中心議題：

• 射線(xiàn)檢測中CMOS的研究
• CMOS探測器簡(jiǎn)介

解決方案：

• 檢測工裝設計

• 選用Canny邊緣檢測算法進(jìn)行缺陷邊緣定位

1 CMOS探測器簡(jiǎn)介

射線(xiàn)檢測技術(shù)利用X射線(xiàn)探測材料內部的不連續性，并在記錄介質(zhì)上顯示出圖像。隨著(zhù)技術(shù)的不斷進(jìn)步，射線(xiàn)檢測從傳統的以膠片為記錄介質(zhì)的照相方法不斷擴展，形成了多種數字化射線(xiàn)檢測手段，如底片的數字化處理技術(shù)(Film Digitisation)、射線(xiàn)實(shí)時(shí)成像技術(shù)(Radioscopy)、計算機射線(xiàn)成像系統(Computed Radiography)和射線(xiàn)數字直接成像檢測技術(shù)(Direct Radiography)等。實(shí)際應用中需要根據檢測要求的分辨率和相對靈敏度選用合適的方法。相對于其它射線(xiàn)記錄介質(zhì)(如CCD、多晶硅等)，CMOS(互補的金屬氧化硅)技術(shù)更具有性能優(yōu)勢。目前，CMOS探測器的最小像素尺寸可達39μm，檢測精度較高，溫度適應性好，結構適應性強。

較之龐大的增強器成像系統，CMOS射線(xiàn)掃描探測器(圖1)結構小巧，內部芯片集成度高。較之CCD成像方式，CMOS的每個(gè)探測點(diǎn)都有自己的放大器進(jìn)行單獨配置。CMOS在其內部通過(guò)轉換屏將接收到的射線(xiàn)轉換為光線(xiàn)，直接與轉換屏接觸的探測點(diǎn)單元將光線(xiàn)轉換為電子，每個(gè)探測點(diǎn)單元有自己的放大器將電信號放大，最后在探測器內對信號進(jìn)行A/D轉換，形成二進(jìn)制編碼傳送到計算機。CMOS主要適用于20～320 kV射線(xiàn)能量，80/μm的空間分辨率，無(wú)幾何放大情況下檢測分辨率為6 lp/mm，檢測圖像達到4096級灰度。

2 CMOS探測器的檢測應用

2.1 檢測流程

由于CMOS射線(xiàn)探測單元排成線(xiàn)陣列，靜止狀態(tài)下只能得到射線(xiàn)透過(guò)被檢物體而形成的投影圖像中的一條線(xiàn)。為獲取被檢測物體的圖像，需要進(jìn)行相對掃描運動(dòng)，逐線(xiàn)采集并拼成完整的投影圖像。獲取檢測圖像時(shí)要求射線(xiàn)能量波動(dòng)盡可能小且可長(cháng)時(shí)間連續工作，因此筆者采用恒壓式射線(xiàn)源(YX―LON MG325，最大電壓320 kV，大焦點(diǎn)3.0 mm，小焦點(diǎn)2.O mm)。采用CMOS線(xiàn)性X射線(xiàn)掃描探測器進(jìn)行射線(xiàn)檢測的流程為：探測器配置及校準一確定透照方式，調節位置參數一相對運動(dòng)，獲取掃描圖像一圖像處理，缺陷分析。

2.2 檢測工裝設計

探測器的成像單元(線(xiàn)陣列)需要與射線(xiàn)束中心線(xiàn)良好匹配，不能出現相對位置傾斜和偏移等現象。因此，需設計合適的成像工裝，以完成探測器的固定、位置調節及實(shí)現與檢測工件的相對運動(dòng)。工裝要能方便地移入移出(筒形工件)，應具有一定的靈活性和較大的適應性(檢測不同類(lèi)型工件)。

本著(zhù)簡(jiǎn)便、實(shí)用的原則，在已有射線(xiàn)實(shí)時(shí)成像系統基礎上進(jìn)行檢測工裝設計，即檢測時(shí)將檢測工件放在載物臺上，可實(shí)現左右平移、繞垂直軸旋轉等運動(dòng)；探測器通過(guò)工裝固定于射線(xiàn)實(shí)時(shí)成像系統增強器運動(dòng)軸上，可實(shí)現垂直升降和前后平動(dòng)。另外，探測器還可實(shí)現一定角度的旋轉調節。通過(guò)與實(shí)時(shí)成像檢測系統的有機結合，可實(shí)現多種類(lèi)型工件的射線(xiàn)檢測。此外，應用時(shí)對于工件還要設計固定定位工裝。

2.3 探測器配置與校準

首次使用探測器時(shí)需指定成像器類(lèi)型參數(長(cháng)度和可承受電壓等)，以便確定出可用的最小積分時(shí)間。在探測器正常工作前，必須對其進(jìn)行配置與校準，以便在一定的成像條件下，使所有探測單元的偏置輸出及增益輸出達到一致。

對于新的檢測對象，首先配置好采集圖像相關(guān)的參數(積分時(shí)間、掃描精度以及是否迭加平均)，然后開(kāi)始進(jìn)行探測器校準。校準時(shí)還要考慮焦距及物距的影響。一般校準時(shí)需進(jìn)行三個(gè)步驟：①關(guān)閉射線(xiàn)源，探測器進(jìn)行偏置校準。②開(kāi)啟射線(xiàn)源，調節到檢測需使用的電流電壓值，使探測器的線(xiàn)陣列輸出信號達到最大但未出現飽和為止。③調節射線(xiàn)能量，使線(xiàn)陣列輸出信號降低為最大信號的一半。校準的結果以文件形式存儲，可供以后的檢測調用。但調用后若再更改其中的校準參數，則需重新校準后才能進(jìn)行檢測。

對于大多數檢測對象，在實(shí)際檢測時(shí)應用的電流、電壓值較高，在進(jìn)行探測器校準時(shí)輸出信號早已飽和。為解決這一問(wèn)題，根據不同厚度的檢測情況，設計了相應的校準用檢測試板。試板厚度均勻，在校準第一步完成后將試板放在射線(xiàn)源窗口，然后開(kāi)啟射線(xiàn)進(jìn)行下一步校準操作。
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2.4 透照方式選取

(1)平動(dòng)方式適用于平板焊縫類(lèi)工件的射線(xiàn)檢測，檢測時(shí)保持探測器與射線(xiàn)源位置相對固定，將工件放在載物臺上，以合適的速度沿X軸平行移動(dòng)。對于管、筒上的環(huán)形焊縫，如果采用平動(dòng)方式成像，采集的將是橢圓形透視圖像，只有中心區域的圖像才可用于檢測結果評定，并且需要旋轉多個(gè)角度才能完成全部檢測，降低了檢測靈敏度(圖2a)，某些情況下由于厚度太大而不能實(shí)現透照檢測。

(2)旋轉方式要求調節相對位置使工件放在載物臺回轉中心，且與射線(xiàn)束中心、探測器中心處于一條直線(xiàn)上。對于筒形件，通過(guò)工裝將探測器置于工件內部，盡可能貼近檢測部位，采用單壁單影的方式透照；對于內徑較小的管狀與筒形工件，采用雙壁透照的方式；旋轉一定角度即可將透照區展開(kāi)成像，可有效提高檢測效率(圖2b)。對于回轉類(lèi)工件，采用旋轉方式成像具有突出的優(yōu)點(diǎn)，可提高圖像質(zhì)量，縮短檢測時(shí)問(wèn)。

2.5 運動(dòng)速度控制

由于探測器必須有相對運動(dòng)才能成像，因此需要將運動(dòng)速度控制在合理的范圍。如果速度不合適，則得到的圖像就存在拉伸或壓縮現象。另外，分辨率越高、圖像噪聲越低，運動(dòng)速度需越低。

平動(dòng)成像中的移動(dòng)速度V與探測器的曝光時(shí)間T、成像精度P、透照放大倍數M和重復掃描次數N有關(guān)： 對于旋轉方式，還需要考慮工件內徑進(jìn)行計算。

2.6 檢測參數優(yōu)化

最佳放大倍數Mopt與探測器的固有不清晰度Us、射線(xiàn)焦點(diǎn)尺寸d有關(guān):
經(jīng)計算，最佳放大倍數Mopt=1，即成像時(shí)探測器盡量貼近被檢測工件。此外，成像質(zhì)量還與選用的透照電壓、電流、焦距和焦點(diǎn)等參數有關(guān)。

掃描圖像的清晰度與重復掃描次數有關(guān)，圖像掃描時(shí)采用Double Graylevel選項，類(lèi)似于實(shí)時(shí)成像檢測中的4幀圖像疊加(N=4)。進(jìn)行檢測的速度降低了4倍，但圖像卻有比較大的改善，噪聲明顯降低，更有利于缺陷的檢出與識別。檢測圖像能夠滿(mǎn)足GB 3323―1987標準規定的AB級要求。
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2.7 缺陷定量分析

在進(jìn)行圖像尺寸測量時(shí)，需要將經(jīng)過(guò)計量或已知精確尺寸的試件緊貼在被檢焊縫的一側與焊縫同時(shí)成像。每次評定前，應作一次標定，缺陷測量時(shí)進(jìn)行對比或通過(guò)公式將圖像尺寸轉化為真實(shí)尺寸。為此，設計了專(zhuān)用的測量評片用試片(圖3)，試片也可用于檢測相對運動(dòng)速度是否匹配。

尺寸標定完成后，通過(guò)圖像處理方法實(shí)現缺陷定量分析。選用Canny邊緣檢測算法進(jìn)行缺陷邊緣定位。接著(zhù)對檢測出的邊緣進(jìn)行細線(xiàn)化處理。然后通過(guò)搜索每條邊緣線(xiàn)端點(diǎn)為中心的5×5或更大的鄰域，找出其它端點(diǎn)并進(jìn)行填充，完成邊緣點(diǎn)連接，去除邊緣檢測圖像中的間隙。再應用像素標記的方法，檢查每一目標像素相鄰點(diǎn)的連通性，進(jìn)行閉合曲線(xiàn)內的目標標記。通過(guò)上述操作即可將不同缺陷標記出來(lái)以供測量用，最后完成缺陷參數計算。

2.8 圖像存檔管理

檢測結果以數字圖像形式存放在計算機上，為便于對檢測圖像進(jìn)行統一管理，筆者自行設計了圖像文件的管理數據庫，記錄檢測信息(工件名、檢測日期等)、成像參數和檢測評定結果等。

3 應用結論及問(wèn)題分析

CMOS射線(xiàn)探測器具有較高的空間分辨率(61p/mm，固有不清晰度<0.2 mm)，檢測靈敏度高(4096灰度級)。成像質(zhì)量?jì)?yōu)于采用增強器的實(shí)時(shí)成像系統，接近或達到膠片照相的水平；在圖像的對比度方面優(yōu)于膠片照相方法和實(shí)時(shí)成像系統。

通過(guò)試驗優(yōu)化等方法，成功地將探測器應用于平板焊縫、環(huán)焊縫和縱焊縫等大多數產(chǎn)品零部件的射線(xiàn)檢測，提高了檢測效率，降低了檢測成本。為更好地促進(jìn)數字化射線(xiàn)檢測技術(shù)的應用，有必要在下列方面開(kāi)展研究工作：

(1)復雜工件的最優(yōu)化檢測及仿真[4]，為檢測結果的解釋提供理論支撐。

(2)大容量圖像文件的快速讀取、處理及分析，缺陷定量分析的自動(dòng)化、半自動(dòng)化方法的研究。

(3)圖像文件的管理、傳輸(引入PACS模式)[5]。

(4)建立新的數字化射線(xiàn)檢測標準。