(60)钴在射线数字成像检测系统中的应用
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4 应用实例
本系统已用于部分工业零部件的无损检测 ,能 检查出铸件的气孔 、夹渣及缩松等缺陷 ,效果良好 。 图 2 为北京 212 型吉普车发动机曲轴的检测图像 ; 图 3 为大型柴油机铸铁缸盖的检测图像 (查缩松 、劈 缝 ,能看到 1mm 厚劈缝) ;图 4 为锁及电池的检测图 像 ;图5为大型柴油机铸铁活塞的检测图像 (查缩
关键词 :γ射线检验 ;射线检验系统 ;数字化成像 中图分类号 : T G115. 28 文献标识码 :A 文章编号 :100026656 (2002) 0720292203
APPL ICATION OF 6C0o SOURCE TO IND USTRIBaidu NhomakorabeaL D IGITAL RAD IOGRAPHIC NOND ESTRUCTIVE TESTING SYSTEM
第24卷第7期 2002年7月
无损检测 ND T
标准分享网 www.bzfxw.com
Vol . 24 No . 7 J uly 2 0 0 2
60钴在射线数字成像检测系统中的应用
童建民 ,周立业 ,李毅强 ,顾伯华 (清华大学 核能技术设计研究院 ,北京 100084)
摘 要 :介绍一种工业射线数字成像 (DR) 检测系统 。该系统用60钴为γ射线源 ,被检工件放 置在拖动平台上 ,垂直匀速穿过射线扇形面 。由气体阵列电离室探测透射γ射线 ,信号经计算机处 理 ,形成工件的二维透视图像 ,从而检测工件内部缺陷 。该系统射线穿透本领大 、图像质量及综合 检测性能优良 、运行维护费用低 、占地面积小 、操作简便 、安全可靠 ,具有广阔的应用前景 。
表 1 列出了本系统各项性能指标 (60 钴源活度 约 2. 59 ×1012Bq) 。图 2 为北京 212 型吉普车发动 机曲轴的检测图像 。
表 1 60钴工业 D R 无损检测系统性能指标
对比灵敏 丝型像质 孔型像质
度/ %
计/ %
计/ %
(10cm 铁) (10cm 铁) (10cm 铁)
系统中的数据采集与转换功能由多功能数据采 集卡完成 。采集卡的最高采样频率为 100kHz ,转换 精度为 16bits ,采用外触发工作方式 。 1. 6 图像显示与处理软件
系统用 Microsoft Visual C + + 语言开发的多功 能软件 ,为数据采集 、拖动系统的监控以及图像的显 示与处理提供了操作平台 。拖动电机的速度和运转 方向 、采样周期 、图像宽度等参数可预先设置 。图像 扫描时 ,可以直观看到动态展宽的实时检测图像 、图 像的灰度值 、几何放大倍数和对比度等显示参数 。 系统软件具有多种平滑 、锐化 、边沿提取和伪彩色等 数字图像处理功能 ,还可对图像中的可疑区进行局 部放大分析 。本系统还能对图像进行模式识别 ,自 动判断缺陷尺寸和性质 。 1. 7 拖动及计算机控制系统
TONG Jian2min , ZHOU Li2ye , L I Yi2qiang , GU Bo2hua ( Institute of Nuclear Energy Technology , Tsinghua University , Beijing 100084 , China)
Abstract : An industrial DR(digital radiograp hy) nondestructive testing system is described , in which 6C0o gamma2ray source is used. The workpiece inspected is laid on a drag flat which is running t hrough sector shadow of emission gamma2 ray in uniform velocity. The transmitting gamma2ray is detected by gas2pressurized ion chamber array. The signals are processed by PC to form two dimensional perspective image of t he workpiece. Then t he internal defects of t he workpiece can be detected. The system has t he advantages of large space penetrating , high performance of image quality and techni2 cal properties , low cost for running and maintenance , simple operation and high safety and reliability. So it has a wide ap2 plication prospect .
Keywords γ: radiograp hy ; Radiograp hic inspection system ; Digitized imaging
目前 ,应用感光胶片或荧光屏2电视系统成像的 传统射线无损检测技术已遍及各工业领域 ,但这些 系统在穿透厚度 、检测速度和动态范围等方面难以 满足在线检测要求 。现在射线无损检测领域正经历 从模拟型射线探测成像技术向采用阵列探测器及计 算机图像处理技术的射线数字成像技术 (DR) 的发 展 。由于普通阵列探测器在探测效率与探测灵敏度 方面的限制 ,现有的射线数字成像系统无法满足厚 重工件对穿透厚度的要求 。
铁穿透 厚度 mm
动态 范围
检测 速度 mm/ s
0. 44
1. 2
2. 0
210 ≥10 000 20
图 2 发动机曲轴检测图像
电等的抗干扰能力强 ,但现场需增加隔振措施 。 (5) 升级潜力大 在本系统基础上 ,在扫描过
程中加入工件旋转运动 ,增加三维图像重建软件 ,可 将本系统升级为工业 CT 无损检测系统 ,进一步提 高复杂工件内部微细缺陷 (如铸铁内部缩松 、夹渣 、 气孔等) 的检测能力 。
该系统可改变射线源强度 ,广泛适用于 20cm 铁 (或等效吸收厚度) 以下的不同质量厚度的检测对 象 。系统还可用于大中口径炮弹的装药量和底隙的 在线实时检测 。
1 系统组成
钴60 工业 DR 检测系统组成如图 1 所示 ,系统由 射线源装置 、准直器装置 、阵列电离室 、前置放大器 、 数据采集与转换系统 、图像处理系统以及拖动系统 组成 。除内部嵌有电机驱动卡 、A/ D 采集卡和显示 卡的工控机与图像监视器外 ,其它各模块均位于扫 描现场 。扫描现场与控制台的工控机之间的数据信
·292 ·
© 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
标准分享网 www.bzfxw.com
童建民等 : 6钴0 在射线数字成像检测系统中的应用
图 1 系统组成示意图
号和控制信号通过屏蔽电缆传送 。 1. 1 射线源装置
前准直器在垂直方向上出射角是固定的 ,照射 范围能完全包容被检工件 ,且略大于探测器的探测 范围 ;后准直器由两块平行铅块构成 ,缝宽可调节 。 1. 3 阵列电离室
阵列电离室由外壳 、探测窗 、绝缘子以及内部的 支撑基板和电极片构成 。内部充高压惰性气体 。探 测单 元 的 高 压 极 与 收 集 极 呈 交 错 排 列 , 间 距 为 1mm ,共 128 个探测单元 。每个像素的大小为 2mm ×10mm 。
拖动系统由传动装置 、工件平台 、步进电机 、驱 动器 、控制卡及行程开关等构成 。计算机控制系统 负责检测扫描的过程控制 、辐射安全连锁控制和系 统运行状态监控等 。可根据不同工件设计固定支架 和装卸工装 ,为确定工件内部缺陷深度 ,可将工件固 定在旋转定位支架上 ,进行 0°和 90°两次扫描 ,计算 机对两幅图像对照处理可确定缺陷位置 。
丝杠传动机构的轴向间隙很小 ,具有较高的重 复定位精度 。拖车步进精度为 12μm ,拖动系统的 速度调节范围为 0～30mm/ s ,速度波纹度 < 2 %。
2 系统性能指标
目前射线数字成像系统尚无国际和国内标准 , 参考现有 X 射线胶片成像标准 ,一般用以评价工业 DR 检测系统性能的指标有 ①像质计 ( IQ I) 指标 :一 定厚度铁板下能分辨出的丝型像质计的最细铁丝直 径或孔型像质计上的最小孔径与铁板厚度之比 。 ② 对比灵敏度 (CI) 指标 :一定厚度铁板下能观察到的 最薄铁片厚度与铁板厚度之比 。 ③穿透本领 ( SP) : 能够观察到后面全吸收体 (铅块) 的最大铁板厚度 。 ④动态范围 :系统空载情况下的输出信号与系统所 能测到的最小信号变化量之比 。 ⑤ 检测速度 :在保
扇形结构的外壳与探测单元保证了各探测单元 探测效率的一致性 ,同时也减弱了像素间的串扰 ,并 改善了探测器的空间响应特性 。电极排列采用错齿 式支撑与保护环结构 ,保证了电极片的平整与牢固 , 也解决了小像素电离室电极片间距过小时的漏电流 保护问题[2 ] 。该阵列电离室对60钴γ射线的平均探 测效率达 41. 8 %。 1. 4 电流积分型前置放大器阵列
(2) 运行维护费用低 系统用电负荷仅几百 瓦 ,耗电极省 。系统运行只需图像存储光盘 ,其成本 比胶片低得多 ,且数据管理方便 、灵活 ,可长期储存 。 探伤资料和产品相关信息可统一实现数字化管理 , 并与工厂信息系统联网 ,实现产品的全寿命质量跟 踪管理 ,提高产品质量监督管理水平 。
清华大学核研院研制成功的60钴工业 DR 检测 系统采用高灵敏度小像素气体阵列电离室 、电流积 分型前置放大器 (前放) 阵列及特殊的信号与图像处 理技术 ,使系统在对比灵敏度 、像质计指标 、铁穿透
收稿日期 :2002201218
厚度及检测速度等方面达到了较高的综合性能指 标 ,填补了我国曲轴 、凸轮轴及汽缸等厚重工件的高 能 X γ, 射线在线实时检测系统的空白 。
源装置包括移动式60 钴γ 射线工业探伤机[1 ] 、 源输送装置 、铅屏蔽罐和快门等 。系统选用60 钴源 的活度为 1. 11～11. 1 TBq (30～300Ci) ,可根据被检 工件的最大质量厚度选择 。60 钴γ 射线源的优点是 可产生高能光子 ,能量的单色性好 、输出稳定可靠 、 体积小 ,其能谱为稳定的双峰 ,能量分别为 11173 和 1. 332MeV ,半衰期为 5. 27a (年) 。 1. 2 准直器装置
3 系统特点
(1) 综合性能优良 系统空间分辨力指标已达 到胶片成像的国标要求 , IQ I 指标是在 散 射 体 为 10cm 铁板情况下得到的 ,常规 X 射线检测系统 、γ 胶片系统或γ荧光屏系统是难以达到的 。由于系统 的动态范围大 ,因而可获得胶片成像与荧光屏 ——— 图像增强器成像无法达到的对比灵敏度指标和穿透 能力 ,在被检测体质量厚度较大时 ,其优势更加明 显 。系统成像速度远高于胶片成像 ,对厚重工件可 根据其最大尺寸选择阵列探测器的探测单元数 ,对 每个工件能保证一次扫描完成检测 ,因此本系统可 实现在线实时检测 。
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童建民等 : 6钴0 在射线数字成像检测系统中的应用
证系统性能指标和图像质量的前提下 ,单位时间检 测工件的最大长度 。
系统采用专门研制的电流积分型前置放大器阵 列 。整个阵列布置在一块双面电路板上 ,满足了小 像素阵列探测器对前放体积限制的要求 。
该前放能对阵列探测器每一路信号电流实现连
续积分测量 ,死时间不到积分时间的百分之一 ,因此 系统在扫描成像中的射线强度信息几乎没有损失 。 在每个积分周期结束前 ,前放将上个周期信号电流 的积分结果经同轴电缆串行输出到位于控制台处的 工控机内 。前放的积分时间可通过系统软件设置 。 1. 5 数据采集与转换电路
本系统已用于部分工业零部件的无损检测 ,能 检查出铸件的气孔 、夹渣及缩松等缺陷 ,效果良好 。 图 2 为北京 212 型吉普车发动机曲轴的检测图像 ; 图 3 为大型柴油机铸铁缸盖的检测图像 (查缩松 、劈 缝 ,能看到 1mm 厚劈缝) ;图 4 为锁及电池的检测图 像 ;图5为大型柴油机铸铁活塞的检测图像 (查缩
关键词 :γ射线检验 ;射线检验系统 ;数字化成像 中图分类号 : T G115. 28 文献标识码 :A 文章编号 :100026656 (2002) 0720292203
APPL ICATION OF 6C0o SOURCE TO IND USTRIBaidu NhomakorabeaL D IGITAL RAD IOGRAPHIC NOND ESTRUCTIVE TESTING SYSTEM
第24卷第7期 2002年7月
无损检测 ND T
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Vol . 24 No . 7 J uly 2 0 0 2
60钴在射线数字成像检测系统中的应用
童建民 ,周立业 ,李毅强 ,顾伯华 (清华大学 核能技术设计研究院 ,北京 100084)
摘 要 :介绍一种工业射线数字成像 (DR) 检测系统 。该系统用60钴为γ射线源 ,被检工件放 置在拖动平台上 ,垂直匀速穿过射线扇形面 。由气体阵列电离室探测透射γ射线 ,信号经计算机处 理 ,形成工件的二维透视图像 ,从而检测工件内部缺陷 。该系统射线穿透本领大 、图像质量及综合 检测性能优良 、运行维护费用低 、占地面积小 、操作简便 、安全可靠 ,具有广阔的应用前景 。
表 1 列出了本系统各项性能指标 (60 钴源活度 约 2. 59 ×1012Bq) 。图 2 为北京 212 型吉普车发动 机曲轴的检测图像 。
表 1 60钴工业 D R 无损检测系统性能指标
对比灵敏 丝型像质 孔型像质
度/ %
计/ %
计/ %
(10cm 铁) (10cm 铁) (10cm 铁)
系统中的数据采集与转换功能由多功能数据采 集卡完成 。采集卡的最高采样频率为 100kHz ,转换 精度为 16bits ,采用外触发工作方式 。 1. 6 图像显示与处理软件
系统用 Microsoft Visual C + + 语言开发的多功 能软件 ,为数据采集 、拖动系统的监控以及图像的显 示与处理提供了操作平台 。拖动电机的速度和运转 方向 、采样周期 、图像宽度等参数可预先设置 。图像 扫描时 ,可以直观看到动态展宽的实时检测图像 、图 像的灰度值 、几何放大倍数和对比度等显示参数 。 系统软件具有多种平滑 、锐化 、边沿提取和伪彩色等 数字图像处理功能 ,还可对图像中的可疑区进行局 部放大分析 。本系统还能对图像进行模式识别 ,自 动判断缺陷尺寸和性质 。 1. 7 拖动及计算机控制系统
TONG Jian2min , ZHOU Li2ye , L I Yi2qiang , GU Bo2hua ( Institute of Nuclear Energy Technology , Tsinghua University , Beijing 100084 , China)
Abstract : An industrial DR(digital radiograp hy) nondestructive testing system is described , in which 6C0o gamma2ray source is used. The workpiece inspected is laid on a drag flat which is running t hrough sector shadow of emission gamma2 ray in uniform velocity. The transmitting gamma2ray is detected by gas2pressurized ion chamber array. The signals are processed by PC to form two dimensional perspective image of t he workpiece. Then t he internal defects of t he workpiece can be detected. The system has t he advantages of large space penetrating , high performance of image quality and techni2 cal properties , low cost for running and maintenance , simple operation and high safety and reliability. So it has a wide ap2 plication prospect .
Keywords γ: radiograp hy ; Radiograp hic inspection system ; Digitized imaging
目前 ,应用感光胶片或荧光屏2电视系统成像的 传统射线无损检测技术已遍及各工业领域 ,但这些 系统在穿透厚度 、检测速度和动态范围等方面难以 满足在线检测要求 。现在射线无损检测领域正经历 从模拟型射线探测成像技术向采用阵列探测器及计 算机图像处理技术的射线数字成像技术 (DR) 的发 展 。由于普通阵列探测器在探测效率与探测灵敏度 方面的限制 ,现有的射线数字成像系统无法满足厚 重工件对穿透厚度的要求 。
铁穿透 厚度 mm
动态 范围
检测 速度 mm/ s
0. 44
1. 2
2. 0
210 ≥10 000 20
图 2 发动机曲轴检测图像
电等的抗干扰能力强 ,但现场需增加隔振措施 。 (5) 升级潜力大 在本系统基础上 ,在扫描过
程中加入工件旋转运动 ,增加三维图像重建软件 ,可 将本系统升级为工业 CT 无损检测系统 ,进一步提 高复杂工件内部微细缺陷 (如铸铁内部缩松 、夹渣 、 气孔等) 的检测能力 。
该系统可改变射线源强度 ,广泛适用于 20cm 铁 (或等效吸收厚度) 以下的不同质量厚度的检测对 象 。系统还可用于大中口径炮弹的装药量和底隙的 在线实时检测 。
1 系统组成
钴60 工业 DR 检测系统组成如图 1 所示 ,系统由 射线源装置 、准直器装置 、阵列电离室 、前置放大器 、 数据采集与转换系统 、图像处理系统以及拖动系统 组成 。除内部嵌有电机驱动卡 、A/ D 采集卡和显示 卡的工控机与图像监视器外 ,其它各模块均位于扫 描现场 。扫描现场与控制台的工控机之间的数据信
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图 1 系统组成示意图
号和控制信号通过屏蔽电缆传送 。 1. 1 射线源装置
前准直器在垂直方向上出射角是固定的 ,照射 范围能完全包容被检工件 ,且略大于探测器的探测 范围 ;后准直器由两块平行铅块构成 ,缝宽可调节 。 1. 3 阵列电离室
阵列电离室由外壳 、探测窗 、绝缘子以及内部的 支撑基板和电极片构成 。内部充高压惰性气体 。探 测单 元 的 高 压 极 与 收 集 极 呈 交 错 排 列 , 间 距 为 1mm ,共 128 个探测单元 。每个像素的大小为 2mm ×10mm 。
拖动系统由传动装置 、工件平台 、步进电机 、驱 动器 、控制卡及行程开关等构成 。计算机控制系统 负责检测扫描的过程控制 、辐射安全连锁控制和系 统运行状态监控等 。可根据不同工件设计固定支架 和装卸工装 ,为确定工件内部缺陷深度 ,可将工件固 定在旋转定位支架上 ,进行 0°和 90°两次扫描 ,计算 机对两幅图像对照处理可确定缺陷位置 。
丝杠传动机构的轴向间隙很小 ,具有较高的重 复定位精度 。拖车步进精度为 12μm ,拖动系统的 速度调节范围为 0～30mm/ s ,速度波纹度 < 2 %。
2 系统性能指标
目前射线数字成像系统尚无国际和国内标准 , 参考现有 X 射线胶片成像标准 ,一般用以评价工业 DR 检测系统性能的指标有 ①像质计 ( IQ I) 指标 :一 定厚度铁板下能分辨出的丝型像质计的最细铁丝直 径或孔型像质计上的最小孔径与铁板厚度之比 。 ② 对比灵敏度 (CI) 指标 :一定厚度铁板下能观察到的 最薄铁片厚度与铁板厚度之比 。 ③穿透本领 ( SP) : 能够观察到后面全吸收体 (铅块) 的最大铁板厚度 。 ④动态范围 :系统空载情况下的输出信号与系统所 能测到的最小信号变化量之比 。 ⑤ 检测速度 :在保
扇形结构的外壳与探测单元保证了各探测单元 探测效率的一致性 ,同时也减弱了像素间的串扰 ,并 改善了探测器的空间响应特性 。电极排列采用错齿 式支撑与保护环结构 ,保证了电极片的平整与牢固 , 也解决了小像素电离室电极片间距过小时的漏电流 保护问题[2 ] 。该阵列电离室对60钴γ射线的平均探 测效率达 41. 8 %。 1. 4 电流积分型前置放大器阵列
(2) 运行维护费用低 系统用电负荷仅几百 瓦 ,耗电极省 。系统运行只需图像存储光盘 ,其成本 比胶片低得多 ,且数据管理方便 、灵活 ,可长期储存 。 探伤资料和产品相关信息可统一实现数字化管理 , 并与工厂信息系统联网 ,实现产品的全寿命质量跟 踪管理 ,提高产品质量监督管理水平 。
清华大学核研院研制成功的60钴工业 DR 检测 系统采用高灵敏度小像素气体阵列电离室 、电流积 分型前置放大器 (前放) 阵列及特殊的信号与图像处 理技术 ,使系统在对比灵敏度 、像质计指标 、铁穿透
收稿日期 :2002201218
厚度及检测速度等方面达到了较高的综合性能指 标 ,填补了我国曲轴 、凸轮轴及汽缸等厚重工件的高 能 X γ, 射线在线实时检测系统的空白 。
源装置包括移动式60 钴γ 射线工业探伤机[1 ] 、 源输送装置 、铅屏蔽罐和快门等 。系统选用60 钴源 的活度为 1. 11～11. 1 TBq (30～300Ci) ,可根据被检 工件的最大质量厚度选择 。60 钴γ 射线源的优点是 可产生高能光子 ,能量的单色性好 、输出稳定可靠 、 体积小 ,其能谱为稳定的双峰 ,能量分别为 11173 和 1. 332MeV ,半衰期为 5. 27a (年) 。 1. 2 准直器装置
3 系统特点
(1) 综合性能优良 系统空间分辨力指标已达 到胶片成像的国标要求 , IQ I 指标是在 散 射 体 为 10cm 铁板情况下得到的 ,常规 X 射线检测系统 、γ 胶片系统或γ荧光屏系统是难以达到的 。由于系统 的动态范围大 ,因而可获得胶片成像与荧光屏 ——— 图像增强器成像无法达到的对比灵敏度指标和穿透 能力 ,在被检测体质量厚度较大时 ,其优势更加明 显 。系统成像速度远高于胶片成像 ,对厚重工件可 根据其最大尺寸选择阵列探测器的探测单元数 ,对 每个工件能保证一次扫描完成检测 ,因此本系统可 实现在线实时检测 。
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童建民等 : 6钴0 在射线数字成像检测系统中的应用
证系统性能指标和图像质量的前提下 ,单位时间检 测工件的最大长度 。
系统采用专门研制的电流积分型前置放大器阵 列 。整个阵列布置在一块双面电路板上 ,满足了小 像素阵列探测器对前放体积限制的要求 。
该前放能对阵列探测器每一路信号电流实现连
续积分测量 ,死时间不到积分时间的百分之一 ,因此 系统在扫描成像中的射线强度信息几乎没有损失 。 在每个积分周期结束前 ,前放将上个周期信号电流 的积分结果经同轴电缆串行输出到位于控制台处的 工控机内 。前放的积分时间可通过系统软件设置 。 1. 5 数据采集与转换电路