以CS探測(cè)器為記錄介質(zhì)的數(shù)字化射線檢測(cè)技術(shù)，檢測(cè)精度高、溫度適應(yīng)性好、結(jié)構(gòu)適應(yīng)性強(qiáng)。CMOS射線掃描探測(cè)器探測(cè)單元排成線陣列，需要在檢測(cè)時(shí)進(jìn)行相對(duì)掃描運(yùn)動(dòng)，逐線采集并拼成完整的透照投影圖像。介紹了檢測(cè)工裝設(shè)計(jì)，完成了探測(cè)器的固定、位置調(diào)節(jié)及實(shí)現(xiàn)與檢測(cè)工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。介紹了檢測(cè)應(yīng)用中的探測(cè)器配置與校準(zhǔn)、透照方式選取、運(yùn)動(dòng)速度控制、檢測(cè)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(cè)器能夠?qū)崿F(xiàn)大多數(shù)產(chǎn)品零部件的射線檢測(cè)。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(cè)器簡(jiǎn)介

　　射線檢測(cè)技術(shù)利用X射線探測(cè)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(jìn)步，射線檢測(cè)從傳統(tǒng)的以膠片為記錄介質(zhì)的照相方法不斷擴(kuò)展，形成了多種數(shù)字化射線檢測(cè)手段，如底片的數(shù)字化處理技術(shù)(Film Digitisation)、射線實(shí)時(shí)成像技術(shù)(Radioscopy)、計(jì)算機(jī)射線成像系統(tǒng)(Computed Radiography)和射線數(shù)字直接成像檢測(cè)技術(shù)(Direct Radiography)等[1]。實(shí)際應(yīng)用中需要根據(jù)檢測(cè)要求的分辨率和相對(duì)靈敏度選用合適的方法。相對(duì)于其它射線記錄介質(zhì)(如CCD、多晶硅等)，CMOS(互補(bǔ)的金屬氧化硅)技術(shù)更具有性能優(yōu)勢(shì)。目前，CMOS探測(cè)器的最小像素尺寸可達(dá)39μm，檢測(cè)精度較高，溫度適應(yīng)性好，結(jié)構(gòu)適應(yīng)性強(qiáng)。

　　較之龐大的增強(qiáng)器成像系統(tǒng)，CMOS射線掃描探測(cè)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(gè)探測(cè)點(diǎn)都有自己的放大器進(jìn)行單獨(dú)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(cè)點(diǎn)單元將光線轉(zhuǎn)換為電子，每個(gè)探測(cè)點(diǎn)單元有自己的放大器將電信號(hào)放大，最后在探測(cè)器內(nèi)對(duì)信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，形成二進(jìn)制編碼傳送到計(jì)算機(jī)。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(cè)分辨率為6 lp/mm，檢測(cè)圖像達(dá)到4096級(jí)灰度。

CMOS探測(cè)器的檢測(cè)應(yīng)用

2.1 檢測(cè)流程

　　由于CMOS射線探測(cè)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(cè)物體的圖像，需要進(jìn)行相對(duì)掃描運(yùn)動(dòng)，逐線采集并拼成完整的投影圖像。獲取檢測(cè)圖像時(shí)要求射線能量波動(dòng)盡可能小且可長(zhǎng)時(shí)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(diǎn)3.0 mm，小焦點(diǎn)2.O mm)。采用CMOS線性X射線掃描探測(cè)器進(jìn)行射線檢測(cè)的流程為：探測(cè)器配置及校準(zhǔn)一確定透照方式，調(diào)節(jié)位置參數(shù)一相對(duì)運(yùn)動(dòng)，獲取掃描圖像一圖像處理，缺陷分析。

2.2 檢測(cè)工裝設(shè)計(jì)

　　探測(cè)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(duì)位置傾斜和偏移等現(xiàn)象。因此，需設(shè)計(jì)合適的成像工裝，以完成探測(cè)器的固定、位置調(diào)節(jié)及實(shí)現(xiàn)與檢測(cè)工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。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(cè)不同類型工件)。

　　本著簡(jiǎn)便、實(shí)用的原則，在已有射線實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行檢測(cè)工裝設(shè)計(jì)，即檢測(cè)時(shí)將檢測(cè)工件放在載物臺(tái)上，可實(shí)現(xiàn)左右平移、繞垂直軸旋轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng);探測(cè)器通過工裝固定于射線實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)增強(qiáng)器運(yùn)動(dòng)軸上，可實(shí)現(xiàn)垂直升降和前后平動(dòng)。另外，探測(cè)器還可實(shí)現(xiàn)一定角度的旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)。通過與實(shí)時(shí)成像檢測(cè)系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)多種類型工件的射線檢測(cè)。此外，應(yīng)用時(shí)對(duì)于工件還要設(shè)計(jì)固定定位工裝。

2.3 探測(cè)器配置與校準(zhǔn)

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

　　對(duì)于新的檢測(cè)對(duì)象，首先配置好采集圖像相關(guān)的參數(shù)(積分時(shí)間、掃描精度以及是否迭加平均)，然后開始進(jìn)行探測(cè)器校準(zhǔn)。校準(zhǔn)時(shí)還要考慮焦距及物距的影響。一般校準(zhǔn)時(shí)需進(jìn)行三個(gè)步驟：①關(guān)閉射線源，探測(cè)器進(jìn)行偏置校準(zhǔn)。②開啟射線源，調(diào)節(jié)到檢測(cè)需使用的電流電壓值，使探測(cè)器的線陣列輸出信號(hào)達(dá)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(hào)降低為更大信號(hào)的一半。校準(zhǔn)的結(jié)果以文件形式存儲(chǔ)，可供以后的檢測(cè)調(diào)用。但調(diào)用后若再更改其中的校準(zhǔn)參數(shù)，則需重新校準(zhǔn)后才能進(jìn)行檢測(cè)。

　　對(duì)于大多數(shù)檢測(cè)對(duì)象，在實(shí)際檢測(cè)時(shí)應(yīng)用的電流、電壓值較高，在進(jìn)行探測(cè)器校準(zhǔn)時(shí)輸出信號(hào)早已飽和。為解決這一問題，根據(jù)不同厚度的檢測(cè)情況，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的校準(zhǔn)用檢測(cè)試板。試板厚度均勻，在校準(zhǔn)步完成后將試板放在射線源窗口，然后開啟射線進(jìn)行下一步校準(zhǔn)操作。

2.4 透照方式選取

(1)平動(dòng)方式適用于平板焊縫類工件的射線檢測(cè)，檢測(cè)時(shí)保持探測(cè)器與射線源位置相對(duì)固定，將工件放在載物臺(tái)上，以合適的速度沿X軸平行移動(dòng)。對(duì)于管、筒上的環(huán)形焊縫，如果采用平動(dòng)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(cè)結(jié)果評(píng)定，并且需要旋轉(zhuǎn)多個(gè)角度才能完成全部檢測(cè)，降低了檢測(cè)靈敏度(圖2a)，某些情況下由于厚度太大而不能實(shí)現(xiàn)透照檢測(cè)。

(2)旋轉(zhuǎn)方式要求調(diào)節(jié)相對(duì)位置使工件放在載物臺(tái)回轉(zhuǎn)中心，且與射線束中心、探測(cè)器中心處于一條直線上。對(duì)于筒形件，通過工裝將探測(cè)器置于工件內(nèi)部，盡可能貼近檢測(cè)部位，采用單壁單影的方式透照;對(duì)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(cè)效率(圖2b)。對(duì)于回轉(zhuǎn)類工件，采用旋轉(zhuǎn)方式成像具有突出的優(yōu)點(diǎn)，可提高圖像質(zhì)量，縮短檢測(cè)時(shí)問。

2.5 運(yùn)動(dòng)速度控制

　　由于探測(cè)器必須有相對(duì)運(yùn)動(dòng)才能成像，因此需要將運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)速度需越低。

2.7 缺陷定量分析

　在進(jìn)行圖像尺寸測(cè)量時(shí)，需要將經(jīng)過計(jì)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(shí)成像。每次評(píng)定前，應(yīng)作一次標(biāo)定，缺陷測(cè)量時(shí)進(jìn)行對(duì)比或通過公式將圖像尺寸轉(zhuǎn)化為真實(shí)尺寸。為此，設(shè)計(jì)了專用的測(cè)量評(píng)片用試片(圖3)，試片也可用于檢測(cè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度是否匹配。

　　尺寸標(biāo)定完成后，通過圖像處理方法實(shí)現(xiàn)缺陷定量分析。選用Cany邊緣檢測(cè)算法進(jìn)行缺陷邊緣定位。接著對(duì)檢測(cè)出的邊緣進(jìn)行細(xì)線化處理。然后通過搜索每條邊緣線端點(diǎn)為中心的5×5或更大的鄰域，找出其它端點(diǎn)并進(jìn)行填充，完成邊緣點(diǎn)連接，去除邊緣檢測(cè)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(diǎn)的連通性，進(jìn)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(cè)量用，最后完成缺陷參數(shù)計(jì)算[3]。

2.8 圖像存檔管理

　　檢測(cè)結(jié)果以數(shù)字圖像形式存放在計(jì)算機(jī)上，為便于對(duì)檢測(cè)圖像進(jìn)行統(tǒng)一管理，筆者自行設(shè)計(jì)了圖像文件的管理數(shù)據(jù)庫，記錄檢測(cè)信息(工件名、檢測(cè)日期等)、成像參數(shù)和檢測(cè)評(píng)定結(jié)果等。

3應(yīng)用結(jié)論及問題分析

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

　　通過試驗(yàn)優(yōu)化等方法，成功地將探測(cè)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(cè)，提高了檢測(cè)效率，降低了檢測(cè)成本。為更好地促進(jìn)數(shù)字化射線檢測(cè)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(cè)及仿真[4]，為檢測(cè)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(dòng)化、半自動(dòng)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(cè)標(biāo)準(zhǔn)。

射線檢測(cè)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(duì)于鋼鐵制造業(yè)的技術(shù)進(jìn)步發(fā)揮了巨大的作用。其中檢測(cè)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(jìng)爭(zhēng)要素中,檢測(cè)技術(shù)與裝備也是重要的組成部分，我國(guó)鋼鐵生產(chǎn)過程配備的自動(dòng)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(cè)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(cè)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(cè)、噴煤量等的連續(xù)檢測(cè)要求,促進(jìn)并實(shí)現(xiàn)了在線水分、灰分和紅外溫度測(cè)量及成像技術(shù)以及氣固兩相流檢測(cè)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(cè)技術(shù)。爐頂爐身氣體分析和爐內(nèi)紅外成像技術(shù)對(duì)于爐況控制的作用等;爐身各溫度檢測(cè)對(duì)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(cè)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(zhǔn)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(gè)過程的自動(dòng)控制系統(tǒng)，以預(yù)測(cè)模型控制方式的煉鋼過程控制,在吹氧、氬和爐氣分析實(shí)時(shí)測(cè)量和鋼水溫度、含碳量等高速采樣檢測(cè)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(cè)量準(zhǔn)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(cè)性,特別是精煉過程控制。在國(guó)外煉鋼過程實(shí)時(shí)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(shí)間可以在1秒內(nèi),極大改進(jìn)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(cè)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(cè)參數(shù)。此過程除了控制溫度以取得材料的強(qiáng)度特性等,的尺寸和鋼材外形控制也是軋鋼過程檢測(cè)的特點(diǎn)之一。產(chǎn)品與過程控制對(duì)于檢測(cè)的速度和精度要求以及參數(shù)的多樣化都是檢測(cè)技術(shù)的要點(diǎn)。鋼液渣層檢測(cè)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(cè)以取得控制澆鋼過程夾渣量的效果。

　　在線非接觸尺寸測(cè)量技術(shù)和裝置在開發(fā)之前,軋鋼過程的高速自動(dòng)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(cè)量,解決了各種鋼材軋制工藝的測(cè)量控制要求,并且使生產(chǎn)過程高速、高精度成為現(xiàn)實(shí)?，F(xiàn)在的冷板材軋制中厚度精度可以達(dá)到千分之一的精度等級(jí),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(shí)多體現(xiàn)為隱性板形缺陷,因?yàn)槔滠堜摪灞容^薄,在帶張力軋制時(shí)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(cè)張力(應(yīng)力)方法檢測(cè)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(cè)量板形,熱軋過程測(cè)量是在相對(duì)高的振動(dòng)和高溫、水汽以及氧化層、粉塵等的干擾下實(shí)現(xiàn)的。同時(shí)鋼板軋鋼過程中板材的X射線厚度及厚度分布測(cè)量、激光速度和長(zhǎng)度測(cè)量、紅外溫度掃描和成像、CCD鋼板寬度測(cè)量和板頭尾形狀測(cè)量等技術(shù)和裝備的開發(fā),極大提高了軋鋼自動(dòng)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(shí)時(shí)測(cè)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(cè)量裝置,線棒測(cè)徑及橢圓度儀,激光測(cè)厚和外型輪廓儀,激光超聲管壁厚度測(cè)量?jī)x等使得工藝控制需求得到滿足。

　　鋼板涂層和鍍層在檢測(cè)技術(shù)上,產(chǎn)生并發(fā)展了鋼板電鍍層厚度的檢測(cè)、熱鍍層厚度測(cè)量和鋼板有機(jī)涂層厚度的檢測(cè)技術(shù)。另外,鋼板表面缺陷檢測(cè)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(cè)控制。