基于非晶硅面陣探測器的焊縫探傷系統軟硬件開發

喬立強

(威海職業學院，山東 威海 264210)

0 前言

X-RAY因其優點較多，被廣泛地應用于焊件的無損檢測。平板感應器是20世紀末研發的一種新型器材，它能接受X-RAY，并將X-RAY轉換成數字信號，最終經計算機成像軟件處理后，變成計算機可以識別的數字化圖像。平板感應器成像技術具有數字化、快速、高效和面積大等優點[1]。

以前的射線成像判定法需購買大量膠卷、檢測時間長，與焊件質量無損檢測信息化、高技術化的發展趨勢不相符[2]。

在此研制了一種基于平板感應器的自動檢測系統。系統的成像質量能夠達到工業無損檢測最高級B級要求。軟硬件配合，能夠實現焊接缺陷的自動和人工檢測，檢測準確率高，速度快，對于提高焊件檢測的技術水平、縮短施工時間，提高焊件質量很有意義[3]。

1 X射線感應器系統

1.1 PaxScan感應器

American Varian公司的平板感應器類型多，尺寸也因工作場合的不同需求而各異。主要的產品面積為 130 mm×130 mm～400 mm×300 mm。它能接收的射線能量范圍也很廣，可以實現X-RAY從0.1～5Mev。該感應器成像速度快，滿足工業實時檢測的要求。感應器外觀如圖1所示。

圖1 感應器實物外觀

感應器的工作原理或者信號的傳輸過程為：X射線照射到面板上，通過閃爍屏，射線轉換成可見光子，然后通過光敏二極管，光信號變成電信號，通過感應器內部的放大、數字化等處理過程和運算，最終變成計算機能識別的數字圖像編碼。感應器的工作原理示意如圖2所示[4]。

圖2 感應器的工作原理示意

1.2 基于FDD的焊件質量判定系統

在數字化技術出現以前，以膠片照相為基礎的技術是X-RAY探傷領域的主流技術。膠片技術主要的優點是成像圖片失真小，理論上可任意放大觀看。但是這種基于膠片的技術，從照相、沖洗膠卷到最后的底片成型，是一個不能分割的完整過程，任何一個環節出現問題都會導致不能修復和更改的缺陷。而且底片的評判完全由人工判定，并且對燈光有特定的要求，根本不能實現在工業現場自動判別。這是膠片技術的最大缺陷。

數字化技術的出現為克服膠片技術的上述缺陷提供了可能。基于FPD的成像技術能夠將整個圖像的獲取和評判過程分解成若干個獨立的部分，并且各個過程的原始數據可以保存。這樣，即使在單個環節出現問題，由于原始數據的存在，通過計算機的特定算法處理后，可以有效消除誤差和錯誤，實現探傷檢測的準確和高效。并且數字技術便于傳輸，數字化的圖像不用特定的存儲介質，也不需要特定的判定條件，只要有計算機即可。可以實現現場采集信息，計算機自動判別。也可以通過計算機無線傳輸給遠方的專家，實現人工異地評片。

整個系統的主要工作流程為：小焦點的射線機發出錐束狀高能X-RAY射線穿過被檢測的焊接構件，衰減后的射線照射到平板感應器，FPD將射線轉換成可見光子，然后通過光敏二極管，光信號變成電信號，通過感應器內部的放大、數字化等處理過程和運算，最終轉換成計算機能識別的數字圖像。上述過程為圖像的采集過程。采集后的圖像傳給控制柜內的計算機，計算機對圖像進行降噪、灰度調整等預處理，提高圖像的質量。然后利用特定的圖像識別軟件判別焊件的焊縫。判斷焊件的焊縫是否有缺陷，如果有缺陷，進而給出缺陷的位置、大小、形狀、類型等信息。

系統中控制柜內有兩臺計算機，一臺控制整個系統的硬件，另一臺專門負責焊件焊縫的質量評判工作。該評判軟件可以實現計算機自動判別，也可以由有經驗的探傷人員人工判別。并且控制柜內有遠程信號傳送子系統，實現有線和無線兩種方式的焊縫監測信息遠程快速傳送，為實現人工異地評片提供了保障。探傷系統組成示意如圖3所示。

圖3 平板感應器探傷系統

2 X射線感應器成像校正

2.1 圖像質量下降原因

在圖像采集過程中，從X-RAY平板感應器獲取圖像、處理圖像的所有環節，都可能因電磁輻射或者信號傳輸衰減等原因帶來噪聲，最終導致計算機獲取的數字編碼圖像與焊縫的真實圖像差異較大，掩蓋了某些缺陷，或者出現某些偽缺陷，致使計算機誤判。要想獲得準確的評判結果，必須獲取高質量的焊縫圖像。所以需要針對不同的情況對感應器的圖像進行校正[5]。

2.2 平板感應器噪聲及其校正

2.2.1 泊松噪聲

用f表示感應器采集的焊縫圖像灰度，噪聲抑制算法為

式中 k為平板感應器采集的焊縫X-RAY照片的數量；h，w為照片的邊長；ft為焊縫照片第t個時刻的像素大小；（x，y）為X-RAY焊縫圖片的像素坐標。

實驗證明，隨著疊加圖像數量的增加，圖形標準差在下降。疊加8幅以上的圖形后，σ已經小于10。試驗結果證明這種方法能夠有效降低該種噪聲。

2.2.2 誤差抑制

焊縫圖片的誤差源于某些初始信號的缺失，校正公式為

式中f（x，y）為校正后的圖像；fm（x，y）為某一原始焊縫圖片；fn（x，y）為無X-RAY照射下的焊縫照片。如果計算機的硬件配置足夠高，運算速度最夠快，k和s可以在一定范圍內選取大一些的值。

2.2.3 射線感應不均勻校正

為了校正感應器對不同強度X-RAY的不均勻性，先在暗、中、亮三個場合收集若干圖形，三場中圖形的灰度記作fd0（x，y），fm0（x，y），fl0（x，y）。如果計算機中數字焊縫照片為n位，可以推導出最終焊縫圖片灰度為fl(x，y)=2n-1。

焊縫圖片的灰度差異性校正有很多方法。折線法是相對簡單的一種，用軟件實現也很簡單。如圖4所示，則fm0（x，y）校正后的灰度fm（x，y）可近似表示為

推導出校正后的灰度fx的計算公式

2.3 校正后系統成像實驗

利用上述各種校正算法，從軟件層面對面陣感應器成像校正后，在X-RAY射線感應器系統最理想的工程狀況（射線機電壓59kV，射線機電流1.4mA，管子焦點 0.8m×0.8mm，焦距 1330mm，幀周期 6.2s）下，將透度計安放在均勻鋼板焊縫上[5]，最理想的試驗結果如圖5所示。

圖4 折線校正

圖5 像質試驗

由圖5可見，10 mm厚度的均勻焊縫在不借助任何設備和儀器的條件下，透度計的第6根絲能用肉眼清晰地看到，透度計的第7根絲不是特別清晰，但肉眼能夠觀測到。透過6 mm厚度的均勻焊縫，能用肉眼比較清楚的看到透度計的第7根絲。X-RAY成像工業檢測的最高級要求是B級，本系統的成像質量能夠輕松達到。另外，圖片中氣泡、空等微小焊縫缺陷，也能用肉眼觀測出來。

3 成像檢測軟件

3.1 軟件主要功能

軟件充分利用了現代計算機強大的硬件運算速度，集成和借鑒了計算機軟件中SQL、MATLAB、Excel等數據處理和計算功能。并且軟件的工作流程與實際探傷作業的工作過程在時序上基本相同。軟件中的文檔在編制過程中，嚴格遵守了射線探傷方面的國家法規和相關行業的政策，具有高度標準化和一致性。該焊縫檢測軟件主要模塊如圖6所示。

圖形處理模塊涵蓋了灰度拉伸，圖形銳化、旋轉、反色、鏡像，直方圖均衡處理，感興趣區域處理等20多種圖形處理功能。采集圖像的質量鑒定可以由專家來評定，也可以由計算機自動完成，計算機自動生產最終的鑒定報告。計算機的遠程通信模塊為遠程評片提供了基礎[5]。

圖6 焊縫檢測軟件主要模塊

3.2 最優閾值

邊緣檢測和缺陷分割等圖形處理操作是最終焊接質量評判的基礎。上述圖形處理算法中，傳統的閾值求取，要么主觀的人為參與太強，要么沒有考慮實際檢測過程中系統各參數與標準的誤差，往往得不到理想的結果。

本研究采用一種改進的迭代算法，通過自動調節迭代系數，以獲得最優閾值。該算法不受圖形灰度線性平移變化的影響,魯棒性強[5]。

4 缺陷判定實驗

采用X70、厚度20 mm鋼板，開V型坡口，埋藏人工缺陷，焊縫焊接完畢后，利用圖3所示系統進行檢測，最后對缺陷部位作橫斷面解剖。其中圓形缺陷直徑約3 mm；未熔合、未焊透缺陷的長徑為20～30 mm，深度為長度的 1/5～1/3；裂紋、條狀加渣的長徑為1/6～1/3，深度為長度的20～40 mm。焊接缺陷及機器自動檢測結果如表1所示。

表1 缺陷自動檢測結果

由表1可知，該監測軟件對面積型缺陷，如孔狀夾渣或圓形的缺陷很容易監測出來，并且監測的成功率可以達到100%；對線狀條渣或線狀長孔監測結果的準確率，雖然達不到100%，也很高，可達96%。裂紋缺陷和未熔合缺陷的監測成功和準確率居中。最難監測的是未焊透，準確率只有76%。

5 結論

基于X射線感應器的數字化成像技術，克服了膠片照相技術的固有缺陷，能夠針對不同的圖像降質環節分別進行校正，采集的焊縫圖像質量能夠達到相關工業檢測的最高級要求。焊縫圖像質量判別軟件應用和改進了先進的圖形處理算法，軟硬件配合完美。計算機能夠自動完成常規缺陷的檢測并生成質量判定報告，速度快，質量高。但是系統對某些缺陷，如羽狀缺陷，計算機自動檢測效果不如人工監測準確率高。

[1]張宏亮，周育宇.工業射線照相技術的未來——數字化檢測[J].無損探傷，2003，27（6）：1-4.

[2]HOHEISELM，ARQUESM，CHAUSSATJ，et al.Amorphous silicon X-ray detectors[J].Journal of Non-Crystalline Solids，1998(227-230）：1300-1305.

[3]滕升華.X射線數字圖形處理與智能分析技術[D].北京：北京航空航天大學，2003.

[4]任大海.X射線成像中射線源焦點的影響及修正[J].光學技術，1999（11）：48-49.

[5]喬立強.一種數字化智能焊接質量無損檢測系統研制[J].焊接技術，2012（1）：37-39.