圖4 樣品掃描方式示意圖Fig.4 Sample scanning method

2 工業(yè)CT圖像小缺陷定量方法

2.1 小缺陷CT圖像灰度分布

在工業(yè)CT圖像上，缺陷與材料的灰度差異是缺陷檢測的前提，差異大小受到CT成像系統(tǒng)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)和圖像噪聲的雙重影響。圖5為Ф0.1～1.1 mm小缺陷的CT圖像，其中Ф1.1、0.9、0.7 mm的人工缺陷，由于缺陷直徑較大，受CT成像及噪聲的影響較小，基本保持圓孔形態(tài)；Ф0.5、0.3 mm的人工缺陷接近CT系統(tǒng)及掃描工藝下的檢測極限，成像后的小缺陷所占像素?cái)?shù)較少無法保持圓孔形態(tài)，缺陷灰度分布接近背景噪聲；當(dāng)缺陷直徑為0.1 mm左右時(shí)，人工缺陷被噪聲所掩蓋無法識(shí)別。

圖5 Ф0.1～1.1 mm缺陷CT圖Fig.5 CT image of Ф0.1～1.1 mm defect

2.2 基于變異系數(shù)的小缺陷定量方法設(shè)計(jì)

在已知CT成像系統(tǒng)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)分布和圖像噪聲水平的情況下，圖像局部灰度均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差與缺陷尺寸具有一定單調(diào)關(guān)系。變異系數(shù)是表征概率分布離散程度的一個(gè)歸一化量度，將其作為小缺陷定量的特征值進(jìn)行分析，設(shè)一定區(qū)域(M×N)的變異系數(shù)cv為

(1)

式(1)中：σ為區(qū)域圖像灰度標(biāo)準(zhǔn)偏差；μ為區(qū)域圖像灰度均值；f(i,j)為圖像中點(diǎn)(i,j)處灰度值。

通過試驗(yàn)計(jì)算不同直徑(X射線穿透厚度)試樣中缺陷尺寸與圖像局部(100×100區(qū)域)灰度變異系數(shù)關(guān)系曲線，如圖6所示。從圖6(a)可見，當(dāng)缺陷尺寸遠(yuǎn)大于檢測極限時(shí)，射線穿透厚度變化對(duì)局部變異系數(shù)的影響較小，且缺陷尺寸與變異系數(shù)均體現(xiàn)出較好的線性關(guān)系；當(dāng)缺陷尺寸接近檢測極限時(shí)，圖像噪聲對(duì)缺陷變異系數(shù)的影響逐漸增加，且隨著穿透厚度的增加，導(dǎo)致圖像噪聲水平也隨之增加。從圖6(b)可見，對(duì)不同直徑的圓形試樣上缺陷尺寸與局部變異系數(shù)的相關(guān)性進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相關(guān)性均高于99.2%。

圖6 缺陷尺寸與CT圖像局部變異系數(shù)Fig.6 Defect size and local variation coefficient of CT image

利用不同尺寸的小缺陷標(biāo)樣擬合標(biāo)定建立小缺陷定量模型，如圖7所示。為了減少穿透厚度不同對(duì)小缺陷定量的影響，針對(duì)不同缺陷直徑(X射線穿透厚度)試樣分別建立擬合模型。

圖7 缺陷尺寸及變異系數(shù)擬合曲線Fig.7 Defect size and coefficient of variation curve fitting

采用最小二乘法建立線性擬合關(guān)系式(局部區(qū)域：100×100)為

(2)

(3)

(4)

式中：D為試樣直徑；S為小缺陷面積；cv為變異系數(shù)。

2.3 基于半高寬的小缺陷測量方法

在日常檢測過程中，半高寬(full width at half maxima,FWHM)法[13-14]通常用于對(duì)單個(gè)小缺陷的手動(dòng)測量。如圖8所示，由于試件與缺陷的密度差異，會(huì)形成一個(gè)邊緣陡峭的波峰。在小缺陷波峰高度約一半的位置定位一測量直線P，利用該直線P對(duì)應(yīng)的灰度值作為小缺陷的分割閾值，A、B為直線P與波峰的兩個(gè)交點(diǎn)，即可計(jì)算出小缺陷的面積。

圖8 小缺陷面積計(jì)算閾值分割示意圖Fig.8 Threshold segmentation of small defects schematic diagram

2.4 基于等值面的小缺陷測量方法

對(duì)于批量的工業(yè)CT圖像，通常采用等值面(Isosurface)法[5]對(duì)試樣內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢測，具體測量流程如圖9所示。

圖9 Isosurface法流程圖Fig.9 Isosurface method flow chart

基于工業(yè)CT圖像的小缺陷Isosurface法包括3個(gè)步驟：①對(duì)CT圖像進(jìn)行像素灰度分布統(tǒng)計(jì)，人為設(shè)定分割閾值將原始CT圖像轉(zhuǎn)化為二值圖像；②對(duì)二值圖像進(jìn)行處理，剔除噪聲干擾，識(shí)別出內(nèi)部缺陷區(qū)域；③統(tǒng)計(jì)缺陷區(qū)域像素的數(shù)量，根據(jù)其CT圖像像素尺寸計(jì)算出相應(yīng)的缺陷實(shí)際區(qū)域面積(尺寸當(dāng)量)。

在使用等值面法進(jìn)行自動(dòng)測量時(shí)，利用人工小缺陷(Ф1.1、Ф0.9、Ф0.7、Ф0.5 mm)試塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，取小缺陷測量誤差方差最小時(shí)的灰度閾值作為最佳分割閾值。實(shí)驗(yàn)分別選取灰度值為80、90、100、110和120作為分割閾值，對(duì)不同尺寸的小缺陷進(jìn)行定量檢測，如圖10所示。當(dāng)分割閾值設(shè)置為120時(shí)，不同規(guī)格小缺陷的測量誤差方差最小。因此，選取灰度值120作為最佳實(shí)驗(yàn)分割閾值。

圖10 不同分割閾值的等值面測量結(jié)果Fig.10 Isosurface measurement results of different segmentation thresholds

3 結(jié)果與分析

采用變異系數(shù)、半高寬和等值面三種方法對(duì)小缺陷進(jìn)行定量檢測。為了減少人為因素影響，在使用半高寬法進(jìn)行手動(dòng)測量時(shí)，小缺陷均進(jìn)行3次重復(fù)測量，選取3次測量的平均值作為測量結(jié)果，如圖11所示。圖11(a)、圖11 (b)、圖11 (c)分別為射線穿透厚度(試樣直徑)為30、40、50 mm時(shí)，三種方法下缺陷尺寸測量的絕對(duì)誤差對(duì)比分析圖。結(jié)果顯示：半高寬法測得的絕對(duì)誤差最大，等值面法次之，而變異系數(shù)法測量結(jié)果的絕對(duì)誤差最小。

圖11 尺寸測量誤差對(duì)比Fig.11 Dimensional measurement error comparision

隨著缺陷尺寸變小，變異系數(shù)法測量結(jié)果相對(duì)誤差呈現(xiàn)遞增的趨勢，相對(duì)誤差控制在20%左右；等值面分割法測量尺寸誤差先減小后增加，分析原因在于CT系統(tǒng)退化效應(yīng)造成小缺陷圖像灰度值呈現(xiàn)出近似高斯分布，等值面分割法需要先進(jìn)行閾值標(biāo)定，該標(biāo)定閾值僅對(duì)某一尺寸范圍的缺陷具有較好的測量結(jié)果；半高寬法的缺陷測量誤差無明顯趨勢，分析原因在于該方法根據(jù)小缺陷波峰高度動(dòng)態(tài)設(shè)定半高寬分割閾值，小缺陷波峰受圖像噪聲影響存在波動(dòng)，造成測量結(jié)果的無序波動(dòng)。

在相同掃描工藝下，對(duì)一組小缺陷進(jìn)行多次檢測，分析三種定量方法的穩(wěn)定性，結(jié)果如圖12所示。圖12為Ф1.1～0.5 mm小缺陷多次測量結(jié)果分布情況。

圖12 Ф0.5～1.1 mm缺陷測量穩(wěn)定性Fig.12 Ф0.5～1.1 mm defect measurement stability

計(jì)算各種測量方法定量相對(duì)誤差均值，如圖13所示。變異系數(shù)法在不同缺陷尺寸下相對(duì)誤差最小，半高寬法次之，而等值面法的相對(duì)測量誤差最大。分析原因在于變異系數(shù)法利用局部區(qū)域灰度特征表征小缺陷尺寸當(dāng)量的方法，對(duì)噪聲不敏感；反之，對(duì)于半高寬法(等值面分割法)，噪聲造成小缺陷及所在背景灰度隨機(jī)變化，部分像素灰度會(huì)高于(低于)分割閾值，造成面積統(tǒng)計(jì)的不穩(wěn)定性。

圖13 小缺陷工業(yè)CT定量誤差Fig.13 Quantitative error of small defect industrial CT

綜上所述，等值面分割法(半高寬法)基于固定(動(dòng)態(tài))閾值提取缺陷，采用面積計(jì)算方法。相比較而言，變異系數(shù)法采用局部區(qū)域的灰度分布離散程度，小缺陷定量方法具有更高的測量精度和較好的抗噪聲性。

4 結(jié)論

分析了CT圖像噪聲對(duì)不同尺寸小缺陷灰度分布的影響，針對(duì)傳統(tǒng)固定灰度閾值分割法檢出率低、誤檢率高的問題，分析小缺陷灰度分布與局部區(qū)域的灰度離散程度的關(guān)系，引入變異系數(shù)作為小缺陷定量特征量，建立基于變異系數(shù)的小缺陷定量檢測方法。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，變異系數(shù)與小缺陷當(dāng)量尺寸的相關(guān)系數(shù)穩(wěn)定在0.99以上，在Ф30 mm的圓形試樣上對(duì)Ф0.7 mm的模擬小缺陷單次測量誤差小于0.02 mm，多次測量相對(duì)誤差均值小于6%。可見，變異系數(shù)法具有更高的檢測精度和穩(wěn)定性，適用于小缺陷的定量檢測。