（物理电子学专业论文）基于x光强力输送带无损检测系统图像处理软件的设计.pdf

摘要 目前强力输送带已广泛应用于矿山、港1 3 和码头等领域，是国内外现代化生 产中主要传送设备之一。由于其荷载量增加、被障碍物划伤及老化等原因而产生 钢芯锈蚀、断裂或接头伸长等故障，一旦发生故障将会造成重大安全事故、巨大 的经济损失和人员伤亡，严重影响安全生产 本文分析了x 光检测的原理，提出了基于x 光的强力输送带无损检测系统的 总体设计方案，搭建了系统硬件平台；研究了x 光图像处理的算法，采用模块化 程序设计方法，利用c g n e t 在w i n d o w sx p 平台上设计开发了系统的应用软件， 实现了对x 光强力输送带图像处理和故障报警的功能。该软件具有操作简便，界 面友好，图像显示清晰，故障检测准确等优点。 关键词：强力输送带；x 光；图像处理；无损检测 c u r r e n t l yt h ec o n v e y e rb e l tw i t hs t e e lw i r er o p e si sa l r e a d ye x t e n s i v e l ya p p l i e d i nr e a l m ss u c h 鹅m i n e p o r ta n dw h a r fc t e , a n di ti so n eo ft h em a i nt r a n s m i t t i n g e q u i p m e n t si nt h ed o m e s t i ca n di n t e m a t i o n a lm o d e mp r o d u c t i o n b e c a u s eo ft h e i n c r e a s i n g1 0 a d ，r o w i n gb yt h es t u m b l i n gb l o c kt oh a r ma n da g i n ge t c ，i t se a s yt o b r i n gt r o u b l e ss u c ha st h es t e e lr o p e si nt h eb e l tc o n v e y e rr e s t e d , b r o k e no rt h ej o i n t e l o n g a t e de t c o n c et h et r o u b l e so c c u r , t h e yw i l lr e s u l ti ni m p o r t a n ts a f ea c c i d e 她t h e h u g ee c o n o m i cl o s sa n dc a s u a l t i e s t h e yw i l ls e r i o u s l yi n f l u e n ts a f e t yp r o d u c t i o n t h et h e s i sa n a l y s e st h ep r i n c i p l eo ft h ex - m yd e t e c t i o n , a n dp u t sf o r w a r da o v e r a l ld e s i g np r o j e c to ft h ec o n v e y e rb e l tw i t ht h es t e e lr o p e sn o - d e s t r u c t i v e d e t e c t i o ns y s t e mb a s e do nt h ep r i n c i p l eo fx r a yd e t e c t i o na n db u i l ds y s t e mh a r d w a r e t e r r a c e , w es t u d yt h ec a l c u l a t i n gw a yo ft h exl i g h ti m a g ep r o c e s s i n gd e v e l o pt h e a p p l i e ds o f t w a r eo ft h es y s t e mu s i n gc # n e to nt h ep l a t f o r mo fw i n d o w sx f a d o p t i n gt h em o d u l a r i z a t i o np r o g r a md e s i g nm e t h o d ，a n di nt h i sw a y w er e a l i z et h e f u n c t i o no fx u g h ti m a g ep r o c e s s i n go f t h ec o n v e y e rb e l tw i t ht h es t e e lr o p e sa n d t r o u b l ea l a r m i n g t h i ss o f t w a r eh a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha ss i m p l eo p e r a t i o n , f r i e n d l yi n t e r f a c e , c l e a ri m a g em a n i f e s t a t i o na n da c c u r a t eb r e a k i n gd e t e c t i o ne t c k e yw o r d s ：c o n v e y e rb e l tw i t hs t e e lw i r er o p e s ；x - r a y ；i m a g ep r o c e s s i n g ； n o - d e s t r u c t i v ed e t e c t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得云洼王些盍堂或其他教育机构的学位或 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。 学位论文作者签名：葑会茹签字日期：d 7 年二月z 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解云望王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权云姿王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：喜f 会蒸2 导师签名； 签字日期：。7 年j 月日 签字日期：o 年2 月日 学位论文的主要创新点 本文分析了x 光检测的原理，提出了基于x 光的强力输送带无 损检测系统的总体设计方案。 研究了x 光图像处理的方法，提出了接头伸长判定的算法，采 用模块化程序设计方法，利用c # n e t 在w i n d o w sx p 平台上设计 开发了系统的应用软件，实现了对x 光强力输送带图像处理和故 障报警的功能。 第一章概述 第一章概述 1 。1 强力输送带无损检测技术的发展现状 现在的煤矿，特别是大型煤矿，年生产能力都在几百万吨，甚至更多。而矿 井的提升一般都采用强力输送带斜井提升，因此，强力输送带能否安全、高效地 运行直接影响到煤矿的生产效益和安全效益。在运行过程中，强力输送带接头是 否有钢丝绳因受力过大而抽动，或钢丝绳受外力的冲击而被砸断，或者因胶皮破 损而钢丝绳受水的侵蚀造成断绳或锈蚀，这些问题的出现会给安全生产带来极大 的不利，甚至造成重大的伤亡事故“3 。 按产品规定，强力输送带使用寿命为8 一1 5 年，每条皮带长以2 0 0 0 m 计，需 经费2 0 0 多万元，强力输送带断裂一次直接经济损失数十万元，造成停产后的间 接经济损失将达到数酉万元，由于检测手段不精确，用户为了运行安全，一般到 第8 个年头就进行更换，如果能延长使用一年，就可节约2 2 万多元。 为了保证强力输送带安全正常地运行，需要一种实时在线检测强力输送带内 钢丝绳芯在运行过程中变化情况的方法，以保证整条输送带的运行始终保持在可 靠而安全的状态下，避免事故发生。同时延长强力输送带使用寿命节约大量的采 矿成本。 首次对强力输送带实现非破坏检测是澳大利亚学者a 哈里森，他根据电磁 感应原理研制出c 肌强力输送带钢绳芯探伤装置。1 9 8 2 - 1 9 8 7 年这种方法被广泛 用于德国、南非、加拿大、美国等地的采矿工业嘲。该装置研制成功的理论基础 是磁检测技术。磁检测技术主要分为两类：磁粉探伤m p i ( m a g n e t i cp a r t i c l e i n s p e c t i o n ) 和漏磁通探测( m a g n e t i cf l u x l e a k a g e ) o t b 装置主要涉及漏磁检 测。漏磁检测是测量磁场的磁感应强度，根据某些元件对磁的特殊反应。把这个 反应转变成电信号，通过检测这个电信号确定被检测漏磁通的磁感应强度的大 小，从而实现磁的测量。这项技术的起源可以追溯到上个世纪。技术的系统发展 基于h i k e 在1 9 1 8 年偶然发现钢铁中的缺陷附近磁通会发生扰动。1 9 3 2 年， d e f o r e s t 深入研究了磁粉探伤技术。1 9 3 3 年s t u 舢采用磁力计，首次测量缺陷 漏磁通获得成功。1 9 6 5 年2 a t s p i n 和s c h e r b i n i n 提出无限长矩形裂纹的磁偶极 子模型，成为漏磁检测基础理论之一。1 9 8 2 年f o r s t e r 详细报告了利用漏磁通 检测矩形裂纹的试验数据、数学物理模型以及技术手段。自那以后，大量的学者 开始对漏磁通检测技术加以重视，在理论模型、数值计算、试验数据分析以及测 试装嚣方面做了大量的工作，深入分析了材料特性、磁场强度、检测元件对漏磁 检测的影响。在广泛研究的基础之上，发明了许多检测装置。图卜1 为c m b 检测 第一章概述 器的示意图。该检测器由上下两个传感器和固定架组成。通过上下传感器对中间 皮带内的钢丝绳检测，将检测信号进行处理、显示就可以知道钢丝绳的受损情况。 f 传感器 图1 - 1 c b m 检测器 该技术的应用使对有危险的和高张力的强力输送带的检测成为可能。我国一 些单位也利用相似的原理研制出强力输送带钢绳夹芯探伤装置。这类装黄的检测 结果为一些曲线，只能大致测出强力输送带断裂的位置和程度，其精确位置和详 细状况还要辅助设备( 如x 光探伤仪) 来判断，因而探伤周期较长，而且当带内 有纵向撕裂保护丝网时，更不宜探测。 另外，还有研究人员提出利用微波或超声波检测强力输送带。微波是电磁 波的一种，其频率在3 0 0 m h z 一3 0 0 g h z 之间，相应的波长为( 1 m - l m ) 。与无线电 波相比，微波具有频率高、频带宽、信息容量大、波长短、能穿透电离层、方 向性好等特点，因此微波的应用范围很广，涉及雷达、通信、遥感、微波加热、 医疗、科研等领域。和无线电波一样，微波也是靠天线传播和接收，并进入微 波电路中去的，不同之处在于可以使用微型天线实现微波宽频带的指向性，这 点特别有利于无损检测。在我国，微波用于材料的无损检测，始于2 0 世纪8 0 年代，利用微波检测技术检测非金属制品、火箭壳体、民用板管材等内部缺陷 和金属夹杂、金属表面裂纹等。微波由于其似光性、透射性、指向性，对物质 的电导率及介电常数非常敏感等特点，越来越多的引起人们的关注。 微波无损检测原理是综合研究微波与物质的相互作用，一方面微波在不连 续晃面处会产生反射、散射、透射，另一方面微波还能与被检测材料产生相互 作用( 称穿透性) ，此时的微波场会受到材料中的电磁参数和几何参数的影响。 通过测量复合介电常数值的大小和微波幅度、频率、相位的变化，来判断被测 物内部结构分布然后利用反演算法进行还原重构，就可对被测物体的结构进 行成像从而实现对物体的检测。但微波波长较长，由于物体的尺寸与波长可以 比拟，波的传播不再遵循简单的直线传播定律，而呈现出明显的绕射、散射特 性，这是在研究微波成像算法时所面临的重要难题。在测量的过程中，由于测 量只能在有限的范围内进行，这样会造成所得到的散射数据不完整。在测量的 过程中又不可避免的受到随机噪声的影响，会使澳0 量数据偏离真实散射场的分 布，这是在研究微波成像重建算法中一大难点。 2 第一章概 述 同样，在无损检测技术上，超声波成像也是一种较流行的检测方法，但是， 超声波很难穿透诸如复合材料、塑料等材料，而且检测时需要耦合剂，在皮带 检测领域研究还有很多问题有待解决。 1 9 9 3 年北京矿业大学首先将该技术应用于强力输送带无损检测领域，开拓 了皮带检测的新方向。十多年后，基于当时软硬件技术开发的这套装置改进甚 微，已经不能满足现代矿业自动化的要求。 本文基于x 光检测原理，采用芬兰d t 公司生产的高科技产品x - s c a n 探测器 为图像采集装置；北京机电股份有限公司生产t 一1 4 0 x 光发生器为光源；利用先 进的数字图像处理技术和高级软件开发平台开发图像处理软件；研制出了强力输 送带检测系统。该系统是一起点高，技术含量高的综合系统，实现了实时成像、 在线检测、问题报警、检测报告输出等功能。 1 2 课题研究的目的及意义 本课题根据国内实际情况要求，借鉴国内外先进的无损检测方法，基于x 光 检测原理，研制出强力输送带无损检测系统，搭建了硬件系统平台；设计了图像 处理软件，解决了目前强力输送带无损检测精度低、技术落后等难题。 该系统实现了在线实时检测、问题报警、检测报告输出等功能。其显示图像 清晰、操作简单方便，利用多领域高新技术解决了矿业生产中强力输送带安全检 溯的难题。 1 3 课题研究的内容 本文分析了x 光检测的基本原理；在分析研究国内外先进的无损检测方法的 基础上，提出了强力输送带无损检测的总体设计方案并搭建了硬件系统平台；详 细研究了数字图像处理的算法，采用c # n e t 高级程序设计语言和模块化程序设 计的方法在w i n d o w sx p 平台上实现了软件的设计 归纳起来，本文主要的研究工作如下： 1 分析研究国内外先进的无损检测的方法，提出总体设计方案，搭建硬件 平台； 2 研究硬件结构和用户需求以及操作习惯，制定软件开发的总体设计方案； 3 对图像增强、平滑滤波、边缘锐化、图像分割、图像的几何变化等方法 进行研究，找到适合本课题的图像处理算法； 4 采用模块化程序设计的方法，实现图像处理软件。 第二章x 光检测原理及方法 第二章x 光检测原理 2 1x 光的产生及基本性质 1 8 9 5 年1 1 月8 日德国维尔茨堡大学物理研究所所长伦琴( w c r o n t g o n ) 发现了x 光。它的发现开创了人类探索微观物质世界的新纪元。1 0 0 多年来x 光 的许多性质相继被科学家们发现，使x 光得以在不同领域中得到应用。如在医学 中( x 光诊断) 、在工业中( x 光探伤) 、在材料科学中( x 光分析) 、天文学 ( x 光望远镜) 、生物学( x 光显微镜) 等0 1 。 2 1 1x 光的产生 当具有一定能量的电子和原子碰撞时，可把原子的外层电子撞击到高能态 ( 称为激发) 甚至击出原子( 称为电离) 。当电子从高能态回到低能态，或被电 离的原子( 离子) 与电子复合时，就会发光。这是一般气体放电光源( 如生活中 常用的日光灯实验室常用的汞灯钠灯等) 的发光原理。如果电子等能量很高( 高 达几万电子伏：1 0 “焦耳) 时，它就可能把原子的内层电子撞击到高能态，甚至 击出原子。这时，原子的外层电子就会向内层跃迁，其所发出的光子能量较大， 即波长较短，通常称为x 光。x 光的波长范围在0 0 0 1 纳米到1 0 纳米之间。x 光 也是电磁波。它可穿过不透明的物质。 喷嘴 法兰 靶) 图2 - 1x 光管示意图 x 光产生的专用装置是x 光管，如图2 一l 所示，x 光管是被抽成真空的。真 空管主要由发射电子的灯丝作阴极和发射x 光的金属靶作阳极构成。在x 光管的 阴阳极之问加上高电压加速电子束轰击金属靶。针对金属靶的x 光发射方向有一 窗口。高速电子接近金属靶原子核时，原子核的库仑场要使它偏转并急剧减速， 同时产生电磁辐射，这种辐射称为“轫致辐射”，它的能量分布是连续的，在 光谱图上表现为很宽的x 光谱带，称为“连续谱”( 如图2 - 2 中的宽带曲线所示) 。 4 第二章x 光检测原理及方法 如果电子的能量再增加，它就可能把原子的内层电子撞击到高能态，甚至击出原 子。这时，原子的外层电子就会向内层跃迁，这时所发射的为x 特征谱，也称“标 识谱”例如，钼原子内主要有两对能级分别为1 7 4 k e y 和1 9 6 k e y ，电子从高 能级跃迁到低能级时，分别发出波长为7 1 1 1 0 2 n m 和6 3 1 1 0 4 n m 的两种x 光。 这两种x 光在光谱图上表现为两个尖峰( 如图2 2 中两尖峰曲线所示) ，在理想 情况下则为两条线，故称为“线光谱”，这种线光谱反映了该物质( 钼) 的特性。 也就是说，x 光谱线有两种，一种是特征谱，另一种是连续谱。除了x 光管能产 生x 光外，同步回旋加速器中产生的x 光强度高，单色相好，频率可选择。同时， 用x 光或y 射线激发( x i x ) 的二次x 光也经常被应用“1 。 k “ k k 。 ，吣j ，。i k - - 00 20 40 60 81 0 撕n1 0 - 1 0 m 图2 - 2x 光管的能谱图 2 1 2x 光的性质 从本质上来说，x 光与可见光、无线电波和y 射线一样，都是电磁辐射，它 们在空气中的传播速度都等于光速，所不同的是波长和频率而己，x 光的波长较 紫外光短，但比y 射线长，即能量比紫外线大，比y 射线的小，如表2 - 1 所示。 电磁波在空间传播时满足如下关系式： c 一吼( 2 一1 ) 其中 为电磁波的波长、v 为电磁波的频率、c 为电磁波在空气中的传播速度， 5 第二章x 光检测原理及方法 为常数3 x 1o bm s 表2 - 1 电磁波在物理上的划分类型 电磁波的种类 频率皿k在真空中的波长 无线电波 红外线 可见光 紫外线 x 射线 y 射线 1 0 4 旬l o ” 1 0 1 匀9 1 0 “ 3 9 x1 0 “7 s x1 0 ” 7 5 x 1 0 “- 3 加“ 3 x 1 0 5 4 1 酽 3 x 1 0 _ 毪- 3 1 矿8 l o o l o * 7 7 x1 0 4 1 0 r 4 4 x1 0 7 l o 6 x 1 0 r 9 4 1 矿 1 矿1 2 1 0 8 l f f t 4 - 1 f f l o 根据x 光的波长，我们通常分为软x 光和硬x 光。x 光中波长较短的部分能 量大，穿透物体的能力强；x 光中波长较长的部分能量小，穿透物体的能力差。 x 光的划分只是相对的，并没有严格和科学的方法。有学者将x 光按照产生的管 电压划分软x 光( 1 0 5 0 k v ) 、硬x 光( 1 0 3 k v ) ，也有学者将x 光进行如 表2 2 划分。 表2 - 2 软、硬x 光的划分 x 光对物质进行无损检测，需要根据具体材料和情况来选择x 光的能量。比 如，被检测材料密度大、厚度大时，一般应选择较硬的射线。同时为了同时透照 厚度较大的被检物，也往往相对地选择较硬的射线。透照轻金属或非金属等密度 较小的材料，应选用较软的射线“1 。 x 光被发现后的近1 0 0 多年里许多科学家相继发现了x 光其他性质： ( 1 ) 沿直线传播；( 2 ) 不可见性；( 3 ) 具有光的波动特性；( 4 ) 具有穿透能力； ( 5 ) 具有光化作用；( 6 ) 具有荧光作用；( 7 ) 具有电离性质：( 8 ) 具有生物 效应；( 9 ) 具有波粒二象性；( 1 0 ) 满足平方反比定律 6 第二章x 光检测原理及方法 2 2x 光与物质的相互作用 射线穿透物质时，由于与物质发生相互作用而导致强度减弱。在与物质相互 作用过程中引起强度减弱的原因可以分为两类，即吸收与散射。吸收是一种能量 的转换过程，射线能量被物质吸收后转交为其他形式的能量。散射过程则仅使射 线的传播方向发生改变，射线的能量和本质不发生变化。由于吸收和散射。当射 线穿透物质后在原来的传播方向上测量强度减弱了。在x 光的能量范围内，引起 吸收衰减的主要是光电效应与电子对效应，引起散射衰减的主要是康普顿散射和 瑞利散射。 2 2 1x 光与物质的散射作用 x 光被物质散射时，可以产生两种散射现象，即弹性相干散射和非相干散射。 物质对x 光散射的实质是物质中的电子与x 光子的相互作用。当入射光子碰 撞电子后，若电子能牢固地保持在原来位置上( 原子对电子的束缚力很强) ，则 光子将产生钢性碰撞，其作用之后产生辐射的电磁波，即散射射线，这种散射射 线的波长和频率与入射波完全相同，新的散射射线之间将可以发生相干散射。相 干散射包括瑞利散射、核的弹性散射和德布罗克散射，在相干散射中，核的弹性 散射和德布罗克散射发生的几率非常小，几乎可以忽略不计。对于低能范围内的 入射光子，瑞利散射的作用表现显著。因此，我们通常意义上的弹性相干散射主 要指瑞利散射。瑞利散射是入射光子和原子中束缚较牢固的电子发生的弹性散射 过程。在此过程中，一个束缚电子吸收入射光子能量跃迁到高能级随即又放出一 个能量等于入射光子的散射光子。瑞利散射相对于入射线来说是一种频率、波长 不变但传播方向改变了的次级电磁波。 当物质中的电子与原子之间的束缚力较小( 如原子的外层电子) 时，电子可 能被x 光子撞离原子成为反冲电子。因反冲电子将带走一部分能量，使得光子能 量减少，从而使随后的散射波波长发生改变。这样一来，入射波与散射波将不再 具有相干能力，成为非相干散射 x 光的这种散射效应是美国科学家康普顿和我国科学家吴有训同时发现的， 故又称做康普顿一吴有训效应。康普顿效应通常入射光子能量在0 1 i o m e v 范围 内。图2 - 3 为x 光非相干散射示意图。 2 2 2x 光与物质的吸收作用 除了被散射和穿透之后的射线之外，x 光将被物质吸收，吸收的实质是发生 能量转换。其中能量转换主要包括光电效应、俄歇效应和电子对效应。 ( 1 ) 光电效应当入射x 光子的能量足够大时，可以将原子内层电子击出 使其成为光电子。被撞击了内层电子的受激原子将产生如前所述的外层电子向内 7 第二章x 光检测原理及方法 层跃迁的过程，同时辐射出一定波长的特征x 光。入射光子的能量被吸收后就消 失了。释放的自由电子成为光电子。失去电子的原子即被电离，这种作用过程叫 做光电效应，如图2 4 所示。 ( 2 ) 俄歇效应光电效应发生时，如果原子k 层电子被击出，l 层电子向k 层跃迁，其能量差不是以产生k 系x 光光量子的形式释放，而是被邻近电子所吸 收，使这个电子受激发而逸出原子成为自由电子俄歇电子，这种现象叫做俄 歇效应。 ( 3 ) 电子对效应当高能射线入射到材料中，这些能量较高的射线光量子 有可能穿透原子核附近。进入原子核附近的库仑场时，光子可以全部被吸收，同 时发射出一对正负电子，这种过程成为电子对效应。如图2 - 5 所示。电子对效应 产生的条件是： h o 1 0 2 m e v ( 2 - 2 ) x 光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 - 6 所示。 除此之外，x 光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 光能量称为物质对x 光的真吸收。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 光的 能量强度将被衰减。 图争3x 光非相干散射示意图图2 4 光电效应示意图 弹性相干教射( 1 ) 图2 - 5 电子对效应示意图图2 - 6x 光与物质相互作用 8 第二章x 光检测原理及方法 2 3x 光检测原理 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。 塑三( 2 - 3 ) p 。了。磊 2 3 2 质量衰减系数 质量衰减系数心：若用p 表示物质的密度，则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 引起的射线光子能量衰减的平均百分比。 一# p ( 2 4 ) 试验表明，质量吸收系数p 。与波长且和原子序数z 存在如下关系： 儿一p k z 3 矿 ( 2 5 ) 这表明，当吸收物质一定时，x 光的波长越长越容易被吸收，吸收体的原子 序数越高，x 光越容易被吸收。 2 3 3 单能x 光的检测原理 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 光的能量衰减符合一般指数规律，即 i 一如f ( 2 6 ) 其中，为透射射线的能量。而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，t 为穿透方向上物质的厚度。 经过数学变换我们可得到： r i n _ - ( 2 7 ) l o q 第二章x 光检测原理及方法 单能射线的衰减曲线如图2 - 7 所示。 图2 7 单能射线衰减曲线 2 3 4 多能x 光的检测原理 在实际工业射线检测中，产生的x 光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 光。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l i 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 光，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两的概念。对一定能谱的射线和 一定厚度范围内的穿透材料，引入常数瓦，则多能谱x 光的衰减规律为： i-lo。(2-8) 式( 2 - 8 ) 中，为透射射线的强度，i o 为单能入射射线的初始强度，；- 卅为相应 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”1 。 2 4x 光无损检测技术的发展 1 9 9 2 年美国水城兵工厂设计并建造了第一个工业用射线成像检测实验室。 经过数十年的发展，射线成像技术已经广泛的应用于医疗诊断、航空、航天、军 工、核能、石油、电子、机械、考古等诸多领域，在国民经济发展过程中发挥着 越来越重要的作用0 1 。早期主要是利用x 光胶片成像技术，该技术利用胶片将投 射被检测物体从而携带了物体内部信息的x 光记录下来，通过显影、定影等暗室 处理后进行检测和评估，从而达到检测目的。所需设备主要包括：x 光源、胶片、 显影与定影试剂和烘干设备。胶片的显影、定影等后处理程序和我们日常生活中 的拍照一样，只是这里实现曝光的是x 光，反映的是物体内部的信息。 随着工业生产机械化、自动化水平的进一步提高，人们越来越迫切地需要一 种成像质量高、消耗资源少、能够在线实时检测产品的成像技术，数字实时成像 技术应运而生。数字实时成像技术因为检测速度快、探测效率高、价格成本低、 坩 第二章x 光检测原理及方法 分辨率高、能适应现代工业生产快速在线检测的要求等诸多优点得到越来越广泛 的应用。数字实时成像系统的检测原理可用两个“转换”来概述：( 1 ) 不可见x 光转化为可见光；( 2 ) 将可见光信号转化为电信号。2 0 世纪5 0 年代出现了以图 像增强器和高精度c c d 摄像机为射线接收转换装置的x 光实时成像系统。随着计 算机和光电子技术的发展相继出现了以非晶硅( a - s i ) 或非晶硒( a - s e ) 为射线 转换装置的平板式( f p d ) 数字实时成像系统和以线阵探测器( l d a ) 为射线转换 装置的数字实时成像系统。 ( 1 )以图像增强器和高精度c c d 摄像机为射线接收转换装置的成像系统 如图2 - 8 所示，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 i ) 作为输入闪烁体( c s i ：n a ) ，它能 够将不可见的x 光图像转换为可见光图像，在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 gf i j 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 l ) ( 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 0 转换，再输入计算机进行图像处理州。 目前，德国y x l o n 、g e 检测科技及丹东奥东射线等厂家均能提供较为成熟的产 品。可供选用的图像增强器按输入屏直径有2 2 5 m m ( 9 。) 、m 1 5 0 r a m ( 6 ) 、 0 1 0 0 ( 4 ) 等。常用的c c i ) 摄像机有镜片1 2 、分辨率为7 5 2 x 5 8 2 线和镜片为 1 3 。、分辨率为1 0 0 0 7 5 2 线的c c d 射线机，更高级别的c c d 摄像机也逐渐上市。 ( 2 )以非晶硅( 8 - s i ) 或非晶硒( a - s e ) 为射线接收转换装置的平板式( f p d ) 数字实时成像系统 图2 - 8 图像增强器 图2 9 非晶硅平板 图2 - 9 为非晶硅平板探测器实物图，平板式( f p o ) 采用x 光图像数字读出 技术，真正实现x 光n o t 检测自动化。通过面板将提取到的x 光转化为数字图像， 无需进行处理可以以几秒钟一幅图像的速度进行数据采集，也可以以每秒3 0 幅图像的速度进行实况采集。对于非晶硒的平板技术，x 光撞击硒层，硒层直接 将x 光转化成电荷，然后将电荷转化为每个像素的数字值。这种叫做直接图像的 方法。而对于非晶硅平板技术，x 光首先撞击其板上的闪烁层，该闪烁层以所撞 击的射线能量成正比的关系发出光电子，这些光电子被下面的硅光电二极管阵列 采集到，并且将它们转化成电荷，再将这些电荷转换为每个像素的数字值。由于 l l 第二章x 光检测原理及方法 转换x 光为光线的中闻媒体是闪烁层，因此被称为间接图像方法。闪烁层一般由 铯碘化物或轧氧硫化物组成，铯碘化物是较理想的材料。非晶硒平板提高了空间 分辨率，非晶硅平板的幅频更快，可达到每秒3 0 幅图像“”目前，a g f a 公司、 g e 检测科技、h o l o g i ni n c 公司等提供了较为成熟的产品，国内生产的产品目前 较为罕见。 ( 3 ) 以线阵探测器( l d a ) 为射线接收转换装置的数字实时成像系统 线阵探测器( l d a ) 含有大量的电子元件和成像点，主要由闪烁体材料、光 电二极管阵列，前端数据采集系统等组成。x 光闪烁体材料( 常用的有基于磷屏 的钇、g d w 0 4 和c s l ) 能够将x 光转换为可见光，闪烁体安装在许多光电二极管 表面并按一定规则排列成为光电二极管阵列。通过被检物体与探测器的相对运 动，逐行扫描被检物体并由计算机重建图像n 1 1 。目前，英国e t l 、芬兰d t 、德国 n t b 等公司能提供满足要求的线阵探测器，国内产品较为罕见。 三种成像方式的比较如表2 3 所示。 表2 - 3 三种成像方式比较表 项目 方案一 古塞一 方案三 非晶硅平板探测器 探测器类型图像增强器+ c c d阵探测器( l d a ) 非晶硒平板探测器 微焦点( 0 1 m ) x 光机焦点无要求无要求 小焦点( l m m ) x 光机造价贵 低低 8 0 r a m 1 8 0 0 m m 宽 成像面积由6 5 m - 1 4 5 m m 3 0 0 r a m x 4 0 0 m m 长度不限 6 像素m ，7 像素m ，1 2 像素m ， 图像分辨率 2 5 0l p m m 3 - 6 l p m m6 l p m m 动态范围 8 - 1 0 b i t1 2 1 6 b i t1 2 b i t 1 6 b i t 图像获取速度2 5 5 0 帧秒0 1 加3 帧秒8 0 0 线秒 7 m i n ，一般适用 检测速度1 7 m i n6 0 m i n 静止状态检测 检测效率中低高 运动方式间歇性静止连续性 适用流水线能否能 信噪比 3 3 d b 1 0 0 d b l o o d b 灵敏度一般高高 探测器造价适中昂贵较贵 能( 但检测效率会 自动化检测否能 降低) 各项均衡，性能一精度高，速度低，精度高，速度快， 特点 般价格贵价格较贵 ( 1 ) 图像增强器价格较低，可以进行实时监测，但精确度不高且图像增强 第三章系统总体方案设计 器体积和重量在应用环境中常会受到限制，对光源有较高要求。 ( 2 ) 非晶硅平板和非晶硒平板价格较高，成像灵敏度也相对较高，但成像 较慢，实际使用时和拍x 光片一样，但拍片时问只需3 至l o 秒才能完成。成像 板可以携带x 光影像系统，以满足现场使用要求。 ( 3 ) 线性探测器价格介于图像增强器与平板之间，其检测效率和检测精度 较高，是目前自动化检测领域应用最多的一种方案。 第三章系统总体方案设计 第三章系统总体方案设计 3 1x 光强力输送带无损检测系统组成 x 光检测强力输送带系统主要由x 光发射器、线阵扫描探测器l d a ( 1 i n e a r d i o d ea r r a y s ) 、探测器电源、计算机、图像处理软件等组成，其系统硬件组成 原理框图如图3 - l 所示。 图3 1 系统硬件组成原理框图 3 2x 光发生器 x 光发生器是系统中用于检测的x 光的发生装置，其主要包括控制箱和射线 源，分别完成高压控制和x 光产生的功能。本课题中选用北京机电股份生产的 t - 1 4 0x 光发生器，该产品为北京机电股份引进德国技术开发研制的高科技产品， 其出射射线剂量均匀、性能稳定，获得过多项大奖。t - 1 4 0 x 光发生器具体参数 如表3 - 1 和表3 - 2 所示。 表3 - 1t - 1 4 0 x 光发生器参数表 系统组成控制箱+ 射线源 出射射线扇面，6 0 。 焦点尺寸 o 8 0 8 m m 阳极耙材钨 管端高压 1 4 0 k v ( 最高1 6 0 k v p ) 阳极电流0 5 _ 一l m a 输出功率i o o w 连续工作 工作电源 a c 2 2 0 v 5 0 h z 控制箱1 3 2 x 4 8 2 2 5 0 m m ， 外形尺寸 射线源见附图 接口形式2 5 针，见附表 温度0 4 0 相对湿度8 0 x 光控制器对外信号分为输出模拟量，输出开关量和输入开关量。 1 4 第三章系统总体方案设计 表3 2x 光控制器输入输出信号特性 信号类别信号特性 输出电压范围：0 v 一5 v ； 输出模拟量 最小负载驱动能力：2 0 k q 。 必须可直接驱动光耦输入端； 输出开关量提供光耦输入端驱动电流：l o m h ； 反向电压：5 v 。 应使用光耦隔离； 输入阻抗： 1 0 0 q ： 输入开关量 最小有效输入电流：l o m b ； 反囱耐电压：5 v 。 x 光发射器内部x 光管、x 光发生器及控制箱实物如图3 - 2 、图3 - 3 、图3 - 4 所示。 图3 2x 光管实物图图3 - 3x 光发生器图3 4x 光控制箱 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旨在进行读 出操作时发出射线，探测器在读出操作停止时，射线源也停止发射射线。射线闪 烁照射方式探测器和射线源同步工作“”。本课题采用连续照射方式进行成像。 3 。3 线性阵列探测器 图3 - 5 是典型的x 光线阵探测器的结构图。探测器接收穿透被检测物的x 光， 通过闪烁体将接收到的x 光转换成可见光，探测器单元中的感光二极管收到可见 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通 过l n 线传入计算机“”。 图3 - 5 线阵探测器结构图 第三章系统总体方案设计 综合比较国外厂商如芬兰d t 公司、德国y x l o n 、英国e t l 公司产品的性能、 分辨率、价格等，我们选定芬兰d t 公司生产的x - s c a n 系列产品为本课题使用 的线性阵列探测器，探测器及其内部接收板实物如图3 - 6 、3 - 7 所示，其工作参 数如表3 - 3 所示。 图3 - 6x - s c a n 探测器实物图图3 7x - s c a n 探测器内部接收板 表3 - 3 探测器工作参数表“” x 射线管电压范围( 1 ( v ) 3 0 - 1 6 0 k v 晶体材料 像素中心间距 像素宽度 像素数目 感光区总长 传送速度范围 a d 转换分辨率 敏感单元校准功能 工作电压 功耗 工作温度 存储温度 存储和- 作的相对湿度 g o s 转换屏 1 5 r a m 1 5 u 8 0 0 1 2 u 0 1 m s 以0 m s 1 4 b i t s 线阵探测器单元像素补偿 c 2 2 0 v 11 5 v 5 0 h z 6 0 h z 不超过5 0 v a 0 - 4 0 一l o 5 0 3 0 一8 0 第四章x 光图像特征及处理方法 第四章x 光图像处理方法 对于x 光图像而言，由于考虑到安全的问题，使得x 光的能量越来越低，这 就需要进行信号放大处理，在增强信号的同时引入了大量的噪声。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存在偏差， 降低了图像质量。因此对x 光图像进行实时处理是得到高质量射线图像的关键。 另外，通过对x 光图像进行处理改变原图像的灰度分布使图像中的所关心的信息 更加突出。 x 光图像实施处理的方法可以分为时域处理、空域处理和频域处理三类。时 间域处理包括时间延迟积分、邻帧比较等方法；空间域处理分为点处理和邻域处 理，前者有灰度变换、直方图均衡等方法，后者有中值滤波、均值滤波、拉普拉 斯滤波等各种滤波方法；频域处理是在傅立叶变换、小波变换等图像变换的基础 上进行滤波。 4 1 图像增强 在图像的形成、传输或变换的过程中，由于受多种因素的影响，如光学系统 失真、系统噪声、曝光不足或过量、相对运动等，往往使图像与原始景物之间或 图像与原始图像之问产生某种差异。这种差异称为降质或退化。降质或退化的图 像通常模糊不清，使人观察起来不满意，或者使计算机从中提取的信息减少甚至 造成错误。因此，必须对降质的图像进行改善。改善的方法有两类：一类是不考 虑图像降质的原因，只将图像中感兴趣部分加以处理或突出有用的图像特征，称 为图像增强；另一类是针对图像降质的具体原因，设法补偿降质因素从而使改善 后的图像尽可能地逼近原始图像，称为图像恢复或复原技术“”。 4 1 1 灰度级修正 灰度级修正是对图像在空间域进行增强的一种简单而有效的方法，根据对图 像不同的要求而采用不同的修正方法。灰度级修正也叫点运算，它不改变像素点 的位置，只改变像素点的灰度值。设输入图像为舷y ) ，经变换后的输出图像为 g g y ) ，变换函数为兀 ，这有 占o ，y ) - t f o ，y ) l ( 4 一1 ) 通过选择不同的映射变换，实现对灰度级的修正。 1 灰度变换法 一般成像系统只具有一定的亮度响应范围，灰度的最大值与最小值之比称为 对比度。由于成像系统的限制，常出现对比度不足的弊病，使人眼观看图像时视 觉效果很差，进行灰度变换可以大大改善人的视觉效果。灰度变换法又可分为以 1 7 第四章x 光图像特征及处理方法 下三种：线性、分段线性以及非线性变换。 ( i ) 线性变换 假定原图像，如) ，) 的灰度范围为 a ，b ，希望变换后图像g ( 写y ) 的灰度范围扩展 到 c ，d ，则线性变换可表示为 g ( x ，y ) 。譬兰【，似y ) - a 】+ c ( 4 2 ) 口一a ( 2 ) 分段线性变换 为了突出感兴趣的目标或灰度区间，相对抑制那些不感兴趣的灰度区域，可 采用分段线性变换。常用的三段线性变换法，其数学表达式如下： 占 ，) ，) 一 式( 4 - 3 ) 对灰度区间 0 ， ( 3 ) 非线性灰度变换 i - f ( x ，y ) o sf ( x ，y ) 口 !c f ( c ，y ) 一4 】+ c日互f f x ，y ) 6 ( 4 3 ) l ；筹忡山拈胞小膨， a 和 b ，m f 加以压缩，对灰度区间 咖 进行扩展。 当用某些非线性变换函数( 例如对数函数、幂指数函数等) 作为式( 4 - 1 ) 的变换函数时，可实现图像灰度的非线性变换。例如对数变换的一般式为 g ，y ) 4 + 些掣 ( 州) 1 7 。m c 这里a ，b ，c 是便于调整曲线的位置和形状而引入的参数，它是低灰度范围的，如) ，) 得以扩展而高灰度胁，) 得到压缩，以使图像的灰度分布与人的视觉特性相匹配。 指数变换的一般式为： g ( x ，y