兰州理工大学材料科学与工程学~(730050) 何山林马跃洲 陈光

兰州三磊电子有限公司(730000) 陈 明

摘要针对螺旋焊管管端焊缝的检测，采用线扫描X射线数字成像技术，设计了一套新型无损检测设备。弥补了胶片和工业电视检测方法中灵敏度、分辨率和检测效率不能同时达到较高要求的不足。实现了螺旋焊管无损检测的数字化。软件系统采用VC++语言进行编写，能够实现图像的降噪、灰度拉伸等功能。

目前，针对螺旋焊管管端焊缝的检测方法中，x射线胶片法以其显示直观、灵敏度和分辨率高等特点，成为国内外焊管检测的重要手段。但其存在效率低、胶片处理麻烦等缺点，成为制约焊管生产效率的瓶颈¨ 。

工业电视法虽然具有较高的效率，但其灵敏度和分辨率不高，不能保证焊管管端等对焊接质量要求较高部位的检测质量。所以，急需一种新型、高效的检测方法来代替现有的胶片法和工业电视法。新型螺旋焊管管端焊缝x射线数字成像系统采用线扫描DR(digital radiography)成像技术，弥补了上述两种方法的不足，真正实现了双面螺旋焊管管端焊缝无损检测的数字化。

1 线扫描DR成像原理

线扫描x射线数字成像系统工作原理如图1所示。由x射线发生器发出的一束x射线，穿过被检测工件，由于工件有缺陷部位和无缺陷部位对x射线的图1 线扫描DR成像原理图衰减程度不同，使得透射射线带有工件的缺陷信息。线阵探测器接收透射射线，通过扫描将x射线的一行光信号转换成数字信号，传送到计算机中进行处理，并在图像显示器上显示出来。随着焊缝和探测器之间的相对运动，线阵探测器一行一行扫描得到的数据就形成了一幅动态的检测图像，从而完成整个成像过程。

2 系统硬件组成线阵x射线数字成像系统由X射线机、线阵探测器、扫描运动机械装置、：亡控讨‘算机、PLC五部分组成

2．1 线阵探测器

线阵探测器(图2)是检测系统的核心部件．用于实现：x射线一可见光一视频信号的转变过程包括：闪烁体、光电二极管阵列、控制单元、前置电路四部分其结构如图3所示．．

3 线阵探洲器 理图

线阵探测器工作原理：线阵探测器中闪烁体平i：1光电二饭管耦合在一起，完成由x光到可见光的光电转化过程前置电路中的放大电路和转换电路对光电二极管输出的电信号进行采集和放大 数据采集系统和放大转换电路集成在同一个单元中，实现信号的A／D转换。转换后的信号就可以被计算机读人 其中．光电二极管的光电转换、数据采集、A／D转换都是根据从计算机发来的指令，通过控制单元模块来完成的螺旋焊管管端焊缝x射线数字成像系统的设计之听以选用了线阵探删器，是因为选用合适的线阵探测器小仅能够提高检测效率，而 能够大大提高检测图片的分辨率和清晰度其中，闪烁体的材料特性和光电二极管的几何尺寸直接影响到榆测图片的清晰度和分辨率．

2．1 1 闪烁体的选择

首先．在闪烁体的选择上，需要考虑材料的吸收功率、余辉和光输出特性三种特性，吸收功率(又称中止功率)反映截止一定能量的x射线光子的能力，吸收功率大，吸收的x射线就越多，反映的缺陷信息就越准确；余辉足遗留在闪烁体中光的百分比 余辉越小就会使更多的X射线通过闪烁体，反映的缺陷信息就越准确；光输出特性包括输出光的波长、发射光于的数量及均匀性一若使光电二极管能尽吖能多的将光信号转换成电信号，闪烁体的输出光波长必须大于500 Flm，发射光子尽量多，尽可能均匀。其次．闪烁体的几何尺寸也会对检测效率、图像分辨率产生直接影响。闪烁体体积越大．承受射线照射能力越高，而在使用较低能量的射线时，曝光时间就会变长，将降低检测效率。截面积的大小，直接决定成像器的像分辨率 ．面积越小．分辨率越高．但加工难度更大，同时，射线承受能力降低 因此，闪烁体长度、截面积的选择，要综合射线能量范围、图像分辨率、检测速度和设备成本等各力‘面因素来确定：

2 1．2 光电二极管阵列的选择

光电二极管的外形尺寸即为图像的象素尺寸，它的大小直接影响成像系统的空间分辨率。系统所使用的光电二极管阵列R寸为0．083 tnm 目前的技术可以制造出小于28 r¨的光电二极管阵列 由于0．083~-ilm的光电二板管阵列理论上能产 6 LP／mm的空间分辨率，图像质量能达到胶片成像的效果．而较小尺寸的光电二极管成本电随之提高，综合各方面闪素考虑，决定采用尺寸为0．083 mm的光电二极管阵列 既保证了图像空间分辨率，叉降低了没备成本作为一种新型的DR成像接收器件．线阵探测器主要有以下特点：

(1)可获得动态实时数字图像，大大提高了检测效率

(2)硅光电二极管构成的阵列尺寸为83 Ixm，图像理论空间分辨率达6【_P／m l1，图像清晰、灵敏度高，而工业电视法的空问分辨率不高于4 LP／mm。

(3)线扫描成像器每扫描一行只接收儿 微米宽度内的x射线，屏蔽．r有效宽度以外的射线，基本消除r沿扫描方向由于x射线机焦点 寸大小引起的几何不清晰度的影响，使得图像边缘更加清晰，提商了系统灵敏度和分辨率

(4)检测图像动态范围口f达4-ooO：1，优于胶片。

(5)扫描碍到的数字图像噪声低，质量离，为后续的图像处理提供了 便 ．

2．2 x射线机系统

x射线机系统选用原Seifert公耐42MF系列高频恒压便携式大焦点x射线机。最高管电压200 kV，最大管电流10 mA，焦点尺寸3．0 rol1]x 3．0 mnl。能够连续工作．保证检测效率

2．3 扫描运动机械装霞

根据线扫描DR成慷的原理，针对螺旋焊管管端焊缝的检测．漫计了一套专J甜机械装置．．扫描运动机械装置示意图如图4所示机械装置可以完成平动、摆动和升降三个自由度的运动．．平动和摆动由步进电机驱动．使扫描运动精确定位；升降由==相电机驱动，用于针对不同规卡桎的焊管．调整旋转中心、旋转半径以及射线机透照焦距 焊管由辊道送入检测位置后，阔骧线阵探测器角度，使之垂直于焊缝．这样才能保证焊缝成像方向平行于检测方软仲通过参数设置中的管径和焊缝与轴向的夹角计算出旋转电机和平动电机的转动速度，使旋转电机和平动电饥速度相匹配．摆动臂上的DR成像器按照工艺要求的线速度沿焊缝表面移动．实现对焊缝的扫描。扫描线速度0．I～1．0 nCmiu．可根据需要通过软件进行调解 机构的各种动作全部由计算机控制，自动完成对焊缝的f】描检测过程.

4 帆钺装置示意

图5和图6是对7．Ilnm厚焊缝试板进行扫捕试验得到的测试图片．图中 T识别像质汁Fe|0／16第16号金属丝。空间分辨率达到6 LP／mm：塑料封装影像清晰可见．、

3 检测系统软件设计

检测系统软件是整个控制系统功能实现的核心．针对螺旋焊管筲端焊缝X射线数字成像系统．采用VC++6．0}l：发环境编写』．一套专用的软件系统软件系统的没汁除r完成各种机被动作的控制之外，还实现了图像实时显示、变换处理、数字存档、打印报表、计

箅机辅助评片等功能

3．1 图像实时动态碌示

山线阵探测器得到的检测『射像足由一行接一行的数槲组合而成的 为r实现罔像的实时动态娃示，每当得到一千亍新数据删．隆I像就要整体向l：移动一行 ：随着图像行数的增多，图像链体上移的数据就会越来越大，给CPU带米很大 t力，甚至使图像产啦抖动．影响图像宴时动态 示的效果 针对图像的实时动态显示．借鉴目前网内外的实现，J法．采用带帧存的图像缓存硅示辅助 备万案来解决图像的实时动态显示。软件设计中采用微软公司针对提高游戏运行速度而开发的直接覆存操作技术(DirectX的DirectDraw)，减少了尉像显示对系统总线的占川时间，减小r图像实时硅乐的抖动。为加快数据传送速度，减小系统开支，数据传送采用了行数据传送的方式 由此．图像的实时动态显示以及图像的抖动问题得到r解决．提高了实时显示的效果

3．2 图像变换、处理

在胶片以及上业电视检测方法中．检测员所面对的胶片以及 面的灰度级是固定不变的通常胶片、画面存在灰度 I j窄、亮度 高等弊端，给评片j 作带来r极大不便x射线数宁成像系统通过软件的改汁很好地解决了这个^口]题 检测受可以通过软件对检测图像进行灰度均衡( 7和图8)，提高亮度、对比度，进行浮雕处理、伪彩色增强 等 突出缺陷信息、降低

缺陷的识别难度、提高检测的椎确率

8 浮雕变拯

软件中图像变换菜单还包含r对图像的空域变换、频域交换、点变换。叮以对图像进行镜像、缩放旋转、平移、转置等几何变换操作，傅立叶变换、沃尔什变换、离散余弦变换等频域变换，以及图像取反、线性变换等点变换 在罔像处理菜单中包含I鞫像增强、边缘／轮廓提取 、形态学处理三项操作 可实现对圈像的平滑、降噪、边缘检测等处理 检测人员町以报据

需要进行相应的变换．这也是数字成像技术与胶片照相法相比的一大优势

3．3 数字存梢

x射线数字检测系统检测 片可以以文件的 。式存储于硬盘或光盘中．存储时间 受限制，图像质量也不会随时间而发生变化 节省』，大量的皎片、纸张，不会造成环境污染而且刘于典型的缺陷图像nT 资源共享，一图多用

3．4 计算机辅助评片

许片是发现缺陷并时缺陷进行综台评级的过程虽然现阶段不能达到计算机自动识别所有缺陷进行评级，但是大的明显缺陷可以实现在线自动识别。。

4 结 论

(1)螺旋焊管管端焊缝无损检测所设计的x射线线阵DR成像系统，采崩了新型线阵探i914器，使系统具有较高检测灵敏度和 分辨率，町以对焊管进行实时动态检测

(2)系统可 通过软件刑检洲图像进行灰度均衡【图7，图8)、亮度、对比崖变换、浮雕处理、伪彩色增强等一系列变换．突出缺陷信息，便于检测几员识别，检测过程操作简单

(3)实现了检测图片的数字存档，打印报表等功能 查找方便，大大降低r检测成本综卜．与皎片检测法和工业电视检测法稚I比．x射线线扫捕DR成像系统检测灵敏度和空间分辨率大大优于图像增强器，接近胶片质量，而检测效率比胶片法又有很大提高检测图像实时动态显示，可以进行变换处理 检测结果可以进行数字存储．降低了检测成本，减少了环境污染：对于螺旋焊管管端焊缝无损检测的线阵x射线数字成像系统完全可以替代胶片法和I：业电观检测法．具有很大的应刖前景．

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f收稿日期2006 07 26】

作者简介： 何山柞，1981阜出生，在读工学硕士主要从事焊

接过程控制、焊接x射线j巳损检测方面的研究工

作．