数字射线(DR+CR)检测技术
时间:2022-05-05 

 一本独具特色的数字射线应用技术书

 数字射线(DR+CR)检测技术

 

该书特点:

1.构建了以对比度噪声比、信噪比、小缺陷检出灵敏度公式为核心的数字射线应用技术理论学 习体系。

2. 针对当前国内数字射线应用在技术和工艺中存在的错误做法、模糊概念、缺位项目,逐一解决,给出答案。

3. 特别注重针对性、实用性、可读性和易学性,一读就懂,能解决实际问题。

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序 言

无损检测已经进入数字时代。就用于焊接结构无损检测的数字射线技术而言,经过数十年的发展,技术与设备多番更替换代,最后确立了DR与CR两种检测方法的主体地位。迄今为止,数字射线技术有关理论体系已经基本完备,硬件系统的性能已经达到很高水平,同时价格逐步降低,应用技术与工艺也在不断发展,无论是检测可靠性或灵敏度方面,还是检测成本和效率方面,都已达到或超过传统胶片射线照相技术水平。

推广数字射线技术的意义不仅于此,在当今注重节能环保的时代,互联网和信息爆炸时代,大数据应用和智能化时代,基于模拟信号技术的胶片照相技术已经无法适应,其地位和重要性下降已成定局,数字射线技术取而代之,并大显身手的场合已屡见不鲜。对职业无损检测技术人员来说,抓紧学习和掌握先进的数字射线技术,不仅是胜任眼前工作的必备技艺,更是今后数年乃至数十年开拓事业和发展之资本。

与理论研究和仪器设备研究相比,国内的数字射线检测应用研究显得落后。以DR技术为例,现状是:缺少正确的理论指导,工艺研究得不深不透,标准也不尽如人意,技术应用的多个环节存在错误,并且发生范围是全行业甚至全国性的,不能不令人焦虑和惋惜!

DR技术应用为例,一些谬误可列举如下:

DR检测的管电压选择上按照胶片射线检测的规则“尽量选择较低管电压”,殊不知这样做的后果是速度慢,效率低,图像质量差;

使用大焦点X射线机对结构焊缝实施静态检测时采用“最佳放大”透照工艺,导致小缺陷的清晰度变差,对比度减小,裂纹检出率降低,一次透照长度减小,出现搭接不良几率增大;

把胶片技术的一次透照长度计算方法和公式用于DR焊缝检测,由于DDA是刚性的不可弯曲,且DDA与工件要保持一定距离,所以计算公式根本不适用,导致搭接不良,缺陷漏检;

用胶片技术的曝光曲线制作方法制作DR曝光曲线,忽视两者之间曝光参数的差异,以及底片黑度和图像灰度的差异,导致制作的曲线不正确,应用也存在错误;

很多重要的理论知识没有掌握,例如信噪比理论、数字射线的小缺陷检出理论等;很多概念没有搞清,例如对比度噪声比概念、CRDR的最大可达信噪比概念等;很多参数定义含混,例如曝光量参数定义,探测器线性与动态范围定义等;很多因果关系不知,例如曝光量与灰度关系,灰度与信噪比关系,像素尺寸与信噪比关系,管电压与对比度噪声比关系,X射线机辐射场和K值与DR的一次透照长度的关系,等等。

如何改变数字射线检测应用落后的状况?我们的看法是:需要一本理论正确,技术先进,能看懂,能解决实际问题的好技术参考书或教科书

从纷繁复杂的文献中提炼出能够指导工程应用的正确理论,在试验和实践的基础上确定工程检测必须遵守的工艺规则以及技术参数优化的选择依据,形成合理完善的检测工艺体系,进而制订出正确的、先进、科学的技术标准,是当前急需。在完善工艺体系与技术标准的同时,加强技术培训,造就出一大批掌握正确理论知识和熟练操作技能的检测人员,才能使中国的数字射线技术应用赶上,甚至超越国际先进水平。

遵循上述思路和理念开始本书的编写,从最初立下决心,收集资料,组织开展系列试验算起,到最后封笔,历时10年。与其他数字射线技术书相比,本书有以下特点:

1、建立了数字射线技术的创新型理论学习体系。

在研究国内外文献和教材的基础上,构建了以对比度噪声比、信噪比、小缺陷检出灵敏度公式为核心的数字射线应用技术的理论学习体系,把各种影响因素分清理顺,不仅有利于阅读者系统地学习、理解、掌握复杂深奥的知识,而且有利于实践者在工程实践中举一反三,高屋建瓴地应用。

2、在研究和试验的基础上给出了技术应用需要解决的一系列问题的答案

以理论研究分析和试验为支撑,针对当前数字射线应用技术和工艺中的出现的错误做法,模糊概念,缺位项目,逐一解决,给出答案。在技术与工艺方面多有原创性成果,例如:

1)对DR技术的管电压选择,提出:“在保证对比度噪声比不降低的前提下,倾向使用较高管电压”的新理念,给出了试验数据佐证,并从理论上作出令人信服的解释。

2)结合理论分析和试验,指出:“最佳放大倍数”概念不适用于结构焊缝的静态检测。采用几何放大透照布置将导致小裂纹不清晰度增大,对比度降低,一次透照长度减小,搭接长度增大等一系列不利后果。

3)提出了把满足互易定律作为曝光量参数判据的观点,把帧积分列为DR的曝光量参数之一。梳理了各曝光量参数的功能,厘清了曝光量参数与灰度、信噪比的关系。

4)针对至今尚未解决DR焊缝检测一次透照长度计算的现状,提出一种 “倒推法”的新规则用来确定DR一次透照长度L3,并给出了各种透照布置的L3计算公式和方法。

5)针对美国、欧洲文献对DR曝光曲线的不确定看法,以及国内的CRDR曝光曲线制作的混乱局面,通过理论分析结合试验找到了制作曝光曲线的依据,以及DRCR的曝光曲线制作方法。提出用“曝光量-灰度线性测量”代替“剂量-灰度线性测量”,简化了试验;推导出“曝光量/灰度转换计算公式”,简化了数据处理过程。

3、注重针对性、实用性、可读性和易学性。

撰写本书的目的是提高中国的数字射线技术应用水平,预设本书的读者是以无损检测为职业的工程技术人员,而工程技术人员最需要是能够解决实际问题的知识,因此本书编写时在内容的取舍上特别注重针对性和实用性,对实际工作有用的知识详加介绍,而纯理论研究的观点内容的引用适可而止;另外在撰写过程中还特别注意了文字可读性和内容易学性,相信读者在阅读过程中能够感受到这一点。

考虑到当前国内工业数字射线检测理论研究资料比较缺乏的现状,我们把一些与应用不直接关联的偏理论的文献资料编辑后用楷体字印刷,作为选学内容,这样既不影响本书的针对性和实用性,也不会干扰从事工程应用的人员对必学内容的学习,又能满足那些对理论有兴趣,想深度钻研的人的欲望,应该说达到双赢的结果。

本书可供从事射线检测工程技术人员学习和工作中参考使用,同时也非常适合用作无损检测人员等级资格考核用作培训教材,以及高校无损检测研究生、本科或专科阶段教材,对从事数字射线理论研究的人员也颇具参考价值。

承担本书编写的人员为:强天鹏、孙忠诚、陈乐,强天鹏担任主编并负责全书统稿。熊丽华、刘轶欢参与了编写过程中部分内容的讨论,熊丽华、陈乐、盛佩军、黄庆华,李亚军等人分别承担了书中的大部分试验

虽然本教材编写历时很长,编者费尽心力,但还是感到不够完美。对于教材中出现的错误,欢迎批评指出,我们将及时修改更正。

《数字射线(DR+CR)检测技术》编写组

2021128

目录  
第1章 学习数字射线检测技术的预备知识  
1.1 射线照相知识概述 1
1.1.1 胶片照相基本原理的回顾  1
1.1.2 数字射线照相相对于胶片照相的优势  2
1.2 数字图像的基本知识 4
1.2.1 模拟图像与数字图像 4
1.2.2 像素和空间分辨率   4
1.2.3 灰度,灰度级别与灰度分辨率  5
1.2.4 关于彩色图像  6
1.2.5 数字图像存储格式 6
1.3 数字射线检测的方法分类  8
1.3.1 底片数字化扫描技术 9
1.3.2 图像增强器实时成像技术(IRI) 12
1.3.3 线阵列扫描成像技术(LASI) 14
1.4 胶片检测与数字检测的相同点和不同点 15
1.4.1 关于使用的射线种类 15
1.4.2 关于射线穿透物质强度减弱的机理  17
1.4.3 关于X射线机 18
1.4.4 关于像质计 19
1.4.5 关于透照方法(源—工件—探测器的相对位置)和透照布置 20
1.4.6 关于探测器 21
1.4.7 关于曝光参数 22
1.4.8 关于检测结果——图像 23
1.4.9 关于检测质量指标和质量影响因素 23
1.4.10 其他差异 24
1.4.11 胶片与CR和DR基本特性差异汇总表 25
1.5 关于数字图像的更多知识 26
1.5.1 数字图像获取 26
1.5.2 图像数字化过程 26
1.5.3 图像数字化控制 27
1.5.4 模/数转换(A/D转换) 28
1.5.5 伪彩色编码 29
第2章 数字射线检测设备  
2.1 数字平板X射线检测(DR)系统概述 32
2.2 数字阵列探测器 33
2.2.1 非晶硅(a-Si)平板探测器 34
2.2.2 CMOS平板探测器 35
2.2.3 非晶硒平板探测器  36
2.2.4 平板探测器制造流程 37
2.3 转换屏材料 38
2.3.1 碘化铯(CsI) 39
2.3.2 硫氧化钆(GOS) 39
2.3.3 钨酸镉(CdWO4) 40
2.3.4 转换层材料特性比较 40
2.4 探测器的技术特性 42
2.4.1 探测器特性参数表 42
2.4.2 像素尺寸与空间分辨率 43
2.4.3 填充系数 43
2.4.4 平板有效面积(cm2)和像素数目 44
2.4.5 A/D转换器和动态范围 44
2.4.6 关于A/D转换器和动态范围的更多知识 46
2.4.7 曝光时间和帧速 47
2.5 探测器选型 48
2.5.1 ASTM E2597标准提出5个基本特性参数 48
2.5.2 探测器特性指数雷达图 49
2.6 计算机射线辅助成像检测(CR)系统概述 50
2.6.1 CR检测过程 50
2.6.2 CR技术的优点和局限性 51
2.7 存储磷光成像板 52
2.7.1 成像板的结构 52
2.7.2 成像板的种类和分级 53
2.7.3 光激励发光现象 54
2.7.4 光激励发光的原理 55
2.8 激光扫描仪 56
2.8.1 激光扫描仪分类 56
2.8.2 激光扫描仪性能指标 56
2.8.3 激光扫描仪的构成与功能 57
2.9 数字射线检测系统的其他设备器材 61
2.9.1 计算机硬件系统 61
2.9.2 双丝像质计 64
2.9.3 机械操作系统(工装) 66
2.10 关于DDA的更多知识 70
2.10.1 图像传感器 70
2.10.2 CCD的优缺点 70
2.10.3 关于CMOS的更多知识 70
2.10.4 关于a-Si TFT图像传感器的更多知识 73
2.11 关于CR系统性能测试的更多知识 77
2.11.1 CR系统性能测试的目的和标准  77
2.11.2 CR系统性能测试板 78
2.11.3 CR系统性能测试项目和测试时机 79
第3章 数字射线检测的缺陷检出影响因素  
3.1 胶片射线检测的灵敏度影响因素回顾  82
3.1.1 胶片射线照相的灵敏度影响因素 82
3.1.2 从颗粒度到噪声 82
3.2 数字射线检测的小缺陷检出公式推导  85
3.2.1 厚度差引起透过射线强度差  85
3.2.2 图像灰度对比度与散射线 85
3.2.3 信噪比与对比度噪声比 86
3.2.4 对比度噪声比与信噪比关系式推导 87
3.2.5 考虑不清晰度影响的对比度噪声比 88
3.3 数字射线检测的小缺陷检出影响因素分析 89
3.3.1 数字射线检测小缺陷检出影响因素公式 89
3.3.2 几何因素对小缺陷检出的影响 90
3.4 有效吸收系数μeff对小缺陷检出的影响 91
3.4.1 线吸收系数μ和有效吸收系数μeff  91
3.4.2 材质对μeff的影响 92
3.4.3 射线能量对μeff的影响 93
3.4.4 散射比对μeff的影响 93
3.4.5 与对比度有关的其他因素 94
3.5 信噪比(SNR)对小缺陷检出的影响 96
3.5.1 信噪比的来由 96
3.5.2 数字射线检测图像的噪声来源 97
3.5.3 提高信噪比措施之一:增大曝光量 97
3.5.4 帧积分提高信噪比 99
3.5.5 提高信噪比措施之二:降低探测器结构噪声 100
3.5.6 DR系统的高信噪比和高灵敏度特性 102
3.5.7 提高DR技术图像信噪比的总结 103
3.5.8 与胶片系统颗粒度等效的信噪比  104
3.6 空间分辨率对小缺陷检出的影响  105
3.6.1 空间分辨率的名称术语  105
3.6.2 像素尺寸与信噪比的关系 106
3.6.3 像素尺寸与归一化信噪比 106
3.6.4 小于像素尺寸的缺陷的影像 107
3.6.5 影响CR图像空间分辨率的因素 109
3.7 关于几何放大 110
3.7.1 X射线机的焦点 110
3.7.2 几何放大原理 110
3.7.3 几何不清晰度和放大同时存在 111
3.7.4 关于“最佳放大率”的研究 111
3.7.5 各条曲线适配的X射线机焦点尺寸 112
3.7.6 对最佳放大技术适用性的进一步分析 113
3.7.7 几何放大与裂纹的本影和半影 114
3.7.8 几何放大导致裂纹漏检率增大 115
3.7.9 放大技术应用价值的再评价 116
3.8 关于DR检测的管电压选择  117
3.8.1 德国BAM的DR检测管电压与灵敏度关系试验  117
3.8.2 对DR检测管电压与灵敏度关系的解释 118
3.8.3 曝光量相同管电压不同的DR检测信噪比试验 119
3.8.4 如何选择DR检测的管电压 120
3.8.5 射线剂量率与管电压和管电流关系试验  121
3.8.6 最佳CNR的最高管电压试验  122
3.9 焊缝DR检测工艺试验 124
3.9.1 工艺试验参数 124
3.9.2 叠加帧数对图像质量和裂纹检出的影响 125
3.9.3 管电压变化对图像质量和裂纹检出的影响  125
3.9.4 电流变化对图像质量和裂纹检出的影响 126
3.9.5 曝光时间对图像质量和裂纹检出的影响 126
3.9.6 几何放大对成像质量和裂纹检出影响的试验  128
3.10 探测器坏像素问题 129
3.10.1 坏像素的定义  129
3.10.2 标准关于坏像素的规定 130
3.10.3 坏像素数据采集与校正 131
3.10.4 探测器系统坏像素校正计算 132
3.10.5 补偿原则III  132
3.10.6 坏像素补偿前后的DR图像对比 133
3.11 关于数字图像信噪比的更多知识 134
3.11.1 图像信噪比的计算方法 134
3.11.2 图像的信噪比  135
3.11.3 信噪比影响因素 136
3.12 关于DR图像噪声的更多知识 137
3.12.1 量子转换过程与量子阱 138
3.12.2 关于噪声更深入的研究 140
3.13 关于数字射线图像对比度的更多知识  143
3.13.1 图像对比度分类  143
3.13.2 探测器对比度  144
3.13.3 显示对比度 146
3.13.4 散射线影响 148
3.14 关于细节可识别性的更多知识 149
3.14.1 图像质量参数及相关性 149
3.14.2 Rose视觉感知模型 151
3.14.3 对比度—细节曲线 153
3.14.4 细节可识别性  156
3.14.5 细节检出能力  157
3.15 运动不清晰度与探测器像素尺寸和帧速的关系 159
3.15.1 像素尺寸对图像清晰度的影响 159
3.15.2 DDA探测器帧速对图像清晰度的影响 160
3.15.3 运动成像与静止成像的差异 161
3.16 关于空间频率  162
第4章 数字射线检测工艺  
4.1 DR检测仪器系统选择 164
4.1.1 DR系统的选择和合用性评估 164
4.1.2 探测器的选择 165
4.1.3 X射线机的选择 168
4.2 DR检测透照参数的选择 170
4.2.1 管电压的选择 170
4.2.2 曝光量的选择 172
4.2.3 DR曝光曲线制作 174
4.3 透照方式和透照几何条件的选择 180
4.3.1 透照方式的选择 180
4.3.2 几种透照方式的优劣分析 185
4.3.3 透照几何条件的选择  186
4.4 一次透照长度L3的确定 192
4.4.1 X射线机辐射场测量 193
4.4.2 不同透照方式的L3与K值关系 195
4.4.3 确定DR技术的一次透照长度L3的规则 197
4.4.4 各种透照方式的一次透照长度L3的计算 200
4.5 DR检测工艺文件编制 212
4.5.1 工艺规程 212
4.5.2 操作指导书  214
4.5.3 检测记录与报告 215
4.6 DR检测过程与系统操作步骤 218
4.6.1 DR检测过程与系统操作步骤 218
4.6.2 探测器系统校正 219
4.6.3 像质计放置 221
4.6.4 工艺验证程序 222
4.7 CR检测仪器系统选择 223
4.7.1 CR系统的选择和合用性评估 223
4.7.2 CR系统主要设备选择 224
4.8 透照布置和透照几何条件的选择 226
4.8.1 透照方式的选择 226
4.8.2 焦距的选择 229
4.8.3 一次透照长度的确定 229
4.9 增感屏的使用和减少散射线措施 230
4.9.1 金属增感屏的使用 230
4.9.2 散射线控制 232
4.10 CR检测曝光参数的选择 233
4.10.1 管电压的选择 233
4.10.2 曝光量的选择  234
4.10.3 CR曝光曲线制作 236
4.11 CR检测的激光扫描 240
4.11.1 扫描精度选择  240
4.11.2 激光功率和PMT增益选择 241
4.11.3 IP板擦除 242
4.12 CR检测的基本操作 242
4.12.1 透照阶段的操作 242
4.12.2 扫描阶段的操作 243
4.12.3 图像评定的操作 243
4.13 CR检测工艺文件编制 244
4.13.1 工艺规程 244
4.13.2 操作指导书 245
4.13.3 检测记录与报告  247
4.14 国内外数字射线检测标准概述 249
4.14.1 数字射线检测标准体系尚不完善  249
4.14.2 标准编写方法有所创新 249
4.14.3 方法标准需要解决的问题  250
4.14.4 数字射线检测标准分类 250
4.14.5 标准体系完整性分析 252
第5章 数字图像的分析与评定  
5.1 计算机系统的要求 258
5.1.1 显示器要求与校验 258
5.1.2 系统软件要求 259
5.2 评定人员与环境要求  262
5.2.1 评定人员  262
5.2.2 评定环境 262
5.3 图像质量要求 262
5.3.1 图像灰度值  263
5.3.2 图像灵敏度  264
5.3.3 图像分辨率  268
5.3.4 图像归一化信噪比 275
5.4 图像处理 278
5.4.1 图像降噪 278
5.4.2 图像增强 282
5.4.3 查找表 286
5.4.4 图像镜像 288
5.4.5 图像反转 289
5.4.6 图像放大与缩小 289
5.4.7 图像滤波 291
5.5 缺陷评定 294
5.5.1 几何标定 294
5.5.2 缺陷测量 295
5.5.3 缺陷测量误差 296
5.5.4 缺陷评级 298
5.6 与图像观察和评定相关的更多知识 301
5.6.1 显示器测试 301
5.6.2 数字参考图像的使用 303
5.6.3 自动检测技术 305
5.7 关于数字图像处理的更多知识  306
5.7.1 点运算 307
5.7.2 邻域运算 309
5.7.3 频域运算 311
参考文献 316

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