陳 樂,強(qiáng)天鵬,盛佩軍,胥 楊
(1.上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院, 上海 200062;2.江蘇中特創(chuàng)業(yè)設(shè)備檢測(cè)有限公司, 南京 225003;3.查特深冷工程系統(tǒng)(常州)有限公司, 常州 213125)
隨著無損檢測(cè)新技術(shù)的不斷應(yīng)用和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的完善,使用射線數(shù)字成像檢測(cè)技術(shù)替代膠片檢測(cè)是當(dāng)前焊縫無損檢測(cè)的發(fā)展方向。其中以數(shù)字探測(cè)器陣列檢測(cè)(DDA)和計(jì)算機(jī)輔助成像檢測(cè)(CR)技術(shù)為主的射線數(shù)字成像檢測(cè)逐漸在工業(yè)檢測(cè)領(lǐng)域中嶄露頭角。采用DDA和CR檢測(cè)所需曝光時(shí)間短,省去了暗室處理工序,可以大幅提高檢測(cè)效率,同時(shí)射線數(shù)字成像檢測(cè)無需使用膠片,檢測(cè)成本可以大幅度降低[1]。由于相關(guān)元器件制造工藝的不斷改進(jìn),傳統(tǒng)X射線數(shù)字成像檢測(cè)技術(shù)噪聲大、分辨力和檢測(cè)靈敏度低的缺點(diǎn)已經(jīng)得到了有效改進(jìn),雖然平板探測(cè)器和IP板熒光顆粒尺寸仍不及膠片鹵化銀顆粒,但在適當(dāng)?shù)墓に嚄l件下,配合相應(yīng)的圖像處理技術(shù),成像質(zhì)量完全可以與膠片相媲美,甚至優(yōu)于膠片技術(shù)。采用數(shù)字圖像替代膠片,不僅節(jié)省存儲(chǔ)空間和費(fèi)用,而且通過計(jì)算機(jī)可實(shí)現(xiàn)快速、高效、高性能管理。
然而,有了強(qiáng)大的硬件設(shè)施和配套軟件,并不能保證缺陷檢測(cè)的可靠性,檢測(cè)工藝必須經(jīng)過反復(fù)的試驗(yàn)來進(jìn)行優(yōu)化,以期提高檢測(cè)質(zhì)量和檢測(cè)效率。與傳統(tǒng)膠片照相相同,X射線數(shù)字成像檢測(cè)最重要的工藝參數(shù)便是曝光參數(shù),這其中最為關(guān)鍵的指標(biāo)之一便是X射線管電壓。筆者就DDA和CR檢測(cè)中X射線管電壓的選取開展相關(guān)研究,對(duì)比不同管電壓下圖像質(zhì)量與試板裂紋識(shí)別度,提出在合理范圍內(nèi)選用較高的管電壓,可以提高數(shù)字圖像歸一化信噪比,補(bǔ)償由于管電壓提高引起的圖像對(duì)比靈敏度的下降,從而提高人眼缺陷識(shí)別度。
相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)管電壓的選取均作了明確規(guī)定。
NB/T 47013.2-2015 《承壓設(shè)備無損檢測(cè) 第2部分:射線檢測(cè)》 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定:在保證穿透力的前提下,X射線照相應(yīng)選用較低的管電壓;在采用較高管電壓時(shí),應(yīng)保證適當(dāng)?shù)钠毓饬?。圖1規(guī)定了不同材料、不同透照厚度允許采用的最高X射線管電壓[2]。
圖1 不同透照厚度允許的最高X射線管電壓
NB/T 47013.11-2015 《承壓設(shè)備無損檢測(cè) 第11部分:X射線數(shù)字成像檢測(cè)》 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定:應(yīng)盡量選用較低的管電壓;在采用較高管電壓時(shí),應(yīng)保證適當(dāng)?shù)钠毓饬俊D1中規(guī)定了不同材料、不同透照厚度允許采用的最高管電壓[3]。
NB/T 47013.14-2016 《承壓設(shè)備無損檢測(cè) 第14部分:X射線計(jì)算機(jī)輔助成像檢測(cè)》 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定:在保證穿透力的前提下,CR檢測(cè)宜選用較低的管電壓;在采用較高管電壓時(shí),應(yīng)保證適當(dāng)?shù)钠毓饬俊?/p>
按照B級(jí)檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)時(shí),宜選用結(jié)構(gòu)噪聲較低的IP板。如選用結(jié)構(gòu)噪聲較高的IP板,采用的最高X射線管電壓宜比圖1所示值低20%[4]。
ISO 17636.2-2013標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定:為獲得良好的缺陷靈敏度,X射線管電壓應(yīng)當(dāng)盡可能低,數(shù)字圖像的SNRN(歸一化信噪比)應(yīng)當(dāng)盡可能高。推薦的基于透照厚度的X射線管電壓上限值見圖1。這些最大值是膠片照相的最佳實(shí)踐值。精確校準(zhǔn)后,DDAs(陣列探測(cè)器)可以在明顯高于圖1所示的管電壓下獲得足夠好的圖像質(zhì)量。
B級(jí)技術(shù)中,對(duì)于感光層具有較高結(jié)構(gòu)噪聲的成像板,X射線管電壓應(yīng)低于圖1所示值的20%。對(duì)于曝光特性與X射線膠片相似、具有低結(jié)構(gòu)噪聲的高清晰度成像板,可按照?qǐng)D1所示上限管電壓進(jìn)行曝光,或者在SNRN顯著提高的情況下使用明顯高于圖1的管電壓[5]。
相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)均對(duì)管電壓上限值進(jìn)行了明確規(guī)定。隨著X射線管電壓的升高,衰減系數(shù)減小,對(duì)比度降低,固有不清晰度增大,其結(jié)果是檢測(cè)靈敏度下降[6]。在膠片照相中,靈敏度降低會(huì)明顯降低缺陷識(shí)別率,且圖1中的管電壓上限值是經(jīng)大量工藝試驗(yàn)得出的,具有一定的合理性和適用性。
在DDA和CR檢測(cè)中,過高的管電壓也會(huì)降低圖像對(duì)比靈敏度,一定程度上降低了圖像質(zhì)量。另一方面,過高的管電壓會(huì)提高X射線光子動(dòng)能,使得單位時(shí)間內(nèi)穿透工件到達(dá)接收器的X射線光子數(shù)增加且圖像信噪比增加,這會(huì)在一定程度上提高圖像質(zhì)量。射線數(shù)字成像檢測(cè)中,圖像噪聲直接影響到圖像細(xì)節(jié)的識(shí)別,如圖2所示,當(dāng)因缺陷產(chǎn)生的信號(hào)差(對(duì)比度)小于噪聲時(shí),該缺陷的信號(hào)將不能被識(shí)別。為討論噪聲與缺陷檢出能力的關(guān)系,引入對(duì)比度信噪比的概念。
圖2 噪聲對(duì)圖像細(xì)節(jié)識(shí)別的影響
對(duì)比度噪聲比定義為成像系統(tǒng)輸出的平均信號(hào)差值與信號(hào)的統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)差之比,記為CNR。
CNR=Δ/s
(1)
信噪比SNR可由式(2)表示。
SNR=/σ
(2)
CNR表征了成像系統(tǒng)對(duì)信號(hào)間差異即被檢工件內(nèi)部缺陷的檢出能力,由式(1)和式(2),可得式(3)。
(3)
式中:μ為衰減系數(shù);n為散射比。
由式(3)可知: ①CNR與SNR成正比關(guān)系,一定的圖像信噪比是形成圖像細(xì)節(jié)對(duì)比度的基礎(chǔ); ② 當(dāng)X射線管電壓提高時(shí),衰減系數(shù)μ降低,但在DDA和CR技術(shù)中,射線能量的提高又會(huì)提高信噪比,只有當(dāng)μ×SNR提高時(shí),CNR才會(huì)提高;③ 散射線會(huì)降低CNR,透照時(shí)應(yīng)采取措施屏蔽和控制散射線。
基于上述理論推導(dǎo)可以得出,為了達(dá)到最佳的缺陷識(shí)別率,需選擇合適的管電壓,以得到衰減系數(shù)μ與信噪比SNR乘積的最大值,所以相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)均要求在保證穿透力的前提下選擇較低的管電壓,以足夠的曝光量來保證圖像的SNR。接下來,對(duì)該規(guī)定的合理性,以及沿用膠片照相管電壓上限值是否適用于DDA和CR檢測(cè),進(jìn)行試驗(yàn)分析。
實(shí)施無損檢測(cè)的目的是保證細(xì)小缺陷不漏檢,衡量檢測(cè)工藝是否合適的關(guān)鍵指標(biāo)便是缺陷識(shí)別度。試驗(yàn)制作一道含人工缺陷的不銹鋼環(huán)焊縫,厚度為5.5 mm,分別采用DDA和CR技術(shù)檢測(cè)該環(huán)焊縫。其中,DDA采用雙壁單影透照,透照厚度為11 mm;CR采用源在外單壁透照,透照厚度為5.5 mm。為了分析管電壓的變化對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響,在相對(duì)合理的范圍內(nèi)僅改變管電壓數(shù)值,其他工藝參數(shù)保持不變,獲得不同的數(shù)字圖像后對(duì)比圖像質(zhì)量。
試驗(yàn)采用的設(shè)備與軟件如下:Yxlon MG-325射線機(jī),PE XRD0822平板探測(cè)器,Image 3500D圖像處理軟件,CareStream HR IP板和HPX-1 CR掃描儀,INDUSTREX圖像掃描處理軟件。為保證對(duì)比數(shù)據(jù)的可靠性,每次透照均使用同一張IP板和平板探測(cè)器,選取數(shù)字圖像上的同一區(qū)域進(jìn)行灰度值、空間分辨率和SNR測(cè)量并進(jìn)行對(duì)比,同時(shí)利用軟件灰度輪廓圖功能測(cè)量工藝改變時(shí)某一區(qū)域缺陷的識(shí)別程度。試驗(yàn)結(jié)果如表1,2所示。
表1 DDA檢測(cè)時(shí)不同管電壓下的圖像質(zhì)量對(duì)比
根據(jù)表1,2制作DDA和CR得到的圖像SNR與管電壓的關(guān)系曲線,如圖3,4所示。根據(jù)曲線圖可以很直觀地看出,隨著管電壓的提高,DDA和CR圖像的SNR呈近似對(duì)數(shù)關(guān)系提高,且試驗(yàn)所取管電壓上限數(shù)值已遠(yuǎn)超圖1所規(guī)定的管電壓上限值。由于管電壓的提高對(duì)圖像分辨率的影響很小,所以即提高了圖像歸一化信噪比。
另一方面,提高管電壓會(huì)降低圖像對(duì)比靈敏度。如圖5所示,CR檢測(cè)中,管電壓由80 kV上升至160 kV,220 kV后,數(shù)字圖像裂紋區(qū)域的灰度起伏數(shù)值有所上升,但相對(duì)背景灰度而言,灰度起伏比例下降,一定程度上反應(yīng)出管電壓的升高,會(huì)使得X射線衰減系數(shù)降低以及圖像對(duì)比靈敏度降低。由表1,2可見,DDA和CR檢測(cè)中,管電壓升高后缺陷區(qū)域灰度起伏數(shù)值增加,但比例逐漸降低。圖6,7分別給出了DDA和CR檢測(cè)時(shí),缺陷區(qū)域灰度起伏比例與X射線管電壓的關(guān)系曲線。
表2 CR檢測(cè)時(shí)不同管電壓下的圖像質(zhì)量對(duì)比
圖3 DDA成像圖像SNR與管電壓關(guān)系圖
圖4 CR成像圖像SNR與管電壓關(guān)系圖
圖5 管電壓升高對(duì)缺陷區(qū)域灰度起伏的影響
圖6 DDA檢測(cè)時(shí),缺陷區(qū)域灰度起伏比例與X射線管電壓的關(guān)系曲線
圖7 CR檢測(cè)時(shí),缺陷區(qū)域灰度起伏比例與X射線管電壓的關(guān)系曲線
根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以驗(yàn)證,DDA和CR檢測(cè)中,提高X射線管電壓會(huì)增加圖像信噪比,降低圖像對(duì)比靈敏度。所以,為了獲得合適的圖像對(duì)比靈敏度,相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)均沿用膠片照相的要求限制了DDA和CR檢測(cè)時(shí)的最高管電壓,且推薦采用較低管電壓。但該限制條件忽略了膠片照相與射線數(shù)字成像檢測(cè)的一個(gè)重要區(qū)別:射線數(shù)字成像檢測(cè)結(jié)果的載體是數(shù)字圖像,其最大的優(yōu)勢(shì)就是可以通過圖像處理技術(shù)提高圖像人眼識(shí)別度。其中灰度拉伸(又稱對(duì)比度拉伸)是一種重要的圖像處理方式,一種最基本的灰度變換,使用的是最簡單的分段線性變換函數(shù),主要用于提高圖像處理時(shí)灰度級(jí)的動(dòng)態(tài)范圍。
由圖8可以簡單了解灰度拉伸的功能,圖中左半為(CR檢測(cè))管電壓100 kV時(shí)的數(shù)字圖像,右半為220 kV時(shí)的數(shù)字圖像。在同一顯示器上為了達(dá)到各自的最優(yōu)顯示效果,利用軟件調(diào)節(jié)圖像對(duì)比度和亮度,俗稱調(diào)節(jié)窗寬和窗位,即將顯示器顯示范圍集中到感興趣的區(qū)域。圖8中左右兩側(cè)為各自的窗寬窗位調(diào)節(jié)圖。其通過調(diào)節(jié)窗寬(圖中兩條粉線之間距離)來調(diào)節(jié)合適的圖像對(duì)比度,調(diào)節(jié)窗位(圖中兩粉線在灰度直方圖中的位置)來調(diào)節(jié)合適的圖像亮度。其上粉線以上的所有灰度區(qū)域,賦值為65 535(16位);下粉線以下的所有灰度區(qū)域,賦值為0。這樣,就可將兩粉線之間的關(guān)注區(qū)域的灰度范圍映射在較寬的范圍內(nèi),起到增強(qiáng)對(duì)比度的作用。
圖8 100 kV與220 kV管電壓時(shí),窗寬和窗位(對(duì)比度和亮度)調(diào)節(jié)對(duì)比
對(duì)圖8的左右兩半圖進(jìn)行對(duì)比,可以看出,最優(yōu)的顯示效果下兩者對(duì)比度近似,左圖中窗寬較右圖更寬,即右圖采用了更強(qiáng)的灰度拉伸功能。但是左圖采用更強(qiáng)的灰度拉伸,并不能進(jìn)一步提高圖像質(zhì)量,這是因?yàn)樽髨D管電壓較低,感興趣區(qū)域中的缺陷與背景灰度值差異較低(見表1和表2),所以過度的灰度拉伸反而會(huì)導(dǎo)致缺陷灰度與背景灰度混淆而難以區(qū)分,如圖9所示。
圖9 過度灰度拉伸引起的缺陷與背景混淆
(1) 管電壓在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)提高,數(shù)字圖像SNR和SNRN隨之呈近似對(duì)數(shù)關(guān)系提高;
(2) 管電壓提高后,主因?qū)Ρ榷葧?huì)降低,成像后數(shù)字圖像對(duì)比度降低,缺陷灰度相對(duì)背景灰度起伏比例降低但差值提高;
(3) 通過對(duì)比度拉伸處理可以大幅提高數(shù)字圖像對(duì)比度,以此來補(bǔ)償管電壓升高所帶來的圖像對(duì)比度損失;
(4) 依據(jù)ISO 17636.2-2013補(bǔ)償原則Ⅰ,可以通過提高管電壓提高圖像信噪比以補(bǔ)償對(duì)比度的降低,最終提高數(shù)字圖像質(zhì)量;
(5) 管電壓不能無限制地提高,過高時(shí)圖像信噪比提升幅度會(huì)下降,以致無法補(bǔ)償對(duì)比度損失,故需通過工藝試驗(yàn)確定管電壓上限值,該上限值高于膠片照相規(guī)定的上限值。
如今在焊縫射線檢測(cè)中,射線數(shù)字成像檢測(cè)的普及率越來越高,其關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)便是可以通過圖像處理技術(shù)來提高成像質(zhì)量,而膠片照相中規(guī)定的管電壓上限值在射線數(shù)字成像檢測(cè)中并不完全適用。X射線管電壓在較寬的范圍內(nèi)提高,仍能獲得更高信噪比的數(shù)字圖像,加上灰度拉伸的圖像處理技術(shù),可以補(bǔ)償管電壓提高所帶來的圖像對(duì)比靈敏度損失。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于射線數(shù)字成像檢測(cè)時(shí)的管電壓上限值的規(guī)定沿用了傳統(tǒng)膠片照相的經(jīng)驗(yàn)值,但在實(shí)際檢測(cè)中并不適用,有必要根據(jù)所選用的檢測(cè)系統(tǒng)開展工藝試驗(yàn),研究與特定檢測(cè)系統(tǒng)相匹配的管電壓推薦范圍或優(yōu)化目前的管電壓推薦曲線,以獲得更高的檢測(cè)圖像質(zhì)量。