隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和普及，現(xiàn)在已進(jìn)入數(shù)字化時代。

X射線無損探傷作為一種常規(guī)的無損檢測方法在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用已有近百年的歷史,X射線無損探傷通常以膠片照相為主要方法，在檢測速度和成本等方面已無法滿足目前生產(chǎn)快速發(fā)展和競爭日益激烈的需要。我國經(jīng)過十多年的發(fā)展，一種新興的X射線無損檢測方法-X射線數(shù)字化實(shí)時成像檢測技術(shù)已日臻成熟并已成功應(yīng)用于我國的實(shí)踐。X射線數(shù)字實(shí)時成像檢測技術(shù)主要特點(diǎn)是無需膠片照相，這與數(shù)碼相機(jī)可以代替普通相機(jī)技術(shù)一樣，檢測結(jié)果的載體是數(shù)字圖像,標(biāo)志著我國X射線檢測技術(shù)進(jìn)入無膠片時代，是無損檢測技術(shù)的一次革命。

1.1原子和比特(bit)

工業(yè)化時代的標(biāo)志-原子。鋼鐵是工業(yè)化時代的標(biāo)志，構(gòu)成鋼鐵的基本的物質(zhì)是原子。

數(shù)字化時代的標(biāo)志-比特。數(shù)字化的特征是數(shù)字的編碼技術(shù)，二進(jìn)制數(shù)字編碼方法是多個由“0”和“1”的數(shù)字組合。一個“0”或一個“1”構(gòu)成一個基本的編碼，稱之為bit (bit 讀音為“比特”)?！氨忍亍笔怯⒄Zbit一詞的音譯。bit是由binary(二進(jìn)制的)和digit(數(shù)字)兩個詞壓縮而成的，bit意為“二進(jìn)制數(shù)字 ”。bit是數(shù)字二進(jìn)制中的單位，有時也用一位比特來表示，即二進(jìn)制的一位(21 bit=2bit)。比特是一種存在的狀態(tài)：表示開或關(guān)，真或偽，上或下，入或出，黑或白。為便于實(shí)用，把比特想成1或0，構(gòu)成數(shù)字化的的基本要素是比特。比特成為數(shù)字化時代的標(biāo)志。

1.2粒與像素

膠片的載體是溴化銀顆粒, 顯影后生成的銀顆粒是構(gòu)成底片影像的單元。顆粒由眾多原子和分子構(gòu)成的。

假設(shè)數(shù)字影像屏幕上在水平方向上有若干行，在垂直方向有若干列，橫平豎直的交點(diǎn)就為一個像素，整個屏幕的像素則由行數(shù)乘列數(shù)組成;數(shù)字圖像的載體是像素,像素是構(gòu)成數(shù)字圖像的單元。成像器中行數(shù)與列數(shù)越多，則成像器中的像素就越大，例如，通常所說的300萬像素的數(shù)碼相機(jī)，有 2048×1536=3145728像素。

1.3黑度與灰度

在膠片照片方法中，膠片經(jīng)曝光、顯影、定影后，膠片上的顆粒被還原為黑色的銀團(tuán)，曝光越充分，底片就越黑，底片黑白的程度在膠片照相方法中稱為黑度。

在數(shù)字圖像中，賦于像素一定的亮度值，假如把全黑的值設(shè)定為0，全白的值設(shè)定為255，那么任何黑白之間的灰色都介于這兩者之間，這下好是8位比特(28=256)的排列方式，稱之為8位比特灰度?；叶韧ǔＳ帽忍氐奈粩?shù)來表示，例如，8位比特(28bit =256bit)灰度，10位比特(210bit =1024bit)灰度等。比特位數(shù)越大，像素所載含的亮度層次就越豐富，圖像處理后的表現(xiàn)效果更好，但計算機(jī)所需的容量就需要越大，所幸如今大容量的計算機(jī)已不成問題。

1.4底片與圖像

如同膠片顯影技術(shù)使底片得以實(shí)現(xiàn)一樣，計算機(jī)圖像采集技術(shù)和圖像處理使得圖像得以實(shí)現(xiàn)。

原子是構(gòu)成物質(zhì)的基本顆粒，而比特不是物質(zhì)，客觀存在是一組數(shù)字的組合;為了發(fā)揮人們的想象力，暫且將比特想象成“虛擬原子”。在射線膠片照相檢測技術(shù)中，構(gòu)成底片影像的基本物質(zhì)是溴化銀原子顯影后的銀顆粒，它所產(chǎn)生的圖像是摸擬圖像，不能為計算機(jī)所識別;在射線數(shù)字化檢測技術(shù)上，構(gòu)成數(shù)字圖像基本要素是像素，它所產(chǎn)生的圖像是數(shù)字化圖像，很容易為計算機(jī)所識別，因此應(yīng)用計算機(jī)圖像處理技術(shù)，就能產(chǎn)生與膠片照相底片相媲美的數(shù)字圖像。射線數(shù)字實(shí)時成像檢測技術(shù)正是建立在計算機(jī)圖像處理技術(shù)基礎(chǔ)上而發(fā)展起來的無損檢測新技術(shù)。

2射線數(shù)字化實(shí)時成像檢測技術(shù)基本原理

X射線數(shù)字化實(shí)時成象無損檢測原理可用兩個“轉(zhuǎn)換”來概述：X射線穿透金屬材料后被圖象采集器所接收，圖像采集器把不可見的X射線檢測信號轉(zhuǎn)換為光學(xué)圖像，稱為“光電轉(zhuǎn)換”;圖象采集器(對于圖像不具備數(shù)字采集功能的圖像增強(qiáng)器而言，用高清晰度電視攝像機(jī)攝取光學(xué)圖像，輸入計算機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換)，將采集到的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像，經(jīng)計算機(jī)處理后，還原在顯示器屏幕上，可顯示出材料內(nèi)部的缺陷性質(zhì)、大小、位置等信息，按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對檢測結(jié)果進(jìn)行缺陷等級評定，從而達(dá)到無損檢測的目的。X射線數(shù)字化實(shí)時成像技術(shù)無論在檢測效率、經(jīng)濟(jì)效益、表現(xiàn)力、遠(yuǎn)程傳送、方便實(shí)用等方面都比照相底片更勝一籌，因而具有良好的發(fā)展前景。

所謂“實(shí)時”的是指圖像的采集速度制式，圖像采集速度能夠達(dá)到25幀/秒(PAL制)或30幀/秒(NTSC制)，即視為實(shí)時成像。關(guān)于圖像的采集制式，我國采用PAL制式，歐美等多采用NTSC制式。

3成像器方式

X射線透過工件后在圖像成像器上圖像是模擬圖像，模擬圖像只有轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像后才能為計算機(jī)所識別，因此，模擬圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像的關(guān)鍵是成像技術(shù)。目前成像器有三種方式，成像技術(shù)的方式與圖像成像器的形式有關(guān)。

3.1 圖像增強(qiáng)器

射線穿透工件后圖像增強(qiáng)器的前端熒光板，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換，光電子在真空度很高的封閉的空腔內(nèi)經(jīng)高壓電場聚焦，工件的摸擬圖像被攝像機(jī)所攝取，輸入計算機(jī)進(jìn)行摸擬量/數(shù)字化轉(zhuǎn)換。

3.2線陣列探測器

線陣列探測器掃查方式是線型掃描，掃描圖形是一條直線，一條條直線排列組成一幅圖像。檢測時工件移動，經(jīng)過相對固定的線陣列器的掃查，得到一幅連續(xù)的圖像。其工作原理是：熒光屏接受穿透了被測物體的X-射線的能量，發(fā)出可見光，感光二極管受到可見光的照射，產(chǎn)生電壓信號，該信號經(jīng)過集成電路的處理變成14位(或16位)的數(shù)字信號發(fā)給計算機(jī)。調(diào)整照射角度，重復(fù)以上過程，全部掃描結(jié)束后，計算機(jī)對每次得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，重建出所需圖象，并進(jìn)行分析。

平面陣列探測器掃查方式：(1)逐行線型掃描，在平面陣列探測器上形成平面圖像輸出;(2)面掃描，在平面陣列探測器上形成平面圖像輸出;檢測時工件移動，經(jīng)過相對固定的平面陣列器，得到一幅幅檢測圖像。

3.4三種成像方式的比較

1) 圖像增強(qiáng)器價格較低，可以進(jìn)行實(shí)時影像檢測，但成像靈敏度不如陣列探測成像器好;圖像增強(qiáng)器體積和重量的受一定的限制。

2)平面陣列成像板的價格高，成像靈敏度也相對較高，但成像較慢，實(shí)際使用時如拍X射線片一樣，但拍片時間只需3至10秒才能完成。成像板可以與攜帶式高頻恒電壓X射線機(jī)、筆記本計算機(jī)等組合成攜帶式X射線影像系統(tǒng)，可以滿足現(xiàn)場使用要求。

3) 線性掃描器成像速度較慢，價格介于圖像增強(qiáng)器與成像面板之間，因?qū)C(jī)械傳動要求高，檢測速度較慢。

4圖像采集方式

圖像采集主要是通過數(shù)碼感光元件把光線轉(zhuǎn)變成電荷，通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。目前圖像采集部件有兩種：一種是廣泛使用的CCD(電荷藕合)元件;另一種是CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物導(dǎo)體)器件。

4.1CCD攝像機(jī)

CCD是Charge Coupled Device(電荷耦合器件)的縮寫，它是一種半導(dǎo)體成像器件因而具有靈敏度高、抗強(qiáng)光、畸變小、體積小、壽命長、抗震動等優(yōu)點(diǎn)

CCD 攝像機(jī)的工作方式：被攝物體的圖像經(jīng)過鏡頭聚焦至CCD芯片上，CCD根據(jù)光的強(qiáng)弱積累相應(yīng)比例的電荷，各個像素積累的電荷在視頻時序的控制下，逐點(diǎn)外移，經(jīng)濾波、放大處理后，形成視頻信號輸出。視頻信號連接到監(jiān)視器或電視機(jī)的視頻輸入端便可以看到與原始圖像相同的視頻圖像。

4.2CMOS數(shù)字成像器

CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)互補(bǔ)性氧化金屬半導(dǎo)體，和CCD一樣，是可記錄光線變化的半導(dǎo)體。CMOS的制造技術(shù)和一般計算機(jī)芯片沒什么差別，主要是利用硅和鍺這兩種元素所做成的半導(dǎo)體，使其在CMOS上共存著帶N(帶–電)和 P(帶+電)級的半導(dǎo)體，這兩個互補(bǔ)效應(yīng)所產(chǎn)生的電流即可被處理芯片紀(jì)錄和解讀成影像。然而，CMOS的缺點(diǎn)就是容易出現(xiàn)雜點(diǎn), 這主要是由于電流變化過于頻繁而會產(chǎn)生過熱的現(xiàn)象。

4.3 比較

在相同分辨率下，CMOS價格比CCD便宜，但是CMOS器件產(chǎn)生的圖像質(zhì)量和速度相比CCD來說要低一些。

5X射線機(jī)

對X射線機(jī)的基本制要求：

1)焦點(diǎn)：對于圖像增強(qiáng)器和成像面板成像器，宜采用小焦點(diǎn)，對于線陣列探測器，焦點(diǎn)可大些;

2)頻率：工頻或變頻(中頻、高頻)，建議采用變頻;

3)電壓和電流：視工件厚度的不同，選擇額定管電壓和管電流;

4)高壓穩(wěn)定性：建議采用恒電位;

5)射線管：建議采用金屬陶瓷管;建議采用強(qiáng)制冷卻方式，以能夠較長時間地連續(xù)工作;

6)移動方式：視作業(yè)方式的不同，固定式、移動式均可;

7)射線束方向：視作業(yè)方式的不同，定向、周向均可;

8)其他：視工件和作業(yè)方式而定。

計算機(jī)與程序

計算機(jī)配置：目前市面上高配置的臺式機(jī)和筆記本機(jī)均可，對于較差的工作環(huán)境應(yīng)選用工業(yè)控制機(jī);

程序：1)計算機(jī)操作程序，例如WindowsXP;2) 圖像采集程序;3)圖像處理程序;4)圖像輔助評定程序。

7圖像質(zhì)量

X射線數(shù)字實(shí)時成像圖像質(zhì)量指標(biāo)與膠片照相底片質(zhì)量一樣，是像質(zhì)計靈敏度，用像質(zhì)計描述圖像質(zhì)量時，受兩個因素的影響：1)圖像分辨率---用分辨率測試卡測試圖像分辨率(或稱清晰度)描述;2)對比度--- 用灰度差來描述。

8系統(tǒng)質(zhì)量

X射線實(shí)時成像檢測系統(tǒng)(設(shè)備系統(tǒng))質(zhì)量指標(biāo)按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定或合同中的技術(shù)條件的規(guī)定，用系統(tǒng)分辨率表述;系統(tǒng)分辨率用分辨率測試卡在系統(tǒng)上直接測試。

9成像技術(shù)特點(diǎn)

X射線實(shí)時成像檢測檢測技術(shù)/工藝與膠片照片檢測技術(shù)在工藝上有相同之處，膠片照片檢測技術(shù)/工藝基本上可指導(dǎo)X射線實(shí)時成像檢測技術(shù)/工藝，但兩者在成像原理和檢測結(jié)果載體上畢竟不同，因此X射線實(shí)時成像檢測技術(shù)/工藝有其特殊考慮。

因?yàn)槌上衿魇且环N固體器械，它不可能像膠片那樣軟，不可能緊貼在被檢測工件的表面上，成像器工件表面之間必然有一段距離，從幾何投影的原理可知，檢測圖像必然是放大的。加外，像素的大小尺寸畢竟要大于膠片的顆粒，為了提高圖像的靈敏度和清晰度，檢測圖像也需要放大，這就是X射線實(shí)時成像檢測技術(shù)的特點(diǎn)。檢測的圖象儲存在計算機(jī)內(nèi)，并可轉(zhuǎn)儲存到光盤等保存媒體中。圖象在顯示屏上可以正象或負(fù)象的方式顯示;也可以黑白或彩色的方式顯示。

10檢測工裝

“ 工欲善其事，必先利其器”。根據(jù)檢測對象(工件)設(shè)計和制造檢測檢測工裝，根據(jù)檢測方位的不同，檢測工裝應(yīng)至少具備一個自由度;為了檢測工裝具有較高的運(yùn)轉(zhuǎn)精度，一個工裝上通常應(yīng)有1～3個自由度的結(jié)合;不過自由度較多，工裝制作成本較高。工裝設(shè)計與制作水平的高低，往往會影響到工件檢測的質(zhì)量和速度。

11標(biāo)準(zhǔn)

關(guān)于X 射線實(shí)時成像檢測方法，到目前為止我國已發(fā)布了GB 17925-1999《氣瓶對接焊縫X射線實(shí)時成像檢測》和GB/T 19293-2003《對接焊縫X射線實(shí)時成像檢測法》兩個標(biāo)準(zhǔn)。GB/T 19293-2003是關(guān)于對接焊縫X射線實(shí)時成像檢測的通用方法標(biāo)準(zhǔn)，GB 17925-1999是關(guān)于氣瓶產(chǎn)品對接焊縫X射線實(shí)時成像檢測的方法標(biāo)準(zhǔn)。這兩個標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布，標(biāo)志著我國 X 射線實(shí)時成像無損檢測技術(shù)的研究和應(yīng)用已達(dá)到了一個新水平。但是，作為射線實(shí)時成像無損檢測標(biāo)準(zhǔn)化體系在我國尚未建立起來，需要盡快建立我國射線實(shí)時成像無損檢測標(biāo)準(zhǔn)化體系。

12 X射線數(shù)字化實(shí)時成像技術(shù)的應(yīng)用

X射線數(shù)字化實(shí)時成像技術(shù)在工業(yè)各個領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，例如在氣瓶、鍋爐、壓力容器、壓力管道、油氣長輸管道對接焊縫的無損檢測，汽車輪轂、汽車/飛機(jī)輪胎等領(lǐng)域的無損檢測，機(jī)械零件的無損檢測等。

12.1 氣瓶對接焊縫X射線實(shí)時成像檢測

在20世紀(jì)90年代中期，X射線數(shù)字化實(shí)時成像檢測已正式應(yīng)用于液化石油氣鋼瓶對接焊縫的無損檢測。

1-X射線管焦點(diǎn) 2-氣瓶 3-被檢測焊縫 4-圖象增強(qiáng)器 5-光學(xué)鏡頭 6-攝象機(jī)

當(dāng)時圖像采集器主要是采用圖像增強(qiáng)器技術(shù)，可以說是X射線實(shí)時成像檢測系統(tǒng)的技術(shù)，在此技術(shù)的基礎(chǔ)上形成了17925-1999標(biāo)準(zhǔn)。采用此技術(shù)的設(shè)備造價較低，雖然圖像質(zhì)量比現(xiàn)在的線陣列探測器技術(shù)低一些，但經(jīng)過十多年實(shí)際應(yīng)用，證明技術(shù)已經(jīng)日臻成熟，能滿足氣瓶和壓力管道及有關(guān)壓力容器焊縫無損檢測的要求，至今仍然有堅強(qiáng)生命力。檢測工裝由兩個自由構(gòu)成，檢測環(huán)焊縫時，氣瓶在工裝上繞軸線呈360°旋轉(zhuǎn)，檢測縱焊縫時，氣瓶沿水平方向移動，確保焊縫100%檢驗(yàn)。

14.2線陣列探測器X射線實(shí)時成像檢測技術(shù)

線陣列探測器X射線實(shí)時成像檢測技術(shù)是當(dāng)前比較流行的X射線實(shí)時成像檢測技術(shù)，它采用線陣列探測器作為圖像采集器，可以說是X射線實(shí)時成像檢測系統(tǒng)技術(shù)。由于線陣列探測器本身具有數(shù)字化采集功能，因此光學(xué)鏡頭、攝像機(jī)和圖像采集卡可以省略;，雖然線陣列探測器的造價比圖像增強(qiáng)器高，但是由于線陣列探測器是采取線掃描逐行成像，對X射線源不過分強(qiáng)調(diào)采用小焦點(diǎn)，同時省略了光學(xué)鏡頭、攝像機(jī)和圖像采集卡，因此，總體造價比圖像增強(qiáng)器成像系統(tǒng)高不了太多。在檢測圖像質(zhì)量上比圖像增強(qiáng)技術(shù)高。在此基礎(chǔ)上，建立了GB/T 19293-2003《對接焊縫X射線實(shí)時成像檢測法》標(biāo)準(zhǔn)。

線陣列探測器X射線實(shí)時成像檢測技術(shù)當(dāng)前在氣瓶、鍋爐、壓力容器、壓力管道、油氣長輸管道對接焊縫及機(jī)械零件、航空航天部件的無損檢測領(lǐng)域中應(yīng)用的勢頭正猛。

14.3平面陣列探測器X射線實(shí)時成像檢測技術(shù)

平面陣列探測器可以認(rèn)為是多條線陣列探器的集合，;具有更大容量的像素，圖像靈敏度高，高分辨率和高清晰度，代表著當(dāng)今圖像采集器的新技術(shù)，可以說是第三代X射線實(shí)時成像檢測系統(tǒng)技術(shù)。但是，平面陣列探測器的生產(chǎn)當(dāng)前集中于國外的少數(shù)幾個廠家，形成技術(shù)壟斷，價格昂貴，目前主要還是用實(shí)驗(yàn)室的課題研究，尚未走向生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用，相信不久的將來，一定會得到廣泛的應(yīng)用。

15結(jié)束語

射線數(shù)字實(shí)時成像技術(shù)作為一種新興的無損檢測技術(shù)具有廣闊的前景，在數(shù)字時代到來的時候，讓我們像擁抱朝陽一樣擁抱射線數(shù)字實(shí)時成像無損檢測新技術(shù)。