x射线图像沿透向厚度变化的量化分析

x射线图像沿透向厚度变化的量化分析

作为一种重要的损伤检测方法之一，辐射检测在其他方法中具有直观、准确的优点。射线检测中垂直于射线透照方向的缺陷尺寸可精确测量对于未焊透、根部内凹和根部咬边等缺陷的射线检测,为了确定底片黑度与厚度(缺陷深度)的关系,通常采用定制的通用槽型对比试块或小径管环焊缝专用对比试块模拟焊缝及未焊透深度,得到带缺陷和对比试块的底片。但是底片上的缺陷较小,而一般黑度计孔至少在2.5mm以上,如何通过测量得到精确的缺陷深度成为难点。而在先进的射线数字成像检测中,由于使用了计算机和数字处理技术,使得通过计算机软件实现缺陷尺寸的准确测量成为可能。目前针对X射线数字图像灰度值(以下简称灰度值)的研究,主要着重于分析灰度值与管电压和被测物体厚度等因素的定性关系,灰度值与各因素简单描述为简单的正比或反比关系1图像中的灰值和透照度的定量分析1.1er定律式的原理对于某一物质,射线穿过物质的衰减系数与物质密度、原子序数和射线能量有关,一般射线检测的衰减理论均是基于Beer定律式中:μ为射线穿过单位厚度物质时的衰减系数;T为物体的厚度;I为射线透射后的强度;I对于X射线的照射来说,X射线管的辐射强度与管电压的平方成正比,与管电流成正比。而根据平方反比定律,强度I式中:K由于X射线到达被检物体表面的强度与管电压、管电流、焦距有关,所以可将X射线强度看成是关于管电压、管电流、焦距的函数:1.2线性衰减系数的确定1.2.1衰减系数下降式加能量的加射线管电压的提高会造成射线有效能量的增加,而有效能量的增加会使射线波长变短,引起衰减系数下降式中:A,B,C,D,E,F为常数,随透过材料的不同而不同,cm1.2.2材料厚度对平均衰减系数的影响求解A,B,C,D,E,F的六元一次方程,计算铁的衰减系数。其中K从表1可看出,入射能量随着管电压增大而增大,对应的平均衰减系数减小。通过式(4)可知,被测材料的厚度增大,同样会使对应的平均衰减系数减小。这与文献[5]的研究结论相一致,说明了表1的正确性。1.3光电变换系数射线数字图像是以灰度值的形式显示的,即需要先把X射线强度转化为数字信号(图像的灰度值)。首先,将入射X射线光子转换为电荷式中:M为光通量;R为光电变换系数。模数转换器(A/D)将得到的电压转化为数字信号,形成数字图像式中:E在上述过程中,可直接用已经量化的电压值(即比特信息)作为图像的灰度值,结合式(5)、(6)可推导出图像灰度值的变化规律:式中:f(R结合式(3)、(4),可得到图像灰度值的计算公式:对某一检测物体来说,由于函数f(R从式(9)可看出:数字图像灰度值的大小受到材料衰减系数、管电压、管电流、曝光时间和焦距的影响,同时与检测系统的硬件特性有很大关系。2计算结果和试验验证2.1钢板厚度不同厚度的k值为了求解公式系数K,采用CMOET225kVX射线机和以色列vidisco非晶硅数字探测器(像素127μm)搭建射线检测系统平台,选取不同厚度的钢板(7,10,12mm)作为试验用试块(试块尺寸为210mm×150mm),通过改变管电压,管电流和焦距来获得不同数字图像。试验主要影响因素包括管电压的不稳定和硬化现象。表2给出了钢板厚度为7mm时,采用不同的管电压(92,95,97kV)、管电流(5,4,3mA)、焦距(700,800,900mm)时得到的图像灰度值。由于衰减系数μ随着管电压而改变,故可通过查阅表1来确定衰减系数μ。将不同厚度下的管电压、管电流、焦距和图像灰度值的数值代入式(9),可求出K值。在X射线系统固定的情况下,公式对于任何情况下的X射线都满足,那么对于上述的数据来说,K值的波动不会太大。综合另外两组厚度为10,12mm的数据,求出K值的平均值为428.0301。从计算结果来看,K值误差波动范围在-3.4%~3.0%之间,大体趋近一个常数。2.2实验结果图1试验平台同上,采用管电流5mA、焦距800mm,改变管电压(95,100,105kV),对6~12mm厚的钢制试块进行灰度值的理论计算与试验测试结果的比较。试验主要影响因素同上。结果见表3,变化趋势如图1所示。从表3可看出,在运用式(9)对图像的灰度值进行计算和试验验证的过程中,在一定的透照条件下,求解得出的理论值与试验值的误差在±10%间。而从图1可看出,在管电压固定的情况下,连续计算一组数据的灰度值与试验值的曲线大致吻合。产生这种现象的主要原因有:①数字图像灰度值与数字射线检测系统直接相关,不同的数字探测器其响应不同,即便是同一数字探测器随着时间推移也会发生相应退化,而造成数字图像灰度值变化。②X射线机是连续的射线源,在通过修正模型对射线的硬化现象进行校正的过程中,会出现计算偏差。③随着钢板厚度的增加,材料的衰减系数也会发生变化,衰减系数很大程度影响了灰度值的计算。④式(9)中K值是通过大量试验数据求出的平均值,对于个别数据的验证仍会出现较大的误差,但是对于大量数据的验证,从图1的曲线中可以看出,试验值和计算值比较吻合。3试验平台的建立基于射线衰减理论,分析不同透照条件下引起射线图像灰度值变化的影响因素,图像灰度值与X射线机的能量、材料的厚度和衰减系数的定量关系,推导出不同钢板厚度和图像灰度值之间的定量关