（信号与信息处理专业论文）基于x射线的强力输送带无损检测系统探测器的研究.pdf

摘要 强力输送带已广泛应用于矿山、港v i 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，强力输送带的检测是工矿生产中的重要 问题。目前国内尚未有一种高可靠性、准确度高、具有远程监控功能，适合于矿 山、港口和码头等领域使用的强力输送带实时检测系统。 本文采用x 射线检测技术研制了一种强力输送带无损检测系统的探测器。 分析了x 射线无损检测原理，提出了强力输送带无损检测系统的探测器整体设 计方案；采用x i l i n x 公司内置p o w e r p c 4 0 5 处理器的嵌入式f p g a 芯片v i r t e x 4 及其外围电路设计了探测器的硬件电路；利用x i l i n x 公司嵌入式开发工具x p s 搭建了无损探测器控制模块嵌入式s o c 的硬件平台，然后在x i l k e m e l 嵌入式操 作系统上开发了探测器的软件，并进行了抗干扰设计和实验、调试。 该探测器是强力输送带无损检测系统的重要组成部分。其系统能够实时检测 强力输送带的图像，发现输送带钢绳芯锈蚀、断裂或接头伸长等故障，及时报警， 特别适用于煤矿中输送带的检测，避免重大安全事故的发生、设备的损坏、停产 和人员伤亡，运输物料的损耗和经济损失，提高生产效率，具有显著的经济和社 会效益。 关键词：x 射线；强力输送带；无损检测；嵌入式s o c a b s t i 认c t c o n v e y o rb e l tw i t hs t e e lw i r er o p e s ，w h i c hi so n eo fp r i m a r yt r a n s f e re q u i p m e n t s i nm o d e mp r o d u c t i o na th o m ea n da b r o a d ，i se x t e n s i v e l ya p p l i e di nv a r i o u sr e a l m s ， s u c ha sm i n e ，p o r t sa n dw h a r f s ，e t c a sar e s u l to fi n c r e a s e dl o a dc a p a c i t y ，c o n v e y o r b e l ts c r a t c h e db yb a r r i e r sa n da g i n g , t h es t e e lw i r er o p ec o m e si n t or u s t i n ga n d c r a c k i n g , o rt h ej o i n ti se l o n g a t e d w h i l eg o i n gw r o n g , i tc a nb r i n gi n t os e r i o u s a c c i d e n t s ，h u g ee c o n o m i cl o s s e sa n dc a s u a l t i e s ，a n dp u tb a c ks a f e t yp r o d u c t i o nb a d l y t h e r e f o r e , d e t e c t i o no fc o n v e y o rb e l tw i t hs t e e lw i r er o p e si sas i g n i f i c a n to b j e c ti n t h ei n d u s t r y ；t h e r ei sn ot h er e a l t i m es y s t e mo fd e t e c t i o nf o rc o n v e y o rb e l tw i t hs t e e l w i r er o p e sa d a p t e dt ot h ef i e l d so fm i n e ，p o r t sa n dw h a r f s ，w h i c hh a st h ef u n c t i o no f h i g hr e l i a b i l i t y , n i c ev e r a c i t ya n dr e m o t em o n i t o r i n g t h en o n d e s t r u c t i v ed e t e c t o rf o rc o n v e y o rb e l tw i t hs t e e lw i r er o p e si sd e v e l o p e d i nt h i sp a p e rb a s e do nt h et e c h n o l o g yo fx r a yn o n d e s t r u c t i v et e s t i n g ( n d t ) p r i n c i p l eo fx r a yn o n d e s t r u c t i v et e s t i n gi sa n a l y s e d ，t h eg e n e r a ls c h e m eo ft h ex r a y n o n d e s t r u c t i v ed e t e c t o rf o rc o n v e y o rb e l tw i ls t e e lw i r er o p e sn o n d e s t r u c t i v et e s t i n g s y s t e mi sp r o p o s e d ；t h eh a r d w a r eo fd e t e c t o ri sd e s i g n e db yx i l i n x se m b e d d e df p g a v i r t e x 4w h i c hi se m b e d d e dp o w e r p c 4 0 5p r o c e s s o ra n di t sa s s i s t a n te l e c t r o c i r c u i t t h ep l a t f o r mo fe m b e d d e ds o ci sc o n s t r u c t e du s i n gt h ex p sw h i c hi st h et o o lo f e m b e d d e dd e v e l o p m e n tk i t ，a n da p p l i e ds o f t w a r ei sp r o g r a m m e di nt h ex i l k e m e l s y s t e m a tl a s t ，t h ea n t i - j a m m i n gi sd e s i g n e d ，a n dt h ed e t e c t o r i sd e b u g g e d t h en o n d e s t r u c t i v ed e t e c t o ri st h ek e ye l e m e n to fx - r a yn o n d e s t r u c t i v et e s t i n g s y s t e m t h es y s t e mc a nd e t e c tt h ei m a g eo fc o n v e y o rb e l tw i t hs t e e lw i r er o p e s ，f i n d t h em a l f u n c t i o n so fs t e e lw i r er o p er u s t e d ，c r a c k e do rt h ej o i n te l o n g a t e d ，a l a r mi n t i m e i ta d a p t st od e t e c tc o n v e y o rb e l tw i t hs t e e lw i r er o p e si nm i n e ，a v o i dg r a v e n e s s s a f e t y a c c i d e n t sb e f a l l e n e d ，f a c i l i t i e sm a n g l e d ，p r o d u c t i o nb r o k e n ，c a s u a l t i e s ， t r a n s p o r t a t i o nm a t e r i e lw a s t e da n dh u g ee c o n o m i cl o s s e s ，i n c r e a s ep r o d u c t i v i t y , a n d h a sm a r k e de c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t s k e y w o r d s ：x - r a y ；c o n v e y o rb e l tw i t hs t e e lw i r er o p e s ；n d t ；e m b e d d e ds o c 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 不包含为获得云洼三些太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：易彳及, y -签字日期：夕易年，月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解云洼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权云 洼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fj 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：融缈导师签名：锲勺胗少 签字日期：6 3 年，月2 , , o e t签字日期：口彦年，, e j7 , 0 1 j 学位论文的主要创新点 一、在分析x 射线无损检测原理的基础上，提出了基于x 射线的强 力输送带无损检测系统的探测器设计方案。 二、采用x i l i n x 公司内嵌p o w e r p c 4 0 5 内核的嵌入式f p g a 芯片 v i r t e x 4 及其外围电路设计了无损探测器的硬件电路；利用x i l i n x 公 司的嵌入式开发平台x p s 搭建了无损探测器控制模块嵌入式s o c 的 硬件平台，然后在x i l k e m e l 嵌入式操作系统上开发了探测器的软件。 第一章概述 1 1 无损检测技术概况 第一章概述 无损检测是以不改变被检测对象的状态和使用性能为前提，应用物理和化学 等现象( 方法) ，对各种工程材料、零部件和产品进行有效的检验和测试，测定 被检测对象的物理和机械性能或内在各种缺陷以及其它技术参数，借以评价它们 的完整性、连续性、安全可靠性以及适用性的综合性应用的检测技术科学【l 】【2 】。 随着现代工业生产与科学技术的进步，近年来无损检测技术取得了很大的发 展，形成了一门富有生命力的新兴学科。无损检测学科几乎涉及到光学、电磁学、 声学、原子物理学以及计算机、数据通信等学科，在机械、石油、冶金、化工、 航空、航天和核能等领域有广泛的应用。无损检测技术作为一种实用性很强的技 术，它的发展大致经过了三个阶段：( 1 ) 无损探伤( n o n d e s t r u c t i v ei n s p e c t i o n ，n d i ) 阶段，它主要指检测初期在不破坏被检测物体的情况下，利用各种检测方法获取“ 材料或部件内部的缺陷和损伤，以及判定缺陷和损伤的位置；( 2 ) 无损检测 ( n o n d e s t r u c t i v et e s t i n g ，n d t ) 阶段，它是指对材料或部件进行某种检测以获得相 关内部结构、有无缺陷、缺陷的性质、形状、大小、位置及分布等信息而对被检 测材料不造成任何损伤；( 3 ) 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 ，n d e ) 阶段，它 是依据相关标准，借助于检验、测量、试验、计算和模拟等手段，对被评对象的 固有属性、功能、状态、潜力及趋势等作出完整、准确的综合评价【3 】。 无损检测技术是产品安全性能分析中不可缺少的基础技术，随着对产品使用 程度增加和对其安全性要求的提高，无损检测技术在产品安全性能分析中发挥着 越来越重要的作用。目前常规无损检测方法主要有超声检测、渗透检测、涡流检 测、磁粉检测、射线检测等5 种【4 1 。 ( 1 ) 超声检测 超声检澳q ( u l t r a s o n i ct e s t i n g ，u t ) 是利用超声波在介质中传播时产生衰减， 遇到界面产生反射的性质来检测缺陷的无损检测方法。超声检测通常有超声回 波、超声穿透、超声c 扫描、超声背散射、超声频谱、超声成像等方法。该方法 具有灵敏度高、指向性好、穿透能力强、检测速度快的优点，但无法检测表面和 近表面的延伸方向上表面缺陷、表面粗糙、形状复杂的试件，此外，该方法对缺 陷的定性、定量表征常常不准确。超声检测常使用的超声探伤仪、探头、耦合剂 等。 ( 2 ) 渗透检测 渗透检测( p e n e t r a n tt e s t i n g ，p t ) 是利用液体的毛细管作用，将渗透液渗入固 第一章概述 体材料表面开口缺陷处，再通过显象剂将渗入的渗透液吸出到表面显示缺陷存在 的无损检测的方法。渗透检测方法简单、成本低廉、缺陷显示直观、检测灵敏度 高、可检测的材料与缺陷范围广、一次操作可检测多个零件，但只能检出零件的 表面开口的缺陷，不适用于多孔性材料的检测，对零件和环境有污染。 ( 3 ) 涡流检测 涡流检测( e d d yc u r r e n tt e s t i n g ，e t ) 是基于电磁感应原理揭示导电材料表面 和近表面缺陷的无损检测方法。该方法检测速度快、能在高温状态下进行探伤， 但只能检测导电材料、难以判断缺陷种类、灵敏度相对较低。 ( 4 ) 磁粉检测 磁粉检i 9 l t ( m a g n e t i cp a r t i c l et e s t i n g ，m t ) 是基于缺陷处漏磁场与磁粉的相互 作用而显示铁磁性材料表面和近表面缺陷的无损检测方法。磁粉检测所用设备简 单、操作方便，观察缺陷直观快速，能确定缺陷的位置、大小和形状，有较高的 检测灵敏度，尤其对裂纹特别敏感，但只能检测铁磁材料，探伤前必须清洁工件， 某些应用要求探伤后给工件退磁。 ( 5 ) 射线检测 射线检澳l j ( r a d i o g r a p h i ct e s t i n g ，r t ) 是基于被检测件对透入射线( 无论是电磁 辐射还是粒子辐射) 的不同吸收来检测零件内部缺陷的检测方法。根据射线源的 不同，射线检测可分为x 射线、y 射线、高能x 射线、中子射线检测等，目前， 射线检测技术主要有以下几种【5 】【6 】： 常规射线照相检测技术 常规射线照相检测技术，即胶片射线照相检验技术。它的理论已相对成熟， 并具有检测结果直观、准确、底片存档可查等优点，但也不可避免地存在检测周 期长、检测成本高等不足，而且在实际技术方面仍然存在着一些有待解决的问题， 如对x 射线照相中胶片对光子能量的吸收进行研究，胶片乳胶层中辐射能量的 分布进行分析等。 c r ( c o m p u t e dr a d i o g r a p h y ) 技术 c r 技术是数字射线照相技术中一种新的非胶片射线照相技术。该技术是基 于某些荧光发射物质具有保留潜在图像信息的能力，这些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，光激发射荧光中心的电子将返 回它们初始能级，并以发射可见光的形式输出能量，这种光发射与原来接收的射 线剂量成比例，当激光束扫描储存荧光成像板时，就可得到射线照相图像。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 2 第一章概述 散射线敏感度增强，图像转化成数字信号时需要激光扫描，转换过程复杂且成本 较高。 c t ( c o m p u t e rt o m o g r a p h y ) 技术 c t 技术的基本原理是从射线源辐射出的薄层扇形射线束穿过测试件的某一 层面时，通过阵列探测器接收到的射线束的能量与试件被透射的某层的材料密 度、内部结构、成份有直接关系。c t 系统可以从许多角度对测试件的某一层进 行扫描，在探测器上就可以得到关于扫描这层在不同角度方向上不同的射线衰减 信息。将这些信息输入计算机中，按照一定算法就可重建出被测工件扫描这层实 际密度分布的层析图像。c t 技术的优点在于能给出待检测物的二维或三维图像， 具有突出的密度分辨能力，动态响应范围宽。c t 技术的局限性在于造价远高于 其他无损检测设备，检测成本高，检测效率较低，使用范围受到限制。 射线实时成像检测技术 射线实时成像检测技术是实时地将不同强度射线转换为可见光图像，然后对 检验结果做出评定的技术。 这种技术几乎与胶片射线照相检验技术同时产生，但由于各方面的技术限 制，该技术没有得到迅速的发展。随着光电材料、增强技术、接收器件及计算机 技术的发展，射线实时成像检测技术广泛地应用于工业技术中。目前应用的射线 实时成像检验系统主要有图像增强器、成像板和线阵射线实时成像检验系统等。 成像板和线阵射线实时成像检验系统是近年发展起来的数字实时成像检验系统， 它们使用基于非晶硅的闪烁检测器和荧光光电倍增器制成的成像板或线阵来获 取信号。这种实时成像检验系统的主要特点是：具有很高的分辨力和很大的动态 范围，可检验厚度差或密度差很大的物体。 1 2 强力输送带无损检测的国内外现状 强力输送带己广泛应用于矿山、港口和码头等领域，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。 为了保证强力输送带正常地运行，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、节约大量因其断 裂或提前报废带来的成本。 上世纪7 0 年代末，澳大利亚学者哈里森提出对强力输送带实现无损检测的 方法，研制出c b m 强力输送带钢绳芯探伤装置。该方法的理论基础是磁检测技 第一章概述 术。磁检测技术主要分为两类：磁粉探伤和漏磁通探测。c m 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。在应用实践中，我国中科院力学所和太原理工大学等 单位也利用该原理研制出强力输送带检测装置。该方法只能给出检测结果曲线， 大致测出输送带钢绳芯断裂位置和程度，不能直接显示输送带内部图像，准确性 差，不直观。当输送带内有保护丝网时，该方法不能检测。 x 射线无损检测技术与超声检测、磁粉检测、渗透检测等无损检测技术相比， 具有直观、便于对缺陷做定性及定量分析等优点。随着计算机及数字图像处理技 术的发展，x 射线实时成像检测技术取得了长足的进步，成像方法和设备种类越 来越多，应用领域越来越广阔，在无损检测的研究中越来越重要【7 】。利用实时成 像系统获取强力输送带的高分辨率灰度图像，并能利用该图像信息对强力输送带 质量进行实时检测和自动识别带芯缺陷成为强力输送带无损检测领域研究的焦 点。x 射线实时成像检测技术的无损检测原理是：x 射线机发射的x 射线穿过 被检测件后被图像采集器所接收，图像采集器把不可见的x 射线检测信号转换 为光学图像，再将采集到的图像进行光电转换后，传送至图像采集卡的a d 转换 器进行图像数字化，计算机进行处理后，在显示器屏幕上显示出待检物内部的缺 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【8 】，从 而达到检测的目的。1 9 9 3 年中国矿业大学( 北京) 首先将该技术应用于强力输 送带无损检测领域，开拓了强力输送带检测的新方向。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。 1 3 课题的目的及意义 随着成像技术的发展，计算机速度提高以及图像采集技术的成熟，基于x 射线的强力输送带无损检测技术在不断的提高，并且在技术上向微型化、高精度 和低辐射发展。但是目前国内尚未一种高可靠性、高精度、具有远程监控功能， 适合于矿山、港口和码头等领域使用的基于x 射线的强力输送带实时无损检测 系统。因此，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 射线无损检测原理，研制了基于x 射线的强力输送带无损探测器。 本设计特别适用于煤矿中输送带的检测，可避免重大安全事故的发生、设备 的损坏、停产和人员伤亡，运送物料的损耗和经济损失，从而可以提高生产效率， 具有显著的经济和社会效益。 4 第一章概述 1 4 本文的主要研究内容 本文在分析x 射线无损检测原理的基础上，通过研究国内外先进的研究方 法，提出了一种新的基于x 射线的强力输送带无损检测系统的探测器设计方案， 并且设计了无损探测器，主要包括以下内容： ( 1 ) x 射线探测卡的研究； ( 2 ) 无损探测器a d c 接口板的研究与设计； ( 3 ) 无损探测器控制单元的研究； ( 4 ) 无损探测器嵌入式s o c 的研究与设计； ( 5 ) 无损检测器抗干扰设计。 第二章x 射线无损检测原理 第二章x 射线无损检测原理 2 1x 射线的产生和性质 x 射线是1 8 9 5 年德国物理学家伦琴发现的，它是1 9 世纪末、2 0 世纪初科 学界的三大发现之一。x 射线的发现在科学技术领域产生了一系列的连锁反应， 以x 射线作为工具，科学家解开了许多自然之谜。随着x 射线的许多性质相继 被科学家们发现，使得x 射线在医疗( x 射线诊断) 、交通( x 射线安检) 、工业( x 射线探伤) 等领域中得到广泛的应用。 1 x 射线的产生 根据国际原子能机构第2 7 7 号技术报告，将x 射线的能量范围划分为高、 中、低能三部分。低能是指l o k v l o o k v 的x 射线【9 l ，其产生的简单装置如图 2 1 所示。中能为1 0 0 k v 3 0 0 k v 的常压x 射线。当高速电子轰击靶体时，能量 发生转换，电子迅速减速，它的动能一部分转化为热能，另一部分转换为辐射。 由普朗克量子理论可知，每个光子的能量可以表示为h v ，( 式中h 为普朗克常数； v 是辐射频率，v = c 九) 。当能量为e 的电子撞击x 射线管的阳极时，电子的动 能转换为光量子辐射，其最短波长为：l = h c e 。由此可见，x 射线谱是波长 以v 为下限的连续谱，因此x 射线辐射成为“白色辐射。当九越小，则e 就要 越大。因此要产生高能x 射线必须由运动速度足够高的电子撞击靶体，故需要 电子加速器。 图2 - 1x 射线产生的简单装置h o l 2 x 射线的性质 x 射线从发现以来，对其归属为电磁波还是粒子流的问题争论不休，直到 1 9 1 2 年德国物理学家劳厄和他的助手发现x 射线通过晶体后产生衍射现象，才 证明它是一种电磁波。1 8 9 6 年，斯托克斯和维谢尔特根据“无论在什么情况下， 只要带电体改变速度，就会产生电磁波这一理论，在分析x 射线产生过程的 基础上指出，x 射线是波长很短的电磁辐射。经过许多科学家对x 射线的不断 6 第二章x 射线无损检测原理 探索与研究，发现x 射线具有如下性质： ( d x 射线在本质上与普通的可见光一样，沿直线传播； ( 2 ) 它本身不带电，不受电磁波的影响； ( 3 ) 在媒质界面可以发生漫反射，可以发生干涉和衍射现象，但只能在非常小 的范围内发生这种现象； ( 4 ) 在穿透物质过程中，会与物质发生复杂的物理和化学反应； ( 5 ) 具有辐射生物效应。 2 2x 射线与物质的相互作用 x 射线穿过物质时，由于射线与物质发生相互作用，射线被分为三部分：一 部分被吸收；另外一部分被散射；剩余部分沿原方向继续前进。 物体对射线的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【l 。当光子与物质原子的束缚电子作用时，光子把全 部能量转移给某个束缚电子，使之发射出去，而光子本身消失掉，这一过程称为 光电效应；当光电效应发生时，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， 这种现象叫做俄歇效应；当光子从原子核旁经过时，在原子核的库仑场作用下， 光子转化为一个正电子和一个负电子，这种过程称为电子对效应。 物质对x 射线散射的实质是物质中的电子与x 光子的相互作用。当物质中 的电子与原子之间的束缚力较小时，电子可能被x 光子撞离原来的位置成为反 冲电子。因反冲电子将带走一部分能量，使得光予能量减少，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，故又称做康普顿吴有训效应【l2 1 。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，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几率非常小，几乎可以忽略不计【1 3 】。 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、波长不变但是传播方向改变了的次级电磁波。 7 第二章x 射线无损检测原理 2 3x 射线的检测原理 x 射线在穿透物体过程中会与物质发生相互作用，因吸收和散射使其强度减 弱，强度衰减程度取决于物质的衰减系数和射线在物质中穿越的厚度。如果被透 照物体( 待检物) 的局部存在缺陷，且构成缺陷的物质的衰减系数又不同于待检 物，该局部区域的透过射线强度就会与周围产生差异，把胶片或其它成像器件放 在适当位置使其在透过射线的作用下成像。由于缺陷部位和完好部位的透射射线 强度不同，底片上或成像器件相应部位就会出现灰度差异，相邻区域的灰度差定 义为“对比度”。对比度构成的不同形状的影像，这就是x 射线的无损检测原理。 1 x 射线的衰减特性 由待检物缺陷引起的射线强度变化情况可作如下分析，如图2 2 所示。假定 入射线束的强度为厶，通过厚度为h 的物质后，强度被衰减为，。在距入射面 深度为x 处一个薄层厚度为破，当x 射线通过反时，强度的相对变化为【1 4 】 l vtj i v 竺! 丛盘= 竺= 一# d x ( 2 1 ) 、 i ， 一一 一一 五 i - 俄 、w 一一 ，_ 、 溶 d x ii 图2 - 2x 射线的衰减原理 对( 2 1 ) 式积分有 r 等叫r 出 2 ， 即通过厚度为h 的物质后x 射线强度为 i n = i o e 一( 7 p ) p = i o e 一鸬”p 月 ( 2 - 3 ) 式中，为线衰减系数；p 为物质密度；以= p 为质量衰减系数，表示单位 重量物质对x 射线强度的衰减程度。心和物质状态无关，而与波长和原子序数 z 有关，即t m k 2 3 2 3 ，k 为系数。 如果吸收体由两种以上元素所组成的化合物、混合物时，其总体的衰减系数 可按心= w l 心。+ w 2 , u 。：+ + 叩来计算，式中w 、w 2 为各组元的重量百 第二章x 射线无损检测原理 分数；以。、以：以。为各组元的质量衰减系数。x 射线强度的衰减是通过散射 和吸收两种方式进行的。所以质量衰减系数心应该等于散射系数瓯与吸收系数 厶的和，即以= 吒+ l 。在大多数情况下，散射系数要比吸收系数小的多。因 为= 一l n ( ，hi i o ) n 表示单位长度上物质使x 射线在其中传播的强度衰减程 度，对于射线穿过不同的戌时，其和，均不同，因此可以对不同物质进行x 射线无损检测。 2 x 光电探测原理 各种类型的光电探测器，其具体工作原理虽各不相同，但它们都是对入射光 信息做出电响应，输出的光电流与入射光电子流之比为量子效率【i s 】。对于连续x 射线谱，量子效率7 7 = 以d 叫m ，式中厶为均方根光电流；p 为入射光的均 方根功率；q 为电子电量；y 为入射光频率。 影响光电二极管光谱响应的因素是材料的吸收系数口( 名) ，通常短波长处的 吸收系数口很大，光辐射在表面处就别吸收了，而表面对载流子的复合作用很强， 光生载流子被扫出之前就有可能被复合掉，因此量子效率低。光波区域截止波长 磊由半导体材料的禁带宽度决定，s i 光电二极管的厶是1 1 a m 。 x 射线波长名1 0 。6 1 0 - 1 0 册，对光电二极管而言，其吸收系数口很大，量 子效率很低。为了提高s i 光电二极管的量子效率，采用放射线发光技术，由x 射线轰击发光物质而引起发光，在本检测器选用的探测卡中采用 e i ，g o s ( g d 2 0 2 s ) 和s i 光电一i 极管的匹配结构。 9 第三章x 射线无损探测器的方案设计 第三章x 射线无损探测器的方案设计 随着现代科学技术的飞速发展，特别是传感器技术、计算机技术、网络技术、 自动化等技术的日新月异以及他们之间不断融合，对x 射线无损检测技术向智 能化、高效化的发展提供了广阔的发展空间。以数字与通信为核心的l t 技术对 2 1 世纪起到不可估量的影响，理所当然该项技术将会推动无损检测技术的进步 与发展【1 6 】，同时该技术也特别适合于基于x 射线的远程无损检测，从而提高了 无损检测系统的自动化程度。工作人员可以远离辐射源现场环境、更易于实现辐 射防护和人员安全。 本课题就是采用上述技术，在不断研究国内外无损检测现状的基础上，提出 了一种远离射线源的、基于以太网网络的x 射线强力输送带无损检测系统及其 探测器设计方案。 3 1x 射线无损检测系统总体设计方案 基于x 射线的强力输送带无损检测系统由x 射线源、x 射线无损探测器、 运行该系统图像检测程序的p c 、电源等设备组成，其系统的组成如图3 1 所示。 x 射线源发射出的圆锥形射线束经准直器后变成扇形射线束，该扇形x 射 线束穿透运行中的输送带，由一维x 射线探测卡接收，形成图像像素模拟电信 号，该电信号经x 射线无损探测器对其采集、转换和处理后得到输送带的一维 投影图像素数字信号，再经r j 4 5 接口送往以太网中的p c 机，p c 机中装有图像 分析处理软件，除了能进行图像处理的基本功能，还能够运用模式识别算法对强 力输送带钢绳芯的接头伸长、锈蚀、断裂等情况进行提取，判断并在超标时给出 报警信号。由于采用以太网接口技术，故可以进行局域网互联，共享图像数据， 便于远程传输与控制。 图3 1 无损检测系统原理示意图 1 0 第三章x 射线无损探测器的方案设计 3 2x 射线无损探测器设计方案 x 射线无损检测器是x 射线无损检测系统中重要组成部分，它主要由x 射 线探测卡、a d c 接口板、控制模块、稳压电源四部分组成，其结构框图如图3 2 所示。其中a d c 接口板和控制单元是x 射线探测器的核心部分。a d c 接口板 主要由模拟信号选择开关、模数转换器、时序发生控制器三部分组成；控制模块 由嵌入式f p g a 、存储器、串行通信接口、以太网通信接口等部分组成。 无损探测器中按要求组合的多块x 射线探测卡将经过强力输送带后的x 射 线转换为多路模拟电信号，该电信号经a d c 接口板中模拟选择开关选择后送往 模数转换器，模数转换器将其转换为离散的数字图像信号后，再将转换后的图像 信号送入控制模块的嵌入式f p g a 系统专用图像处理器中处理，然后由控制模块 中嵌入式f p g a 系统的p o w e r p c 4 0 5 将所处理的数据打包，最后将所打包的数据 发往以太网中。 i 探测卡i = 丞 凡 通 f 探测卡n l 道 墙田f i t l a 卿s h l 午刭；： 【 一一 时序管理 憾 1 i f 厂 一岷 团 厂 探测卡lb 司：睁_ 一 ：锄 m a x ： j 蜘 _ 嘲3 2 3 2 l ： 瞄邵i j ： 探测卡n 2，侯 ! 时， p 拟 v i r t c x - 4 i 探测卡i n 开+存 8凿一 ，- ：颤 储 关 酾：- 雄l + 一 器 r陬 型磁 ， j 探测卡n 3 蹲 a r习，零 图 u 7 i 。l晦 鳖 t p h y - 峋碉 控制模块 b 诅a n r 地几蝣 臁测卡n 4 ：嗵 n “职i - 4 仉 图3 2x 射线无损探测器结构示意图 第吣章x 射线无损探测器硬件设计 第四章x 射线无损探测器硬件设计 4 1x 射线探测卡 x 射线探测卡最初用于医学中的线阵探测器，同时为工业领域开辟了一种经 济上可行、高分辨率检测的新纪元，如食品中异物的检测、铸造检测、包装箱检 测等。近年来，x 射线探测卡正在向更小的空间分辨率、更高的扫描速度方向发 展，并且在无损检测的应用领域越来越普遍。 4 1 1x 射线探测卡组成结构及其工作原理 x 射线探测卡是实现无损检测光电转换的重要部分，它由涂有发光物质的光 电二极管、预放大与积分电路( 专用c o m s 芯片) 、缓冲放大电路、差分驱动电 路等部分组成，如图4 1 所示。 当不同能量的x 射线穿过发光物质时，x 射线被转换为可见光，该可见光 经光电二极管后转化为电流信号，再经一个放大倍数可变的c o m s 芯片( 预放 大与积分电路) 积分后转化为电压信号，电压信号经缓冲、差分电路处理后形成 电压差分信号。在读信号的触发下所有像素的电压差分信号以串行模式从x 射 线探测卡中读出。 图4 1x 射线探测# 组成结构示意图 4 1 2x 射线探测卡的选择 随着大规模集成电路及半导体工艺的发展，x 射线探测卡越来越向高空间分 辨率、高扫描速度方向发展。综合国外生产探测卡的厂商，如d t 、e t l 、y x l o n 的产品性能、价格，根据无损探测器空间分辨率为1 5 m m x l 5 m m 、扫描速度 屹薹o 。7 m s 等要求，选择d t 的x c a r d l 5 - 3 2 + 3 2 作为本设计的探测卡。 x c a r d l 5 - 3 2 + 3 2 是双能线性阵列探测卡，其像素宽度为1 5 m m 、 0 2 m s 姜t 1 0 m s ( t 为积分时间) 、6 4 像素块、读出速率最大为5 0 0 k h z t l7 1 ，其 主要参数如表4 1 所示。由系统行扫描频率，；= v d 0 0 0 1 5 和空间分辨率可知 1 2 第四章x 射线无损探测器硬件设计 x c a r d l 5 3 2 + 3 2 满足设计要求。为了一次性检测输送带全部截面，并结合微机 图像处理中的一般规律，本设计采用3 2 块探测卡并列，形成长度大约为1 6 m 的 一维阵列，可覆盖1 6 m 宽输送带的全部横截面。 表4 1x 射线探测卡主要参数说明 名称单位最小值最大值参数说明 c l kk h z8 02 0 0 0时钟频率 f ( v i d e o ) k h z2 05 0 0 图像像素输出频率 c f p f o 53 5 可调反馈电容 o u t p u t + v0 53 5 图像像素输出电压 o u t p u t - v 3 5o 5图像像素输出电压 4 2x 射线无损探测器a d c 接口板设计 4 2 1a d c 接口板设计方案 a d c 接口板是x 射线无损探测器的重要组成部分之一，它主要由电压跟随 电路、模拟开关电路、时序产生电路、模数转换电路、数据驱动电路、控制信号 的差分接收驱动电路等部分组成，其结构组成如图4 2 所示。 _ r 研l 时钟h 差 电压跟随卜 分 接 4 习 收 慷 时序管理 i 总 差 比 肾】匝 + 分 发 i 关 h- i 皇垦堡堕卜 _ - 模 拟 开 i 肿塑垫卜 - 关 崮h 型型眇 叫信号预处理ha d ch 霾卜罐 昏h 驱动k 。i 勃l 园 旧慷薅孺i 网+ 稳压电源 l _ j 图4 - 2 a d c 接口板结构图 在控制模块发来的配置信息、复位信号和启动等信号的作用下，时序管理单 元将配置信息通过驱动模块配置到探测卡后对所有设备进行复位，然后启动探测 卡和模数转换器。在启动信号作用下，探测卡将所采集的信息通过模拟开关选择 和信号预处理后送往模数转换器，模数转换器将模拟的图像信息转换为离散的数 字信号，同时通过控制总线接口通知控制模块，控制模块在接到转换完信号后给 a d c 反馈一个读信号，在读信号的驱动下，转换好的数字图像信号通过数据驱 动模块发往数据总线。 第四章x 射线无损探测器硬件设计 4 2 2a d c 接口板参数计算 1 a d c 接口板每个通道所负载探测卡块数的计算 通过探测卡的参数表可知，探测卡输出像素的串行速率为2 0 k h z - - 5 0 0 k h z ， 为保证系统稳定运行，选择串行速率= 2 5 0 k h z 。由强力输送带运行速度、x 射线探测卡像素输出速率和强力输送带的宽度可知： 每个像素读出时间f = 1 胁= 4 j s 每块探测卡所有像素读出时间t w a e o = 6 4 t v a e o = 2 5 6 t s 再根据万知，a d c 接口板每个通道所负载探测卡块数n b l o c k = ( 1 万) a 如 = 1 ( 拳孔跏) 8 3 7 。 2 模拟开关速率和模数转换器采样速率的计算 根据系统时钟与像素输出速率的关系，可以计算出探测卡的系统时钟 血= 4 硒= i m h z 。为了将四路模拟像素信号在一个像素信号保持时间内进行 转换，根据探测卡输出像素电平的建立时间与保持时间关系可以得出模拟开关的 选择频率乒。= 4 宰2 宰 跏= 2 m h z ，由此可以选择转换速率f , d c = 4 m s p s 的模数转换 器。 4 2 3 模拟开关电路设计 由4 2 2 节知，模拟开关的开关速度为2 m h z ，考虑到在一个待转换像素保持 时间内四路模拟信号依次要被选通，模拟开关切换时间累计不超过1 4 个模数转 换周期，并且x 射线探测卡的像素输出为差分信号等前提下，x 射线无损探测 器的模拟开关选为a n a l o gd e v i c e s 公司的a d g 7 0 9 。 1 特点与功能 a d g 7 0 9 是四差分对选一的低电压、c o m s 模拟多路复用器，根据输入模拟 信号的不用，它的电源供电分为单电源供电( 1 8 v - - 5 5 v ) 和双电源供电( 士2 5 v ) 两种类型 1 8 】。a d g 7 0 9 功耗小于0 0 1 , u w ，1 4 n s 通道切换时间。由于探测卡输出 的像素信号为双极性信号且在高能时输出电压为士2 2 v ，所以本探测器所用的 a d g 7 0 9 电源电压选为士2 5 v 。 a d g 7 0 9 的封装为t s s o p ，其引脚排列如图4 3 所示。在e n 端有效时，通 过a 0 、a 1 来选通输入的差分模拟信号，其真值表如表4 2 所示。 a oa l e ng n d v s sv d d s l as l b 盟a鸵b s 3 as 3 b s 4 as 4 b ddb 图4 - 3 a d g 7 0 9 引脚图 1 4 第四章x 射线无损探测器硬件设计 表铊a d g 真值表 a oa le n选通差分对 xx o n o n e ooll oll2 l o l 3 lll4 2 a d g 7 0 9 电路设计 x 射线探测卡输出的差分信号经图4 4 电压跟随电路预处理后，由a d g 7 0 9 对四路信号分时段进行选通，然后进入模数转换电路的预处理电路中。设计的电 路如图4 5 所示，x 射线探测卡输出的差分电压信号经过电压跟随电路后的四路 差分信号为：a + 、a - ；b + 、b 一；c + 、c ；d + 、d ，该四路差分信号分别接入 a d g 7 0 9 选通电路的s 1 a 、s 1 b ；s 2 a 、s 2 b ；s 3 a 、s 3 b ；s 4 a 、s 4 b 端，当e n 端有效时，通过a 0 、a 1 对四路差分信号分别进行选通，然后将选通的差分信号 送往模数转换的预处理电路。 图“像素差分信号电压跟随电路 j 玺i4 - 5 四通道像素差分信号选通