射线检测技术第7章 数字射线成像检测技术课件.ppt

第7章 射线数字成像检测技术,主要内容,常规胶片照相与数字射线照相图像增强器的成像系统线阵列DR技术平板探测器（面阵列）DR技术射线数字成像系统射线数字成像系统的主要性能指标射线数字成像基本技术图像质量、评定及存贮平板DR检测工艺卡胶片/CR/DR对比射线检测技术的发展方向数字射线照相需要解决的问题,1. 常规胶片照相与数字射线照相,1.1 常规胶片照相,胶片照相是工业射线照相的主要方式。胶片照相法的不足检测周期长(布片、暗室处理等)、检测效率低成本偏高(胶片价格上涨快)底片保管困难底片难以共享、不利于环境保护等。射线检测的发展趋势：数字射线照相检测典型代表：射线CR和DR,1.2 数字射线照相,什么是数字射线照相？射线数字成像（ray digital radiography）是指采用射线数字探测器接收射线，可输出数字图像并进行数字图像处理的一种成像方法。 典型特征是检测结果是数字化图像。,数字图像,数字图像,f(x,y)表示数字图像在(x,y)坐标处的亮度值亮度值取决于量化位数和射线强度量化位数(bit)8位：0-25516位：0-65535位数越高，量化越准确，但占用空间越大,模拟图像与数字图像,模拟图像是空间坐标和幅度都连续变化的图像。 射线照相得到的底片图像就是模拟图像；数字图像是空间坐标和幅度均用离散的数字表示的图像。 特点：时间和幅度都是离散化的。,1.3数字射线照相技术种类,面阵列探测器成像技术线阵列探测器技术积累型CCD成像探测器技术图像增强器+CCD成像技术。,1.4 数字射线检测的优点,检测结果数字化，降低了废片率，低剂量化。 量子检测效率高于胶片，以德国德尔公司的CR 35为例，CR成像的曝光时间仅仅为一般胶片的1/3-1/2，曝光量减少近60%，降低了X射线机的负荷，相对地延长了X射线机的使用寿命。不需要胶片，不需暗室处理，更环保经济。远程评片 现状：数字射线成像在我国应用远不如胶片照相，在于数字射线检测的灵敏度低于胶片照相的灵敏度，技术、工艺准备上不足。,1.5 胶片照相与数字射线照相的对比,胶片与探测器原子与比特(Bit)颗粒与像素黑度与灰度底片与数字图像检测工艺的变化检测报告的变化,检测工艺的变化,采用数字射线成像时，包括射线源到工件的距离工件到射线探测设备的距离射线入射方向曝光曲线的制作方法基准灰度的选取信噪比合格图像的质量要求等工艺指标都将发生变化。,检测报告的变化,数字射线成像的检测报告不再包含暗室处理的操作，包括数字图像灰度信噪比焦距验收标准等内容应体现在检测报告中。,2. 图像增强器的数字成像系统,2.1 早期的射线实时成像检验系统,荧光屏射线照射荧光物质产生荧光将X射线照相的强度分布转换为可见光图像不足：图像亮度低颗粒粗对比度低细节显示不清灵敏度远低于胶片图像限制了实际应用,2.2 图像增强器射线实时成像检验系统,1-射线源； 2-工件与机械驱动系统； 3-图象增强器； 4-摄像机5-图象处理器； 6-计算机； 7-显示器,增强亮度,系统构成,射线源机械装置图像增强器图像采集和处理单元显示和存储单元控制单元,2.3工作原理,原理输入转换屏吸收入射射线并将其能量转换为荧光发射，光电层将荧光能量转换为电子发射。发射的电子在聚焦电极的高压作用下被聚焦和加速，高速撞击到输出屏上。输出屏将电子能量转换为可见光发射。输出屏上的可见光图像，经光学系统由摄像机拾取，将图像信号转换为视频信号，经A/D转换后送入图像处理单元。转换过程：射线 荧光 电子 荧光,2.4系统主要指标,该系统可以采用静态检测方式和动态方式获得检测图像。该系统的动态范围可以达到2000：1。图像增强器输入屏的不清晰度一般在0.3mm左右中心空间分辨率的典型值为46Lp/mm（线对/毫米）。为了获得高空间分辨率，需要采用小或微焦点射线源以及适当的放大倍数。,2.5发展趋势,工业X 射线影像增强器和一台高分辨率CCD 数字摄像机组成，可传输视频信号和数字信号进行图像处理。,2.6优点与局限性,优点：实时不使用胶片检测结果数字化局限性：空间分辨率和清晰度低于胶片射线照相体积较大、不灵活设备一次投资较大,3. 线阵列射线DR技术,3.1线阵列射线DR检测系统,1X射线管 2准直后的X射线束 3工件 4传动装置 5LDA探测器 6数据采集和控制系统 7显示器,225kV X射线工业DR/CT系统,3.2系统构成,该系统一般由射线源机械装置线阵列探测器图像采集、显示与处理单元等构成。,线阵列探测器是该系统的核心器件。可以是非晶硅、非晶硒，或闪烁体与CCD、CMOS构成的线阵列探测器。线阵探测器是将一种新型的射线探测元件排列成一个阵列，并将它们直接与一块大规模集成电路连接在一起，同步完成射线接收、光电转化、数字化的全过程。,3.3线阵DR成像原理,荧光屏或闪烁体接受入射X射线的能量，发出可 见光，感光二极管受到可见光的照射，产生电压信号。该信号经过集成电路的处理变成14位(或16位)的数字信号发给计算机。 闪烁体/荧光物质+光电二极管,3.4 线阵DR工作过程,线阵探测器的扫查方式是线型扫描，每次扫描结果是一条直线，一条条直线排列组成一幅图像。检测时工件移动，经过相对固定的线阵探测器的扫查，得到一幅连续的图像。该装置的动态范围大(相当于胶片宽容度)，超过了普通胶片，可以获得更多的图像细节信息，图像质量完全达到了胶片照相的效果,理论分析表明：在相同象素尺寸的条件下，线阵探测器比面阵探测器具有更好的图像质量。线阵扫描成像是通过探测器、射线源和被透照物体的相对运动来进行图像合成的，因而必须保证探测器的曝光时间与相对运动速度严格同步，否则合成的图像将会产生严重的几何变形。,3.5系统特性,X射线线阵探测器可承受20kV450kV能量的X射线直接照射，具有在强磁场中稳定工作的能力，无老化现象。由于采用线阵列探测器，系统有较高的空间分辨率和动态范围，空间分辨率可以达到46Lp/mm。 线阵列探测器的像素尺寸小于面阵列探测器的像素尺寸，因此前者较后者有更高的空间分辨率。 该系统的动态范围可达到 4000：1，因此，可以一次性实现透照厚度变化大的工件成像检测。 容易采用准直缝，能有效地防护散射线，改善图像质量。,3.6 线阵DR应用,某型铸件DR检测,某型铸件DR检测,小直径管DR检测,铝板疲劳裂纹DR检测,焊接缺陷,铝合金焊缝DR检测,搅拌摩擦焊DR检测,铁路,芯盘,K6侧架双面,牵引梁,3.7 线阵DR的优点与不足,优点：直接成像-数字化线阵探测器散射线防护容易实现不足：检测结果易受校正结果的影响需要上下运动-多次反复，检测效率低存在运动模糊探测器不能弯曲、体积较大。,4. 平板探测器DR检测技术,4.1 平板DR成像,以平板探测器代替胶片进行射线照相检测，平板探测器是当代最先进的射线接收装置。平板DR成像种类 非晶硅+光电二极管阵列+薄膜晶体管阵列 非晶硒+薄膜晶体管阵列 CMOS,4.2 平板探测器,非晶硒型平板探测器,PE系列平板探测器,CMOS平板探测器,4.3 平板探测器DR系统组成,该系统的构成一般由射线源、面阵列探测器、图像采集、显示与处理单元等构成。由于该系统可一次曝光形成检测图像，而不需要平移或旋转工件进行多次扫描，所以与与线阵列扫描成像系统相比，不需要机械传动装置。面阵列探测器是该系统的核心器件。面阵列探测器一般采用的是非晶硅、非晶硒、CMOS阵列构成的探测器。,4.4工作原理,该系统的工作原理类似于线阵列探测器成像系统，只不过是通过面阵列探测器对射线探测、转换、处理，完成检测图像的数字化。工作过程是采用静态方式获得检测图像，而不像线阵列探测器成像系统是采用动态扫描方式获得图像。,工作原理示意图,平板面阵列DR扫描系统工作原理示意图,5.射线数字成像系统,主要由射线机、射线接收转换装置（探测器）、计算机系统（图像采集单元、图像处理单元、图像显示单元、图像存储单元）、机械传动装置及检测工装等组成。,射线源,按照探测器适用的射线能量，射线源可以选择常规X射线机、r射线源或加速器X射线源。 （1）焦点尺寸的选择 （2）恒电位 （3）连续工作,射线源的焦点尺寸,X射线源焦点尺寸越小，图像清晰度越高。因此，为了得到质量较高的DR图像，应尽量选用焦点尺寸较小的X射线源。,焦点尺寸1.0mm,焦点尺寸5.5mm,射线探测器,根据不同的检测要求和检测条件，可选择下列射线探测器：1）面阵列探测器；2）线阵列探测器；3）积累型CCD成像探测器；4）图像增强器+CCD；5）其他具有上述类似功能的探测器。,平板探测器的选择,闪烁体类型有效像素数量像素尺寸AD位数射线能量范围最大刷新频率动态范围平板校正效果开放数据接口(提供驱动)数据端口(支持千兆以太网端口)密度分辨率与空间分辨率,计算机系统,计算机系统包括图像采集单元:利用视频图像采集卡完成检测图像数据的采集。图像处理单元:利用图像处理软件对采集的原始图像进行降噪、对比度增强、边缘增强等处理 图像显示单元:图像显示采取黑白方式显示图像 图像存储单元:检测图像可储存在数字光盘等介质中,软件系统,包含成像系统软件和图像浏览软件。成像系统软件通常可有以下功能模块：1）检测工艺参数设置；2）检测机械控制或通讯；3）图像采集、显示、存储；4）系统标定；5）几何标定；6）图像处理；7）图像几何测量；8）图文标注。,机械传动装置,对于线阵列探测器数字成像技术，探测器每次采集的仅是图像的一行或一列数据，只能通过扫描方式完成一个部位检测图像的采集，因此这种系统必须有机械传动装置，在机械装置的驱动下，随着工件与射线源、探测器做相对运动，完成检测。因此要求机械传动装置可进行水平运动或旋转运动，运动速度可调且运动平稳。,检测工装或流水线,为实现工件的连续检测，应有必要的检测工装设备或流水线，且应具有较高的机械精度。,小口径蛇形管检测自动线工装,6 射线数字成像系统的主要性能指标,系统空间分辨率图像可识别线条分离最小间距，用每毫米范围内的可识别线对数表示时单位为：Lp/mm (线对/毫米)测试方法：线对测试卡和双丝像质计不清晰度：影像边界模糊区域的宽度对比灵敏度从图像可识别的透照厚度百分比对比灵敏度试块,1）空间分辨率,一对黑白相间的线条称为一个“线对”，在单位宽度内能分辨清楚的线对数越多，表示图像越清晰，分辨率越高。其中d是通过图像刚好能识别的栅条宽度。例如，通过图像刚好能识别的栅条宽度为0.25mm，则空间分辨率为2.0lp/mm。空间分辨率与数字图像的像素大小和多少有关。像素的大小决定空间分辨率，像素越小，空间分辨率就越大。 例如，像素尺寸大小为0.46mm0.46mm，即460m460m，那么按上式，空间分辨率大小就是1/（0.462）1.1Lp/mm,空间分辨率测定-分辨率测试卡,扇型分辨率测试卡和线型分辨率测试卡无论哪种设计的线对卡，其基本结构都是由高密度材料（常用铅箔）的栅条和间距形成占空比为1：1的线对图样，即栅条的间距等于栅条的宽度，密封在低密度材料（常用透明塑料薄板）中构成。塑料厚度约1mm，铅箔厚度等于最窄栅条的宽度。,线对测试卡,空间分辨率测定-双丝像质计,根据EN462-5标准规定双丝像质计是由放置于刚性半透明塑料盒中的13个线对组成，塑料厚度约为1mm。双丝像质计丝的直径与丝与丝之间的距离相等(即栅条和间距形成占空比为1：1的线对图样)，每个线对包含两条圆形截面的线。1D至3D线对是金属钨，其它线对是金属铂。,2.5lp/mm,2.8lp/mm,空间分辨率测定,2）图像不清晰度,与图像分辨率有关的另外一个概念是图像的清晰度射线数字图像的不清晰度的概念类似，也是指一个明锐的边界成像后的影像会变得模糊，模糊区域的宽度（半影区）即为图像不清晰度，单位是毫米（mm）。它是几何不清晰度、固有不清晰度和运动不清晰度等因素的综合作用结果。可以用双丝型像质计测量图像不清晰度 不清晰度值按确定 其中，d为图像上不能清晰区分细节的尺寸（如丝对的丝径值或栅条宽度）。,系统分辨率和图像分辨率,射线数字成像系统的空间分辨率、不清晰度分别有系统分辨率和图像分辨率，以及系统不清晰度和图像不清晰度的概念，应加以区分。系统分辨率和系统不清晰度是将测试卡紧贴在射线探测器输入屏表面中心区域测得，图像分辨率和图像不清晰度将射线检测图像分辨率测试卡置于被检测工件位置，与被检工件（如焊缝）同时透照测得。所以图像分辨率和图像不清晰度反映的是实际检测过程中的数值。系统分辨率是放大倍数等于或接近于1时的图像分辨率，它排除了工艺因素对图像质量的影响，纯粹反映了 射线数字成像设备本身的分辨能力，也称为固有分辨率。,3）对比灵敏度,对比度灵敏度定义为能在图像上产生可识别光学密度变化的试样上最小厚度差，通常是用该最小厚度差占试样总厚度的百分比表示。它限定了所能识别的、沿射线束方向的缺陷的最小尺寸。增加射线剂量、降低图像探测器的动态范围和增加信号增益可以大幅度提高图像对比灵敏度，但宽容度下降。 ASTM E1647 标准规定，对比灵敏度采用对比灵敏度计测定。对比灵敏度计上有四个平底方孔，其深度分别为对比灵敏度计厚度的1%，2%，3%和4%。,对比灵敏度试块,方形试块,圆形试块,单帧采集图像,10帧采集处理,4）信噪比,数字成像系统的检测特征信号和噪声以信噪比（SNR）的形式表示，SNR信号强度/噪声强度，即有用的数字图像信息/无用的噪声信号信息。在X射线数字成像检测中，采用相对较低的管电压值和适宜的曝光量（不能太高），可以适当提高信噪比。,空间分辨率、信噪比、动态范围之间的关系,增加空间分辨率，只好减小像素颗粒尺寸、增加像素密度,即增加单位面积内的像素数量，也就是增加像素矩阵大小。单位像素的面积越小，就会使每一像素检测到的X射线光子数大大减少，每个像素的感光性能越低，每一像素点的信噪比降低，动态范围变窄。,像素大小和噪声之间的关系,7射线数字成像基本技术,射线数字检测技术与射线照相技术的透照检测基本相似，但由于射线探测器不同，所以透照技术还是存在差别。透照技术包括透照布置、透照方式、透照参数选择、标记和像质计放置、散射线防护等。,7.1成像检测技术分级,成像检测技术分级 A 级：基本技术 B 级：优化技术,7.2透照布置与成像方式,射线数字成像的透照方式与胶片照相方法基本相同，既要考虑射线透照方向，又要考虑射线源、工件、探测器的相对位置，以及透照方式。在射线数字成象检验技术中，一般采用放大透照布置,M = F/f,射线数字检测技术的透照和成像方式同样有纵缝外透法、内透法，环缝外透法、内透法，双壁单影法和双壁双影法。由于采用线阵列探测器成像技术，以及小直径管对接环缝的成像方式具有一些特殊的方面，下面单独进行介绍。其它情况如大直径管环焊缝、平板焊缝、铸件透照布置和成像方式与射线照相技术相同，,线阵列探测器成像方式,线阵探测器在使用中需要与检测对象进行相对运动，经扫描运动才能获取有效的检测图像。分为直线运动扫描成像方式和旋转运动扫描成像方式。,直线运动扫描成像方式1-射线源；2-探测器；3-被检件,a） b）图7-16 旋转扫描成像方式a） 单壁透照法 b） 双壁双影法1射线源；2探测器；3被检件,小直径管对接环缝成像方式,采用双壁双影倾斜透照椭圆成像或展开成直缝状态成像显示方式。椭圆成像有困难或对检测有特殊要求时，可采用垂直透照方式重叠成像。 （1）双壁双影椭圆成像（面阵列探测器或图像增强器） （2）双壁双影展开式成像法（线阵列射线接收装置）,7.3.透照参数的选择,与射线照相检测技术类似，射线数字成像检测技术的主要参数也包括射线能量、焦距、和曝光量等。最佳放大倍数也是射线数字成像技术的重要参数。透照参数的选择方式也与射线照相检测技术类似。1)射线能量 选择射线能量的原则是在保证穿透能力的前提下，尽可能低。应限制所使用的最高能量。对于X射线，可参考胶片照相时的最高电压限值.在相同曝光量的条件下，较高的射线管电压会损失图像的对比度。,管电压的影响,90kV,95kV,100kV,105kV,结论：最佳管电压定为100kV。,焦距875mm源到工件中心650mm管电流6.0mA焦点尺寸1.0mm积分时间400ms,2)曝光量射线的曝光量是到达射线探测器的剂量。曝光量虽然不直接影响检测图像的对比度、空间分辨率，但它对数字图像的信噪比影响较大。射线数字检测标准一般未明确给出曝光量控制要求，实际是通过图像的对比度、空间分辨率间接控制曝光量。常用较大的曝光量，可以获得较好的检测图像。,3)焦距焦距会影响检测的几何不清晰度。对于不同的射线数字成像技术透照等级要求，射线源到被检件表面的距离应满足：1）A级时 f 2）B级时 f ,4)最佳放大倍数 采取图像放大技术，有利于提高X射线数字成像的图像质量。图像放大后，检测工件的影像得到放大，工件中细小缺陷的影像也随之放大，因而变得容易识别。但是图像的几何不清晰度也随之增大，总的不清晰度增大，又不利于图像质量的改善。因此，存在最佳放大倍数。,图像增强器的最佳放大倍数,可分辨的最小细节当显示屏上不清晰度确定后，空间分辨率也就确定了，也就决定了可分辨的最小细节或缺陷。,5)一次透照长度一次透照长度越长，透照次数越少，灵敏度降低，边缘处成像质量越差。,6)工件运动速度动态检侧时除了按规定选取扫描面、扫描方位和移动范围等外，还须正确选取工件运动速度。相对运动速度的不当会引起图像的变形。直线运动速度,式中，V 直线运动速度，单位为毫米每秒（mm/s）； P 探测器成像单元尺寸，单位为微米（m） M 放大倍数，SDD/SOD； T 探测器的曝光时间，单位为毫秒（ms）； N 同一位置重复进行图像采集的次数。,旋转运动速度 式中，旋转运动速度，单位为弧度每秒（rad/s）；R 被检件的半径，单位为毫米（mm）。其余符号含义同直线运动公式。,100ms,200ms,400ms,500ms,结论：最佳积分时间定为400ms。,焦距875mm源到工件中心650mm管电压100kV管电流6.0mA焦点尺寸1.0mm,7)积分时间,8) 采集帧数提高叠加帧数可以有效提高信噪比帧数增加检测时间也相应增加。结论：实际检测通常选取10-25帧，保证图像质量的前提下兼顾检测速度。,多帧叠加处理方法,单帧处理,12号丝,12号丝,平均处理,7.4.像质计和标记摆放,7.5.散射线防护,7.6平板探测器的校正,探测器的校正（以平板为例）偏移校正：偏移校正主要是用来消除暗电流对图像的影响 增益校正：主要是用来消除像素点间敏感度差异和外界X射线照射不均造成的影响。 快速坏点校正：主要用来消除平板中坏像点对获取图像的影响,DR图像校正,启动系统后预热30分钟，针对特定采集模式，对平板探测器分别做offset calibration和Gain calibration校正。偏移校正不开源采集，增益校正在管电压60kV、管电流6mA、焦点尺寸1.0mm、焦距875mm下进行。,校正后本底数据,DR图像校正前后对比,校正后数据,校正前数据,局部放大,8图像质量、评定及存贮,图像质量概述图像的像质计灵敏度 图像处理图像评定 图像的存贮和记录,9平板DR检测工艺卡,10人工缺陷射线DR与RT对比,RT,射线DR,2孔 2个3孔 2个5mm缺陷2个10mm缺陷2个,自然缺陷检测对比,11 射线数字检测的应用,油气管道检测(瑞奇戈德专利技术),34mm焊缝透照图像,F15战斗机蜂窝结构的检测,平板探测器爬行器,远东无损检测论坛报告,申港公司采用DR检测系统对小直径管道对接焊缝检测结果。,小直径管对接焊缝DR检测结果,CMOS平板探测器-焊缝,8mmAL,4mm钢,12mmAL,北京科海恒生提供,CMOS平板探测器-铸件,北京科海恒生提供,12射线检测的发展趋势,1988年，美国国防科技情报中心和NASA发表研究报告，讨论21世纪初无损检测技术的发展趋势，指出“射线检测成像及微小缺陷检测等新方法新技术”-重点课题。1990年，R.halmshaw和N.A.Ridyard在发表“数字射线照相方法评述”论文，数字射线照相是射线检测发展方向。1994年，Harold Berger在美国发表“射线无损检测的趋势”，指出数字射线检测和提高灵敏度、缺陷检出率是研究重点。(第15届国际无损检测技术会议也提出相同的观点),图像数字化：高分辨率数字照相技术快速照相：实时成像或准实时成像高灵敏度、高可靠性、高精度照相特殊照相(微小焦点照相，复杂结构照相),13数字射线照相需要解决的问题,(1) 如何保证数字图像的真实性。(2) 标准认可的问题。目前胶片照相的相关标准已经发展比较成熟，但胶片照相的有关标准不适宜数字化射线检测。对数字化射线检测的灰度、信噪比、图像质量、设备认证等的规定还有待于深入探讨。(3) 设备问题。(4) 大量图像数据管理。(5) 人员教育和培训。,