第8章 射线实时成像检验技术

PAGE186PAGE185第8章射线实时成像检验技术*8.1概述射线实时成像检验技术，是随着成像物体的变动图像迅速改变的电子学成像方法，即在透照的同时就可观察到所产生的图像的检验方法。这种方法与射线照相检验技术几乎是同时发展。早期的射线实时成像检验系统是X射线荧光检验系统，它采用荧光屏将X射线照相的强度分布转换为可见光图像，20世纪50年代左右引入了电视系统，通过电视摄像，在监视器上观察图像。荧光屏图像由于存在图像亮度低、颗粒粗、对比度低的缺点，所以荧光屏图像的细节和灵敏度都低于胶片图像，这限制了这种技术的实际应用。20世纪50年代初研制了图像增强器，早期的图像增强器的亮度增益为1200～1500，现代的图像增强器的亮度增益高达10000以上，并具有较好的分辨力。这样，在它的输出屏上，图像的亮度可达0.3×103cd/m2，它极大地促进了射线实时成像检验技术的工业应用。但图像增强器射线实时成像检验系统的图像，虽然可以达到较高的对比度，但不能达到较高的清晰度，因此，其工业应用受到了限制。在射线检测技术的研究中，改进射线实时成像检验技术一直是研究的基本方向之一。近年在这方面应该说取得了突破性的进展，主要是研究了数字实时成像检验系统。这种系统使用闪烁晶体或荧光物质与光电倍增器构成检测器拾取信号，直接得到数字化图像。现在推出的主要是，用线阵列或成像板构成的射线实时成像检验系统和扫描X射线源实时成像检验系统，它们已开始应用于工业实际检验之中。射线实时成像检验技术的主要优点是动态快速检验，可进行近似实时的质量评定。存在的主要问题是，多数射线实时成像检验技术的图像质量，特别是分辨力达不到胶片射线照相检验技术的水平。射线实时成像检验技术的应用可分为三个大的方面，即医疗方面、安全检查方面和工业无损检测方面。医疗方面是射线实时成像检验技术最早应用的方面，现在它仍是重要的医疗诊断手段。射线实时成像检验技术，从一开始就应用包裹的检查，现在它已是车站、机场、海关等的最重要的安全检查和反走私检查手段。在工业无损检测方面也已得到多方面的应用，例如轮胎质量检验、炮弹和子弹装药检验、焊缝质量检验、铸件质量检验、电子元器件质量检验等。微焦点射线实时成像检验技术是电子工业重要的印制电路质量检验技术，这种装置不仅可以得到常规射线实时成像检验的结果，而且也可以得到层析图像。随着射线实时成像检验技术的发展，应用的对象还在不断的扩大。*8.2射线实时成像检验系统8.2.1射线实时成像检验系统的基本构成到目前已经应用的射线实时成像检验系统有多种类型，如X射线荧光检验系统、图像增强器射线实时成像检验系统、成像板射线实时成像检验系统、线阵列射线实时成像检验系统等。各种射线实时成像检验系统的基本构成部分是：射线源、机械装置、射线转换器（含A/D）、图像处理部分、图像显示与存储部分、控制部分。射线源可以采用X射线机、射线机、加速器等，不同的检验对象须采用不同的射线源，对一般的工业射线检验，主要是采用低能X射线机。机械装置是射线实时成像检验系统的重要组成部分，射线实时成像检验技术的扫描检验过程依靠机械装置完成，这部分的性能直接关系射线实时成像检验系统的综合性能和检验技术的实现。射线转换器按照对射线完成转换的过程可分为两大类：射线→荧光；射线→电子。第一类采用荧光物质和闪烁晶体，将射线直接转换为荧光（可见光）。常用的荧光物质是硫化锌镉、硫氧化钆、溴氧化镧和硫化锌等，常用的闪烁晶体是碘化钠、碘化铯、锗酸铋、钨酸钙和钨酸镉等。第二类利用具有足够能量的射线量子与物质相互作用时释放的光电子，改变半导体或半导体结的电阻，形成相应于辐照射线通量分布的电导，采用扫描电子束可以将其转换为视频信号。经常使用的对X射线敏感的光电导材料是三硫化二锑、碲化锌镉、硒化镉、氧化铅、硫化镉等。目前，在工业射线实时成像检验系统中应用的射线转换器主要是图像增强器、线阵列探测器、成像板等。由射线转换器得到的信号，经A/D变换（或已直接完成数字化）送图像处理部分，通过图像数据处理改进图像质量。图像显示和存储部分用于显示图像和保存图像数据。控制部分主要由计算机、软件和一些辅助设备（如摄像机、监视器等）组成，实现对整个射线实时成像检验系统的检验过程的控制。8.2.2工业射线实时成像检验系统1．图像增强器射线实时成像检验系统目前在工业中应用较多的是用图像增强器构成的射线实时成像检验系统，粗略地它可分为六大部分，即射线源、机械装置、图像增强器、图像采集和处理单元、显示和存储单元、控制单元。图8-1是图像增强器实时成像检验系统构成的示意图。图像增强器是该系统的核心器件，它完成射线的转换过程。图像增强器的基本结构如图8-2所示，它由外壳、射线窗口、输入屏、聚焦电极、输出屏构成。射线窗口由钛板构成，既具有一定的强度，又可以减少对射线的吸收。输入屏包括输入转换屏和光电层。输入转换屏不同于简单的荧光屏，现在它主要采用CsI晶体制做。聚焦电极加有25～30kV的高压。图8-1图像增强器实时成像检验系统

1—射线源2—机械装置与工件3—图像增强器4—摄像机

5—图像处理单元6—计算机与软件系统7—图像显示与存储单元图8-2图像增强器结构示意图

1—外壳2—射线窗口3—输入转换屏4—光电层5—聚焦电极6—输出屏图像增强器工作的基本过程如下。射线透过工件，穿过图像增强器的窗口入射到输入转换屏上，输入转换屏吸收射线的部分能量，将其能量转换为荧光发射。发射的荧光被光电层接收，并将荧光能量转换为电子发射。发射的电子在聚焦电极的高压作用下被聚焦和加速，高速撞击到输出屏上。输出屏将电子能量转换为荧光发射。在图像增强器中完成的转换过程是：射线→荧光→电子→荧光图8-3是在图像增强器射线实时成像检验系统射线光子转换过程的一例。图8-3图像增强器实时成像检验系统中的光子转换图像增强器输出屏上的可见光图像，经光学系统（附加在图像增强器中）由摄像机拾取，将图像信号转换为视频信号，经A/D转换后送入图像处理单元，进行各种图像增强处理，改善图像质量，处理后的图像送入图像显示单元显示。目前的射线实时成像检验技术标准，一般规定，射线实时成像检验系统存储的图像数据应是未经处理的原始数据，并且，系统的控制单元应保证它是不能被修改的。图像增强器的性能直接关系到这种系统的综合性能，表8-1给出的是某型号图像增强器典型的主要性能。表8-1图像增强器的主要性能输入屏直径/mm输出屏直径/mm中心分辨力Lp/cm转换系数（cd/m2）/（mR/s）对比度比150155214024:1230204414020:1310253614017:1图像增强器射线实时成像检验系统与早期的射线实时成像技术系统比较，主要的改进是1）采用图像增强器代替简单的荧光屏，实现图像转换；2）采用小焦点或微焦点射线源，以投影放大方式进行射线照相；3）引入数字图像处理技术，改进图像质量。这种改进使射线实时成像检验技术取得了明显的进展，在中等厚度范围其射线照相灵敏度已可接近胶片射线照相的水平。极大地促进了射线实时成像检验技术的工业应用。2．成像板射线实时成像检验系统近年研制了基于非晶硅的大面积成像板，其射线转换屏采用荧光物质和光电二极管构成，并采用这种成像板构成射线实时成像检验系统。这种实时成像检验系统得到的图像，同时具有很高的分辨力和很大的动态范围。成像板典型的像素尺寸为127m×127m，其动态范围可达到＞2000:1，成像时间（包括数据修正）为5s左右。成像板射线实时成像检验技术可应用于下列方面。1）采用微焦点射线源时可用于电子器件检验，在放大12～25倍时可目视25m的细线。2）可代替胶片用于石油管线的焊接检验，可用于自动化工业的检验。3）航空航天工业中涡轮发动机叶片的检验，可检出细裂纹，给出工件的内部结构。4）复合材料及其结构的检验。3．线阵列射线实时成像检验系统线阵列射线实时成像检验系统，采用线阵列探测器构成射线实时成像检验系统。图8-4是线阵列射线实时成像检验系统主要构成部分的示意图。线阵列探测器单元的基本构造和性能与成像板的探测单元相同，但在应用时须采用扫描方式完成信号拾取和检验过程，从而使这种技术产生了一些新的特点。最突出的是，由于采用了扫描方式拾取信号，大大地减少了到达线阵列探测器的散射线，这使得到的图像质量产生了非常明显地提高。图8-4线阵列射线实时成像检验系统构成示意图

1—射线源2—机械装置与工件3—线阵列探测器4—图像处理单元5—图像显示和存储单元采用线阵列射线实时成像检验系统检验实际工件自然缺陷得到的图像，与采用胶片射线照相检验技术得到的图像对比，直观上可以认为两图像显示的缺陷情况一致。4．扫描源射线实时成像检验技术这种射线实时成像检验系统的X射线源，是电视技术与大面积成像管的结合体。它采用了特殊的电视管，在管中，电子束扫描大面积靶，产生一个移动的X射线束，从而构成一个扫描X射线源。应用时，采用反向几何透照布置。使射线发生和扫描光栅同步，则可在计算机内存中建立数字化图像。由于检测器可做得很厚，因此几乎可100%吸收低能射线。得到的图像分辨力依赖于X射线扫描点的尺寸。已论证，X射线扫描点的尺寸可小到50m。如果使用两个检测器，可以得到立体图像。现在，这种系统已制成可携带的系统。1998年，用扫描源射线实时成像检验系统检验了波音707飞机，发现了铆钉间的疲劳裂纹。试验研究证明，检查1.3mm厚的铝板时，发现腐蚀深度的灵敏度可达2%。**8.3射线实时成像检验系统的图像和性能8.3.1射线实时成像检验技术的图像在射线实时成像检验系统显示器上观察到的图像，由一系列小图像单元—像素构成，一幅图像按设定的扫描型式可划分为不同数目的像素。例如，图像由512个扫描行、每行含有512个像素时，则这幅图像由512×512个像素构成。每个像素的亮度可数字化为不同的级别，如用8位二进制数表示（8bit），由于28＝256，则亮度可分为256个级别。像素的多少、亮度级别的数目，直接相关于图像可能给出的对比度，清晰度和分辨力。图像增强器射线实时成像检验系统最终所得到的图像，一般都要经历从射线强度分布到可见光图像、从可见光图像到视频信号、视频信号传送、转换、处理、显示的过程，不同过程对最终图像的质量具有不同的影响。例如，转换屏的厚度、荧光晶体的颗粒尺寸和其设计，直接决定了所得到的可见光图像的清晰度、信噪比；电视系统对可见光图像的转换、传送、显示过程中，其光学系统的性能、扫描电子束的聚焦质量、栅扫描行数等，将直接影响所得到像素的尺寸、数目。量子统计波动对射线强度的影响将明显影响图像的信噪比。所采用的射线实时成像检验技术等，也都会影响射线实时成像检验系统图像的性能。8.3.2射线实时成像检验系统图像的主要性能工业射线实时成像检验系统图像性能的主要指标是空间分辨力（简称为分辨力、分辨率）和对比度灵敏度，此外也包括像质计灵敏度。图像的这些性能，实际上也就是射线实时成像检验系统的主要性能。分辨力：表示的是图像识别细节的能力，它限定了所能揭示的、处于与射线束垂直平面内的缺陷的最小尺寸。通常用线对值（Lp/mm，Lp/cm）或不清晰度值表示。线对值是在1mm宽度内可识别的条空（占空比为1:1）对数。对比度灵敏度：可识别的△T/T（T为透照厚度）的百分比，它限定了所能揭示的、沿射线束方向的缺陷的最小尺寸。通常用△T/T的百分比表示。像质计灵敏度，即采用胶片射线照相检验技术中的像质计测定的灵敏度，它是射线实时成像检验过程中，监控图像的分辨力和对比度灵敏度的性能指标。它采用胶片射线照相检验技术中已标准化的像质计测定。空间分辨力采用双丝像质计或线对测试卡测定。当用双丝像质计（BS3971:1980《射线照相用双丝型像质计》ASTME2002—1998《射线检测中测定总的不清晰度值的方法》）测定空间分辨力时，用不清晰度U（mm）表示空间分辨力。不清晰度等于不可识别为一对丝中的最粗丝直径d的2倍 U＝2d （8-1）线对测试卡的典型样式如图8-5所示。它由高密度材料（常用铅箔）的栅条和间距形成占空比为1:1的线对图样，密封在低密度材料（常用透明塑料薄板）中构成。塑料厚度约1mm，铅箔厚度等于最窄栅条的宽度。测定时a）b）图8-5线对测试卡的两种样式刚刚不能区分为条和空（或可区分为条和空中宽度最小的条和空）所对应的线对值即为测得的分辨力值。如果条宽为d（mm），则对应的线对值P为 （Lp/mm） （8-2）图8-5a所示的楔形线对测试卡使用方便，可直接读出分辨力值，但测定值不会很精确。图8-5b所示的矩形线对测试卡，应按线对上方的方块标记数出刚刚不能区分线对的顺序位置，然后查表8-2得到相应的分辨力值，测定值比较精确。表8-2Typ56线对测试卡的分辨力值（单位：Lp／mm）标记号①标记线对的分辨力值后续线对的分辨力值10.250.275；0.30；0.33；0.36；0.40；0.4420.480.52；0.57；0.63；0.69；0.76；0.83；0.9131.01.1；1.2；1.3；1.45；1.6；1.75；1.942.12.3；2.5；2.75；3.0；3.3；3.654.04.4；4.8；5.2；5.7；6.3；6.9；7.6；8.3；9.1610.09.1；8.3；7.6；6.9；6.3；5.7；5.2①标记为线对测试卡中线对上方的方块，标记号按图中从左→右顺序为1、2、。采用线对卡测定的线对值P与采用双丝像质计测定的不清晰度值U（单位：mm）的关系如下 （Lp/mm） （8-3）对比度灵敏度采用对比度灵敏度测试块测定。对比度灵敏度测试块为一矩形平板试块，试块上有四个平底方孔，它们的深度分别为对比度灵敏度测试块厚度的1%、2%、3%、4%，其基本样式如图8-6。测定时，由能够可靠地、可重复成像的最浅的平底方孔确定对比度灵敏度值。图8-6对比度灵敏度测试块对比度灵敏度测试块的厚度T，与被检物体厚度之差应在±5%之内，测试块厚度T的偏差，应不大于设计厚度的±1%。平底方孔深度的偏差，应不大于设计的最浅平底方孔深度的±10%。对比度灵敏度测试块的材料原则上应与被检物体材料相同。当没有适宜的材料制做对比度灵敏度测试块时，可以采用代用材料制做。但代用材料应满足一定要求。8.3.3射线实时成像检验系统性能的鉴定空间分辨力和对比度灵敏度，也是射线实时成像检验系统综合性能的主要指标。随着射线实时成像检验系统工作条件、检验对象的不同它们的值将会不同，随着射线实时成像检验系统的使用时间的延续，其性能也会改变。为了保证射线实时成像检验技术的可靠性和检验结果的可靠性，必须对射线实时成像检验系统性能进行鉴定。射线实时成像检验系统的性能鉴定，包括初始鉴定和使用中的定期核查。即，在射线实时成像检验系统投入使用前应进行系统性能鉴定，在投入使用后也应定期进行系统性能的鉴定。鉴定射线实时成像检验系统性能的基本要求是，应在尽可能接近实际检验的条件下进行系统性能的测定。即射线能量、图像形成条件、图像处理和显示及观察等，都应接近实际检验的条件。按照ASTM有关标准的规定，鉴定的详细要求主要是：1）系统性能按空间分辨力和对比度灵敏度进行鉴定。2）应对所检物体的最小厚度、最大厚度进行鉴定。3）应对所使用的不同成像模式、射线源尺寸、成像几何条件和图像处理进行鉴定。4）未经图像处理的空间分辨力鉴定，应在图像转换器上、不附加吸收体、在水平和垂直两个方向用铅箔线对测试卡进行。也应在检验物体位置、不附加吸收体进行。5）未经图像处理的对比度灵敏度鉴定，应在检验物体位置进行。6）全部鉴定测量在静态工作模式下进行。此外，系统性能至少还应使用一种标准化的射线照相像质计进行灵敏度测量。测量应对所检物体的最小厚度、最大厚度和未经处理的图像和经处理的图像进行。**8.4射线实时成像检验的基本技术8.4.1射线实时成像检验技术的一般要求按照国外一些标准的规定，射线实时成像检验技术的一般要求主要包括下面内容：1）射线实时成像检验系统性能的要求、鉴定与监测方法；2）检验参数，主要是射线源的能量、强度、焦点、成像布置等；3）动态检验时的扫描面、扫描方位、扫描速度、移动范围等；4）图像处理参数，如降噪、对比度增强、空间滤波等；5）图像显示参数，如尺寸、颜色、亮度、对比度等；6）图像档案要求；7）检验人员资格。在射线实时成像检验的主要技术中，有许多方面与常规射线照相检验技术的考虑和要求相同。如正确地选择射线能量（透照电压）、射线方向、严格地控制散射线、使用滤波、像质计和标记的使用等。但在射线实时成像检验技术中也须作出一些特殊的考虑，主要是最佳放大倍数、扫描速度和定位精度、图像处理、系统性能核查等方面。在射线实时成像检验技术中一般采用放大透照布置，特别是对图像增强器实时成像检验技术，必须采用最佳放大倍数确定的透照布置。一方面随着放大倍数的增大几何不清晰度将增大，这将导致整个射线照相不清晰度的增大。另一方面，随着放大倍数的增大缺陷图像的尺寸也将放大，从识别缺陷图像所要求的对比度的角度，这将有利于细小缺陷图像的识别。这种情况决定了，对实时射线照相存在最佳放大倍数。欧洲标准EN13068—3：2001《金属材料X射线和射线实时成像检验的一般原则》中，对总的不清晰度采用下式计算 相应地给出的最佳放大倍数计算公式为 （8-4）文献中也经常采用 式中Ui、US转换屏的不清晰度；d射线源焦点尺寸。从最佳放大倍数的表示式可以看出，最佳放大倍数是由成像平面（荧光屏）的固有不清晰度和射线源的尺寸决定。由于荧光屏的固有不清晰度约为0.3mm左右，所以使用常规焦点的射线源时，不可能采用较大的放大倍数。8.4.2常用图像处理技术数字图像处理技术是20世纪50年代随着太空计划开始研究的技术，它包括一系列内容，主要有对图像进行数字化、编码处理，把图像从连续信号转换为离散数字，进行图像增强、恢复、重建，改善图像质量等。图像处理技术是根据图像质量的一般性质，选择性地加强图像的某些信息、抑制另一些信息，改善图像质量的方法。在射线实时成像检验技术中，广泛采用了数字图像处理技术。经常采用的数字图像处理方法有，对比度增强、图像平滑（多帧平均法，常称为积分处理或降噪）、图像锐化和伪彩色等。表8-3是常用图像处理方法的简要说明。表8-3常用图像处理方法类型方法方法概要对比度增强灰度变换法采用变换函数，把输入灰度范围变换为输出灰度范围，增加这个范围的对比度直方图调整采用变换函数，调整灰度级分布，或减少灰度级，或突出所关心的灰度级范围，相当于提高了对比度规格化方法依据图像灰度级局部的均值和方差，对每个像素的灰度级分配一新的局部的均值和方差图像平滑低通滤波法采用低通滤波，去除含在空间高频分量中的图像噪声局部平均法采用一个像素邻域内各点的灰度级的平均值，代替该像素的灰度级，降低噪声多帧平均法多帧平均法常称为积分处理，其假定噪声的均值为0，采用多幅图像叠加消除噪声，目前多用256幅图像叠加，完成处理时间约为10s图像锐化高频滤波法图像轮廓为灰度突然变化部分，包含大量空间高频分量，采用高频加强滤波方法突出高频分量，使图像轮廓清晰微分法微分运算不改变频率，但增大幅度，从而使图像轮廓增强8.4.3射线实时成像检验的技术控制为了保证射线实时成像检验结果的可靠、稳定，必须对射线实时成像检验技术进行控制。除了一般的对检验人员资格控制、检验技术的文件（规程和工艺卡）控制外，技术控制的主要方面是系统性能核查和检验过程中的像质计灵敏度核查。系统的性能应进行定期核查，即对空间分辨力和对比度灵敏度进行定期核查。同时，在检验过程中应结合进行像质计灵敏度的核查。最好的方法是采用具有应检出的缺陷、并与被检工件类似的物体、在实际检验的条件下进行检验。核查的间隔应符合有关标准、规定的要求。采用像质计核查时，像质计的选择、数目、放置等应符合有关工业标准的规定。也可使用校验试块、线对卡、阶梯块等进行核查。**8.5射线实时成像检验技术主要标准简介目前，国外制定的射线实时成像检验技术标准主要是，20世纪90年代以来美国材料试验学会先后制定的一系列标准和近年欧洲制定