喬立強

(威海職業(yè)學院，山東 威海 264210)

0 前言

X-RAY因其優(yōu)點較多，被廣泛地應(yīng)用于焊件的無損檢測。平板感應(yīng)器是20世紀末研發(fā)的一種新型器材，它能接受X-RAY，并將X-RAY轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，最終經(jīng)計算機成像軟件處理后，變成計算機可以識別的數(shù)字化圖像。平板感應(yīng)器成像技術(shù)具有數(shù)字化、快速、高效和面積大等優(yōu)點[1]。

以前的射線成像判定法需購買大量膠卷、檢測時間長，與焊件質(zhì)量無損檢測信息化、高技術(shù)化的發(fā)展趨勢不相符[2]。

在此研制了一種基于平板感應(yīng)器的自動檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)的成像質(zhì)量能夠達到工業(yè)無損檢測最高級B級要求。軟硬件配合，能夠?qū)崿F(xiàn)焊接缺陷的自動和人工檢測，檢測準確率高，速度快，對于提高焊件檢測的技術(shù)水平、縮短施工時間，提高焊件質(zhì)量很有意義[3]。

1 X射線感應(yīng)器系統(tǒng)

1.1 PaxScan感應(yīng)器

American Varian公司的平板感應(yīng)器類型多，尺寸也因工作場合的不同需求而各異。主要的產(chǎn)品面積為 130 mm×130 mm～400 mm×300 mm。它能接收的射線能量范圍也很廣，可以實現(xiàn)X-RAY從0.1～5Mev。該感應(yīng)器成像速度快，滿足工業(yè)實時檢測的要求。感應(yīng)器外觀如圖1所示。

圖1 感應(yīng)器實物外觀

感應(yīng)器的工作原理或者信號的傳輸過程為：X射線照射到面板上，通過閃爍屏，射線轉(zhuǎn)換成可見光子，然后通過光敏二極管，光信號變成電信號，通過感應(yīng)器內(nèi)部的放大、數(shù)字化等處理過程和運算，最終變成計算機能識別的數(shù)字圖像編碼。感應(yīng)器的工作原理示意如圖2所示[4]。

圖2 感應(yīng)器的工作原理示意

1.2 基于FDD的焊件質(zhì)量判定系統(tǒng)

在數(shù)字化技術(shù)出現(xiàn)以前，以膠片照相為基礎(chǔ)的技術(shù)是X-RAY探傷領(lǐng)域的主流技術(shù)。膠片技術(shù)主要的優(yōu)點是成像圖片失真小，理論上可任意放大觀看。但是這種基于膠片的技術(shù)，從照相、沖洗膠卷到最后的底片成型，是一個不能分割的完整過程，任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都會導(dǎo)致不能修復(fù)和更改的缺陷。而且底片的評判完全由人工判定，并且對燈光有特定的要求，根本不能實現(xiàn)在工業(yè)現(xiàn)場自動判別。這是膠片技術(shù)的最大缺陷。

數(shù)字化技術(shù)的出現(xiàn)為克服膠片技術(shù)的上述缺陷提供了可能?；贔PD的成像技術(shù)能夠?qū)⒄麄€圖像的獲取和評判過程分解成若干個獨立的部分，并且各個過程的原始數(shù)據(jù)可以保存。這樣，即使在單個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，由于原始數(shù)據(jù)的存在，通過計算機的特定算法處理后，可以有效消除誤差和錯誤，實現(xiàn)探傷檢測的準確和高效。并且數(shù)字技術(shù)便于傳輸，數(shù)字化的圖像不用特定的存儲介質(zhì)，也不需要特定的判定條件，只要有計算機即可。可以實現(xiàn)現(xiàn)場采集信息，計算機自動判別。也可以通過計算機無線傳輸給遠方的專家，實現(xiàn)人工異地評片。

整個系統(tǒng)的主要工作流程為：小焦點的射線機發(fā)出錐束狀高能X-RAY射線穿過被檢測的焊接構(gòu)件，衰減后的射線照射到平板感應(yīng)器，F(xiàn)PD將射線轉(zhuǎn)換成可見光子，然后通過光敏二極管，光信號變成電信號，通過感應(yīng)器內(nèi)部的放大、數(shù)字化等處理過程和運算，最終轉(zhuǎn)換成計算機能識別的數(shù)字圖像。上述過程為圖像的采集過程。采集后的圖像傳給控制柜內(nèi)的計算機，計算機對圖像進行降噪、灰度調(diào)整等預(yù)處理，提高圖像的質(zhì)量。然后利用特定的圖像識別軟件判別焊件的焊縫。判斷焊件的焊縫是否有缺陷，如果有缺陷，進而給出缺陷的位置、大小、形狀、類型等信息。

系統(tǒng)中控制柜內(nèi)有兩臺計算機，一臺控制整個系統(tǒng)的硬件，另一臺專門負責焊件焊縫的質(zhì)量評判工作。該評判軟件可以實現(xiàn)計算機自動判別，也可以由有經(jīng)驗的探傷人員人工判別。并且控制柜內(nèi)有遠程信號傳送子系統(tǒng)，實現(xiàn)有線和無線兩種方式的焊縫監(jiān)測信息遠程快速傳送，為實現(xiàn)人工異地評片提供了保障。探傷系統(tǒng)組成示意如圖3所示。

圖3 平板感應(yīng)器探傷系統(tǒng)

2 X射線感應(yīng)器成像校正

2.1 圖像質(zhì)量下降原因

在圖像采集過程中，從X-RAY平板感應(yīng)器獲取圖像、處理圖像的所有環(huán)節(jié)，都可能因電磁輻射或者信號傳輸衰減等原因帶來噪聲，最終導(dǎo)致計算機獲取的數(shù)字編碼圖像與焊縫的真實圖像差異較大，掩蓋了某些缺陷，或者出現(xiàn)某些偽缺陷，致使計算機誤判。要想獲得準確的評判結(jié)果，必須獲取高質(zhì)量的焊縫圖像。所以需要針對不同的情況對感應(yīng)器的圖像進行校正[5]。

2.2 平板感應(yīng)器噪聲及其校正

2.2.1 泊松噪聲

用f表示感應(yīng)器采集的焊縫圖像灰度，噪聲抑制算法為

式中 k為平板感應(yīng)器采集的焊縫X-RAY照片的數(shù)量；h，w為照片的邊長；ft為焊縫照片第t個時刻的像素大小；（x，y）為X-RAY焊縫圖片的像素坐標。

實驗證明，隨著疊加圖像數(shù)量的增加，圖形標準差在下降。疊加8幅以上的圖形后，σ已經(jīng)小于10。試驗結(jié)果證明這種方法能夠有效降低該種噪聲。

2.2.2 誤差抑制

焊縫圖片的誤差源于某些初始信號的缺失，校正公式為

式中f（x，y）為校正后的圖像；fm（x，y）為某一原始焊縫圖片；fn（x，y）為無X-RAY照射下的焊縫照片。如果計算機的硬件配置足夠高，運算速度最夠快，k和s可以在一定范圍內(nèi)選取大一些的值。

2.2.3 射線感應(yīng)不均勻校正

為了校正感應(yīng)器對不同強度X-RAY的不均勻性，先在暗、中、亮三個場合收集若干圖形，三場中圖形的灰度記作fd0（x，y），fm0（x，y），fl0（x，y）。如果計算機中數(shù)字焊縫照片為n位，可以推導(dǎo)出最終焊縫圖片灰度為fl(x，y)=2n-1。

焊縫圖片的灰度差異性校正有很多方法。折線法是相對簡單的一種，用軟件實現(xiàn)也很簡單。如圖4所示，則fm0（x，y）校正后的灰度fm（x，y）可近似表示為

推導(dǎo)出校正后的灰度fx的計算公式

2.3 校正后系統(tǒng)成像實驗

利用上述各種校正算法，從軟件層面對面陣感應(yīng)器成像校正后，在X-RAY射線感應(yīng)器系統(tǒng)最理想的工程狀況（射線機電壓59kV，射線機電流1.4mA，管子焦點 0.8m×0.8mm，焦距 1330mm，幀周期 6.2s）下，將透度計安放在均勻鋼板焊縫上[5]，最理想的試驗結(jié)果如圖5所示。

圖4 折線校正

圖5 像質(zhì)試驗

由圖5可見，10 mm厚度的均勻焊縫在不借助任何設(shè)備和儀器的條件下，透度計的第6根絲能用肉眼清晰地看到，透度計的第7根絲不是特別清晰，但肉眼能夠觀測到。透過6 mm厚度的均勻焊縫，能用肉眼比較清楚的看到透度計的第7根絲。X-RAY成像工業(yè)檢測的最高級要求是B級，本系統(tǒng)的成像質(zhì)量能夠輕松達到。另外，圖片中氣泡、空等微小焊縫缺陷，也能用肉眼觀測出來。

3 成像檢測軟件

3.1 軟件主要功能

軟件充分利用了現(xiàn)代計算機強大的硬件運算速度，集成和借鑒了計算機軟件中SQL、MATLAB、Excel等數(shù)據(jù)處理和計算功能。并且軟件的工作流程與實際探傷作業(yè)的工作過程在時序上基本相同。軟件中的文檔在編制過程中，嚴格遵守了射線探傷方面的國家法規(guī)和相關(guān)行業(yè)的政策，具有高度標準化和一致性。該焊縫檢測軟件主要模塊如圖6所示。

圖形處理模塊涵蓋了灰度拉伸，圖形銳化、旋轉(zhuǎn)、反色、鏡像，直方圖均衡處理，感興趣區(qū)域處理等20多種圖形處理功能。采集圖像的質(zhì)量鑒定可以由專家來評定，也可以由計算機自動完成，計算機自動生產(chǎn)最終的鑒定報告。計算機的遠程通信模塊為遠程評片提供了基礎(chǔ)[5]。

圖6 焊縫檢測軟件主要模塊

3.2 最優(yōu)閾值

邊緣檢測和缺陷分割等圖形處理操作是最終焊接質(zhì)量評判的基礎(chǔ)。上述圖形處理算法中，傳統(tǒng)的閾值求取，要么主觀的人為參與太強，要么沒有考慮實際檢測過程中系統(tǒng)各參數(shù)與標準的誤差，往往得不到理想的結(jié)果。

本研究采用一種改進的迭代算法，通過自動調(diào)節(jié)迭代系數(shù)，以獲得最優(yōu)閾值。該算法不受圖形灰度線性平移變化的影響,魯棒性強[5]。

4 缺陷判定實驗

采用X70、厚度20 mm鋼板，開V型坡口，埋藏人工缺陷，焊縫焊接完畢后，利用圖3所示系統(tǒng)進行檢測，最后對缺陷部位作橫斷面解剖。其中圓形缺陷直徑約3 mm；未熔合、未焊透缺陷的長徑為20～30 mm，深度為長度的 1/5～1/3；裂紋、條狀加渣的長徑為1/6～1/3，深度為長度的20～40 mm。焊接缺陷及機器自動檢測結(jié)果如表1所示。

表1 缺陷自動檢測結(jié)果

由表1可知，該監(jiān)測軟件對面積型缺陷，如孔狀夾渣或圓形的缺陷很容易監(jiān)測出來，并且監(jiān)測的成功率可以達到100%；對線狀條渣或線狀長孔監(jiān)測結(jié)果的準確率，雖然達不到100%，也很高，可達96%。裂紋缺陷和未熔合缺陷的監(jiān)測成功和準確率居中。最難監(jiān)測的是未焊透，準確率只有76%。

5 結(jié)論

基于X射線感應(yīng)器的數(shù)字化成像技術(shù)，克服了膠片照相技術(shù)的固有缺陷，能夠針對不同的圖像降質(zhì)環(huán)節(jié)分別進行校正，采集的焊縫圖像質(zhì)量能夠達到相關(guān)工業(yè)檢測的最高級要求。焊縫圖像質(zhì)量判別軟件應(yīng)用和改進了先進的圖形處理算法，軟硬件配合完美。計算機能夠自動完成常規(guī)缺陷的檢測并生成質(zhì)量判定報告，速度快，質(zhì)量高。但是系統(tǒng)對某些缺陷，如羽狀缺陷，計算機自動檢測效果不如人工監(jiān)測準確率高。

[1]張宏亮，周育宇.工業(yè)射線照相技術(shù)的未來——數(shù)字化檢測[J].無損探傷，2003，27（6）：1-4.

[2]HOHEISELM，ARQUESM，CHAUSSATJ，et al.Amorphous silicon X-ray detectors[J].Journal of Non-Crystalline Solids，1998(227-230）：1300-1305.

[3]滕升華.X射線數(shù)字圖形處理與智能分析技術(shù)[D].北京：北京航空航天大學，2003.

[4]任大海.X射線成像中射線源焦點的影響及修正[J].光學技術(shù)，1999（11）：48-49.

[5]喬立強.一種數(shù)字化智能焊接質(zhì)量無損檢測系統(tǒng)研制[J].焊接技術(shù)，2012（1）：37-39.