一種X射線數字成像檢測缺陷尺寸的測量方法

董方旭,王從科,凡麗梅,趙付寶,張 霞,鄭素萍

(中國兵器工業集團第五三研究所, 濟南 250031)

在工業生產中，由于生產環境、產品結構、制備工藝等因素的影響，產品內部不可避免地會產生缺陷，如分層、夾雜、裂紋等[1-3]，缺陷尺寸的大小是判別產品是否合格的重要依據之一[4]。隨著當今檢測技術的發展，無損檢測技術(特別是X射線數字成像檢測技術)在缺陷尺寸測量方面發揮了重要的作用[5]。缺陷尺寸測量結果越接近真實值，對產品質量的判別越準確；如果缺陷尺寸測量偏差過大，則會影響檢測結果的判別，甚至發生誤判。因此如何更加準確地得到缺陷尺寸是X射線數字成像檢測方法面臨的一個重要問題。

根據文獻[6]，缺陷尺寸不小于總不清晰度時，可以采用半波高法對其進行精確測量。

總的不清晰度U由系統固有不清晰度Ui和幾何不清晰度Ug兩部分組成，三者間的關系如式(1)所示。

(1)

固有不清晰度Ui為探測器像素尺寸(此處為0.083 mm)的2倍[7]，即Ui=0.083×2=0.166 mm。

幾何不清晰度通過式(2)進行計算。

Ug=a×(SDD-SOD)/SOD=a×(M-1)

(2)

式中：a為射線源焦點尺寸，mm；SDD為射線源到探測器的距離，mm；SOD為射線源到被檢測工件的距離，mm；M為放大倍數。

經驗表明，在相同的檢測條件下，缺陷實際尺寸越小，半波高法測得的尺寸誤差越大。筆者借鑒半波高法，在相同的檢測條件下，以縫隙尺寸大于總不清晰度的試樣縫隙尺寸的測量誤差為基準，對縫隙尺寸小于總不清晰度的試樣進行X射線數字成像檢測，通過分析檢測圖像，總結出缺陷尺寸與總不清晰度比值同波高比例(即測量時線密度曲線上的尺寸測量橫線所在位置到波峰的距離與總波高的比值)的關系，并通過驗證試樣進行驗證，確定了缺陷尺寸與總不清晰度比值同波高比例的關系，從而為實現缺陷尺寸的準確測量提供技術支持。

1 試驗設備和試樣

1.1 主要試驗設備

檢測系統為德國依科視朗國際射線有限公司(YXLON)的X射線數字成像檢測系統，密度分辨率≤0.3%，空間分辨率≤3 lp·mm-1；射線源為Y.XST225射線源，最高檢測電壓為225 kV，焦點尺寸為0.25,0.3,0.5,0.8 mm等4種可選；探測器為SEZ T3線陣探測器，機械掃描系統可以實現五軸聯動。

1.2 試驗試樣

1.2.1 縫隙試驗試樣

檢測工裝實物如圖1所示，其縱向高度尺寸為55 mm，可以通過上下兩端螺絲調整縫隙尺寸；分別機械加工了不同尺寸的塞尺，加工后的塞尺實物如圖2所示，通過不同尺寸塞尺的組合，可得到21組不同厚度的塞尺組合(見表1)；將兩組相同厚度的塞尺組合塞進檢測工裝縫隙兩端并上緊螺絲 (見圖3)，來得到縫隙試驗試樣。

圖1 檢測工裝實物

圖2 加工后的塞尺實物

圖3 1.00 mm縫隙試驗試樣實物

表1 不同厚度塞尺組合

1.2.2 驗證試樣

預制含缺陷(縫隙寬度為0.4 mm )的陶瓷基復合材料板，尺寸(長×寬×厚)為150 mm×150 mm×5 mm，其實物如圖4所示。

圖4 陶瓷基復合材料板實物

2 試驗過程

2.1 檢測工藝參數

X射線數字成像檢測工藝參數如表2所示。

通過式(1)，(2)計算，得到該X射線數字成像檢測系統下總不清晰度為0.292 mm。

表2 X射線數字成像檢測工藝參數

2.2 檢測試驗

在表2所示的檢測工藝參數下，對21組縫隙試驗試樣進行X射線數字成像檢測，部分縫隙尺寸下的X射線數字成像檢測圖像如圖5所示。

圖5 部分縫隙尺寸下的X射線數字成像檢測圖像

3 分析和討論

通過已知的工裝尺寸對檢測圖像的像素尺寸進行標定，由于縫隙尺寸大于總不清晰度0.292 mm時可用半波高法進行尺寸測量，得到標定后組合1～7的試樣縫隙尺寸的測量結果(見表3)。

以該7組縫隙試驗試樣尺寸測量誤差平均值2.8%為基準，對標定后尺寸小于總不清晰度的試驗試樣(組合8～21)的縫隙尺寸進行測量，每個試樣尺寸測量3次并取平均值，得到實際尺寸、實際尺寸與總不清晰度的比值、縫隙尺寸測量值、縫隙尺寸測量平均值、縫隙尺寸測量誤差及對應的波高比例數據,如表4所示。

表3 組合1～7的試樣縫隙尺寸測量結果

表4 試驗試樣縫隙尺寸的分析統計

續(表4)

通過表4可以看出，在不同的波高比例下進行縫隙尺寸測量，可達到準確測量的目的，縫隙尺寸越小，在尺寸測量時需調整線密度曲線上的尺寸測量橫線越接近波峰的位置。對表4進行統計分析得到不同缺陷尺寸與總不清晰度比值對應的波高比例關系，如表5所示。

表5 缺陷尺寸與總不清晰度的比值同

4 驗證試驗

驗證試驗的X射線數字成像檢測工藝參數如表6所示，對驗證試樣進行X射線數字成像檢測試驗驗證，得到的檢測圖像如圖6所示。

表6 X射線數字成像檢測工藝參數(驗證試驗)

圖6 驗證試樣的X射線數字成像檢測圖像

對驗證試樣的X射線數字成像檢測結果進行分析，結果如表7所示。

表7 驗證試樣的X射線數字成像檢測結果

由表7所示的檢測結果可知，采用的缺陷尺寸測量方法的尺寸測量準確度提高了19.25%。

5 結論

借鑒半波高法，探索了一種X射線數字成像檢測缺陷尺寸測量方法，并通過試驗進行了驗證,結果表明該方法簡單、實用性強，可在X射線數字成像檢測缺陷尺寸測量中發揮重要作用。