以CS探測器為記錄介質(zhì)的數(shù)字化射線檢測技術(shù)，檢測精度高、溫度適應(yīng)性好、結(jié)構(gòu)適應(yīng)性強。CMOS射線掃描探測器探測單元排成線陣列，需要在檢測時進行相對掃描運動，逐線采集并拼成完整的透照投影圖像。介紹了檢測工裝設(shè)計，完成了探測器的固定、位置調(diào)節(jié)及實現(xiàn)與檢測工件的相對運動。介紹了檢測應(yīng)用中的探測器配置與校準、透照方式選取、運動速度控制、檢測參數(shù)優(yōu)化、缺陷定量分析和圖像存檔管理等。應(yīng)用結(jié)果表明，經(jīng)過工藝優(yōu)化，CMOS探測器能夠?qū)崿F(xiàn)大多數(shù)產(chǎn)品零部件的射線檢測。最后分析了應(yīng)用中存在的問題及后續(xù)研究方向。

1 CMOS探測器簡介

　　射線檢測技術(shù)利用X射線探測材料內(nèi)部的不連續(xù)性，并在記錄介質(zhì)上顯示出圖像。隨著技術(shù)的不斷進步，射線檢測從傳統(tǒng)的以膠片為記錄介質(zhì)的照相方法不斷擴展，形成了多種數(shù)字化射線檢測手段，如底片的數(shù)字化處理技術(shù)(Film Digitisation)、射線實時成像技術(shù)(Radioscopy)、計算機射線成像系統(tǒng)(Computed Radiography)和射線數(shù)字直接成像檢測技術(shù)(Direct Radiography)等[1]。實際應(yīng)用中需要根據(jù)檢測要求的分辨率和相對靈敏度選用合適的方法。相對于其它射線記錄介質(zhì)(如CCD、多晶硅等)，CMOS(互補的金屬氧化硅)技術(shù)更具有性能優(yōu)勢。目前，CMOS探測器的最小像素尺寸可達39μm，檢測精度較高，溫度適應(yīng)性好，結(jié)構(gòu)適應(yīng)性強。

　　較之龐大的增強器成像系統(tǒng)，CMOS射線掃描探測器(圖1)結(jié)構(gòu)小巧，內(nèi)部芯片集成度高。較之CCD成像方式，CMOS的每個探測點都有自己的放大器進行單獨配置。CMOS在其內(nèi)部通過轉(zhuǎn)換屏將接收到的射線轉(zhuǎn)換為光線，直接與轉(zhuǎn)換屏接觸的探測點單元將光線轉(zhuǎn)換為電子，每個探測點單元有自己的放大器將電信號放大，最后在探測器內(nèi)對信號進行A/D轉(zhuǎn)換，形成二進制編碼傳送到計算機。CMOS主要適用于20～320 kV射線能量，80/μm的空間分辨率，無幾何放大情況下檢測分辨率為6 lp/mm，檢測圖像達到4096級灰度。

CMOS探測器的檢測應(yīng)用

2.1 檢測流程

　　由于CMOS射線探測單元排成線陣列，靜止?fàn)顟B(tài)下只能得到射線透過被檢物體而形成的投影圖像中的一條線。為獲取被檢測物體的圖像，需要進行相對掃描運動，逐線采集并拼成完整的投影圖像。獲取檢測圖像時要求射線能量波動盡可能小且可長時間連續(xù)工作，因此筆者采用恒壓式射線源(YX—LON MG325，更大電壓320 kV，大焦點3.0 mm，小焦點2.O mm)。采用CMOS線性X射線掃描探測器進行射線檢測的流程為：探測器配置及校準一確定透照方式，調(diào)節(jié)位置參數(shù)一相對運動，獲取掃描圖像一圖像處理，缺陷分析。

2.2 檢測工裝設(shè)計

　　探測器的成像單元(線陣列)需要與射線束中心線良好匹配，不能出現(xiàn)相對位置傾斜和偏移等現(xiàn)象。因此，需設(shè)計合適的成像工裝，以完成探測器的固定、位置調(diào)節(jié)及實現(xiàn)與檢測工件的相對運動。工裝要能方便地移入移出(筒形工件)，應(yīng)具有一定的靈活性和較大的適應(yīng)性(檢測不同類型工件)。

　　本著簡便、實用的原則，在已有射線實時成像系統(tǒng)基礎(chǔ)上進行檢測工裝設(shè)計，即檢測時將檢測工件放在載物臺上，可實現(xiàn)左右平移、繞垂直軸旋轉(zhuǎn)等運動;探測器通過工裝固定于射線實時成像系統(tǒng)增強器運動軸上，可實現(xiàn)垂直升降和前后平動。另外，探測器還可實現(xiàn)一定角度的旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)。通過與實時成像檢測系統(tǒng)的有機結(jié)合，可實現(xiàn)多種類型工件的射線檢測。此外，應(yīng)用時對于工件還要設(shè)計固定定位工裝。

2.3 探測器配置與校準

　　使用探測器時需指定成像器類型參數(shù)(長度和可承受電壓等)，以便確定出可用的最小積分時間。在探測器正常工作前，必須對其進行配置與校準，以便在一定的成像條件下，使所有探測單元的偏置輸出及增益輸出達到一致。

　　對于新的檢測對象，首先配置好采集圖像相關(guān)的參數(shù)(積分時間、掃描精度以及是否迭加平均)，然后開始進行探測器校準。校準時還要考慮焦距及物距的影響。一般校準時需進行三個步驟：①關(guān)閉射線源，探測器進行偏置校準。②開啟射線源，調(diào)節(jié)到檢測需使用的電流電壓值，使探測器的線陣列輸出信號達到更大但未出現(xiàn)飽和為止。③調(diào)節(jié)射線能量，使線陣列輸出信號降低為更大信號的一半。校準的結(jié)果以文件形式存儲，可供以后的檢測調(diào)用。但調(diào)用后若再更改其中的校準參數(shù)，則需重新校準后才能進行檢測。

　　對于大多數(shù)檢測對象，在實際檢測時應(yīng)用的電流、電壓值較高，在進行探測器校準時輸出信號早已飽和。為解決這一問題，根據(jù)不同厚度的檢測情況，設(shè)計了相應(yīng)的校準用檢測試板。試板厚度均勻，在校準步完成后將試板放在射線源窗口，然后開啟射線進行下一步校準操作。

2.4 透照方式選取

(1)平動方式適用于平板焊縫類工件的射線檢測，檢測時保持探測器與射線源位置相對固定，將工件放在載物臺上，以合適的速度沿X軸平行移動。對于管、筒上的環(huán)形焊縫，如果采用平動方式成像，采集的將是橢圓形透視圖像，只有中心區(qū)域的圖像才可用于檢測結(jié)果評定，并且需要旋轉(zhuǎn)多個角度才能完成全部檢測，降低了檢測靈敏度(圖2a)，某些情況下由于厚度太大而不能實現(xiàn)透照檢測。

(2)旋轉(zhuǎn)方式要求調(diào)節(jié)相對位置使工件放在載物臺回轉(zhuǎn)中心，且與射線束中心、探測器中心處于一條直線上。對于筒形件，通過工裝將探測器置于工件內(nèi)部，盡可能貼近檢測部位，采用單壁單影的方式透照;對于內(nèi)徑較小的管狀與筒形工件，采用雙壁透照的方式;旋轉(zhuǎn)一定角度即可將透照區(qū)展開成像，可有效提高檢測效率(圖2b)。對于回轉(zhuǎn)類工件，采用旋轉(zhuǎn)方式成像具有突出的優(yōu)點，可提高圖像質(zhì)量，縮短檢測時問。

2.5 運動速度控制

　　由于探測器必須有相對運動才能成像，因此需要將運動速度控制在合理的范圍。如果速度不合適，則得到的圖像就存在拉伸或壓縮現(xiàn)象。另外，分辨率越高、圖像噪聲越低，運動速度需越低。

2.7 缺陷定量分析

　在進行圖像尺寸測量時，需要將經(jīng)過計量或已知尺寸的試件緊貼在被檢焊縫的一側(cè)與焊縫同時成像。每次評定前，應(yīng)作一次標(biāo)定，缺陷測量時進行對比或通過公式將圖像尺寸轉(zhuǎn)化為真實尺寸。為此，設(shè)計了專用的測量評片用試片(圖3)，試片也可用于檢測相對運動速度是否匹配。

　　尺寸標(biāo)定完成后，通過圖像處理方法實現(xiàn)缺陷定量分析。選用Cany邊緣檢測算法進行缺陷邊緣定位。接著對檢測出的邊緣進行細線化處理。然后通過搜索每條邊緣線端點為中心的5×5或更大的鄰域，找出其它端點并進行填充，完成邊緣點連接，去除邊緣檢測圖像中的間隙。再應(yīng)用像素標(biāo)記的方法，檢查每一目標(biāo)像素相鄰點的連通性，進行閉合曲線內(nèi)的目標(biāo)標(biāo)記。通過上述操作即可將不同缺陷標(biāo)記出來以供測量用，最后完成缺陷參數(shù)計算[3]。

2.8 圖像存檔管理

　　檢測結(jié)果以數(shù)字圖像形式存放在計算機上，為便于對檢測圖像進行統(tǒng)一管理，筆者自行設(shè)計了圖像文件的管理數(shù)據(jù)庫，記錄檢測信息(工件名、檢測日期等)、成像參數(shù)和檢測評定結(jié)果等。

3應(yīng)用結(jié)論及問題分析

CMOS射線探測器具有較高的空間分辨率(61p/mm，固有不清晰度<0.2 mm)，檢測靈敏度高(4096灰度級)。成像質(zhì)量優(yōu)于采用增強器的實時成像系統(tǒng)，接近或達到膠片照相的水平;在圖像的對比度方面優(yōu)于膠片照相方法和實時成像系統(tǒng)。

　　通過試驗優(yōu)化等方法，成功地將探測器應(yīng)用于平板焊縫、環(huán)焊縫和縱焊縫等大多數(shù)產(chǎn)品零部件的射線檢測，提高了檢測效率，降低了檢測成本。為更好地促進數(shù)字化射線檢測技術(shù)的應(yīng)用，有必要在下列方面開展研究工作：

(1)復(fù)雜工件的更優(yōu)化檢測及仿真[4]，為檢測結(jié)果的解釋提供理論支撐。

(2)大容量圖像文件的快速讀取、處理及分析，缺陷定量分析的自動化、半自動化方法的研究。

(3)圖像文件的管理、傳輸(引入PACS模式)[5]。

(4)建立新的數(shù)字化射線檢測標(biāo)準。

射線檢測技術(shù)在鋼鐵工業(yè)中作用

近些年來,鋼鐵生產(chǎn)除了熔融還原(HISmelt、Corex、Finex)及薄帶連鑄(CSP)等根本性的全新工藝變革外,生產(chǎn)過程控制水平的提高對于鋼鐵制造業(yè)的技術(shù)進步發(fā)揮了巨大的作用。其中檢測技術(shù)與裝備是生產(chǎn)過程控制的關(guān)鍵之一，在鋼鐵工業(yè)的激烈競爭要素中,檢測技術(shù)與裝備也是重要的組成部分，我國鋼鐵生產(chǎn)過程配備的自動化控制系統(tǒng)大部分體現(xiàn)了近年來的新技術(shù),包括在線的檢測技術(shù)以及裝備———在線儀表設(shè)備。

1、鋼鐵冶煉過程控制與檢測技術(shù)

　　現(xiàn)代高爐冶煉的精料和高噴煤技術(shù),提出了過程控制中原料分析、燒結(jié)和煉焦過程溫度及分布檢測、噴煤量等的連續(xù)檢測要求,促進并實現(xiàn)了在線水分、灰分和紅外溫度測量及成像技術(shù)以及氣固兩相流檢測技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用。高爐爐況控制是高爐煉鐵的關(guān)鍵技術(shù),在高風(fēng)溫、高頂壓等條件下,高爐控制模型和專家系統(tǒng)的有效應(yīng)用,必須借助于相應(yīng)的檢測技術(shù)。爐頂爐身氣體分析和爐內(nèi)紅外成像技術(shù)對于爐況控制的作用等;爐身各溫度檢測對于判定爐況和高爐壽命的指導(dǎo)作用等;快速鐵水定硅、定硫等檢測技術(shù)得到開發(fā)和應(yīng)用,是低硅冶煉的可靠保證;大噸位在線鐵水稱量的準確性使得鋼鐵物流平衡控制水平得以提高。

　　在以轉(zhuǎn)爐工藝為主的煉鋼工藝中,從加料控制、吹煉到結(jié)束,整個過程的自動控制系統(tǒng)，以預(yù)測模型控制方式的煉鋼過程控制,在吹氧、氬和爐氣分析實時測量和鋼水溫度、含碳量等高速采樣檢測支持下極大提高了控制精度。其中在線爐氣分析儀從紅外分析儀到質(zhì)譜儀,無論是測量準確性,還是響應(yīng)速度的提高,都有效地提高了過程的可預(yù)測性,特別是精煉過程控制。在國外煉鋼過程實時控制已經(jīng)收到明顯效果,質(zhì)量光譜儀可以分析CO、CO2、N2、H2、O2、Ar、 CH4、He等8種氣體成份,相應(yīng)時間可以在1秒內(nèi),極大改進煉鋼過程特別是精煉過程質(zhì)量控制。

2、連鑄與軋鋼過程控制與檢測技術(shù)

　　冶煉冶煉過程是將固體原料熔煉成高溫鋼鐵液,并通過反應(yīng)控制得到相應(yīng)的成分含量，物料量、溫度、成分等是冶煉過程中重要的檢測參數(shù)。此過程除了控制溫度以取得材料的強度特性等,的尺寸和鋼材外形控制也是軋鋼過程檢測的特點之一。產(chǎn)品與過程控制對于檢測的速度和精度要求以及參數(shù)的多樣化都是檢測技術(shù)的要點。鋼液渣層檢測在轉(zhuǎn)爐冶煉、精煉等過程中也有很高要求。電磁感應(yīng)、紅外成像、射線等技術(shù)被應(yīng)用于鋼液或渣檢測以取得控制澆鋼過程夾渣量的效果。

　　在線非接觸尺寸測量技術(shù)和裝置在開發(fā)之前,軋鋼過程的高速自動化只是奢望。而當(dāng)電磁、射線、激光等技術(shù)相繼應(yīng)用于軋鋼過程測量,解決了各種鋼材軋制工藝的測量控制要求,并且使生產(chǎn)過程高速、高精度成為現(xiàn)實。現(xiàn)在的冷板材軋制中厚度精度可以達到千分之一的精度等級,薄板材厚度控制在10μm以內(nèi)。

　　板材鋼板板形控制是決定鋼板產(chǎn)品質(zhì)量的最重要因素之一。冷軋板形在較大張力下軋制時多體現(xiàn)為隱性板形缺陷,因為冷軋鋼板比較薄,在帶張力軋制時冷軋板的平直度缺陷因板材彈性延伸可體現(xiàn)為張力分布不均,采用測張力(應(yīng)力)方法檢測板形是目前較成熟的技術(shù)。而在微張力下的熱軋過程可采用非接觸(幾何)方法測量板形,熱軋過程測量是在相對高的振動和高溫、水汽以及氧化層、粉塵等的干擾下實現(xiàn)的。同時鋼板軋鋼過程中板材的X射線厚度及厚度分布測量、激光速度和長度測量、紅外溫度掃描和成像、CCD鋼板寬度測量和板頭尾形狀測量等技術(shù)和裝備的開發(fā),極大提高了軋鋼自動化水平和質(zhì)量水平。

　　型鋼和管材、線材同樣也存在諸如厚度、寬度、直徑、壁厚等幾何尺寸的在線實時測量控制要求,相繼誕生了可見光式、紅外、激光、射線等方法的測量裝置,線棒測徑及橢圓度儀,激光測厚和外型輪廓儀,激光超聲管壁厚度測量儀等使得工藝控制需求得到滿足。

　　鋼板涂層和鍍層在檢測技術(shù)上,產(chǎn)生并發(fā)展了鋼板電鍍層厚度的檢測、熱鍍層厚度測量和鋼板有機涂層厚度的檢測技術(shù)。另外,鋼板表面缺陷檢測儀,板、管超聲探傷儀等專用儀表,也已廣泛用于生產(chǎn)的過程控制和產(chǎn)品質(zhì)量的檢測控制。