（食品科学与工程专业论文）食品异物x射线无损伤检测系统研究.pdf

摘要 本研究成功地开发套x 射线食品异物检测硬件系统和软件系统，硬件系统由x 射线光源、线 阵探测器、防护装置以及传送装置组成；软件系统实现了图像处理基本功能和异物自动识别功能。 本研究内容主要包括以下几部分： 1 分析了x 射线成像的过程，研究了线阵探测器成像的优化方法和图像的校正方法。 2 采用线阵探测器成像，建立了能够准确预测在不同管电压、管电流和积分时问条件参数下x 射线图像空白背景像素数值数学模型。模型拟合度达n o 9 9 6 5 ，可以去除图像背景，从而减 少数据处理量和提高检测速度。 3 研究了x 射线图像中对食品异物的自动判断方法，利用自适应中值滤波和数学形态学进行模 拟没有异物的图像，然后进行图像减影操作，进行阈值分割。在对食品中混入密度差异较大 的金属类异物和其他硬质类异物检测时，方法异物自动判断准确率能达至f j 9 9 。系统的精度 为：准确判断出直径在0 8m m 以上的金属、玻璃等硬质异物。 4 本研究开发了一套食品异物自动判断以及图像处理分析软件，系统功能实现了图像处理与分 析的基本功能和异物自动判断功能。 5 ，射线防护系统安全性较高，进出口最大射线泄漏剂量2 0us v h ，完全符合国家要求标准。 关键词：x 射线数字成像图像处理异物无损伤检测自动判断 a b s t r a c t as e to f x r a yi n s p e c t i o ns y s t e mc o n s i s t i n go f x - m yt u b e ，l i n e a rd i o d ea r r a y ，c o n v e y o r ，a n d c o m p u t e rf o rf o o ds a f e t yi n s u r a n c ew a sc o n s t r u c t e d a l s o ，s o f t w a r ef o rx - r a yi n s p e c t i o ns y s t e mw a s d e v e l o p e d f u n c t i o no f s o f t w a r es y s t e mi n c l u d e db a s i ci m a g ep r o e a s s i n gt o o la n da u t o m a t i cr e c o g n i t i o n f o rf o r e i g nb o d i e si nx - r a yi m a g ef o rf 0 0 d t h i sr e s e a r c hw a sm a i n l yc o m p o s e do f t h ef o l l o w i n gs e c t i o n ： 1 t h er a d i o g r a p h yc o u r s eo fl i n e 。s c a nd e t c c t o rw a sa n a l y z e d t h e nf a c t o ro fi m a g i n gs u c ha s r e d u c i n gn o i s e ，c h o o s i n gs u i t a b l ev o l t a g ea n dc u r r e n tf o ri m a g i n gw a ss t u d i e dt oi m p r o v ei m a g e q u a l i t y 2 ar e g r e s s i o nm o d e lw a sd e v e l o p e dt oe s t i m a t eb l a n ki m a g ei n t e n s i t ya th i g h e rv o a a g e sa n d c u r r e n t s a d j u s t e d 甜v a l u ew a sh i g h e rt h e n0 9 9f o rn o n l i n e a rf i tr e g r e s s i o n 3 m a t h e m a t i cm o r p h o l o g yw a sa p p l i e dt oa n a l y z ea n dp r o c e s si m a g ep i x e l so ff o o dw i t hf o r e i g n b o d i e s am e t h o do fa d a p t i v eg r a y s c a l em o r p h o l o g yf i l t e r i n gw a ss t u d i e dt oa p p l yt oo n - l i n ef o r e i g n b o d i e si n s p e c t i o n t h em e t h o do f a d a p t i v em o r p h o l o g yf i l t e r i n gw a st r i e da p p l y i n gt of o o dx - r a yi m a g e s s e v e r a lf o r e i 鲫b o d i e s ，i n c l u d i n gm e t a l ，b o n e ，w o o d ，a n dg l a s s ，w e l eu s e da si n c l u s i o n si no n - l i n e s a u s a g ei n s p e c t i o n t h ea u t o m a t i cr e c o g n i t i o no ff o r e i g nb o d i e sm e t h o d o l o g yw a sd e v e l o p e db yi m a g e s e g m e n t a t i o na n dt a r g e to b j e c te x t r a c t i o n t h er e s u l to ft h em e t h o dw a ss a t i s f a c t o r yf o ro n - l i n e i n s p e c t i o n ，a n do n - l i n ei n s p e c t i o ns p e e dw i l lb ei m p r o v e ds i g n i f i c a n t l yb yt h em e t h o d o l o g y t h e m e t h o d o l o g yc a l la l s ob ea p p l i e dt of o r e i g nb o d i e sd e t e c t i o nf o ro t h e rf o o d s t h ex - r a yf o r e i g nb o d i e s s y s t e mf o rf o o dc a nd e t e c tf o r e i g nb o d i e sw i t hh i g hd e n s i l ys u c h 鼬m e t a l ，g l a s si ne v e nf o o d 4 。t h ex - r a yf o r e i g nb o d i e sd e t e c t i o ns y s t e mf o rf o o dc a r la u t o m a t i c a l l yi d e n t i f i e df o r e i g nb o d i e s u s i n ga d a p t i v ef i l t e r i n gm e t h o d s k e yw o r d s ：x - r a yd i g i t a li m a g i n g ，i m a g ep r o c e s s i n g ，f o r e i g nb o d i e s ，f o r e i g nm a t e r i a l s ，n o n - d e s t r u c t i v e d e t e c t i o n ，a u t o m a t i cr e c o g n i t i o n i l 独创性声明 f 7 7 4 3 7 e ； 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生签名 时间：厶以年6 月，够日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名 导师签名： 时间：f 年毛月f 乒日 时间：p 6 年 1 0 2m e 矿 ( 式2 2 ) 罩鼍薯_ _ 量置曼皇皇曼皇! 曼曼曼曼詈鼍量蔓皇! 曼皇曼詈曼曼曼曼量舅舅_ 皂! 曼舅曼曼釜妄；蚤釜鲨；= = = = ：二：盏；盆 x 射线与物质相互作用过程导致射线能量转化和射线散射的综合结果如图2 5 所示。 除此之外，x 射线穿透物质时还有热效应，产生热能。我们将光电效应，俄歇效应和热效应所消 耗的那部分入射x 射线能量称为物质对x 射线的真吸收。可见，由于弹性相干散射和吸收过程的 存在( 主要是真吸收) ，与物质作用后入射x 射线的能量强度将被衰减。 图2 4 电子对效应示意图图 f i g2 4d i a g r a mo f e l e c t r o n i c se f f e c t 2 3x 射线穿透物质的衰减规律 图2 5x 射线与物质相互作用 f i g , 2 5i n f r a c t i o ne f f e c to f x m yw i t ho b j e c t 当射线穿透物质时，由于射线和构成物质的原子发生相互作用而产生吸收和散射的衰减称为 物质引起的衰减。 2 3 1 线衰减系数 线衰减系数：定义为射线穿透单位厚度的一定材料时，射线强度的相对衰减量的百分比，即 为在穿透单位体积物质后射线光子能量由于吸收、散射而被衰减的平均比。 = 一t d i i 1 ( 式2 3 ) 一t i 式2 - 3 散射穿透物质时，射线强度的衰减是由于引起吸收、散射的四种效应共同作用的结果。对应 的线衰减系数也由四部分组成。 2 3 2 质量衰减系数 质量衰减系数：若用物质的密度p 表示，便可以得到物质的质量衰减系数。质量衰减系 数的物理意义为射线在穿透单位质量时，由于吸收和散射而引起射线光子能量衰减的平均百分 比。不受物质密度和物理状态的影响。 鳓咩冶( 式2 4 ) 试验表明质量吸收系数。与波长x 和原子序数z 存在如下关系： 脚= p k 寥2( 式2 5 ) 这表明，当吸收物质一定时，x 射线的波长越长越容易被吸收，吸收体的原子序数越高，x 1 4 射线越容易被吸收。 2 3 3 单能射线的衰减规律 单能射线是指由相同能量光子组成的射线或仅仅具有单一波长的射线。 实验发现，射线穿透材料时，其能量的衰减与材料种 类、厚度、以及入射射线能量有关。对于一定能量的射线， 在均匀介质中，射线强度的衰减量与入射射线的强度和穿 透物质的厚度成正比。 在研究中，科学家利用射线准直器获得的单能射线来 穿透物质，从而研究了射线的衰减规律。研究发现，对应 的单能x 射线的能量衰减符合一般指数规律，即 1 = l # 5 。 ( 式2 6 ) 其中，为透射射线的能量，厶为单能入射射线的强 度，。为相应质量吸收系数，p 为物质密度，f 为穿透物 质方向上物质的厚度。 经过数学变换我们可得到：i( 式2 7 ) 1 n i 一m 单能射线的衰减曲线如图2 6 所示。 2 3 4 多能射线的衰减规律 捌 氍 智 窑 * 霸 曩收排度 图2 6 单能射线衰减曲线 f 塘，2 , 6 a t t e n u a t i o no f s i n g l ex - r a y 在实际工业射线检测中，产生的x 射线不可能仅仅是具有相同能量的单能射线。射线检验中 获得的是连续谱x 射线。多能射线由不同能量的光子组成，当穿透材料时，由于衰减系数u 随着 光子能量的增大而减小，它穿透材料时的衰减变得更加复杂。光子能量较小的射线衰减更为显著， 能量较大的射线衰减相对较小。 对于连续谱或多能谱的x 射线，在穿透材料时不同能量的光子具有不同的衰减系数。为了计 算和处理方便引入了平均衰减系数卢的概念。对一定能谱的射线和一定厚度范围内的穿透材料， 引入常数。则多能谱x 射线的衰减规律为： i = i o e ”一 ( 式2 + 8 ) 式2 8 中r 为透射射线的强度，而为单能入射射线的初始强度，。为相应平均质量吸收 系数，p 为物质密度。t 为穿透方向上物质的厚度。 在射线检测中，我们以射线穿透物质时的多能射线衰减规律为理论基础。 2 4 利用x 射线进行检测的原理、方法以及设备装置【3 s 】i 4 3 射线在穿透被检物料后，由于物料中存在异物或者食品中存在缺陷会； 起穿透射线强度上的 差异，通过检测穿透后的射线能量，我们可以通过检测到达探测器的射线能量大小构成辐射图像。 辐射图像并不能直接观察，需要采用不同的方法转换成图像才能进行检测和评价。能够用于工业 检测的方法主要有射线照相法、射线实时成像法和医学c t 成像等。 2 4 1 射线检测方法 ( 1 ) 射线照相法 射线照相法应用对射线敏感的感光材料一射线胶片来记录 透过被检物后辐射图像中射线强度分布的差异。射线照相方法能 够得到材料内部状况的二维图像。射线照相成本较高，数据保存 需要格外小心、射线底片容易报废、实时性，因此，无法应用于 食品工业的异物检测。 ( 2 ) 射线数字化实时成像1 4 4 】0 5 射线数字化实时成像方法是：把透射被检食品后的不同强度 x 射线转换为可见光再转换成电信号或者直接转换为电信号后进 行图像处理后最终显示到监视器。随着计算机技术的日益发展和 普及，一种新必的无损检测技术一x 射线数字化实时成像应运 一n i i u r 土。 图2 7 数字化成像示意图 x 射线数字化实时成像技术是x 射线透过被检物后被图像增 f i g 2 7d i a g r a mo f d i g i t a l 强器或者线阵探测器所接收，再转换成可视图像；就信息量而言， i m a g i n g 可视图像是模拟量，它不能为计算机所识别，如要输入计算机进 行处理，需将模拟量转换为数字量，具体方法是用高清晰度电视摄像机摄取可视图像，输入计算 机，进行a d 转换，转换为数字图像，经计算机处理后，还原在显示器屏幕上显示出材料内部 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，从而达到检测的 目的。数字图像的质量可以与x 射线照相底片相媲美，因此可以代替胶片照相检测方法。x 射线 数字化实时成像技术无论在检测效率、经济效益、表现力、远程传送、方便实用等方面都比照相 底片更胜一筹，因而具有良好的发展前景。 图2 7 为对内部含有异物并且厚度分布不同的某种材料进行数字化成像的示意图。从二维图 像中的灰度变化可以反映物体内部密度结构和异物存在的位置。 1 6 中国农业大学硕士学位论文 第三章硬件系统结构及组成 第三章硬件系统结构及组成 x 射线检测装置由x 射线发生装置、x 射线探测器单元和图像处理单元、图像处理软件、传 送机械装置和射线防护装置等几大主要部分组成。针对食品异物检测实时性和快速性的要求，结 合国内外用于食品异物检测成像硬件系统的设计经验，开发了一套x 射线食品异物检测装置。 3 1x 射线检测装置 x 射线数成像系统中的处理流程和检测示意图分别如图3 1 和3 2 所示。 图3 1x 射线椽测流程图 f i g3 1d i a g r a mo f d e t e c t i o n 圉3 2x 射线检测示意围 f i g 3 2d i a g r a mo f x - r a yi n s p e c t i o n 1 7 中国农业大学硕士学位论文 第三章硬件系统结构及组成 3 2x 射线发生装置 x 射线发生装置是用来产生和控制检测食品所需要能量的仪器部分，它包括高压发生器、x 射线管、x 射线发生控制器几部分组成。 x 射线管是x 射线机的核心，其基本结构由高真空度的二极管，阴极、阳极和保持高度真空 的玻璃外壳构成，如图3 3 所示。 德国、日本等家生产的x 射线管都有良好的性能。如德国的y x l o n 公司、日本的理光公司 都生产电压、电流范围较广的x 射线管产品。 x 射线管的阴极通常都是热阴极，灯丝由钨丝绕制丽成。当通过电流加热时，钨丝就放出热 电子，热电子在高压电场作用下，高速飞向阳极靶轰击产生x 射线。阴极的作用是发射电子和聚 焦电子。 阳极是产生x 射线的主体，阳极一般由阳极靶、阳极体和阳极罩三部分组成。在食品异物和 内部缺陷检测中，主要是采用阳极靶( 钨) 材料来产生较软的x 射线。 高压发生装置产生阳极与阴极间的加速电压和灯丝电压，它由高压变压器、灯丝变压器和高 压整流电路组成。高压变压器可以供给 x 射线管两极可调节的高压，使灯丝发 射的电子获锝足够能量而高速运动，撞 击阳极靶面。灯丝变压器则是一种降压 变压器，灯丝加热变压器提供x 射线管 的灯丝热能。改变灯丝温度可以调节产 生电子的数量。撞击到钨靶上的电子数 量越大，产生的x 射线光子数量越大。 控制系统电路完成对管电压、管电 流的控制功能。管电压是指射线球管两 极问的高压电数值。高压电数值越高所 产生的x 射线穿透能力越强；反之若高 薪于膨 ，i 用疆靶( 鹤) 用攮体一) l i 瞄冲 j t x i 拽束 图3 3x 射线管结构 f i g 3 3s t r u c t u r eo f x - r a ys o u r c c 压电数值越低，所产生的x 射线穿透能力越弱。管电流是通过射线球管两极问的电流。管电流与 产生的x 射线量成正比。曝光时间是指探测器接收x 射线的时间。 本系统x 射线发生源采用北京机电院技术股份有限公司高电压技术研究所自主开发的高压 圈3 4x 射线发生器和控制器 f i g 3 4x - r a ys o u r c ea n dc o n t r o l l e r 射线发生源，其产品产生射线强度均匀，能够满足研究需要，图3 4 为装置购置的北京机电院生 产的x 射线源以及控制器。 1 8 北京机电院引进德国生产技术，其产品出射射线剂量均匀，性能良好，能够满足食品工业异 物检测的要求。本套食品异物检测设备购买北京机电院b l 型x 射线发生器，射线发生器参数如 表3 1 所示： 表3 1x 射线光源参数表 t a b l e31p a r a m e t e ro f x - r a ys o b i e e 技术指标性能参数 输入 高压产生 x 管端电压 x 管电流 x 射线出射角 工作方式 外形尺寸 2 2 0 v5 0 h z 3 0 h z 倍压整流 5 0 8 0 k v 0 3 l m a 6 0 0 连续 2 i 1 3 1 3 m m 3 3x 射线探测器【4 7 1 x 射线接收转换装置的作用是将不可见的x 射线转换为可见光，它可以是图像增强器或成像 面板或者线性扫描器等射线敏感器件。 x 射线接收转换装置子系统又称为图像成像系统。按目前成像的技术水平可分为两种。一种 是以图像增强器为主的传统成像器系统。图像增强器为一种真空管。射线输入屏由较薄的铝或钛 材料制成，屏的基层涂有钠( n a ) 一碘化铯( c s l ) 作为输入闪烁体( c s hn a ) ，它能够将不可 见的x 射线图像转换为可见光图像，再经过光电阴极板的作用将可见光图像转换为相应的电子 束，电子束在高电压作用下加速并聚焦于荧光输出屏( z n c d s ：a g 闪烁体材料) ，从而形成可视 的检测图像。在输出屏后端配有聚焦光学镜头和c c d ( c h a r g e - c o u p l e dd e v i c e 电荷耦合器件) 摄 像机，将可视图像的模拟信号采集输入图像采集卡进行a d 转换，再输入计算机进行图像处理。 另一种是基于线阵扫描探测器l d a ( l i n e a r d i o d e a r r a y s ) 的成像系统，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、o d w 0 4 和c s i ) 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) 。按扫描方式，探 测器可以分成线扫描( 线阵列) 和面扫描( 面阵列) 。面阵探测器价格昂贵，目前多采用线阵探 测器。l d a 成像系统按照结合方式又分为两种，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 本与图像增强器的工作原理相同，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 成像系统与金属氧化物半导体( 晶体管) - - c m o d ( c o m p l e m e m a r y m e t a i - o x i d e - s e m i c o n d u c t o r ( t r a n s i s t o r ) ，) 、传感器相结合，直接完成射线光电转换、数字采集的 全过程，这种成像系统称为l d a 4 ：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。l d a c m o s 射线数字直接成像系统的转换方式大 大减少了信号长距离传输和转换过程韵信号干扰，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1 倍以上，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， 1 9 x 射线机可不受小焦点的限制，x 射线机的造价相对较低。线扫描方式成像，像素是逐行扫描 成像，图像清晰度大大提高；但是，由于逐线扫描，成像检测速度较慢。现在国外有一种面阵列 成像板，既可大大提高图像的清晰又能提高检测速度，但价格昂贵。 图3 5 是典型的x 射线线阵探测 器的结构示意图。探测器接收穿透被 检物的x 射线，通过荧光屏将接收到 的x 射线转换成可见光，探测器单元 中的感光二极管受到可见光的照射， 产生电压信号，该信号经过集成电路 ( a s i c ) 的处理变成数字信号传送至 计算机。 国外厂商如芬兰d t 公司、德国 苎。翼l o _ 竺! 呈竺! 豢兰：至型竺 图。线阵探测器结构 能较好、分辨率较高的线阵探测器产 f j 23 5s t n l c 抛二。；l i n ：d e t e c t o r 品。 。 基于探测器价格和检测精度的考虑，本实验装置设备采用芬兰d t 公司生产的x s c a n 3 0 7 型号线阵探测器。 3 3 1x 射线探测器模块参数 d t 公司的x ，s c a n 线阵探测器包括如下部分： 图3 6 标准x - s c a n 的组成 f i g 3 6 c o m p o n e n t o f s t a n d a r d x s c s nd c = t c c t o r ( 1 ) 探测器包括内部电子线路、铅保护和准直器及不锈钢外壳。 ( 2 ) 电源电源( 交流2 4 0v 或1 1 5v ，由所要求的操作电压来定) 安置在着色钢盒内 盒上有到其他组件( 如下述) 的电缆接i = 1 。 中国农业大学硕士学位论文 第三章硬件系统结构及组成 ( 3 ) 电源电缆连接探测器和电源，将直流工作电压送到探测器。 ( 4 ) 数据电缆1 6 位，连接探测器和图像采集卡( 插在系统p c 中) 。 ( 5 ) 控制电缆r s - 2 3 2 串t 3 电缆，连接探测器和系统p c ，p c 由此控制探测器工作参数的 设定、初始化和校准。 表3 2 探测器工作参数表 1 、a b l e3 2p a r a m e t e ro f d e t e c t o r x 射线管电压范围( k v )3 0 1 6 0k v 晶体材料g o s 转换屏 象素中心间距08m m 象素宽度 0 8 m m 象素数目3 8 4 感光区总长 3 0 7m m ( 1 2 1 ”) 传送速度范围 o 1m s 2 0m s 探测器到采集卡的数字接口 r s 4 2 2 p c 到探测器的控制口 r s - 2 3 2 a d 转换分辨率 1 4b i t s 敏感单元校准功能线阵探测器单元像素补偿 工作电压 a c 2 4 0 v 1 1 5 v ，5 0 h z ，6 0 h z 功耗不超过5 0 v a 工作温度 o 4 0 0 c 储存温度 一1 0 5 0 。c 储存和工作的相对湿度 3 0 8 0 ( n o nc o n d e n s i n g ) 3 4 图像采集卡和计算机 线阵探测器通过数据电缆信号线以及d 9r s 2 3 2 端口与图像采集卡连接。图像采集卡使用 主控计算机的主板p c i 插槽，通过p c i 总线与主控计算机通讯。图像采集卡向探测器发送信号采 集命令。 本系统配置c o r e c op c d i g 图像采集卡，图像采集模块调用图像采集卡厂商提供的驱动程序 和动态链接库。 3 5 传送装置以及支撑装置 本实验装置根据实际需要，采用普通异步电动机、变频器以及二级带传动。传送装置部分包 括传送皮带、变频三相异步电机、变频器三部分构成。系统采用逐行扫描方式成像，电机用于带 动皮带运动。变频器通过调节频率改变皮带传送速度。上述传送机构带有缓冲和吸振作用，使带 传动平稳，噪声小；不用润滑，维护成本低；过载时打滑，可保护传动系统中的其他零件；同时 可以有较大的中心距。 传送结构示意图如图3 7 所示： 2 i 3 5 1 传送皮带 传送皮带采用食品级包装塑料作为物料接触面，为了保证在射线源和探测器之间没有被检物 时，透射到达探测器的射线能量均匀，传送皮带的厚度必须均匀，这样，逐行采集的空白图像像 素值分布均匀。 3 5 2 电机 ( 1 ) 所需传递的功率的计算 传动力分析简图如图3 8 根据通用变频器的功率计算公式 式3 1 中 p ：丛型。1 0 3 ( 七形) 叩 g 一一待检食品重力( n ) ： u 一一食品的移动速度( m s ) 口一一摩擦系数： 口一一机械效率。 晟大食品取：3 k g ： 运动最大速度取：2 m s ； ( 式3 1 ) 查相关资料，食品与传送带之间的摩擦系数取：1 0 ： 采用二级带传动( 级为v 带传动，二级为平带传动) 效率查 表1 2 8 i 3 】 仉= 0 9 5玎 = o 9 5 轴承传递效率为叩z = o ，9 6 电动机效率为魂动机= o 8 5 变频器的效率印变频器= o 9 7 键的传递效率r 键= o 9 0 图39 传送带电动机 所以实际所要传递的功率为： f i g 3 9e l e c t r o m o t o ro f b e l t p = 芦g v 1 0 3 x 2 0 ( 叩电动机叩盏叩变频器叩p 7 7 平，7 ；) ( o 8 5 x 0 9 0 x 0 9 7 0 9 5 x 0 9 5 x 0 9 驴)：6 0 ：0 t 3 4 k 矽o 4 6 为了节约利用资源，在满足本实验平台前提下，电机利用闲置设备，使用北京市电机总厂生 产的v p i o o l i 一4 型号变频三相异步电机，电机参数如下表： 表3 3 电机工作参数表 1 a b l c3 3p a r a m e t e ro f e l e c t r o m o t o r 工作电压( k v ) 功率( k w ) 最大电流( a ) 最大转速( r r a i n ) 输入频率 3 8 0 2 2 5 0 1 4 2 5 5 0 h z 3 ，5 3 变频器 目前的通用变频器虽然种类繁多，功能上却基本类似，市场上展多的还是第二代高功能型u f 控制通用变频器。这类变频器的性能足以满足大多数生产机械调速控制的需要。 使用通用变频器的目的效益很多，通用变频器在工业生产领域和民用生活领域都得到了广泛 的使用。通用变频器和异步电动机结合起来，实现 对生产机械的调速传动控制，很多文献中都简单地 称其为变速器传动。变速器传动具有它固有的优势， 应用到不同的生产机械或设备上，可以体现出不同 的功能，达到不同的目的，收到相应的效益。 系统选用变频器主要考虑速度调节的方便性， 采用三菱f r - a 0 4 4 ，2 2 变频器，f r - a 0 4 4 - 2 2 k 产品 采用以微处理器核心的数字控制技术，在使用过程 中都能达到很好的响应能力，具有频率设定检测、 负荷选择、电流输入等，共计1 多个参数选择， 以及对变频器过载、c p u 故障、电机再生电匪过大 等多种故障进行监控。当设备发生故障时，该变频 器可及时停止运行，并通过参数单元显示故障代码， 提高查找故障的效率。 田3 1 0 变频器 f i g 3 1 0 i r a n s d u c e r 3 5 4 支架及射线光源支撑系统 x 射线光源与检测器分别放于支架的正上方和正下方，射线垂直从上照射到达线阵探测器。支撑 结构示意图以及x 射线源安装高度计算分别如图3 1 l 和3 1 2 所示。 圈3 1 z 射线源高度示意囝 f i g 3 1 2d i a g r a mo f x r a yi n s t a l l a i i o n 3 6 射线防护装置及其设计 3 6 1 防护设备以及防护屏蔽材料厚度理论计算 本实验平台所购置x 射线发生装置工作电压范围为3 0 8 0 k v ，工作电流范围为：0 3 i m a 。 高压射线发生装置已经对射线球管做好初步射线防护措施，经过生产厂商防护出射的射线已经大 大减弱。 为了防止电离辐射对放射工作者过量照射，需要选用不同的防护器材和设施进行屏蔽防护。 屏蔽厚度的选取应根据屏蔽设计的最优化原则及屏蔽效果与使用价值相结合的原则来确定。 射线防护装置部分经过理论计算，必须完全符合国家颁布射线防护最新颁布标准h 6 】： g b l 8 8 7 1 - 2 0 0 2 电离辐射防护与辐射源安全基本标准( 2 0 0 3 - 0 4 0 1 实施) 要求。 整个系统防护的射线可能泄漏的六个面，除进出口部分，均采用3 m m 复台铅板作为内衬防 护材料，支架部分采用2 m m 钢板防护整个射线出射方向。按照理论计算和防护工程实践经验， 在整个防护装置外面射线的剂量远远低于规定标准，经过检测完全可以达到防护要求。 理论计算过程和步骤如下： 防护系统实际包括内衬铅板的防护作用和支架钢板的防护作用，其中只靠内衬铅板的防护已 经完全可以保证射线泄漏安全，因此理论计算只提供铅板部分的防护效果数据。实际工作中，我 们用钢板作为支架同时考虑到了钢板对x 射线的防护作用，钢板进一步增强了整个系统的防护能 力，进一步保证了系统的安全性能，但本理论计算过程暂不考虑钢板对射线的减弱效果。 对于不经过任何初步防护的高压射线发生器，初始发射射线强度计算如下。 3 6 1 1 计算初始x 射线强度 根据高压电源产生x 射线初始强度计算公式： o = d 厦矿 ( 式3 2 ) 式中 二初始x 射线强度； f - 管电流大小，单位为m a ； z - 靶物质的原子序数： 弘管电压大小，单位为k v ； d 一比例系数，( 1 卜一1 4 ) l 矿。 根据射线装置的参数，按照最保守数据n 比例系数取晟大1 4 1 0 4 ；i 管电流取最大为l m a ： 弘管电压取最大为8 0 k v ；z 钨的原子序数为7 4 ；计算代入式3 2 ， 得到初始x 射线强度： 而= 1 4 x1 0 。6 1x s 0 2 x 7 4 = 0 6 6 3 0 4c k g ； 3 6 1 2 铝屏蔽半值厚度 查表得到，在管电压8 0 k v ，管电流l m a 条件下，用铅作为防护屏蔽材料的半值厚度； 西2 = 0 2 5 m m ； 因此，采用3 0 m m 厚度的铅板( 相当于1 2 个半值层厚度) 屏蔽后，射线强度衰减值原来的 1 4 0 9 6 穿透铅板之后的射线强度最大为初始强度的1 4 0 9 6 ； 经过铅板屏蔽之后的射线强度： ，= o 6 6 3 0 4 4 0 9 6 = 1 6 2x l 扩c k g 。 3 6 1 3 人体吸收当量剂量计算： 根据g b l 8 8 7 1 2 0 0 2 电离辐射防护与辐射源安全基本标准提供公式： d k = f x ( 式3 3 ) 式3 3 中，d k 为人体的吸收剂量，单位：g y ； x 为人体所在处的射线照射量； f 为换算因子，对于人体查表取9 5 1 0 。g y k g c ； 计算得知： d i n - - 9 5 x 1 0 3 1 6 2 x 1 0 4 g y = 1 5 4 x 1 0 4 g y 3 6 1 4 计算剂量当量； 剂量当量定义为： = d k q n( 式3 4 ) 其中d k 为人体吸收剂量； o 为吸收能量微观分布对辐射生物效应的影响，在本系统中射线照射种类为外照射因此根据 外照射的国际标准q 取1 ；一一 n 为修正因子，指吸收剂量空间、时间等分布不均匀性对辐射生物效应的影响，在本系统中 取1 ：因此 日= 1 5 4 1 0 石1 1s v h = 1 5 4 1 0 - 3m s v h 根据北京市疾病控制防疫中心文件以及国家关于射线防护标准要求，剂量当量不超过2m s v 年；按照检测设备年工作2 5 0 天每天工作8 小时来计算，可以得出经过防护之后的射线年剂量 为1 5 4m s v 年，符合国家标准要求；根据本系统防护系统的防护屏蔽铅材料特性( 实际作为支 架使用的钢板也能对射线进行进一步防护，理论计算暂不考虑计算钢板的防护的对剂量减少的影 响) ，计算得到采取3m m 铅板作为防护屏蔽材料的措施之后，检测实验平台的周围的射线剂量完 全符合要求，并远远低于要求标准。 对于实验平台物料检测送料进出口。采用内衬大于1 5 m m 厚度铅的橡胶帘进行防护。防护能 完全达到对物料进出口处的泄漏剂量要求。 防护设备安装之后，经过北京市疾病控制中心射线防护所进行检测，对设备四周进行测量， 在最大工作电压8 0k v ，1 0 m a 条件下，射线装置侧面辐射强度为0 1 4p s v h ，进出口处射线辐射 强度为2 o p s v ，1 1 ，防护装置达到国家规定要求。 3 7 系统整体结构实物图 经过防护之后的整套x 射线装置，被检物在传送带带动下，以一定的速度通过探测器，进行 逐行扫描成像，采集像素数据经过异物识别判断得出结果。整个系统实物图如图3 9 和图3 1 0 ： 囝3 1 3 防护装置支架 f i g 3 1 3n o go f p r o t e c t i o n 2 6 3 8 系统整体参数 图3 1 4 防护装i 整体 f i g 3 1 4s t u e t u r eo f p r o t e c t i o ns y s t c r n 整个系统组装经过大量实验调试，能够成功应用于食品异物检测，采集图像效果良好，分辨 率较高。图像信躁比满足食品异物检测要求。整个硬件系统参数及检测精度见表3 4 ： 表3 4x 射线异物检测系统参数裘 t a b l e3 4p a r a m e t e r so f x - r a ys y s t e m 工作参数( 单位) 数值 射线源电压( k v ) 射线源电流( m a ) 传送带速度( m r a i n ) 检出异物类型 最大检测宽度 最大检测高度 射线防护安全性 供电电压 环境温度要求 5 0 8 0 k v 0 3 l m a 1 0 - 6 0m m i n 直径0 8 m m 以上金属类、骨头、玻璃 2 0 c m 1 0 c m x 射线最大泄漏剂量2 0 p s v h 2 2 0 k v 交流电 0 3 5 2 7 第四章线阵探测器成像及其校正 4 1 线阵探测器的成像过程 线阵探测器内的闪烁晶体屏首先将x 射线转换为可见光，再经过光电转换，在每个像元产生 电荷进行累积。除图像读出的瞬间过程，每个像元都在不停地积累光电荷。在图像读出过程中， 电荷逐行从每个像元的电容传z ：l ：l ；来自每个像元电荷被放大、数字化，然后写到一个先进先出 ( f i f o ) 队列中去；处于f i f o 队列的数据通过一个数据连接器以r s 4 2 2 的格式传送到计算机处 理系统中1 4 9 。 闪烁屏 光电转换数字化数据传送 4 1 1 射线照射方式 围4 1 线阵探测器的数字成像过程 f i g 4 1c o u r s eo l d i b i t a li m a g i n go f l i n e a rd e t e c t o r 射线照射方式分为连续照射( c o n t i n u o u si l l u m i n a t i o n ) 方式和闪烁照射( f l a s hi l l u m i n a t i o n ) 方式。连续照射的方式是射线源连续地发出射线，线阵探测器和射线源各自独立工作，没有同步 关系。闪烁照射方式射线源只在进行读出操作时发出射线，探测器在读出操作时停止时，射线源 也停止发射射线。射线闪烁照射方式要求图像采集卡、探测器和射线源同步工作。 本文系统线阵探测器采用连续照射方式进行成像，探测器采集图像时间间隔由软件设定，探 测器内部控制。 4 1 _ 2 线阵探测器采集数据工作方式 在传送带运动之下，被检测物体被逐行扫描，因此得到被检物内部的透射二维图像。线阵探 测器通过定时读取操作启动数字图像采集过程。x s c a n - t o 8 - 3 0 7 线阵探测器读触发模式分为两 种：外部硬件触发( e x t e r n a lt r i g g e r ) 、软件触发( i n t e r n a lt r i g g e r ) 。外部硬件触发读取信号需要 由外部电路来提供，x s c a n - f o 8 - 3 0 7 线阵探测器通过这种方式采集图像，需要配置相应的光触发 开关电缆：软件触发读信号由探测器自己产生。两种触发都将启动一次探测器读出操作。主控计 算机采集图像时，通过图像采集卡向探测器发出行读取请求。两种触发方式对于图像采集并没有 本质区别。 软件触发过程的时序图如图4 2 ： 图4 2 采集数据时序图 f i g 4 2s e q u e n c eo f d a t ac o l l e c t i o n 本系统采用软件触发模式来控制数字图像数据的采集。在图像采集过程之前，需要首先设置 传送带速度，并且将传送带速度调节以匹配软件中设嚣的积分时间。 ( 式4 1 ) ，0 0 0 0 8 j2 一 跆 上式中如为线阵探铡器电荷信号采集积分时间，埯为传送带运动速度。 线阵探测器在一个而周期中从探测器单元中读出一行图像数据到缓冲区中。 4 1 3 图像对比度定义以及意义 射线到达到达线阵探测器激发并累积一定的电荷，累积电荷的多少可以通过电子电路计算电 流衡量。因此到达探测器的能量越大，图像的像素值越大。二维数字图像像素值数据是通过采集 射线穿透物体之后的射线能量大小获得，因此二维图像某点的像素数值反映了射线在穿透被检测 物体该点的衰减能力太小。通过计算衰减能力大小可以得到图像对比度的物理意义。 要使物体成像特征可以被检测，特征的线性衰减系数，与背景材料的线性衰减系数玩应该 有足够大的差异。图像对比度通常被定义为： 对比度 l ，一。i c = l 二二l 1 0 0 心 ( 式4 2 ) 这个表达式可以较好的表示在给定背景下，不同物质线性衰减系数存在差异，因此，图像中 像素数值的大小体现了物质对衰减能力。 4 1 4 图像数据采集流程和采集方法 本研究系统的二维图像数据按照以下流程采集，探测器采集图像数据时，射线源始终保持开 启，通过软件触发方式控制探测器逐行采集来自探测器的模拟信号。图像采集卡将模拟信号转换 为可以量化的数字信号，根据数字信号构造成二维的数字图像。 线阵探测器供电电源开启 上 开启射线照射开关 上 软件触发发送采集命令 上 l 图像采集卡向探测器发出采集指令 上 探测器采集图像传送到缓冲区 图4 3 数据采集流程图 f i g 4 3d i a g r a mo f i m a g i n g 4 2 线阵探测器成像的噪声来源及其抑制 噪声是由于探测器本身集成电路、传输线路以及射线散射等多方面原因造成图像像素数值大 小的差