（材料加工工程专业论文）基于x射线实时成像系统的焊缝缺陷评片软件设计.pdf

硕十学俯论文 摘要 随着x 射线检测和数字图像处理技术的发展，焊缝缺陷的检测也逐步从人工 评片过渡到计算机智能识别。利用计算机对焊缝数字图像进行检测和识别，在射 线检测效率、经济效益、方便实用等方面得到了人们的认可。 本文以实际工程需求为背景，以x 射线实时成像系统所得到的b m p 格式的焊 缝数字图像为研究对象，进行v i s u a lc + + 面对对象与可视化程序设计，设计评片 系统软件。该软件主要分为图像处理、缺陷识别和缺陷等级评定三大模块。 图像处理模块主要内容是数字图像的几何变换、图像增强、图像点运算、边 界提取。几何变换有平移、旋转、镜像和缩放处理；图像的增强运算有平滑降噪、 中值滤波；图像的点运算有灰度直方图设计、灰度的线性变换、灰度的窗口变换、灰 度拉伸；灰度直方图的设计是为了计算数字图像的灰度值，采用线性变换进行二值化处 理，通过窗口变换分离焊缝和母材并以提取焊缝、运用灰度拉伸凸显缺陷特征信息。边 缘检测的算子有r o b e r t 算子、s o b e l 算子、p r e w i i t 算子、k r i s t c h 算子、g u a s s l a p l a c e 算子。 f l ：l - 于g u a s s 1 a p l a c e 算子能降低图像噪声的同时提取缺陷的轮廓，因此，本实验用 g u a s s 1 a p l a c e 算子进行缺陷的轮廓提取。 缺陷识别模块采用细化和中心点标注法统计缺陷的数量和平均半径，再用垂 直投影得出缺陷在水平方向的像素。该算法不仅可以有效统计缺陷数量，而且还 能快速算出缺陷的平均半径、周长和面积等参数。 缺陷等级评定模块是以中华人民共和国行业标准( j b t 4 7 3 0 2 2 0 0 5 钢、镍、 铜制承压设备熔化焊对接焊接接头射线检测质量分级中的圆形和条形缺陷评级标 准) 为例，进行可视化与面对对象的程序设计。在缺陷识别菜单栏的子菜单中的 对话框的编辑框中输入相关数据，能准确地评定焊缝缺陷的等级。 实验结果表明，本焊缝x 射线实时成像系统的评片软件能有效进行缺陷识别 和等级评定，具有一定的实用价值。 关键词：b m p 格式；g u a s s l a p l a c e ；缺陷识别；缺陷等级； a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fx r a yt e s t i n ga n dd i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g y ， t h et e c h n o l o g yo fw e l dd e f e c t st e s th a sa l s o g r a d u a l l yt r a n s i t e di n t oc o m p u t e r i n t e l l i g e n ti d e n t i f i c a t i o n a d o p t i n gt h ec o m p u t e rt ot e s ta n di d e n t i f yt h ed i g i t a li m a g e o ft h ew e l d i n gl i n ei s l a r g e l ya c c e p t e di nt e r m so fi t st e s t i n ge f f i c i e n c y e c o n o m i c b e n e f i t sa sw e l la si t sc o n v e n i e n c e t h i st h e s i si sb a s e do nt h ea c t u a le n g i n e e r i n gn e e d sa n dc h o o s e st h ed i g i t a lb m p i m a g e sw h i c ha r eg o tw h e nu s i n gx - r a yt ot r e a tt h ew e l d i n gl i n ea st h es t u d yo b j e c t t h e n ，v i s u a lc + + a n dv i s u a l i z e dp r o g r a m m e sa r ed e s i g n e da n da l s ot h es o f t w a r eo f e v a l u a t i n gt h es y s t e mi sd e s i g n e d t h i ss o f t w a r ei sm a i n l yc o m p o s e do fs u c ht h r e e m o d u l e sa si m a g ep r o c e s s i n g ，d e f e c t si d e n t i f i c a t i o na n dd e f e c t se v a l u a t i o n t h e m a j o r c o n t e n t so ft h e i m a g ep r o c e s s i n g m o d u l ei n c l u d et h e g e o m e t r i c t r a n s f o r m a t i o no ft h ed i g i t a li m a g e , t h ei m a g ee n h a n c e m e n t ，i m a g e p o i n tc a l c u l a t i o na n d b o u n d a r ye x t r a c t i o n g e o m e t r i ct r a n s f o r m a t i o nd e a l sw i t ht h et r a n s l a t i o n ，r o t a t i o n ，m i r r o r i m a g ea n ds c a l i n gp r o c e s s i n g ；t h ei m a g ee n h a n c e m e n tc o v e r ss m o o t hn o i s er e d u c t i o na n d m e d i a nf i l t e r i n g ；t h ei m a g ep o i n tc a l c u l a t i o ni n c l u d e st h ed e s i g n o fh i s t o g r a m ，g r a yl i n e r t r a n s f o r m a t i o n ，g r a yw i n d o wt r a n s f o r m a t i o na n dg r a ye x t e n s i o n t h ep u r p o s eo fd e s i g no f h i s t o g r a mi st oc a l c u l a t et h ed i g i t a li m a g e sg r a yv a l u ea n dt oc o n d u c tt h eb i n a r i z a t i o n p r o c e s s i n gw h i l ea d o p t i n gl i n e rt r a n s f o r m a t i o n t h r o u g ht h ew i n d o wt r a n s f o r m a t i o n ， t h ew e l d i n gl i n ea n dp a r e n tm e t a lc a nb es e p a r a t e d t h ed e f e c t sc a nb er e v e a l e db y a d o p t i n gg r a ye x t e n s i o n w h e ni tc o m e st oe d g ed e t e c t i o no p e r a t o r ，t h e r ea r er o b e r t o p e r a t o r ，s o b e lo p e r a t o r ，p r e w i i to p e r a t o r ，k r i s t c h o p e r a t o r a n d g u a s s 1 a p l a c e o p e r a t o r d u et ot h ef a c t t h a tg u a s s l a p l a c eo p e r a t o ri sa b l et or e d u c et h ep i c t u r e n o i s ew h i l ee x t r a c t i n gt h eo u t l i n eo ft h e d e f e c t s ，t h i sp r o p o s e de x p e r i m e n ta d o p t s g u a s s l a p l a c eo p e r a t o rt oe x t r a c tt h ed e f e c t s o u t l i n e d e f e c t si d e n t i f i c a t i o nm o d u l ea d o p t sd e t a i l i n ga n dc e n t r a lm a r k i n gm e t h o d st o s t a t i s t i c a l l ya n a l y z et h en u m b e ro fd e f e c t s ，t h e nv e r t i c a lp r o j e c t i o ni su s e dt os w i f t l y c a l c u l a t et h ea v e r a g er a d i u s ，p e r i m e t e ra n da r e ao ft h ed e f e c t s d e f e c t se v a l u a t i o nm o d u l ei sd e s i g n e do nt h eb a s i so fi n d u s t r i a l s t a n d a r do f p r c ( j b t 4 7 3 0 2 2 0 0 5 ) a n di sv i s u a l i z e d w h e nt h er e l e v a n td a t aa r ep u ti n t ot h e d i a l o g u eb o xo ft h ed e f e c t se v a l u a t i o nm e n u ，t h ew e l d i n gl i n ed e f e c t sl e v e l sc a nb e a c c u r a t e l ya s s e s s e d i i 硕+ 学位论文 t h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n ts h o w st h a t t h i ss o f t w a r ec a ne f f e c t i v e l yi d e n t i f y a n da s s e s st h ed e f e c t sa n di ti sw i t hs o m ep r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e k e yw o r d s ：b m pf o r m a t ；g u a s s - l a p l a c e ；d e f e c tr e c o g n i t i o n ；d e f e c tl e v e l i i l 硕l j 学位论文 第1 章绪论 1 1 本课题的研究背景及意义 焊接工艺作为是会属材料加工制造业中的一种基本工艺，已被广泛应用于建筑、航 天、冶金、石油化工、汽车制造、核电、国防等多种领域。在许多产品中，焊缝质量是 其质量保证的根本。由于焊接过程中受各种参数的影响，会导致焊缝中出现裂纹、气孔、 夹渣、未焊透和未融合等内部缺陷【l 】。为了保证焊接构件的产品质量，必须对其中的焊 缝进行有效的无损检测和质量评定。 无损检狈j j ( n o n n d e s t r u c t i v et e s t i n g ，简称“n d t ”) 的定义是：在不破坏试件的前 提下，以物理或化学方法为手段，借助先进的技术和器材，对试件的内部及表面的结构、 性质，状态进行表面进行检测和测试的方法。 无损检测是以现代科学技术为基础，利用各种检测方法对铸件、锻件和焊接件进行 非破坏式检测，查找其中的潜在危害部位。例如，用于探测工业产品的x 射线照相法， 是在德国物理学家伦琴发现x 射线后发展起来的；超声检测是在两次世界大战中迅速发 展的声纳技术和雷达技术的基础上开发出来的；磁粉检测建立在电磁学的基础上，而渗 透检测得益于物理化学的进展。 在无损检测技术进展过程中出现三个名称，即无损探伤( n o n d e s t r u c t i v e i n s p e c t i o n ) 、无损检测( n o n d e s t r u c t i v et e s t i n g ) 和无损评价( n o n d e s t r u c t i v ee v a l u a t i o n ) 。 一般认为，这三个名称体现了无损检测技术发展的三个阶段，其中无损探伤是早期阶段 的名称，其含义是探测并发现缺陷；无损检测是当前阶段的名称，其内涵不仅仅是探测 缺陷，还包括探测缺陷的其他信息，例如结构、性质和状态，并试图通过测试掌握更多的 信息；而无损评价则是正在进入或即将进入的发展阶段。无损评价包括的范围更广泛、 更深刻，他不仅仅要求发现缺陷，探测试件性质、结构和状态等，还要求获取更全面的， 更准确的，综合的信息，例如有关缺陷的形状、尺寸、位置、取向、内含物、缺陷内部 的组织、残余应力等信息【2 1 。它还要结合成像技术、自动化技术、计算机数据分析和处 理技术，与材料力学等领域知识，对试件和产品的质量和性能给出全面、准确的评价。 射线检测( r a d i o g r a p h i ct e s t i n g ，简称“r t ”) 、超声波检i 贝l j ( u l t r a s o n i ct e s t i n g ，简称 “u t ) 、磁粉检测( m a g n e t i ct e s t i n g , 简称“m t ”) 和渗透检i 贝 j ( p e n e t r a n tt e s t i n g ，简称 “p t ) 是开发较早，应用较广泛的缺陷探测方法，称为四大常规的检测方法。到目前 为止，这四种放方法仍然是承压类特种设备制造质量检验和在用检验最常用的无损检测 方法。其中r t 和u t 主要用于探测试件内部缺陷，m t 和p t 主要用于探测试件表面缺陷。 其他用于承压类特种设备的无损检测方法有涡流检测( e d d yc u r r e n tt e s t i n g ，简称 “e t ) 、声发射检测( a c o u s t i ce t n i s s i o n ，简称“a e ) 。 慕于x 射线实时成像系统的焊缝缺陷评j i _ 软件鼓计 随着现代工业的发展，社会对产品的质量和结构的安全性，使用可靠性的要求越来 越高，由于无损检测技术有不破坏试件，检测灵敏度高的优点，所以其应用日益广泛。 目前，无损检测技术不仅应用于承压类特种设备的制造检验和在用检验，而且在国内许 多行业和部门，例如机械、冶会、石油天然气、石化、化工、航空航天、铁道、电力、 核工业、兵器、煤炭、有色会属、建筑等，都得到广泛的应用。 1 1 1 常用的无损检测方法简介 无损检测方法包括射线检测法( r a d i o l o g i c a lt e s t i n g ，简称“r t ) 、超声检测法 ( u l t r a s o n i ct e s t i n g ，简称“u t ) 、磁力检测法( m a g n e t i cp a r t i c l et e s t i n g ，简称“m t ) 、 涡流检测法( e d d yc u r r e n tt e s t i n g ，简称“e t ) 、渗透检测法( p e n e t r a n tt e s t i n g ，简称“p t ”) 等。 ( 1 ) 射线检测 射线检验是利用射线( x 射线、y 射线、中子射线等) 穿透物体过程中具有一定的衰减 规律，根据工件各部位衰减后射线强度减弱程度来检测工件内部缺陷的一种方法。衰减 的程度由物体的厚度、物体的材料品种以及射线的种类而定。当使用射线种类固定后， 衰减后射线强度取决于被检工件厚度和工件的密度。假如工件中含有气孔时，有气孔的 部分不易吸收射线，容易透过。相反如果混进容易吸收射线的异物时，这些地方射线就 不容易透过。 ( 2 ) 超声波检测 超声波在被检测材料中传播时，材料的声学特性和内部组织的变化对超声波的传播 产生一定的影响，通过对超声波受影响程度和状况的探测，了解材料性能和结构变化的 技术称为超声检测。这种方法是利用超声振动来发现材料或制件内部( 或表面) 缺陷的。 根据超声振动的不同调制方法可划分为连续波和脉冲波；根据不同的振动和传播方式超 声振动又可分为纵波、横波、表面波；根据声波的发射和接收条件的不同，超声波检测 又可分为单探头法和双探头法，这些方法都可用于检测缺陷。 由于超声检测具有成本低、可应用范围广的特点，近些年在国内外得到普遍重视和 迅速发展。例如自动化超声检测在核电站、海底管道和大型飞机零件方面发展很快，这 其中包括核电站压力容器、管道、海底管道和海上平台腐蚀与氢致裂纹的自动超声检测。 由于其成本低、可进行非接触测量、对被测介质无影响，环境适应能力强等特点，以致 其应用范围超出其他检测方法。但是，它对缺馅的定量或定性分析尚存在一定的难度， 在近表面存在死区等缺点。 ( 3 ) 磁力检测法 磁力检测法一般可以分为磁粉探伤和漏磁探伤。 磁粉探伤的基本原理是：利用焊件磁化后在缺陷的上部会产生不规则的磁力线，利 用这一现象来判断焊缝中缺陷的位置。当焊缝中无缺陷时，磁力线必然是平行地通过焊 2 硕i j 学位论文 件，并无不规则现象，而当焊缝中存在缺陷时，磁力线就会围绕缺陷产生不规则的畸变。 若在焊缝表面撤上细小的针状铁粉，则焊缝缺陷上部的铁粉就会聚集起来，根据铁粉的 分布情况，就可以确定缺陷的位置。通常人们是在焊缝的表面涂上一层磁粉，然后通电 将磁粉磁化，最后根据磁粉的情况来判断焊缝中缺陷的位置。 漏磁探伤是采用将钢管磁化成铁轨，然后采用检测器来检查漏磁状况。通常选用的 检测器有检查线圈、霍耳元件、磁敏二极管和磁带。人们可以根据不同的需要来加以区 分选择。 ( 4 ) 涡流检测法 涡流检测的工作原理是：将工件处于交变磁场下，由于电磁感应的结果会在工件中 产生涡流。涡流产生的磁场将削弱主磁场，形成叠加磁场。工件中存在的缺陷会使涡流 发生变化，也会使叠加磁场发生变化，人们根据磁场的变化来判断焊缝的缺陷。钢管涡 流探伤主要是用穿过式线圈来进行检测，也可用插入管内的线圈来检测。在采用穿过型 涡流探伤方法检查钢管时，所用的检查装置通常是由探伤器( 线圈) 、送管设备、磁饱和 装置以及退磁装置组成。 。 近年来，涡流检测在国内发展比较快，它适宜生产流水线，能自动地进行金属材料 表面缺陷的检测和分析，配合现代化分析方法，实现复杂的涡流信号的分析和缺陷分类， 减少了人为误差。在管材表面缺陷的自动化检测上，更有它的独特优越性，微小变化的 涡电流，经放大后用仪表指示出来，便可显现缺陷的位置与尺寸。 ( 5 ) 渗透检测法 渗透检测是以毛细现象为基础，是检测表面开口缺陷的无损检测方法。包括荧光和 着色两种方法。荧光检测的原理是将被检测制品浸入荧光液中，由于毛细管现象，在缺 陷内吸满了荧光液，除掉表面液体，由于光电效应荧光液在紫外线的照射下，发出可见 光而显现缺陷。着色检测的原理与荧光检测相似，它不需专门设备，只是用显像粉将吸 附在缺陷内的着色液吸出零件表面而显现缺陷。 在以上几种检测方法中，磁场、涡流、渗透等方法只适宜检测表面或近表面的缺陷， 其中渗透检测限于表面开口缺陷，磁粉检测限于铁磁性材料，它们对线性缺陷，如裂纹 等有较高的灵敏度。 综上所述，在检测工件内部缺陷上，超声波检测对内部缺陷的检测更迅速更灵敏， 但对缺陷的定量或定性分析尚存在定困难；而且也受工件的形状或晶粒尺寸等限制。 而射线检测由于直观、便于定量判定、具有较高的灵敏度、较高的分辨率和可靠性等优 点点成为目前广泛应用的检测方法，其最主要的应用是探测设备内部的缺陷。 1 1 2x 射线检测成像方法 在过去的一个世纪里，x 射线成像技术经历了胶片照相法、图像增强器成像技术、 计算机x 射线成像技术、平板探测器成像技术和计算机层析扫描技术的历史发展过程【3 】。 基于x 射线实时成像系统的焊缝缺陷评片软件设计 1 1 2 。lx 射线胶片照相 x 射线胶片照相检测法就是将强度均匀的射线照射被检测的物体，透过的射线在照 相胶片上感光，把胶片显影后就可得到与材料内部结构和缺陷相对应的黑度不同的射线 底片，通过对底片的观察来检查缺陷的种类、大小、分布等状况的方法。 由于x 射线胶片照相法检测具有影像直观、有档可查、检测灵敏度高、检测结果受 操作环境和人员经验、情绪影响较小等优点，一直被认为是一种最可靠的无损检测方法。 但是这种传统的方法也存在着以下不足之处： ( 1 ) 不能满足实时成像、实时检测与评估的要求； ( 2 ) 检测周期长、效率低，胶片、药液消耗量大，检测工艺复杂，检测成本高，环 境污染严重； ( 3 ) 影像宽容度较低，对于厚薄差别较大的工件，就无法用一个检测工艺完成，特 别是对于形状复杂的零部件，该方法就很难有效。 ( 4 ) 检测结果( 即胶片) 的保存、查阅不方便。 1 1 2 2x 射线实时成像系统 早期射线实时成像系统是x 射线荧光检测系统，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。2 0 世纪5 0 年代，人们引入电视系统，通过在监视器上观察图像。 荧光屏图像由于存在图像亮度低( 仅为0 3 x1 0 。c d m 2 左右) 、颗粒粗和对比度低等缺点， 所以其细节显示不清，灵敏度远低于胶片图像。7 0 年代以后，科技发展使得射线实时成 像检测质量得到了很大的改进，主要包括： l 、采用图像增强器代替简单的荧光屏，实现图像亮度和对比度增强。 2 、采用微焦点和小焦点射线源，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。 目前，射线实时成像检测灵敏度已基本上能满足工业检测要求，在中等厚度范围其 灵敏度已接近胶片照相的水平。工业中应用较广泛的采用图像增强器的工业射线实时成 像检测系统组成如图1 1 所示。 图1 1 图像增强器的工业射线实时成像检测系统 硕l ：学位论文 1 射线源2 工件与机器驱动系统3 图像增强器 4 摄像机5 图像处理器6 计算机7 显示器 图像增强器是系统最重要的部件，其基本结构如图1 2 所示。它由外壳、射线窗 口、输入屏、聚焦电极和输出屏组成。射线窗口由钛板制成，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。输入转换屏采用c s l 晶体制作，其发射的可见光处于蓝色和紫外谱范围，以于光电层的谱相匹配，输 入转换屏吸收入射射线，将其能量转换为可见光发射。在光电层中实现下述过程： 射线专可见光一电子一可见光。 图1 2 图像增强器基本结构 1 一射线窗口2 - 夕i 、壳3 输入转换屏4 光电层5 聚焦电板6 输出屏7 透镜 1 1 2 3x 射线实时成像检测系统的图像特性 x 射线数字成像( d i g i t a lr a d i o g r a p h y ，简称：“d r ) 检测系统组成原理框图如图1 3 所示。d r 实时成像系统主要分为图像增强器成像系统和平板型成像系统。 图1 3d r 系统组成原理框图 射线实时成像检验技术几乎与胶片射线照相技术同时发展。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。5 0 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。由于存在图像 亮度低、颗粒粗、对比度梯度低等缺点，荧光屏图像的细节和灵敏度都低于胶片图像， 观察这种图像需3 0 分钟的眼睛暗适应时间，这限制了该技术的实际应用【5 1 。这种系统主 要应用于轻合金铸件、薄焊缝和包裹等的检验。x 射线实时成像技术在此基础上逐步发 展起来。 5 基于x 射线实时成像系统的焊缝缺陷评j 1 软件设计 x 射线数字化实时成像无损检测原理可用两个“转换 来概述：x 射线穿透金属材 料后被图像采集器接收，图像采集器把不可见的x 射线检测信号转换为光学图像，称为 “光电转换”；图像采集器( 对于图像不具备数字采集功能的图像增强器而言，用高清 晰度电视摄像机摄取光学图像，输入计算机进行a d 转换) ，将采集到的数字信号转换为 数字图像，经计算机处理后，还原在显示器屏幕上，它可显示出材料内部的缺陷性质、 大小、位置等信息，按照有关标准对检测结果进行缺陷等级评定，从而达到无损检测的 目的。 ( 1 ) 图像增强器式实时成像系统 图像增强器实时成像法是2 0 世纪5 0 年代丌始使用的一种检测方法。其基本原理是： x 射线穿过被检测物体时，由于物体内部结构差异，对x 射线的吸收程度不同，穿过物 体的x 射线就携带有物体内部形状及缺陷的信息。将这种衰减后强度变化的x 射线照射 到图像增强器的荧光输入屏上激发出电子，经加速、聚焦后，在输出屏上显示出可见光 图像，从而完成由不可见的x 射线到可见光的转变【6 】。 将图像增强器输出屏上的图像，用可见光摄像机摄取，直接送到电视监视器上显示， 就是最初的工业电视系统。或者将视频信号传送到计算机，由图像采集卡进行a d 转 换，变成计算机能够处理的数字图像，再经过各种图像处理，将图像质量提高后再显示 出来，这就是传统的x 射线实时成像系统。 与x 射线胶片照相法相比，图像增强器的使用大大改善了x 射线检测的条件，使得 x 射线无损检测领域迈进了一大步。提高了非黑暗条件下的视觉分辨率，也改善了检测 的安全性，大大提高了检测效率。其优点是成像时间短，能实时( 2 5 帧秒) 观察透视图 像，适合于工件和结构件的动态检测。在静态条件下，可达n 1 6 左右的对比灵敏度和 2 l p m m 左右的空间分辨率，如采用高空间分辨率的摄像机可进一步提高空间分辨力。 检测成本很低，检测结果保存在光盘上，可长期保存。 但是这种方法的弱点有：与x 射线胶片照相法相比，图像增强器的使用大大改善了 x 射线检测的条件，使得x 射线无损检测领域迈进了一大步。提高了非黑暗条件下的视 觉分辨率，也改善了检测的安全性，大大提高了检测效率。其优点是成像时间短，能实 时( 2 5 帧秒) 观察透视图像，适合于工件和结构件的动态检测。在静态条件下，可达到 1 6 左右的对比灵敏度和2 l p n i l 1 左右的空间分辨率，如采用高空间分辨率的摄像机 可进一步提高空间分辨力。检测成本很低，检测结果保存在光盘上，可长期保存。 但是这种方法的弱点有： ( 1 ) 对x 射线机的要求很高，必须要使用恒压式、小焦点固定式x 射线机。而这种类 型的x 射线机往往体积都很大，重量达数百公斤，限制了它的使用范围，只能在固定的 生产车间使用，而无法像胶片照相法检测一样，随处可用( 即便携性) ，并且恒压式小焦 点x 射线机的价格十分昂贵。 6 硕l ：学位论文 ( 2 ) 检测灵敏度和图像分辨率低。没有经过处理的图像，其相对灵敏度只能达到4 左右，分辨率只能达到1 6 h p m m 。经过图像处理以后，相对灵敏度可达到2 0 3 0 左右，分辨率约2 o l p m m 。所以，与胶片照相相比，技术指标仍然存在较大的差距。 这主要是由于图像增强器这种射线接收和转换装置采用的射线闪烁体材料的光电特性 差、转换环节多、路径长引起的。 ( 3 ) 系统体积大，笨重，安装、调整不方便，无法实现便携功能。 ( 4 ) 图像增强器是真空器件，其造价也很高，容易老化，使用寿命只有2 - 3 年，从 而制约了其使用范围。 总之，使用图像增强器虽然可以提高检测效率，但由于性能较低、配套设备体积庞 大等问题，不能满足较高质量要求和实现野外便携的功能，应用范围受到了极大的限制。 ( 2 ) 平板式实时成像系统 从1 9 9 5 年r s n a 上推出第一台平板探测器( f l a tp a n e ld e t e c t o r ，f p d ) 设备以来，平板 探测技术取得飞跃性的发展。其关键在于射线成像探测器一薄膜晶体管( t h i nf i l m t r a n s i s t o ra r r a y ，t f t ) ，在平板探测器的研发和生产过程中，平板探测技术可分为直接( 射 线被非晶材料硒吸收转换为电荷) 和间接( 射线被非晶硅材料射线转换屏转换为可见光) 两类1 7 1 。 间接f p d 的结构主要是由闪烁体或荧光体层、具有光电二极管作用的非晶硅层 ( a m o r p h o u ss i l i c o n ，简称“a s i ) 和薄膜晶体管( t h i nf i l mt r a n s i s t o ra r r a y ，简称“t f t ”) 阵列构成。其原理为闪烁体或荧光体层经x 射线曝光后，将x 射线光子转换为可见光； 而后，可见光光子在光电二极管中转化为电荷；光电二极管矩阵中的每个单元均与一个 薄膜晶体管单独相连以读出光电二极管中沉积的电荷，x 光光子转化为模拟电信号，随 后被转化为数字电信号，通过光纤传输到外部的采集系统。 直接f p d 的结构主要是由非晶硒层( a m o r p h o u ss e l e m i u m ，简称“a s e ) 、薄膜半 导体阵y l j ( t h i nf i l mt r a n s i s t o ra r r a y ，简称“t f t ”) 构成的平板检测器。由于非晶硒是一 种光导电材料，因此经x 射线曝光后直接形成电子空穴对，产生电信号，通过t f t 检测 阵列，再经a d 转换获得数字化图像。从根本上避免了间接转换方式中可见光的散射 导致的图像分辨率下降的问题。非晶硒平板内部结构分为两层：非晶硒半导体材料涂层 以及薄膜晶体管( t f t ) 阵列。非晶硒涂层吸收入射的x 光光子，将其直接转换为电荷。在 外加电场的作用下，电荷( 即电子空穴对) 向像元电极不断漂移，积聚在像元电容上，最 终被薄膜晶体管读出。因为电子空穴对在漂移过程中严格沿电场线运动，从而避免了 信号的扩散，确保了宽度仅1 微米的极窄的点扩展函数。 两种成像板的差别在于采集的电荷数值不同。非晶硅板中被x 射线激发的荧光屏不 直接处理每个像素的电荷，而是通过发光二极管转换。而非晶硒板，无需荧光物，因为 硒层能够直接将光电子转换成电子。这两个装置的都能够存储电荷，每个像素被数字化， 因此以二维图像显示在显示器上。它们具有动态范围宽( 4 0 0 0 ：1 ) 、空间分辨率高、成像 7 基于x 射线实时成像系统的焊缝缺陷评片软件设计 速度快( 相对于胶片法，非晶硅探测器比非晶硒产生图像的速度快) 、射线承受能力强、 系统噪声小等优点。理论上讲，对于同等像素尺寸，非晶硒比非晶硅探测器精度高，因 为在x 射线光电子转化为信号时，不产生散射现象( 拖影) 。但是对x 射线机的要求较高， 所以必须使用小焦点才能获得较好的成像质量；但非晶硅平板会将某一像素点的信号扩 散到邻近的若干像素点，造成图像分辨率的降低。虽然在技术上和生产工艺上要求很高， 但却是获得高图像质量的理想方式，业内普遍认为直接转换方式是f p d 的最终发展方 向。 ( 3 ) 线阵实时成像系统 线阵列x 射线成像器是随着半导体电子技术飞跃而迅速发展起来的一种无损检测 新型器件，线阵扫描探测器( l i n e a rd i o d ea r r a y s ，简称“l d a ) 含有大量的电子元件和 成像点，主要由发光晶体、光电二极管阵列、前端数据采集系统等组成，x 射线闪烁体 材料( 常用晶体有基于磷屏的钇、g d w 0 4 和c s l ) 能够将x 射线转换为可见光，晶体安装在 众多的光电二极管表面并按一定规则排列成为光电二极管阵列( 大规模集成电路) 。 l d a 成像系统按照结合方式可分为两种，一种是l d a 成像系统直接与图像采集卡相 结合，l d a 成像系统采集的模拟图像送到采集卡进行a d 转换，再经计算机图像处理， 其工作原理基本与图像增强器相同，但l d a 成像系统的分辨率比起图像增强器成像系统 的分辨率有较大的提高。 另一种是l d a 成像是c m o s ，互补金属氧化物半导体( 晶体管) ) 传感器相结合，同步 完成射线光电转换一数字采集的全过程，这种成像系统称为l d a c m o s 射线数字直接成 像系统l d a c m o s 射线数字直接成像系统目前在各种成像系统中处于先进水平。射线数 字直接成像的转换方式大大减少了信号长距离传输和转换过程的信号干扰，且光电阵列 像素尺寸很小，因此空间分辨率得到很大的提高。 l d a c m o s 射线直接数字成像系统的造价比图像增强器成像系统要高出许多，基 于价格因素的考虑，对于普通产品的x 射线实时成像系统多采用图像增强器成像系统， 而对于要求较高的产品可采用l d a c m o s 射线直接数字成像系统。如采用l d a c m o s 射线直接数字成像系统，x 射线机不受小焦点的限制，x 射线机的造价相对较低。因为 是线扫描，像素是逐线扫描成像，几乎不存在几何不清晰度，因此，图像清晰度大大提 高。但是，由于逐渐扫描，成像检测速度较慢。线扫描d r 系统采用准直器系统降低了 散射因素的影响，提高了系统的动态范围和检测灵敏度，可达到较高的对比灵敏度和空 间分辨力。当成像检测时需与机械系统同步扫描。此外，由于射线直接照射，适用能量 较低。 1 1 1 4 计算机x 射线照相技术 计算机射线照相技术( c o m p u t e dr a d i o g r a p h y ，简称“c r ) 技术是基于某些荧光发 射物质具有保留潜在图像信息的能力，荧光物质在较高能带俘获的电子形成光激发射荧 光中心，在激光激发下，光激发荧光中心的电子将返回它们初始能级，并以发射可见光 硕j j 学位论文 的形式输出能量。c r 技术实现了常规x 射线摄影信息的数字化，其主要优点在于可充分 利用原有的传统x 射线设备，c r 成像板可弯曲、便携和直接代替胶片，使用方便，适用 于各种检查，特别是野外移动作业。缺点是在高千伏摄影时检出效率相对较低，对散射 线敏感度增强，而且图像转化成数字信号需要激光扫描，转换过程复杂且成本较高。 1 1 1 5 工业计算机断层扫描成像 工业计算机断层扫描成像( i n d u s t r i a lc o m p u t e rt o m o g r a p h y ，简称“i c t ”) 技术的原 理是：射线源辐射出的一束扇形x 射线束穿过工件后有一定程度的衰减，其衰减规率可 以通过线阵列探测器接收到并在计算机上得出造成衰减的各种因素。从而可以直接探测 出被测工件的材料密度、内部结构、组织和成份。i c t 系统中的投照装置可以从多角度 对工件的同一层材料进行扫描，再利用探测器将投射后的衰减规律发送的计算机上进行 算法处理，从而可以很高效的得到这层材料组织成分即缺陷的分布形态。经过各种算法 处理的工件扫描层实际密度分布状态信息的图像便是i c t 图像。 与常规射线检测技术相比，i c t 技术的有点有如下四点： ( 1 ) i c t 能给出检测工件的三维图像，特征信息不易受到影响，检测人员可以直接从 图像上获取目标的空间位置、形状及尺寸信息等有用参数；相比于常规射线照相的二维 多层叠加图像，i c t 系统获得的三维图像信息更客观，生动和直接。给特种设备检测检 验人员的工作带来了极大的方便。 ( 2 ) 优越的空间密度分辨率。高质量的i c t 图像密度分辨率可达0 3 远高于常规无损 检测技术所获得的图像的分辨率； ( 3 ) 优越的动态响应范围。采用高性能探测器的工业i c t ，探测器的动态响应范围远 高于胶片照相技术和图像增强器射线实时成像技术； ( 4 ) i c t 图像是数字化的图像便于存储和管理。 i c t 技术也有如下缺点： ( i ) i c t 装置造价高，检测成本贵，体积大不易用于野外作业。 ( 2 ) i c t 装置专用性强，对检测技术要求不同的工件，系统结构的配置相差大。 1 1 1 6 康普顿散射成像 除了i c t 技术外，康普顿散射成像技术也是一种层析检测技术。康普顿散射成像技 术的基本原理是利用康普顿散射光子和探测区域电子密度的所成的比例关系，采用准直 的笔形束对工件进行探测。康普顿散射成像技术对低密度材料的检测比射线照相成像技 术更优越，它能获取更高对比度的图像。尤其对表层形状复杂的工件进行检测有更好的 检测效果。康普顿散射成像技术的缺点是占入射光子的比例低，对低强度的康普顿光子 探测难度大，存在多次散射线的干扰。 9 基于x 射线实时成像系统的焊缝缺陷评i 软件设计 1 1 3 本课题的理论与实际意义 随着数字图像处理与模式识别技术的发展，x 射线数字成像检测技术已经将该技术 应用到金属材料的无损检测。利用数字成像系统获取焊缝的高分辨率灰度图像，并能利 用该图像信息对焊接质量进行的实时检测，自动识别焊接缺陷并进行相应的等级评定已 经成为焊缝无损检测领域研究的焦点。 目前，对x 射线检测结果的评定方法有两种：分别是人工评定和计算机辅助评定。 当人工评定检测结果时，评定人员的工作量大，眼睛易受强光损伤，效率较低，而且缺 陷分析受评定人员的技术素质、经验以及外界条件的影响，结果往往会因人异。采用计 算机对x 射线检测结果进行分析和识别，可以大大提高工作效率，有效地克服人工评定 中由于评判人员技术素质和经验差异以及外界条件的不同而引起的误判或漏判，使评判 过程客观化、科学化和规范化。尽管计算机辅助焊缝缺陷检测一直受到广泛关注，然而， 由于成像条件、检测对象以及算法的复杂性和局限性，在实际应用中，仍有诸多问题尚 待进一步研究。 因此，本实验采用v i s u a lc + + 面向对象与可视化程序设计，拟设计一套智能评片系 统软件。目前设计智能评片系统软件的重点主要在两方面：一方面是数字图像的处理。 图像的处理使得图像更加的清晰，有利于后续的评片。通常，数字图像的处理都是将原 始高分辨率灰度图变换转到频域进行相关处理，关键在于如何最大限度的去除无用信 息，提取特征参数。另一个方面就是图像分析，即如何利用特征参数进行有效、正确地 识别。评片系统是一个基于知识库的系统，将预处理检测出的特征参数加以分析对比、 结合已有的经验，形成规则，并采用合适的控制策略，按输入的原始数据进行推理和演 绎，做出决策和判断，从而尽可能的实现智能化评片，使得x 射线检测与评定缺陷完全 达到自动化生产水平。 1 2 国内外研究现状综述 近年来，各种新的无损检测技术不断出现，促进了x 射线检测技术的不断提高。微 型计算机在数据和图像处理、过程的自动化控制两个方面得到了广泛的应用，迫切需要 开发计算机辅助的自动系统进行缺陷检测与焊缝质量的评定。计算机辅助评片主要有两 部分：一是胶片数字化研究，即如何把胶片图像信息更加客观真实的传输到计算机当中， 从而使得不漏检焊缝中的缺陷，主要是改进硬件设施。二是系统识别研究，主要是在目 前的x 射线实时成像系统的基础上，将得到的数字图像通过评片软件进行一些列处理， 展现数字图像上缺陷的外观尺寸信息，然后设计分类器进行缺陷的类型和等级判断，这 主要是改进软件设计。 l o 硕i j 学位论文 1 2 1 国内研究现状 1 9 9 6 年，合肥工业大学的汪孔桥在其硕士学位论文x 射线焊缝缺陷自动识别与分 级研究中通过对焊缝底片图象质量进行了全面分析和阐述，提出将计算机辅助图象处 理技术应用于焊缝射线照相检测，即研制了一套焊缝底片图像的缺陷自动识别系统。该系 统还结合了g b 3 3 2 3 8 7 标准，对所检测出的缺陷做了等级评定，这为特种设备检测报告 提供了方便【6 】。 1 9 9 8 年，甘肃工业大学的王青在其硕士学位论文x 射线焊缝图象处理技术的研究 中详细论述了基于x 射线实时成象系统的焊缝图象的处理与缺陷识别技术，深入分析了 x 射线焊缝图象的灰度分布特点，从预处理，缺陷分割和特征提取三方面研究了焊缝数字 图象处理技术，提出了适于焊缝图象处理的一整套算法【7 l 。预处理阶段，将减影处理用于图 象分割，实验表明该算法能有效地消除了图象背景，突出了缺陷目标篇邑最大限度将缺陷分 割出来。在焊缝缺陷特征参数的提取上，提出了关于缺陷形状、位置和黑度的诸多缺陷参 数，为依据有关检测标准，进行缺陷类型的自动分级、综合评级打下了基础。 2 0 0 0 年，清华大学任大海等将模糊理论运用于图像的增强上，提出可利用一类广义 模糊函数将灰度图像进行模糊增强变换，而用闭值划分算法进行缺陷的有效提取和分 割，而模糊增强对比度较低的缺陷容易丢失，以致无法提取焊缝内对比度较低的缺陷。 2 0 0 3 年，大连理工大学的王恩亮在x 射线无损探伤中缺陷的自动检测与识别中 深入分析和研究了各种缺陷检测方法，设计并应用了一种基于探伤图像中缺陷附近空间 特性( 空间对比度与空间方差) 的模糊缺陷检测算法算法有着易懂、快速、简单、灵活和 稳定的优点【引。 2 0 0 5 年，湖南大学的王珂娜在基