数字射线照相法现状评述_李衍.pdf

综 述 数字射线照相法现状评述 李 衍 无锡华光锅炉股份有限公司 江苏无锡 214028 摘 要 概述和简析三种数字射线照相技术的基本特点和方法要求 及其相对于传统的胶片法射线照相 技术的各种优点 并展示其在工业上的应用前景 期望该新技术在国内迅速推广 关键词 数字射线照相 胶片射线照相 灵敏度 分辨力 中图分类号 TG115 28 文献标识码 A 文章编号 1671 4423 2004 06 01 05 数字射线照相法进入国门是对传统的胶片射线 照相法的挑战 前者的最大特点是有缺陷识别软件 有高级分析工具 且所用射线能量低 曝光时间短 透照动态范围大 但国内至今未得推广应用 习惯 于胶片法射线照相检测的人员总是满目疑虑 此技 术可否用于特种设备的制造检验 检测灵敏度和分 辨力能否达标 还有 标准何在 法规可依 本文试 对目前国际上盛行的三种模式的数字射线照相技术 作一简介和评述 意在为射线无损检测技术的国际 接轨起推波助澜作用 1 数字射线照相法的优点 1 数字射线照相始于 20世纪 80年代 随后按工 业需求不断改进 它有以下 10大优点 1 检测图像数据利于存档 2 检测结果便于 记录报告 3 可共享信息 4 可作数字增强处理 5 对缺陷可自动识别 6 易于实现检测自动化 7 无需消耗品和化学药品 胶片扫描法除外 8 曝光时间短 效率高 又利于防护 9 一次扫描动 态范围特大 厚度宽容度也特大 10 可人机对话 作多种后处理 2 基本三要素 2 2 1 像素 数字图像是由像素矩阵组成的 典型的数字射 线照片可由几百万像素组成 目前流行的数码照相 亦然 实际上 数字射线照相与数码照相有许多相似 处 两者的像素数均有限 像素尺寸一般比胶片颗粒 要大得多 因而有分辨力和图像清晰度的问题 要解 决此问题 有时可采用小焦点 0 1 0 5 mm 或微 焦点 0 01 0 1 mm 作投影放大 数字射线照相速 度通常也比射线胶片快 就像数码相机芯片速度要 比照相胶片快一样 对射线检测人员来说 用数字射 线照相显然有利于健康 2 2 毕特 黑白数码照片通常只由 256个灰度层组成 一 般用 8毕特 因人眼不能识别更小的灰度差 数字射 线照相通常为 12或 16毕特的图像 换言之 数字射 线照片在理论上所包含的信息量要比人眼能看到的 更多 此额外信息可借助于简单的数字图像处理 往往是通过调节亮度和对比度来显示 2 3 压缩 压缩常用于数码照相 目的是减少文档占用空 间 但压缩后可能产生伪缺陷 会与真缺陷相混淆 图 1所示为两数码图像 左图表示经一般压缩处理 的图像 右图表示过压缩图像 从左右图 均可见有 图 1 数字图像的压缩 第 28卷 第 6期 2 0 0 4年 12月 无 损 探 伤 N D T Vol 28 No 6 December 2004 出格 像素显示 特别是鸟嘴顶部附近 为此 数字 射线照相一般不作压缩处理 以免信息走样 失真 造成误判 然而 三因素的叠加 即大像素数 高 毕特率和零压缩组合一起 会使数字射线照相的文 档占用空间变得很大 3 数字射线照相法三模式 2 数字射线照片的获得有以下三种主要模式 1 对射线照相底片作高分辨力扫描 2 用柔 性荧光成像板 IP 成像 统称 CR技术 3 用非晶 硅 a Si 平板检测器成像 统称 DR技术 三种模式各有千秋 讨论见后 CR法和 DR法 的唯一区别是成像途径不同 一旦图像展示在显示 器荧屏上 两者就毫无差别 3 1 对射线照相底片作高分辨力扫描 要将射线底片上的影像转换成数字图像 即可 采用此法 何以如此 可能有以下三种原因 1 首先 是存档和交流的需要 2 某些低密度试件的数字射 线照片可能含有比人眼可见更为丰富的信息 3 因 底片上的信息很有价值 将底片影像数字化后 到时 即可按需提取 犹如用平台式扫描仪将办公文件扫 描进计算机 编存取输 十分方便 射线底片的扫描 结果也可刻录到 CD盘片上 这种扫描的像素芯距 Pixel pitch 可变 通常约 25 50 m 空间线性 再 现射线底片上图像尺寸的准确度 也好 3 2 用柔性荧光体成像板 IP 成像 用荧光体成像板和计算机获取数字射线照片的 方法通常称为 CR Computed Radiography 技术 成像板自身为可曲性白色塑料片 其用法与胶片法 相似 一般与增感屏一起装在避光暗匣中 然后像胶 片一样放在要摄片的部位 甚至可将成像板弯曲后 紧贴在管子圆弧面上进行透照 典型的曝光量约为 AgfaD7胶片所用电压时的 70 若用较低电压 则 为其曝光量的 10 而用较高电压 则可为其曝光 量的 50 值得注意的是 目前市售的成像板已可 获得类似于 D7胶片的照相质量 而最近推出的成 橡板甚至可获得相当于 D4或 D5胶片的质量水平 成橡板一经曝光后 即可从避光暗匣移入暗室 但无需全暗环境 成像板因有柔性 可绕在现成的卷 筒上 随后放入特制的扫描器进行数字化处理 见图 2所示 视成像板尺寸和所需分辨力 扫描过程可取 3 12 min 图 2 成像板和成像板扫描器 工作原理 当 X射线光子透过试件照射到成像 板荧光体上时 光子能量被原子吸收 产生潜影 随 后 此能量在扫描器中被氦 氖激光器释放 该激光 器会释放一定量的蓝光 蓝光被光倍增管 PM T 检 出 其量值与射线照相 密度 成正比 这种扫描器的 像素芯距多为 50 150 m 光倍增管两端的电压与 增益成正比 提高扫描增益值会增大射线照相黑度 借此可减少成像板曝光时间 但这会影响灵敏度 反 之 降低增益值会减小射线照相黑度 为达到所需要 的灰度值 就得使成像板作较长时间的曝光 从而提 高灵敏度 荧光成像板可反复使用 只要将成像板放在普 通灯箱上 5 min 潜影即可消除 一旦潜影全部清 除 成像板即可回用 一般说来 成像板都很坚固耐 用 颇适合于工业用途 成像板在操作过程中沾上的 污物和油脂 可用异丙醇清洁液清除 注意 手上的 油污会严重影响射线照片上的最终影像 制造者声 称成像板有数万次曝光的理想工作寿命 但工业用 户声称实际工作寿命只有数百次 至多上千次曝光 原因是成像板用的次数多了 会产生划伤 荧光体成 像板对低能射线特别敏感 因其最先是为牙科和医 学领域而设计的 后来才被工业无损检测所采用 成 像板对低能射线敏感是优点 但对厚壁工件中产生 的波长较长的散射线也敏感 会引起灰雾 干扰图 像 必须采用适当滤板和有效屏蔽 3 3 用平板检测器成像 有两种平板检测器 非晶硅和非晶硒 后者较 新 但价格较贵 两者所需曝光时间均较短 图 3是 Agfa非晶硒平板检测器的局部剖视图 这种成像板 能获得类似于胶片的成像质量 但其典型的像素芯 2 无 损 探 伤 第 28卷 距为 100 m 对直接转换的平板来说 常用光电导 体取代闪烁体 将 X射线直接转换成电荷 图 3 非晶硒平板检测器 平板检测器的电源和控制直接与计算机连接 这可使系统用于实时成像 即取代图像增强器 但 由于这种检测器较精细 现场工作要小心维护 市场 上供给的平板检测器有工业护套 带程序卡 并有 适合于现场工作的电池作电源 但这种检测器更常 用于生产自动线 如用于大批量的小径管对接环焊 缝及小铸件的在线连续检测 应用平板检测器时 应考虑其平均寿命 曝光过 度 射线能量太高 两次曝光之间不给检测器 休息 都会严重影响其使用寿命 另外 也要考虑这种检测 器的价格和技术特性 特别是 100 150 m的像素 芯距可能会产生问题 这可用投影放大来解决 但要 以减小一次成像区域为代价 目前平板检测器的价格 和技术特性还在不断翻新 订购时应考虑性价比 4 图像质量评价的两关键参数 4 1 相关于分辨力的像素芯距 像素芯距相关于像素尺寸 但不可与分辨力相 混淆 图 4中已将鹦鹉的眼睛作了放大 可见要使其 正确成像需要一定量的像素 当从波形取样时 要使 用波形中所含最高频率的两倍频率作为最小许用取 样频率 但一般认为 取样频率取 2 4倍的最高频 率更为合适 当从数字图像取样时 也同样如此 数 字射线照相由于其固有分辨力较低 对气孔类缺陷 图 4 像素芯距的示例 的成像较为理想 而要使裂纹类平面状缺陷正确成 像 不借助于投影放大技术 往往不尽人意 注意 若 不清晰度大于像素芯距 则不清晰度会成为分辨力 的限制因素 反之 则不清晰度对分辨力无影响 4 2 相关于灰度层次的光学密度 胶片射线照相的光学密度是观片灯入射光强与 透射光强的常用对数之比 如光学密度为 4的底片 会使透射光强降为入射光强的万分之一 数字射线 照相结果不是放在观片灯上观测的 故不可对其射 线照相黑白度 如胶片法一样评价 数字射线照相通 常用灰度层评价 一幅 12毕特的图像 灰度层范围 为 0 4095 灰度层 0为黑色 4095为白色 这些数 字用起来很不方便 当使用 16毕特时 就显得更烦 琐 为此 有专家建议使用简单的百分数等级 0 代 表全白像素 100 代表全黑像素 用此法 较高的百 分数值代表较黑的图像 这就像胶片射线照相用光 学密度一样方便 而且 用此值不受毕特数影响 5 成像板 平板检测器与胶片的特性 比较 3 表 1就像质计 IQI 灵敏度 像素芯距和曝光时 间等技术特性 对三种检测器材作了比较 射线胶片 和非晶硒在一定能量范围内可获得较高灵敏度 胶 片的分辨力比平板检测器高得多 而平板检测器所 需曝光时间要少得多 数码照相亦然 传统的胶片 相机拍出的照片清晰 但需较多曝光量 成像板灵敏 度最低 但其分辨力领先于各种数字法 表 1 两种数字射线照相检测器材与射线胶片的特性比较 1 技 术 特 性 荧光体 成像板 平 板 检测器 射线 胶片 像素芯距 m40 100100 150无 低kV IQI灵敏度中中 低高 曝光时间短很短长 高kV IQI灵敏度低中 低高 曝光时间长短长 所需kV值低 10 低 30 高 与射线胶片相比 表 2列出了三种成像法的优缺点 图 5表示三 种成像法的等效透度计灵敏度 EPS 可见 与胶片 法相比 成像板和平板检测器均能以较短的曝光时 间 较低的管电压 达到一般所要求的 2 灵敏度 但平板检测器的灵敏度范围仍有限 据悉 目前 GE 3第 6期 李 衍 数字射线照相法现状评述 公司正在制造灵敏度更高的平板检测器 表 2 两种数字射线照相检测器材与射线胶片的特性比较 2 一 般 特 性 荧光体 成像板 平 板 检测器 射线 胶片 可曲性 保洁性 坚固性 可回用 不用化学药品 缺陷可自动识别 数字信息数字图像分析 后处理 易于自动化 注 行 不行 相对曝光量 DR 平板检测器 CR phosphor 荧光体成像板 Film 射线胶片 图 5 三种成像法的等效透度计灵敏度 EPS 比较 6 数字射线照相现行标准 有关数字射线照相的欧美标准分别见表 3和表 4 表 3 数字射线照相现行欧洲标准 EN 标 准 代 号篇 名 EN 138 N 540 94荧光体成像板工业 CR法 EN 138 N 541 95第二部分 金属材料 X射线和 射线检测一般原理 BS EN14096 2003 射线照相胶片数字化系统的特 性评定 第 1和第 2部分 表 4 数字射线照相最新美国标准 ASM E 第 卷第 2章强制性附录 名 称 胶片法射线照相和荧屏法射线照相 中数字图像的采集 显示和存储 胶片法射线照相和荧屏法射线照相 检测结果的评定和处理 锅炉压力容器规范 2001版 02 03增补 7 数字图像分析 4 7 1 快变焦与像素显示 在观片灯屏上观测射线底片时 影像中含有的 信息可能比人眼可见信息要多得多 也比监视器荧 屏上能显示的信息多得多 典型的监视器荧屏由 1024 768像素组成 而射线底片很可能含有比这 更多的像素 因此 如果不用分辨力很高的监视器 荧屏上就不可能一次显示所有的图像像素 这种监 视器确实有 但人眼分辨力毕竟有限 当分析数字射 线照片时 软件的快变焦功能应调至 1 1 以保证 监视器上的像素与图像中的像素可 1 1显示 可将 图像放大到更大的尺寸 但缩小图像尺寸 1 1 是不行的 这会使图像中的有些像素未能被显示 7 2 毕特数与灰度等级 大多数监视器只能显示 8毕特黑白 灰度等 级 这是因为人眼一般不能识别较小的灰度等级 差 市场上还有能显示 8毕特以上 价格更贵的监视 器 但其使用并非完全必要 因人眼并不能评价其灰 度差 然而 图像显示卡必须能记录 12 16毕特的 灰度等级图像 通过调节亮度和对比度 可识别各种灰度等级 即使用质量较差的监视器亦然 例如一幅 16毕特的 图像 通过亮度和对比度调节可分解成 3幅 8毕特 图像 然后分别输出 每当放大图像或只通过调亮度 和对比度来改变图像时 射线照相人员总会疑云陡 起 担心运作图像的结果会导致伪信息显示在荧屏 上 但有时通过调节对比度和清晰度 通过快变焦 确能使图像 去芜存菁 使信息显示更清晰 另外 也要防止有些过程会使图像产生畸变 包括浮雕式 处理和某些边缘增强法 操作者应谙熟所用软件 中 有哪些程序会改变影像 还有哪些只是调节影 像 使之变得易于观测 7 3 像质计与像质评价 为调节图像尺寸 亮度和对比度 以作最佳观 测 可借助于像质计金属丝进行评价 一般认为 凡 能显示更多金属丝的调节会优化影像质量 有关数 字射线照相技术的标准已提出 普通金属丝像质计 和 Pt W双丝像质计要双管齐下 同时使用 前者 用于灵敏度评价 后者用于分辨力评价 数字图像因 其像素芯距有限 分辨力的测评尤为重要 7 4 阶梯块与定量测试 4 无 损 探 伤 第 28卷 数字射线照相不同于胶片射线照相的又一优点 是 对它可作准确的定量测试 图 6表示图像灰度等 级的线测量示例 操作者仅需在阶梯块的射线透照 图像上 画一条横贯各阶梯厚度的直线 利用软件即 可沿该线测出每一像素的灰度等级值 量值一目了 然 方法简易可行 图 6 灰度级别的线测量示例 7 5 滤波法等附加处理 还有滤波和其它处理程序可用于数字射线照 相 这些手段可用于辅助缺陷检出或揭示图像中的 隐藏细节 例如检测一个阀门可得三种图像 未经 滤波的原始图像 经锐化处理后的图像 相关区 域作了浮雕处理的图像 7 6 缺陷自动识别 缺陷自动识别用于缺陷图像分析 而无需操作 者参与评定 该程序需要高度重复性 通常是将平板 检测器用于生产线上 X射线机以某种方式稳定 以 对每一被检工件提供恒定的照射量 将完好工件的 黄金图像 与每个图像作减法计 算 然后用算法检查预先标定的估计有缺陷的 危险 区 两图像对准中的小误差 有可能引起假象 为 此 两图像先要 登记注册 以保证像素与像素行列 对准后 再作减法计算 这种技术常用于汽车驾驶盘 类铝铸件的检测 8 计算机层析照相 DT 计算机层析照相可用于重建三维图像或工件剖 视图 例如将一机械零件放在转台上 转台可作步进 级转动 每一步均可用平板检测器作数字射线照相 随后 这些图像可组合一起 或作为形成工件移动的 电视帧 或通过更复杂的算法进行处理 以构成工件 三维图像 此图像可作旋转 可从任意角度进行观 察 也可作 切片 以揭示工件中的相关细节 9 结论 1 目前 数字射线照相主要有三种方法 射 线底片扫描法 荧光体成像板法 平板检测器 法 2 若影像要求微粒 高分辨力胶片 如对细小 裂纹的检测 眼下的数字传感器可能缺乏所需要的 分辨力 但此类传感器的问世已指日可待 3 若具体应用只要求中粒胶片 较短曝光时 间 还要求能