X射線的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)

1、X射線的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)一 前言無(wú)損檢測(cè)方法是利用聲、光、電、熱、磁及射線等與被測(cè)物質(zhì)的相互作用,在不破壞和損傷被測(cè)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性能的前提下,檢測(cè)材料、構(gòu)件或設(shè)備中存在的內(nèi)外部缺陷,并能確定缺陷的大小、形狀和位置。無(wú)損檢測(cè)的技術(shù)有很多，包括：染料滲透檢測(cè)法、超聲波檢測(cè)法、強(qiáng)型光學(xué)檢測(cè)法、滲透檢測(cè)法聲發(fā)射檢測(cè)法，以及本文介紹的x射線檢測(cè)法。X射線無(wú)損探傷是工業(yè)無(wú)損檢測(cè)的主要方法之一,是保證焊接質(zhì)量的重要技術(shù),其檢測(cè)結(jié)果己作為焊縫缺陷分析和質(zhì)量評(píng)定的重要判定依據(jù),應(yīng)用十分廣泛。膠片照相法是早期X射線無(wú)損探傷中常用的方法。X射線膠片的成像質(zhì)量較高,能夠準(zhǔn)確地提供焊縫中缺陷真實(shí)信息,但是,該方法具有操作過

2、程復(fù)雜、運(yùn)行成本高、結(jié)果不易存放且查詢攜帶不方便等缺點(diǎn)。由于電子技術(shù)的飛速發(fā)展,一種新型的X射線無(wú)損檢測(cè)方法“X射線工業(yè)電視”已應(yīng)運(yùn)而生,并開始應(yīng)用到焊縫質(zhì)量的無(wú)損檢測(cè)當(dāng)中。X射線工業(yè)電視己經(jīng)發(fā)展到由工業(yè)CCD攝像機(jī)取代原始X射線無(wú)損探傷中的膠片,并用監(jiān)視器(工業(yè)電視)實(shí)時(shí)顯示探傷圖像,這樣不僅可以節(jié)省大量的X射線膠片,而且還可以在線實(shí)時(shí)檢測(cè),提高了X射線無(wú)損檢測(cè)的檢測(cè)效率。但現(xiàn)在的X射線工業(yè)電視大多還都采用人工方式進(jìn)行在線檢測(cè)與分析,而人工檢測(cè)本身存在幾個(gè)不可避免的缺點(diǎn),如主觀標(biāo)準(zhǔn)不一致、勞動(dòng)強(qiáng)度大、檢測(cè)效率低等等。x射線無(wú)損探傷計(jì)算機(jī)輔助評(píng)判系統(tǒng)的原理可以用兩個(gè)“轉(zhuǎn)換”來(lái)概述:首先X射線穿

3、透金屬材料及焊縫區(qū)域后被圖像增強(qiáng)器所接收,圖像增強(qiáng)器把不可見的X射線檢測(cè)信息轉(zhuǎn)換為可視圖像,并被CCD攝像機(jī)所攝取,這個(gè)過程稱為“光電轉(zhuǎn)換”;就信息量的性質(zhì)而言,可視圖像是模擬量,它不能被計(jì)算機(jī)所識(shí)別,如果要輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理,則需要將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,進(jìn)行“模/數(shù)轉(zhuǎn)換”,即經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理后將可視圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像。其方法是用高清晰度工業(yè)CCD攝像機(jī)攝取可視圖像,輸入到視頻采集卡當(dāng)中,并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像,再經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理后,在顯示器屏幕上顯示出材料內(nèi)部缺陷的性質(zhì)、大小和位置等信息,再按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行等級(jí)評(píng)定,從而達(dá)到焊縫焊接質(zhì)量的檢測(cè)和分析。二 X射線無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理射線無(wú)

4、損探傷缺陷自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的硬件組成與結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)主要由三個(gè)部分組成:信號(hào)轉(zhuǎn)換部分、圖像處理部分及缺陷位置的獲取與傳輸部分。圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖信號(hào)轉(zhuǎn)換部分主要由X光光源、螺旋鋼管、傳送車、圖像增強(qiáng)器、反射器以及CCD攝像機(jī)組成,信號(hào)轉(zhuǎn)換部分的主要功能是完成從x射線到可見光的信息載體轉(zhuǎn)換以及可見光到可視圖像的光電轉(zhuǎn)換。螺旋鋼管首先被放置到傳送車上,傳送車在承載螺旋鋼管前進(jìn)的同時(shí),車上的旋轉(zhuǎn)滾輪帶動(dòng)螺旋鋼管旋轉(zhuǎn),這樣可以保證螺旋鋼管的螺旋焊縫始終保持在CCD攝像機(jī)的正下方,CCD攝像機(jī)就可以始終攝取到螺旋焊縫的探傷圖像。由X光光源發(fā)出的X射線穿透螺旋鋼管及焊縫區(qū)域后,被圖像增強(qiáng)器接收,圖像增強(qiáng)器將

5、不可見的X射線探傷信息轉(zhuǎn)換為可見光探傷信息,再通過反射鏡反射到CCD攝像機(jī)當(dāng)中,CCD攝像機(jī)再將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)(模擬數(shù)據(jù)),完成光電轉(zhuǎn)換,并將探傷圖像送入圖像處理部分。在信號(hào)轉(zhuǎn)換部分中,CCD攝像機(jī)將攝取到的探傷圖像以幀的形式送入圖像處理部分的視頻采集卡當(dāng)中,同時(shí)在圖像處理部分中的監(jiān)視器(工業(yè)電視)上實(shí)時(shí)顯示這幀原始探傷圖像(模擬圖像)。如果在焊縫區(qū)域中存在氣孔、夾渣或未焊透等缺陷時(shí),由于與背景區(qū)域(焊縫區(qū)域)相比較,缺陷區(qū)域透過的X射線較多,所以在監(jiān)視器(工業(yè)電視)上顯示的探傷圖像中就會(huì)形成一個(gè)亮點(diǎn)或者一條亮線,圖像處理部分也正是利用這個(gè)特點(diǎn)來(lái)檢測(cè)每一幀探傷圖像中是否存在缺陷的。圖像處理

6、部分中主要包括監(jiān)視器(工業(yè)電視),視頻采集卡,計(jì)算機(jī),計(jì)算機(jī)顯示器等設(shè)備,圖像處理部分的功能主要包括采集、顯示、處理并存儲(chǔ)所采集到的探傷圖像數(shù)據(jù)。由CCD攝像機(jī)攝取到的探傷圖像數(shù)據(jù)(模擬數(shù)據(jù))首先被送入監(jiān)視器,并在監(jiān)視器上實(shí)時(shí)顯示,同時(shí)該探傷圖像數(shù)據(jù)被輸入到視頻采集卡當(dāng)中,經(jīng)過視頻采集卡進(jìn)行采樣、量化和編碼之后將其數(shù)字化。數(shù)字化后的探傷圖像同樣以幀的形式送入到計(jì)算機(jī)當(dāng)中,在計(jì)算機(jī)中通過下述基于模糊識(shí)別準(zhǔn)則的模糊缺陷檢測(cè)算法來(lái)檢測(cè)每一幀探傷圖像中是否存在缺陷(本文將在后續(xù)詳細(xì)介紹該模糊缺陷檢測(cè)算法),并在計(jì)算機(jī)顯示器上實(shí)時(shí)顯示檢測(cè)結(jié)果,同時(shí)將檢測(cè)結(jié)果存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器當(dāng)中,以備后續(xù)的查找和驗(yàn)證

7、。缺陷位置的獲取與傳輸部分主要由AT89C2051單片機(jī)、旋轉(zhuǎn)編碼器、Max232芯片、ADAM一4520模塊和傳輸線等組成,缺陷位置的獲取與傳輸部分的主要功能是獲取并傳輸缺陷的位置信息、系統(tǒng)利用AT89C2051單片機(jī)并通過日本歐姆龍公司生產(chǎn)的旋轉(zhuǎn)編碼器將位移信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào),通過脈沖信號(hào)的個(gè)數(shù)來(lái)一記錄傳送車的位移信號(hào),再通過串行通信接口將位移信號(hào)傳送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理,從而確定缺陷的位置信息。三 缺陷檢測(cè)流程在本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的X射線無(wú)損探傷缺陷自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中,缺陷的自動(dòng)檢測(cè)與識(shí)別部分是系統(tǒng)的核心部分,該部分的程序流程可分為如下幾個(gè)步驟:l)程序初始化:完成程序開始運(yùn)行時(shí),一些變量的定義和賦

8、值以及視頻采集卡的初始化工作;2)圖像采集和串行通信接口初始化:利用視頻采集卡采集X射線探傷圖像,并同時(shí)初始化串行通信接口,完成串行通信的初始連接;3)圖像預(yù)處理和獲取位置信息:完成一些必要的圖像預(yù)處理運(yùn)算,從而保證模糊缺陷檢測(cè)算法的有效檢測(cè);獲取螺旋鋼管前進(jìn)的位置信息,以保證計(jì)算缺陷位置信息時(shí)使用:4)檢測(cè)缺陷:應(yīng)用模糊缺陷檢測(cè)算法,檢測(cè)當(dāng)前X射線探傷圖像中是否有缺陷存在,并在探傷圖像中標(biāo)記檢測(cè)到的缺陷;5)缺陷的識(shí)別:計(jì)算缺陷的一些基本信息,如:大小、個(gè)數(shù)和位置等信息,并按照一定的標(biāo)準(zhǔn),對(duì)檢測(cè)到的缺陷進(jìn)行統(tǒng)一的識(shí)別和判定;6)缺陷是否超標(biāo):判斷缺陷是否超出標(biāo)準(zhǔn),如果超出標(biāo)準(zhǔn),則發(fā)送噴標(biāo)信號(hào)

9、,在螺旋鋼管上標(biāo)記超出標(biāo)準(zhǔn)的缺陷;如果沒有缺陷超出標(biāo)準(zhǔn),則程序返回到初始狀態(tài),準(zhǔn)備下一幀X射線探傷圖像的采集、檢測(cè)與識(shí)別。缺陷自動(dòng)檢測(cè)與識(shí)別部分的程序流程框圖如圖2所示。圖三 缺陷檢測(cè)流程圖四 缺陷檢測(cè)算法原理若在焊縫區(qū)域中存在氣孔、夾渣以及未焊透等缺陷時(shí),因?yàn)槿毕輩^(qū)域穿透的X射線較多,而相對(duì)來(lái)說周圍背景區(qū)域X射線的透射量較少,所以在探傷圖像中,缺陷區(qū)域就會(huì)形成一個(gè)亮點(diǎn)或者一條亮線。這樣在視覺上就可以根據(jù)探傷圖像中,某一個(gè)區(qū)域是否比其周圍背景區(qū)域更加明亮來(lái)判斷該區(qū)域是否是缺陷區(qū)域,而從圖像處理的角度來(lái)看,可以根據(jù)探傷圖像中像素灰度值的大小來(lái)判斷一個(gè)區(qū)域是否是缺陷區(qū)域。首先從人類視覺的角度出發(fā),

10、觀察一下缺陷檢測(cè)人員是如何判斷一個(gè)區(qū)域是否是缺陷區(qū)域。如果一個(gè)區(qū)域比周圍背景區(qū)域明亮,檢測(cè)人員會(huì)認(rèn)為這個(gè)區(qū)域可能是缺陷區(qū)域,隨著耐區(qū)域亮度差的繼續(xù)加大,檢測(cè)人員會(huì)一認(rèn)為這個(gè)區(qū)域是缺陷區(qū)域的可能性較大,甚至認(rèn)為這個(gè)區(qū)域一定是缺陷區(qū)域。反之,如果一個(gè)區(qū)域與周圍背景區(qū)域的亮度差不多,那么檢測(cè)人員就會(huì)認(rèn)為這個(gè)區(qū)域不是缺陷區(qū)域,而是背景區(qū)域。在這里應(yīng)該注意一個(gè)問題,人類視覺中的“亮度代或者說是“明亮程度”,不僅僅是指區(qū)域中像素的灰度平均值,而且還與區(qū)域中像素的空間方差特性(一定區(qū)域內(nèi)像素灰度值變化的劇烈程度)有關(guān)。也就是說僅僅有著較高的灰度平均值還不夠,或者說還不足以使缺陷檢測(cè)人員確信這個(gè)區(qū)域就是缺陷區(qū)

11、域。舉一個(gè)特殊的例子,如果一個(gè)區(qū)域內(nèi)有幾個(gè)灰度值極大的點(diǎn)(實(shí)際上就是幾個(gè)惡性的隨機(jī)噪聲),它們?nèi)匀粫?huì)使整個(gè)區(qū)域的灰度平均值較高,但這個(gè)區(qū)域卻不是缺陷,看起來(lái)也不比其周圍背景區(qū)域“明亮”,因?yàn)檫@個(gè)區(qū)域只是包含了幾個(gè)惡性隨機(jī)噪聲的背景區(qū)域,而并非是缺陷區(qū)域。所以人類視覺中的“亮度”指的是,除了有著較高的空間對(duì)比度(即灰度平均值)之外,還需要有著較低的空間方差特性,也就是說,看起來(lái)還要“亮”得比較“均勻”。在X射線探傷圖像中,當(dāng)缺陷區(qū)域和噪聲區(qū)域呈現(xiàn)相同的空間對(duì)比度特性時(shí)(區(qū)域的平均灰度值相同),缺陷區(qū)域的方差特性顯然要比噪聲區(qū)域的空間方差特性低(區(qū)域的灰度值變化程度小);而當(dāng)缺陷區(qū)域和噪聲區(qū)域呈現(xiàn)

12、相同的空間方差特性時(shí),缺陷區(qū)域的空間對(duì)比度又必然要比噪聲區(qū)域的空間對(duì)比度高。所以在本文所采用的模糊缺陷檢測(cè)算法中,對(duì)于具有相同空間對(duì)比度特性的區(qū)域來(lái)說,它的空間方差特性越小,就越有理由相信這個(gè)區(qū)域是缺陷區(qū)域,其模糊隸屬度的值就越高,反之就越低;而對(duì)于具有相同空間方差特性的區(qū)域來(lái)說,它的空間對(duì)比度特性越低,這個(gè)區(qū)域是缺陷區(qū)域的可能性就越小,其模糊隸屬度的值就越低,反之也就越高,這就是模糊缺陷檢測(cè)算法的基本原理,模糊缺陷檢測(cè)算法中采用的模糊規(guī)則就是基于此而形成的。在本文采用的模糊缺陷檢測(cè)算法中,一個(gè)重要的參數(shù)是空間對(duì)比度參數(shù)中兩個(gè)對(duì)比區(qū)域(檢測(cè)區(qū)域和比較區(qū)域)之間的距離。距離的大小對(duì)空間對(duì)比度參數(shù)

13、的可靠性影響很大,無(wú)論過大或過小均無(wú)法正確反映所要比較兩個(gè)區(qū)域真實(shí)的空間對(duì)比度特性。一方面,當(dāng)檢測(cè)區(qū)域與比較區(qū)域之間的距離過小時(shí),對(duì)于較大的缺陷來(lái)說,其反映的可能是缺陷區(qū)域內(nèi)部之間的空間對(duì)比度特性,并不是所希望得到的缺陷區(qū)域與周圍背景區(qū)域的空間對(duì)比度特性;另一方面,當(dāng)檢測(cè)區(qū)域與比較區(qū)域之間的距離過大又會(huì)失去缺陷區(qū)域與“周圍”背景區(qū)域比較的意義,距離越大,兩個(gè)區(qū)域之間的相關(guān)性就越小,空間對(duì)比度特性的意義也就越小。所以檢測(cè)區(qū)域與比較區(qū)域之間的距離大小應(yīng)當(dāng)適中,不易過大也不易過小,既要能準(zhǔn)確反映出缺陷區(qū)域與其周圍背景區(qū)域之間的對(duì)比度特性,又要能跳出較大的缺陷區(qū)域,防止缺陷區(qū)域內(nèi)部之間的空間對(duì)比度的比

14、較,具體情況如圖4所示,其中,D為檢測(cè)區(qū)域,E為比較區(qū)域,d為它們之間的距離。在程序?qū)崿F(xiàn)方面上,本文在遠(yuǎn)區(qū)域和近區(qū)域各選取了一個(gè)比較區(qū)域,將遠(yuǎn)、近兩個(gè)比較區(qū)域計(jì)算出來(lái)的灰度平均值相加后再平均,即取遠(yuǎn)、近兩個(gè)比較區(qū)域的平均值,這樣在一定程度上就可以減少上述現(xiàn)象的發(fā)生。圖4 距離對(duì)檢測(cè)效果的影響在本文所介紹的X射線無(wú)損探傷缺陷自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中,采用的模糊缺陷檢測(cè)算法就是基于上述介紹的模糊準(zhǔn)則而實(shí)現(xiàn)的,即通過模糊理論來(lái)判斷焊縫區(qū)域中是否有缺陷存在。所有需要檢測(cè)的灰度探傷圖像均是由CCD攝像機(jī)攝取,并由視頻采集卡數(shù)字化,再經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理之后,將結(jié)果保存在計(jì)算機(jī)的硬盤中?；叶葓D像的灰度級(jí)為256,大小為7

15、68x576個(gè)像素。所得的灰度探傷圖像首先經(jīng)焊縫提取方法,將焊縫區(qū)域大致確定出來(lái),然后在大致確定出來(lái)的焊縫區(qū)域中以過濾的形式應(yīng)用模糊缺陷檢測(cè)算法,便可以準(zhǔn)確的檢測(cè)出焊縫區(qū)域中的缺陷及其具體位置所在。由于各個(gè)X射線探傷系統(tǒng)的成像質(zhì)量不盡相同,同時(shí)不同直徑鋼管的成像情況也有差別,所以產(chǎn)生的X射線探傷圖像的質(zhì)量差別比較大。X射線探傷圖像的質(zhì)量主要可以分為兩大類:大噪聲情況和小噪聲情況。大噪聲時(shí)探傷圖像的成像質(zhì)量比較差,噪聲較大,這時(shí)為了防止將較大的噪聲錯(cuò)判斷為缺陷,檢測(cè)區(qū)域的大小應(yīng)該適當(dāng)放大;相反,小噪聲時(shí)探傷圖像的成像質(zhì)量比較好,噪聲較小,這時(shí)就可以將檢測(cè)區(qū)域的大小適當(dāng)縮小。5 缺陷信息的獲取5.

16、1缺陷尺寸測(cè)量對(duì)于每一幀包含缺陷的探傷圖像來(lái)說,系統(tǒng)需要知道其中缺陷的個(gè)數(shù)、缺陷的尺寸以及缺陷的位置信息,從而可以按照一定的標(biāo)準(zhǔn)判定其中的缺陷是否超出標(biāo)準(zhǔn)。本文采用灰度累積的方法來(lái)計(jì)算得到缺陷個(gè)數(shù)、尺寸以及位置信息。該方法簡(jiǎn)單而且有效,只需要將缺陷像素的個(gè)數(shù)累積到橫軸上即可。灰度累積方法的具體步驟是在檢測(cè)區(qū)域的水平方向上(即橫軸上)累積每一列中黑點(diǎn)像素的個(gè)數(shù)(黑點(diǎn)像素是前述模糊缺陷檢測(cè)算法檢測(cè)出來(lái)的缺陷像素)。示意圖如圖5所示,橫軸表示黑點(diǎn)像素的位置,縱軸表示水平方向上黑點(diǎn)像素累積的個(gè)數(shù)。在將每列黑點(diǎn)像素的個(gè)數(shù)累積到橫軸后,通過判斷黑點(diǎn)像素個(gè)數(shù)的起始坐標(biāo)和結(jié)止坐標(biāo)X1、Xr以及黑點(diǎn)像素個(gè)數(shù)的最

17、高值y,就可以確定缺陷的寬度、高度以及缺陷在屏幕上的位移。它們是:缺陷的寬度:缺陷的高度:;缺陷在屏幕上的位移:。為了確保缺陷尺寸計(jì)算的準(zhǔn)確性,將缺陷的寬度與高度平均,進(jìn)而可以得到缺陷的尺寸為圖5 灰度累積示意圖5.2 缺陷位置的獲取每一幀探傷圖像中缺陷的位置信息、由兩部分組成。一部分是缺陷在屏幕上的位移;另一部分是承載鋼管的傳送車前進(jìn)的距離,兩者“相加”得到的距離才是缺陷真正的位置信息。而兩個(gè)距離之間的關(guān)系并不是簡(jiǎn)單的直接算術(shù)相加,本文后續(xù)將介紹一個(gè)特定的“換算關(guān)系”,通過這個(gè)特定的“換算關(guān)系”之后,兩個(gè)距離相加得到的數(shù)據(jù)才是缺陷的正確位置信息。缺陷在屏幕上的位移可以通過上述缺陷個(gè)數(shù)與尺寸測(cè)

18、量的方法直接獲得,即,而傳送車前進(jìn)的距離是通過旋轉(zhuǎn)編碼器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。本系統(tǒng)使用得是日本歐姆龍公司生產(chǎn)的旋轉(zhuǎn)編碼器,其旋轉(zhuǎn)一周可以產(chǎn)生1000個(gè)脈沖信號(hào),而其旋轉(zhuǎn)一周所對(duì)應(yīng)的前進(jìn)距離是0.5米,也就是旋轉(zhuǎn)編碼器的每個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)0.5毫米。這樣,通過這個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器就可以將位移信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào),再通過單片機(jī)和串信通信接口就可以將傳送車前進(jìn)的距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)教絺到y(tǒng)程序中,以便探傷系統(tǒng)計(jì)算缺陷位置信息時(shí)使用。6 討論與改進(jìn)綜上所述,這個(gè)系統(tǒng)能夠較準(zhǔn)確的識(shí)別出圓形的氣孔、夾渣型缺陷和長(zhǎng)形較明顯的未焊透缺陷,具有較低的誤報(bào)率和漏報(bào)率,同時(shí)對(duì)于超標(biāo)缺陷自動(dòng)進(jìn)行聲音報(bào)警和噴標(biāo)標(biāo)記,實(shí)現(xiàn)缺陷檢測(cè)與識(shí)別的全自動(dòng)進(jìn)行。目前,由于一些客觀原因的存在