X射線的無損檢測技術

1、X射線的無損檢測技術z、.一前言無損檢測方法是利用聲、光、電、熱、磁及射線等與被測物質(zhì)的相互作用,在不破壞和損傷被測物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性能的前提下,檢測材料、構(gòu)件或設備中存在的內(nèi)外部缺陷,并能確定缺陷的大小、形狀和位置。無損檢測的技術有很多，包括：染料滲透檢測法、超聲波檢測法、強型光學檢測法、滲透檢測法、聲發(fā)射檢測法，以及本文介紹的x射線檢測法。X射線無損探傷是工業(yè)無損檢測的主要方法之一,是保證焊接質(zhì)量的重要技術,其檢測結(jié)果己作為焊縫缺陷分析和質(zhì)量評定的重要判定依據(jù),應用十分廣泛。膠片照相法是早期X射線無損探傷中常用的方法。X射線膠片的成像質(zhì)量較高,能夠準確地提供焊縫中缺陷真實信息,但是,該方法具有

2、操作過程復雜、運行成本高、結(jié)果不易存放且查詢攜帶不方便等缺點。由于電子技術的飛速發(fā)展,一種新型的X射線無損檢測方法“X射線工業(yè)電視”已應運而生,并開始應用到焊縫質(zhì)量的無損檢測當中。X射線工業(yè)電視己經(jīng)發(fā)展到由工業(yè)CCDg像機取代原始X射線無損探傷中的膠片,并用監(jiān)視器（工業(yè)電視）實時顯示探傷圖像,這樣不僅可以節(jié)省大量的X射線膠片,而且還可以在線實時檢測,提高了X射線無損檢測的檢測效率。但現(xiàn)在的X射線工業(yè)電視大多還都采用人工方式進行在線檢測與分析,而人工檢測本身存在幾個不可避免的缺點,如主觀標準不一致、勞動強度大、檢測效率低等等。x射線無損探傷計算機輔助評判系統(tǒng)的原理可以用兩個“轉(zhuǎn)換”來概述:首先X

3、射線穿透金屬材料及焊縫區(qū)域后被圖像增強器所接收,圖像增強器把不可見的X射線檢測信息轉(zhuǎn)換為可視圖像,并被CCDS像機所攝取,這個過程稱為“光電轉(zhuǎn)換”；就信息量的性質(zhì)而言,可視圖像是模擬量,它不能被計算機所識別,如果要輸入計算機進行處理,則需要將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,進行“模/數(shù)轉(zhuǎn)換”,即經(jīng)過計算機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)CC微像機攝取可視圖像,輸入到視頻采集卡當中,并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像,再經(jīng)過計算機處理后,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,再按照有關標準對檢測結(jié)果進行等級評定,從而達到焊縫焊接質(zhì)量的檢測和分析。二X射線無損檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理射線

4、無損探傷缺陷自動檢測系統(tǒng)的硬件組成與結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)主要由三個部分組成:信號轉(zhuǎn)換部分、圖像處理部分及缺陷位置的獲取與傳輸部分。校對疆程顏采集喉C蓬像機的嵯里海著顯示裾°、單片機軍 J h- i 1 v *W. 1 、:口 手 h! Il mu圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖計算機/ I1信號轉(zhuǎn)換部分主要由X光光源、螺旋鋼管、傳送車、圖像增強器、反射器以及CCD8像機組成，信號轉(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的同時，車上的旋轉(zhuǎn)滾輪帶動螺旋鋼管旋轉(zhuǎn),這樣可以保證螺旋鋼管的螺旋焊縫始終保持在CCD

5、攝像機的正下方，CCD攝像機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,被圖像增強器接收,圖像增強器將不可見的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攝像機當中，CCD攝像機再將光信號轉(zhuǎn)換為電信號（模擬數(shù)據(jù)），完成光電轉(zhuǎn)換,弁將探傷圖像送入圖像處理部分。在信號轉(zhuǎn)換部分中,CCD攝像機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中,同時在圖像處理部分中的監(jiān)視器（工業(yè)電視）上實時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,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

6、監(jiān)視器（工業(yè)電視）上顯示的探傷圖像中就會形成一個亮點或者一條亮線,圖像處理部分也正是利用這個特點來檢測每一幀探傷圖像中是否存在缺陷的。（工業(yè)電視）,視頻采集卡,計算機,計算機顯示器等設備,圖像處理部分的功能主要包括采集、顯示、處理并存儲所采集到的探傷圖像數(shù)據(jù)。由CCD8像機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)視器上實時顯示,同時該探傷圖像數(shù)據(jù)被輸入到視頻采集卡當中,經(jīng)過視頻采集卡進行采樣、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算機當中,在計算機中通過下述基于模糊識別準則的模糊缺陷檢測算法來檢測每一幀探傷圖像中是否存在缺陷（本文將在后續(xù)詳細介紹該模

7、糊缺陷檢測算法）,并在計算機顯示器上實時顯示檢測結(jié)果,同時將檢測結(jié)果存儲到計算機的存儲器當中,以備后續(xù)的查找和驗證。缺陷位置的獲取與傳輸部分主要由AT89C2051單片機、旋轉(zhuǎn)編碼器、Max232芯片、ADAMP4520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)編碼器將位移信號轉(zhuǎn)換為脈沖信號,通過脈沖信號的個數(shù)來一記錄傳送車的位移信號,再通過串行通信接口將位移信號傳送給計算機進行處理,從而確定缺陷的位置信息。三缺陷檢測流程在本文設計并實現(xiàn)的X射線無損探傷缺陷自動檢測系統(tǒng)中,缺陷的自動檢測與識別

8、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步驟:1) 程序初始化:完成程序開始運行時,一些變量的定義和賦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,并同時初始化串行通信接口,完成串行通信的初始連接;3) 圖像預處理和獲取位置信息:完成一些必要的圖像預處理運算從而保證模糊缺陷檢測算法的有效檢測;獲取螺旋鋼管前進的位置信息,以保證計算缺陷位置信息時使用:4) 檢測缺陷:應用模糊缺陷檢測算法,檢測當前X射線探傷圖像中是否有缺陷存在,并在探傷圖像中標記檢測到的缺陷;5）缺陷的識別：計算缺陷的一些基本信息,如：大小、個數(shù)和位置等信息，弁按

9、照一定的標準,對檢測到的缺陷進行統(tǒng)一的識別和判定；6）缺陷是否超標：判斷缺陷是否超出標準，如果超出標準，則發(fā)送噴標信號,在螺旋鋼管上標記超出標準的缺陷；如果沒有缺陷超出標準，則程序返回到初始狀態(tài)，準備下一幀X射線探傷圖像的采集、檢測與識別。缺陷自動檢測與識別部分的程序流程框圖如圖2所示。圖三缺陷檢測流程圖缺陷檢測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,因為缺陷區(qū)域穿透的X射線較多,而相對來說周圍背景區(qū)域X射線的透射量較少,所以在探傷圖像中,缺陷區(qū)域就會形成一個亮點或者一條亮線。這樣在視覺上就可以根據(jù)探傷圖像中,某一個區(qū)域是否比其周圍背景區(qū)域更加明亮來判斷該區(qū)域是否是缺陷區(qū)域,而

10、從圖像處理的角度來看,可以根據(jù)探傷圖像中像素灰度值的大小來判斷一個區(qū)域是否是缺陷區(qū)域。首先從人類視覺的角度出發(fā),觀察一下缺陷檢測人員是如何判斷一個區(qū)域是否是缺陷區(qū)域。如果一個區(qū)域比周圍背景區(qū)域明亮,檢測人員會認為這個區(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,檢測人員會一認為這個區(qū)域是缺陷區(qū)域的可能性較大甚至認為這個區(qū)域一定是缺陷區(qū)域。反之,如果一個區(qū)域與周圍背景區(qū)域的亮度差不多,那么檢測人員就會認為這個區(qū)域不是缺陷區(qū)域,而是背景區(qū)域。在這里應該注意一個問題,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

11、化的劇烈程度）有關。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人員確信這個區(qū)域就是缺陷區(qū)域。舉一個特殊的例子,如果一個區(qū)域內(nèi)有幾個灰度值極大的點（實際上就是幾個惡性的隨機噪聲）,它們?nèi)匀粫拐麄€區(qū)域的灰度平均值較高,但這個區(qū)域卻不是缺陷,看起來也不比其周圍背景區(qū)域“明亮”,因為這個區(qū)域只是包含了幾個惡性隨機噪聲的背景區(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,看起來還要“亮”得比較“均勻”。在X射線探傷圖像中,當缺陷區(qū)域和噪聲區(qū)域呈現(xiàn)相同的空間對比度特性時（區(qū)域的平均灰度值相

12、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?。?而當缺陷區(qū)域和噪聲區(qū)域呈現(xiàn)相同的空間方差特性時,缺陷區(qū)域的空間對比度又必然要比噪聲區(qū)域的空間對比度高。所以在本文所采用的模糊缺陷檢測算法中,對于具有相同空間對比度特性的區(qū)域來說,它的空間方差特性越小,就越有理由相信這個區(qū)域是缺陷區(qū)域,其模糊隸屬度的值就越高,反之就越低;而對于具有相同空間方差特性的區(qū)域來說,它的空間對比度特性越低,這個區(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算法的基本原理,模糊缺陷檢測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算

13、法中,一個重要的參數(shù)是空間對比度參數(shù)中兩個對比區(qū)域（檢測區(qū)域和比較區(qū)域）之間的距離。距離的大小對空間對比度參數(shù)的可靠性影響很大,無論過大或過小均無法正確反映所要比較兩個區(qū)域真實的空間對比度特性。一方面,當檢測區(qū)域與比較區(qū)域之間的距離過小時,對于較大的缺陷來說,其反映的可能是缺陷區(qū)域內(nèi)部之間的空間對比度特性,并不是所希望得到的缺陷區(qū)域與周圍背景區(qū)域的空間對比度特性;另一方面,當檢測區(qū)域與比較區(qū)域之間的距離過大又會失去缺陷區(qū)域與“周圍”背景區(qū)域比較的意義，距離越大，兩個區(qū)域之間的相關性就越小,空間對比度特性的意義也就越小。所以檢測區(qū)域與比較區(qū)域之間的距離大小應當適中,不易過大也不易過小,既要能準確

14、反映出缺陷區(qū)域與其周圍背景區(qū)域之間的對比度特性,又要能跳出較大的缺陷區(qū)域,防止缺陷區(qū)域內(nèi)部之間的空間對比度的比較，具體情況如圖4所示，其中,D為檢測區(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,本文在遠區(qū)域和近區(qū)域各選取了一個比較區(qū)域，將遠、近兩個比較區(qū)域計算出來的灰度平均值相加后再平均，即取遠、近兩個比較區(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。4距離對檢測效果的影響在本文所介紹的X射線無損探傷缺陷自動檢測系統(tǒng)中,采用的模糊缺陷檢測算法就是基于上述介紹的模糊準則而實現(xiàn)的,即通過模糊理論來判斷焊縫區(qū)域中是否有缺陷存在。所有需要檢測的灰度探傷圖像均是由CCD攝像機攝取，

15、并由視頻采集卡數(shù)字化，再經(jīng)過計算機處理之后,將結(jié)果保存在計算機的硬盤中?；叶葓D像的灰度級為256,大小為768x576個像素。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,然后在大致確定出來的焊縫區(qū)域中以過濾的形式應用模糊缺陷檢測算法,便可以準確的檢測出焊縫區(qū)域中的缺陷及其具體位置所在。由于各個X射線探傷系統(tǒng)的成像質(zhì)量不盡相同,同時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。大噪聲時探傷圖像的成像質(zhì)量比較差,噪聲較大,這時為了防止將較大的噪聲錯判斷為缺陷,檢測區(qū)域的大小應該適當放大相反

16、,小噪聲時探傷圖像的成像質(zhì)量比較好,噪聲較小,這時就可以將檢測區(qū)域的大小適當縮小。5) 缺陷信息的獲取5.1 缺陷尺寸測量對于每一幀包含缺陷的探傷圖像來說,系統(tǒng)需要知道其中缺陷的個數(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準判定其中的缺陷是否超出標準。本文采用灰度累積的方法來計算得到缺陷個數(shù)、尺寸以及位置信息。該方法簡單而且有效,只需要將缺陷像素的個數(shù)累積到橫軸上即可?；叶壤鄯e方法的具體步驟是在檢測區(qū)域的水平方向上（即橫軸上）累積每一列中黑點像素的個數(shù)（黑點像素是前述模糊缺陷檢測算法檢測出來的缺陷像素）。示意圖如圖5所示,橫軸表示黑點像素的位置,縱軸表示水平方向上黑點像素累積的個數(shù)

17、。在將每列黑點像素的個數(shù)累積到橫軸后,通過判斷黑點像素個數(shù)的起始坐標和結(jié)止坐標XI、Xr以及黑點像素個數(shù)的最高值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：XrX1缺陷的高度：Y;缺陷在屏幕上的位移：丁。為了確保缺陷尺寸計算的準確性,將缺陷的寬度與高度平均,進而可以得到缺陷的尺寸為水平方向圖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。而兩個距離之間的關系弁不是簡單的直接算術相加，本文后續(xù)將介紹一個特定的“換算關系”

18、,通過這個特定的“換算關系”之后,兩個距離相加得到的數(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數(shù)與尺寸測量的方法直接獲得，即江x,2而傳送車前進的距離是通過旋轉(zhuǎn)編碼器來實現(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個脈沖信號，而其旋轉(zhuǎn)一周所對應的前進距離是0.5米，也就是旋轉(zhuǎn)編碼器的每個脈沖對應0.5毫米。這樣,通過這個旋轉(zhuǎn)編碼器就可以將位移信號轉(zhuǎn)換為脈沖信號,再通過單片機和串信通信接口就可以將傳送車前進的距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)教絺到y(tǒng)程序中,以便探傷系統(tǒng)計算缺陷位置信息時使用。6討論與改進綜上所述,這個系統(tǒng)能夠較準確的識別出圓形的氣孔、夾渣型缺陷和長形較明顯的未焊透缺陷,具有較低的誤報率和漏報率,同時對于超標缺陷自動進行聲音報警和噴標標記,實現(xiàn)缺陷檢測與識別的全自動進行。目前,由于一些客觀原因的