射線檢測技術第7章-數(shù)字射線成像檢測技術課件

第7章射線數(shù)字成像檢測技術主要內容常規(guī)膠片照相與數(shù)字射線照相圖像增強器的成像系統(tǒng)線陣列DR技術平板探測器（面陣列）DR技術射線數(shù)字成像系統(tǒng)射線數(shù)字成像系統(tǒng)的主要性能指標射線數(shù)字成像基本技術圖像質量、評定及存貯平板DR檢測工藝卡膠片/CR/DR對比射線檢測技術的發(fā)展方向數(shù)字射線照相需要解決的問題1.常規(guī)膠片照相與數(shù)字射線照相1.1常規(guī)膠片照相膠片照相是工業(yè)射線照相的主要方式。膠片照相法的不足檢測周期長(布片、暗室處理等)、檢測效率低成本偏高(膠片價格上漲快)底片保管困難底片難以共享、不利于環(huán)境保護等。射線檢測的發(fā)展趨勢：數(shù)字射線照相檢測典型代表：射線CR和DR1.2數(shù)字射線照相什么是數(shù)字射線照相？射線數(shù)字成像（raydigitalradiography）是指采用射線數(shù)字探測器接收射線，可輸出數(shù)字圖像并進行數(shù)字圖像處理的一種成像方法。

典型特征是檢測結果是數(shù)字化圖像。

數(shù)字圖像數(shù)字圖像f(x,y)表示數(shù)字圖像在(x,y)坐標處的亮度值亮度值取決于量化位數(shù)和射線強度量化位數(shù)(bit)8位：0-25516位：0-65535位數(shù)越高，量化越準確，但占用空間越大模擬圖像與數(shù)字圖像模擬圖像是空間坐標和幅度都連續(xù)變化的圖像。射線照相得到的底片圖像就是模擬圖像；數(shù)字圖像是空間坐標和幅度均用離散的數(shù)字表示的圖像。特點：時間和幅度都是離散化的。1.3數(shù)字射線照相技術種類面陣列探測器成像技術線陣列探測器技術積累型CCD成像探測器技術圖像增強器+CCD成像技術。1.4數(shù)字射線檢測的優(yōu)點檢測結果數(shù)字化，降低了廢片率，低劑量化。量子檢測效率高于膠片，以德國德爾公司的CR35為例，CR成像的曝光時間僅僅為一般膠片的1/3-1/2，曝光量減少近60%，降低了X射線機的負荷，相對地延長了X射線機的使用壽命。不需要膠片，不需暗室處理，更環(huán)保經濟。遠程評片

現(xiàn)狀：數(shù)字射線成像在我國應用遠不如膠片照相，在于數(shù)字射線檢測的靈敏度低于膠片照相的靈敏度，技術、工藝準備上不足。

1.5膠片照相與數(shù)字射線照相的對比膠片與探測器原子與比特(Bit)顆粒與像素黑度與灰度底片與數(shù)字圖像檢測工藝的變化檢測報告的變化檢測工藝的變化采用數(shù)字射線成像時，包括射線源到工件的距離工件到射線探測設備的距離射線入射方向曝光曲線的制作方法基準灰度的選取信噪比合格圖像的質量要求等工藝指標都將發(fā)生變化。檢測報告的變化數(shù)字射線成像的檢測報告不再包含暗室處理的操作，包括數(shù)字圖像灰度信噪比焦距驗收標準等內容應體現(xiàn)在檢測報告中。

2.圖像增強器的數(shù)字成像系統(tǒng)2.1早期的射線實時成像檢驗系統(tǒng)熒光屏射線照射熒光物質產生熒光將X射線照相的強度分布轉換為可見光圖像不足：圖像亮度低顆粒粗對比度低細節(jié)顯示不清靈敏度遠低于膠片圖像限制了實際應用2.2圖像增強器射線實時成像檢驗系統(tǒng)1-射線源；2-工件與機械驅動系統(tǒng)；3-圖象增強器；4-攝像機5-圖象處理器；6-計算機；7-顯示器

增強亮度系統(tǒng)構成射線源機械裝置圖像增強器圖像采集和處理單元顯示和存儲單元控制單元2.3工作原理原理

輸入轉換屏吸收入射射線并將其能量轉換為熒光發(fā)射，光電層將熒光能量轉換為電子發(fā)射。發(fā)射的電子在聚焦電極的高壓作用下被聚焦和加速，高速撞擊到輸出屏上。輸出屏將電子能量轉換為可見光發(fā)射。輸出屏上的可見光圖像，經光學系統(tǒng)由攝像機拾取，將圖像信號轉換為視頻信號，經A/D轉換后送入圖像處理單元。轉換過程：射線熒光電子熒光2.4系統(tǒng)主要指標該系統(tǒng)可以采用靜態(tài)檢測方式和動態(tài)方式獲得檢測圖像。該系統(tǒng)的動態(tài)范圍可以達到2000：1。圖像增強器輸入屏的不清晰度一般在0.3mm左右中心空間分辨率的典型值為4～6Lp/mm（線對/毫米）。為了獲得高空間分辨率，需要采用小或微焦點射線源以及適當?shù)姆糯蟊稊?shù)。

2.5發(fā)展趨勢工業(yè)X射線影像增強器和一臺高分辨率CCD數(shù)字攝像機組成，可傳輸視頻信號和數(shù)字信號進行圖像處理。2.6優(yōu)點與局限性優(yōu)點：實時不使用膠片檢測結果數(shù)字化局限性：空間分辨率和清晰度低于膠片射線照相體積較大、不靈活設備一次投資較大3.線陣列射線DR技術3.1線陣列射線DR檢測系統(tǒng)1—X射線管2—準直后的X射線束3—工件4—傳動裝置

5—LDA探測器6—數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)7—顯示器225kVX射線工業(yè)DR/CT系統(tǒng)3.2系統(tǒng)構成該系統(tǒng)一般由射線源機械裝置線陣列探測器圖像采集、顯示與處理單元等構成。線陣列探測器是該系統(tǒng)的核心器件?？梢允欠蔷Ч?、非晶硒，或閃爍體與CCD、CMOS構成的線陣列探測器。線陣探測器是將一種新型的射線探測元件排列成一個陣列，并將它們直接與一塊大規(guī)模集成電路連接在一起，同步完成射線接收、光電轉化、數(shù)字化的全過程。3.3線陣DR成像原理熒光屏或閃爍體接受入射X射線的能量，發(fā)出可見光，感光二極管受到可見光的照射，產生電壓信號。該信號經過集成電路的處理變成14位(或16位)的數(shù)字信號發(fā)給計算機。閃爍體/熒光物質+光電二極管3.4線陣DR工作過程線陣探測器的掃查方式是線型掃描，每次掃描結果是一條直線，一條條直線排列組成一幅圖像。檢測時工件移動，經過相對固定的線陣探測器的掃查，得到一幅連續(xù)的圖像。該裝置的動態(tài)范圍大(相當于膠片寬容度)，超過了普通膠片，可以獲得更多的圖像細節(jié)信息，圖像質量完全達到了膠片照相的效果理論分析表明：在相同象素尺寸的條件下，線陣探測器比面陣探測器具有更好的圖像質量。線陣掃描成像是通過探測器、射線源和被透照物體的相對運動來進行圖像合成的，因而必須保證探測器的曝光時間與相對運動速度嚴格同步，否則合成的圖像將會產生嚴重的幾何變形。

3.5系統(tǒng)特性X射線線陣探測器可承受20kV～450kV能量的X射線直接照射，具有在強磁場中穩(wěn)定工作的能力，無老化現(xiàn)象。由于采用線陣列探測器，系統(tǒng)有較高的空間分辨率和動態(tài)范圍，空間分辨率可以達到4～6Lp/mm。線陣列探測器的像素尺寸小于面陣列探測器的像素尺寸，因此前者較后者有更高的空間分辨率。該系統(tǒng)的動態(tài)范圍可達到4000：1，因此，可以一次性實現(xiàn)透照厚度變化大的工件成像檢測。容易采用準直縫，能有效地防護散射線，改善圖像質量。3.6線陣DR應用某型鑄件DR檢測某型鑄件DR檢測小直徑管DR檢測鋁板疲勞裂紋DR檢測焊接缺陷鋁合金焊縫DR檢測攪拌摩擦焊DR檢測鐵路芯盤K6側架雙面牽引梁3.7線陣DR的優(yōu)點與不足優(yōu)點：直接成像-數(shù)字化線陣探測器散射線防護容易實現(xiàn)不足：檢測結果易受校正結果的影響需要上下運動-多次反復，檢測效率低存在運動模糊探測器不能彎曲、體積較大。4.平板探測器DR檢測技術4.1平板DR成像以平板探測器代替膠片進行射線照相檢測，平板探測器是當代最先進的射線接收裝置。平板DR成像種類非晶硅+光電二極管陣列+薄膜晶體管陣列非晶硒+薄膜晶體管陣列

CMOS4.2平板探測器非晶硒型平板探測器

PE系列平板探測器CMOS平板探測器4.3平板探測器DR系統(tǒng)組成該系統(tǒng)的構成一般由射線源、面陣列探測器、圖像采集、顯示與處理單元等構成。由于該系統(tǒng)可一次曝光形成檢測圖像，而不需要平移或旋轉工件進行多次掃描，所以與與線陣列掃描成像系統(tǒng)相比，不需要機械傳動裝置。面陣列探測器是該系統(tǒng)的核心器件。面陣列探測器一般采用的是非晶硅、非晶硒、CMOS陣列構成的探測器。4.4工作原理該系統(tǒng)的工作原理類似于線陣列探測器成像系統(tǒng)，只不過是通過面陣列探測器對射線探測、轉換、處理，完成檢測圖像的數(shù)字化。工作過程是采用靜態(tài)方式獲得檢測圖像，而不像線陣列探測器成像系統(tǒng)是采用動態(tài)掃描方式獲得圖像。

工作原理示意圖平板面陣列DR掃描系統(tǒng)工作原理示意圖5.射線數(shù)字成像系統(tǒng)主要由射線機、射線接收轉換裝置（探測器）、計算機系統(tǒng)（圖像采集單元、圖像處理單元、圖像顯示單元、圖像存儲單元）、機械傳動裝置及檢測工裝等組成。

射線源按照探測器適用的射線能量，射線源可以選擇常規(guī)X射線機、r射線源或加速器X射線源。（1）焦點尺寸的選擇（2）恒電位（3）連續(xù)工作射線源的焦點尺寸X射線源焦點尺寸越小，圖像清晰度越高。因此，為了得到質量較高的DR圖像，應盡量選用焦點尺寸較小的X射線源。

焦點尺寸1.0mm焦點尺寸5.5mm射線探測器根據(jù)不同的檢測要求和檢測條件，可選擇下列射線探測器：1）面陣列探測器；2）線陣列探測器；3）積累型CCD成像探測器；4）圖像增強器+CCD；5）其他具有上述類似功能的探測器。

平板探測器的選擇閃爍體類型有效像素數(shù)量像素尺寸AD位數(shù)射線能量范圍最大刷新頻率動態(tài)范圍平板校正效果開放數(shù)據(jù)接口(提供驅動)數(shù)據(jù)端口(支持千兆以太網端口)密度分辨率與空間分辨率計算機系統(tǒng)計算機系統(tǒng)包括圖像采集單元:利用視頻圖像采集卡完成檢測圖像數(shù)據(jù)的采集。圖像處理單元:利用圖像處理軟件對采集的原始圖像進行降噪、對比度增強、邊緣增強等處理圖像顯示單元:圖像顯示采取黑白方式顯示圖像圖像存儲單元:檢測圖像可儲存在數(shù)字光盤等介質中軟件系統(tǒng)包含成像系統(tǒng)軟件和圖像瀏覽軟件。成像系統(tǒng)軟件通?？捎幸韵鹿δ苣K：1）檢測工藝參數(shù)設置；2）檢測機械控制或通訊；3）圖像采集、顯示、存儲；4）系統(tǒng)標定；5）幾何標定；6）圖像處理；7）圖像幾何測量；8）圖文標注。機械傳動裝置對于線陣列探測器數(shù)字成像技術，探測器每次采集的僅是圖像的一行或一列數(shù)據(jù)，只能通過掃描方式完成一個部位檢測圖像的采集，因此這種系統(tǒng)必須有機械傳動裝置，在機械裝置的驅動下，隨著工件與射線源、探測器做相對運動，完成檢測。因此要求機械傳動裝置可進行水平運動或旋轉運動，運動速度可調且運動平穩(wěn)。檢測工裝或流水線為實現(xiàn)工件的連續(xù)檢測，應有必要的檢測工裝設備或流水線，且應具有較高的機械精度。小口徑蛇形管檢測自動線工裝

6射線數(shù)字成像系統(tǒng)的主要性能指標系統(tǒng)空間分辨率圖像可識別線條分離最小間距，用每毫米范圍內的可識別線對數(shù)表示時單位為：Lp/mm

(線對/毫米)測試方法：線對測試卡和雙絲像質計不清晰度：影像邊界模糊區(qū)域的寬度對比靈敏度從圖像可識別的透照厚度百分比對比靈敏度試塊1）空間分辨率一對黑白相間的線條稱為一個“線對”，在單位寬度內能分辨清楚的線對數(shù)越多，表示圖像越清晰，分辨率越高。其中d是通過圖像剛好能識別的柵條寬度。例如，通過圖像剛好能識別的柵條寬度為0.25mm，則空間分辨率為2.0lp/mm?？臻g分辨率與數(shù)字圖像的像素大小和多少有關。像素的大小決定空間分辨率，像素越小，空間分辨率就越大。例如，像素尺寸大小為0.46mm×0.46mm，即460μm×460m，那么按上式，空間分辨率大小就是1/（0.46×2）＝1.1Lp/mm

空間分辨率測定----分辨率測試卡扇型分辨率測試卡和線型分辨率測試卡無論哪種設計的線對卡，其基本結構都是由高密度材料（常用鉛箔）的柵條和間距形成占空比為1：1的線對圖樣，即柵條的間距等于柵條的寬度，密封在低密度材料（常用透明塑料薄板）中構成。塑料厚度約1mm，鉛箔厚度等于最窄柵條的寬度。線對測試卡空間分辨率測定----雙絲像質計根據(jù)EN462-5標準規(guī)定雙絲像質計是由放置于剛性半透明塑料盒中的13個線對組成，塑料厚度約為1mm。雙絲像質計絲的直徑與絲與絲之間的距離相等(即柵條和間距形成占空比為1：1的線對圖樣)，每個線對包含兩條圓形截面的線。1D至3D線對是金屬鎢，其它線對是金屬鉑。

2.5lp/mm2.8lp/mm空間分辨率測定2）圖像不清晰度與圖像分辨率有關的另外一個概念是圖像的清晰度射線數(shù)字圖像的不清晰度的概念類似，也是指一個明銳的邊界成像后的影像會變得模糊，模糊區(qū)域的寬度（半影區(qū)）即為圖像不清晰度，單位是毫米（mm）。它是幾何不清晰度、固有不清晰度和運動不清晰度等因素的綜合作用結果?？梢杂秒p絲型像質計測量圖像不清晰度

不清晰度值按確定其中，d為圖像上不能清晰區(qū)分細節(jié)的尺寸（如絲對的絲徑值或柵條寬度）。系統(tǒng)分辨率和圖像分辨率射線數(shù)字成像系統(tǒng)的空間分辨率、不清晰度分別有系統(tǒng)分辨率和圖像分辨率，以及系統(tǒng)不清晰度和圖像不清晰度的概念，應加以區(qū)分。系統(tǒng)分辨率和系統(tǒng)不清晰度是將測試卡緊貼在射線探測器輸入屏表面中心區(qū)域測得，圖像分辨率和圖像不清晰度將射線檢測圖像分辨率測試卡置于被檢測工件位置，與被檢工件（如焊縫）同時透照測得。所以圖像分辨率和圖像不清晰度反映的是實際檢測過程中的數(shù)值。系統(tǒng)分辨率是放大倍數(shù)等于或接近于1時的圖像分辨率，它排除了工藝因素對圖像質量的影響，純粹反映了射線數(shù)字成像設備本身的分辨能力，也稱為固有分辨率。3）對比靈敏度對比度靈敏度定義為能在圖像上產生可識別光學密度變化的試樣上最小厚度差，通常是用該最小厚度差占試樣總厚度的百分比表示。它限定了所能識別的、沿射線束方向的缺陷的最小尺寸。增加射線劑量、降低圖像探測器的動態(tài)范圍和增加信號增益可以大幅度提高圖像對比靈敏度，但寬容度下降。

ASTME1647標準規(guī)定，對比靈敏度采用對比靈敏度計測定。對比靈敏度計上有四個平底方孔，其深度分別為對比靈敏度計厚度的1%，2%，3%和4%。

對比靈敏度試塊方形試塊圓形試塊單幀采集圖像10幀采集處理4）信噪比數(shù)字成像系統(tǒng)的檢測特征信號和噪聲以信噪比（SNR）的形式表示，SNR＝信號強度/噪聲強度，即有用的數(shù)字圖像信息/無用的噪聲信號信息。在X射線數(shù)字成像檢測中，采用相對較低的管電壓值和適宜的曝光量（不能太高），可以適當提高信噪比?？臻g分辨率、信噪比、動態(tài)范圍之間的關系增加空間分辨率，只好減小像素顆粒尺寸、增加像素密度,即增加單位面積內的像素數(shù)量，也就是增加像素矩陣大小。單位像素的面積越小，就會使每一像素檢測到的X射線光子數(shù)大大減少，每個像素的感光性能越低，每一像素點的信噪比降低，動態(tài)范圍變窄。顯示和儲存費用圖像質量最佳圖像質量噪聲限制區(qū)分辨率限制區(qū)像素尺寸

像素大小和噪聲之間的關系

7射線數(shù)字成像基本技術射線數(shù)字檢測技術與射線照相技術的透照檢測基本相似，但由于射線探測器不同，所以透照技術還是存在差別。透照技術包括透照布置、透照方式、透照參數(shù)選擇、標記和像質計放置、散射線防護等。7.1成像檢測技術分級成像檢測技術分級——A級：基本技術——B級：優(yōu)化技術

7.2透照布置與成像方式

射線數(shù)字成像的透照方式與膠片照相方法基本相同，既要考慮射線透照方向，又要考慮射線源、工件、探測器的相對位置，以及透照方式。在射線數(shù)字成象檢驗技術中，一般采用放大透照布置M=F/f射線數(shù)字檢測技術的透照和成像方式同樣有縱縫外透法、內透法，環(huán)縫外透法、內透法，雙壁單影法和雙壁雙影法。由于采用線陣列探測器成像技術，以及小直徑管對接環(huán)縫的成像方式具有一些特殊的方面，下面單獨進行介紹。其它情況如大直徑管環(huán)焊縫、平板焊縫、鑄件透照布置和成像方式與射線照相技術相同，線陣列探測器成像方式線陣探測器在使用中需要與檢測對象進行相對運動，經掃描運動才能獲取有效的檢測圖像。分為直線運動掃描成像方式和旋轉運動掃描成像方式。直線運動掃描成像方式1-射線源；2-探測器；3-被檢件

a）b）圖7-16旋轉掃描成像方式a）單壁透照法b）雙壁雙影法1—射線源；2—探測器；3—被檢件小直徑管對接環(huán)縫成像方式采用雙壁雙影傾斜透照橢圓成像或展開成直縫狀態(tài)成像顯示方式。橢圓成像有困難或對檢測有特殊要求時，可采用垂直透照方式重疊成像。（1）雙壁雙影橢圓成像（面陣列探測器或圖像增強器）（2）雙壁雙影展開式成像法（線陣列射線接收裝置）7.3.透照參數(shù)的選擇

與射線照相檢測技術類似，射線數(shù)字成像檢測技術的主要參數(shù)也包括射線能量、焦距、和曝光量等。最佳放大倍數(shù)也是射線數(shù)字成像技術的重要參數(shù)。透照參數(shù)的選擇方式也與射線照相檢測技術類似。1)射線能量

選擇射線能量的原則是在保證穿透能力的前提下，盡可能低。應限制所使用的最高能量。對于X射線，可參考膠片照相時的最高電壓限值.在相同曝光量的條件下，較高的射線管電壓會損失圖像的對比度。

管電壓的影響90kV95kV100kV105kV結論：最佳管電壓定為100kV。

焦距875mm源到工件中心650mm管電流6.0mA焦點尺寸1.0mm積分時間400ms2)曝光量射線的曝光量是到達射線探測器的劑量。曝光量雖然不直接影響檢測圖像的對比度、空間分辨率，但它對數(shù)字圖像的信噪比影響較大。射線數(shù)字檢測標準一般未明確給出曝光量控制要求，實際是通過圖像的對比度、空間分辨率間接控制曝光量。常用較大的曝光量，可以獲得較好的檢測圖像。3)焦距焦距會影響檢測的幾何不清晰度。對于不同的射線數(shù)字成像技術透照等級要求，射線源到被檢件表面的距離應滿足：1）A級時f≥2）B級時f≥4)最佳放大倍數(shù)

采取圖像放大技術，有利于提高X射線數(shù)字成像的圖像質量。圖像放大后，檢測工件的影像得到放大，工件中細小缺陷的影像也隨之放大，因而變得容易識別。但是圖像的幾何不清晰度也隨之增大，總的不清晰度增大，又不利于圖像質量的改善。因此，存在最佳放大倍數(shù)。

圖像增強器的最佳放大倍數(shù)可分辨的最小細節(jié)當顯示屏上不清晰度確定后，空間分辨率也就確定了，也就決定了可分辨的最小細節(jié)或缺陷。

5)一次透照長度一次透照長度越長，透照次數(shù)越少，靈敏度降低，邊緣處成像質量越差。6)工件運動速度動態(tài)檢側時除了按規(guī)定選取掃描面、掃描方位和移動范圍等外，還須正確選取工件運動速度。相對運動速度的不當會引起圖像的變形。直線運動速度式中，V—直線運動速度，單位為毫米每秒（mm/s）；

P—探測器成像單元尺寸，單位為微米（μm）M—放大倍數(shù)，SDD/SOD；

T—探測器的曝光時間，單位為毫秒（ms）；

N—同一位置重復進行圖像采集的次數(shù)。

旋轉運動速度

式中，ω—旋轉運動速度，單位為弧度每秒（rad/s）；R—被檢件的半徑，單位為毫米（mm）。其余符號含義同直線運動公式。100ms200ms400ms500ms結論：最佳積分時間定為400ms。

焦距875mm源到工件中心650mm管電壓100kV管電流6.0mA焦點尺寸1.0mm7)積分時間8)采集幀數(shù)提高疊加幀數(shù)可以有效提高信噪比幀數(shù)增加檢測時間也相應增加。結論：實際檢測通常選取10-25幀，保證圖像質量的前提下兼顧檢測速度。多幀疊加處理方法單幀處理12號絲12號絲平均處理7.4.像質計和標記擺放7.5.散射線防護7.6平板探測器的校正探測器的校正（以平板為例）偏移校正：偏移校正主要是用來消除暗電流對圖像的影響

增益校正：主要是用來消除像素點間敏感度差異和外界X射線照射不均造成的影響。

快速壞點校正：主要用來消除平板中壞像點對獲取圖像的影響

DR圖像校正啟動系統(tǒng)后預熱30分鐘，針對特定采集模式，對平板探測器分別做offsetcalibration和Gaincalibration校正。偏移校正不開源采集，增益校正在管電壓60kV、