前 言

      随着信息技术的迅猛发展，各种数字射线成像技术正在特种设备行业逐步推广应用，跟人们生活中使用数码相机代替使用胶卷的照相机照相一样，数字成像技术将引起射线检测技术的一次革命，预示着无胶片化的数字射线检测时代即将到来，从而使检测实现高质量、高效率和低成本。本文重点介绍目前在我国得到逐步应用的四种数字化射线检测技术的原理，并特别结合广西特种设备的射线检测情况分析其应用经济效益，探讨在广西特种设备行业应用数字化射线检测技术检测的可行性。

 

      X射线数字化实时成像检测技术是基于显像管图像增强器的X-TV电视成像系统，它诞生于20世纪40年代，从X射线图像增强器发展而来，直到90年代末一直是非胶片成像的最主要方法，由于受设备器件本身的结构和原理限制，这种成像技术存在图像信噪比大、灵敏度低、对比度差、图像变形、使用寿命短、不能对复杂零件进行有效检测、容易使操作人员疲劳等缺点。

      90年代后人们结合数字电子技术图像增强器的电视成像系统进行许多改进：如使用小焦点X射线源，用高清晰度摄像机、显示器来拍摄和显示图像，利用几何投影放大改善灵敏度和分辨率；使用计算机后续图像处理系统降低信噪比；使用光栅弥补设备动态范围不足和使用时避免因为射线直接照射而导致增强器损坏等，改进后的X射线数字化实时成像检测系统随着图像增强器、CCD相机性能的提高，光学系统及图像处理软件的改进，系统指标有所提高。在结构简单、大批量生产的单一工件焊缝射线检测中得到成功的应用。人们称之为第二代射线数字成像系统。

      第二代射线数字成像系统的典型特征是：大量采用个性化、非标结构的成像单元（如：百万象素以上的数字摄像机、扫描线阵、a-S_i平板等），获得良好图像质量的前提是X射线机能量、机械运动速度和成像器特性密切配合，而唯一能将系统各组成设备协调起来的工具是系统软件而非其它硬件设备。因此，软件成为了系统的核心部分。第二代射线数字成像系统，遵循成像单元是基础、系统软件是核心、获得高分辨率和灵敏度的图像是目标的系统设计思想，系统的集成化水平、使用便捷性和图像质量已经明显优于第一代产品。

 

      X射线数字化实时成像检测技术的原理可用两个“转换”来描述：X射线穿透金属材料后被图像增强器所接收，图像增强器把不可见的X射线检测信号转换为可视图像（射线→荧光→电子→荧光），称之为“光电转换”，可视图像是模拟信号，它不能为计算机所识别，而将模拟信号转换为数字信号是用高清晰度摄像机拍摄图像，输入计算机，进行A/D转换为数字图像，经计算机处理后，还原在显示器屏幕上显示出材料内部的缺陷性质、大小、位置等信息。

 

      射线数字化实时成像检测系统主要由X射线机（射线源）、工件与机械驱动系统、图像增强器、摄像机、图像处理器、计算机、显示器和图像存储单元等设备组成。X射线实时成像检验系统原理框图如图1所示。

 

      X射线实时成像检验系统的核心设备——图像处理器由图像采集设备、图像处理设备、图像显示与记录设备三部分组成。

（1）图像采集

      X射线机发射的X射线穿透被检工件后，经闪烁体转换屏转换成屏上的可见图像，用摄像机摄取转换为PAL视频信号，传送至图像采集卡的A/D（模拟量、数字量）转换器进行数字化，形成数字图像数据，供计算机进行图像处理可实现同一焊缝中多幅图像的连续自动采集，检测一只YSP-15型钢瓶焊缝仅需要3分钟^⑵。

（2）图像处理

      图像处理的实质是提取图像中的特征量或特殊信息，供计算机进行分析和识别，主要包括图像叠加（消除噪声）、灰度增强（改善图像质量）、边界锐化（突出图像轮廓，使得图像清晰易于识别）、图像反转（使得图像与X射线负片的图像类似）和伪彩色处理（提高图像内容的分辨率）等，有效地提高了人眼对焊缝缺陷的分辨能力，确保图像评定的准确性。

（3）图像显示、评定与记录

      经处理后的图像显示在显示器屏幕上，由计算机对焊缝（构件）缺陷数据图像进行识别，充分利用计算机软件，对焊缝检测图像进行辅助评定，除缺陷的定性由取得RT-Ⅱ资格人员进行外，缺陷的定位、定量和定级均由计算机辅助完成，使焊缝缺陷评定工作准确性和速度大大提高，评定结果纳入检测数据库管理。评定数据图像经压缩编码后，存储在硬盘上待达到一定容量后刻录到CD-R光盘上记录，CD-R为一次写入型光盘，一张650MB的CD-R光盘约可存储4200幅X射线数字化实时成像图像，且具有可移动性，保存期长达30年以上。

 

      该技术已经成熟、设备投资少，能够实时显示检测工件内部缺陷状况，检测速度快，数字图像的质量可以与胶片法射线照相媲美。该系统早已在公安等部门的安全检查、海关查验货物和医疗诊断等许多领域有着广泛的应用，而在工业无损检测的领域却未能发挥其应有的作用。该系统适合对象为对检测指标要求不高、被检测构件厚度比较均匀、人眼睛容易从屏幕上识别缺陷或问题的快速动态检测。使用该检测系统不需要胶片、洗片药液和等待检测结果，只要持有特种设备射线检测相应资格的人员，就能对该系统的数字图像进行评定。检测成本仅为胶片射线照相的10 ％左右。

      目前国内已有多家大型锅炉和专业气瓶制造企业的生产流水线上使用该系统，我国1999年颁布了我国第一个有关射线实时数字成像的国家标准GB17925-1999《气瓶对接焊缝X射线实时成像检测标准》。

      广西特种设备制造行业中有多家中等以上生产规模的锅炉、气瓶制造企业，从它们产品结构特性来看，使用X射线实时数字成像检验系统检测焊缝质量，无论在技术、仪器装备和性价比方面均已成熟。值得大力推广使用。

     

      CMOS（complementary metal oxide semiconductor）为互补金属氧化物半导体，是由很多带有集成电路的计算机记忆芯片构成。美国NASA宇航中心的加立福尼亚技术研究所喷气发动机实验室的三名工程师，在1995年发明的CMOS探测器（图像接收板），被人们称为“活性图像探头”。现在，装备该探测器的管道和容器焊缝自动扫描实时成像系统，已经在长输管道施工现场得到应用，图2是安装在管道对接环焊缝上的CMOS自动扫描探测器及行走轨道工作示意图。

 

      将X射线源（X射线机或X射线爬行器）放置于管内中心，在管外壁焊缝包裹CMOS探测器行走的专用轨道，探测器沿着轨道自动扫描（采集）X射线穿透焊缝后的射线衰减信息，通过连接电缆输送到检测现场计算机进行处理后，即可以在监视器上观察到焊缝及缺陷图像。对直径600mm管线连接环焊缝整周高精度扫描只需要2分钟，扫描宽度为75mm。可代替早期使用的胶片射线照相或昂贵的自动超声波扫描设备。

 

      CMOS探测器采用的是经过硬化处理的图像接收板，能经得起X射线的数万次辐射考验，其扫描焊缝的速度最高可达到1.6英寸/秒，探测器获得一个完整的X射线图像最少只需1微秒、最大也仅需要3秒钟。如将工件放置于X射线源与探测器之间，启动X射线机和探测器后，探测器可在1微秒到80微秒内捕获一个X射线图像的单线，这些线被自动的加到一起便组成一个完整的X射线图像。采集数据几秒后，在检测现场的监视器上就能观察到检测焊缝的缺陷图像。

      CMOS探测器主要的优点是非常坚固耐用、成像速度快、图像分辨率高（其解像率可比胶片高10～100倍）。图3是外径25mm × 壁厚1.5mm 钛管焊缝中有直径0.46mm的夹渣缺陷，经工业X射线照相所得到的底片影像（A）、CMOS探测器射线成像所得图像(B)。从缺陷图像分辨来对比，CMOS探测器射线成像质量高于工业X射线照相底片的影像。

             

      

      管道和压力容器焊缝自动扫描实时成像系统结构紧凑，重量较轻（扫描器 2.2kg，工作站 14.5 kg，30米电缆 12 kg），一个检验员就可以很容易的将它装置在管线上，且整个安装过程只需要1分钟左右。操作人员利用计算机控制扫描任务，从便携式工作站获取完整的检测数据，并能随时对焊缝缺陷图像进行分析、评定和存储。

 

      以下是美国ENVISION公司生产的GW-2管道和容器焊缝自动扫描实时成像系统的配置及性能。

      探测器：两个CMOS焊缝检测系统

      可弯曲轨道：轨道可以伸平或弯曲，可以检测直径容纳在其中的所有管线。
      X光源：X射线爬行器（X射线机）在管线（容器）内部
      工作站配置：主频2G Hz P4工业计算机，1G内存，100G硬盘，CD-RW或DVD-R，250M Zip驱动器，1.44M软驱，17寸TFT液晶显示器
      软件：专用软件包（包括X射线图像采集分析，放大、测量、扫描控制，图像存储输出等软件）
      图像分辨率：80微米（0.003英寸）
      灵敏度：2-2T

      图像文件空间：扫描直径24英寸、3英寸宽的管道焊缝图像，需要25M的磁盘空间

 

      管道和容器焊缝自动扫描实时成像系统用于管道和压力容器环焊缝的射线检测，该系统目前报价10.89万美元（约为人民币88万元）/ 套，就目前广西特种设备制造、安装行业的实际情况，中等以上规模的压力容器制造、压力管道安装施工企业不下于10家，这些企业现在年平均进行焊缝射线照相拍片量在8000～20000张左右，如果应用管道和容器焊缝自动扫描实时成像系统来取代胶片照相法，可实现快速、经济、多方位的射线实时成像检测，无论从技术进步、提高劳动生产率或者保证质量等方面来看都具有重要意义。从使用经济效益角度分析，如按现场胶片法射线照相的成本20元/张底片计算，企业大概5～6年即可收回全部投资。

 

      计算机化射线照相技术CR（computed radiography；computed radiology）是数字射线照相技术中一种新的非胶片射线照相技术，它产生于20世纪80年代，它采用存储荧光成像板代替胶片完成射线检测。曝光原理基本上与CMOS相同，不同的是CR技术使用了一个与胶片暗合相似的存储荧光板代替了图像接收板，这个接收板被放置在类似胶片暗盒内进行曝光。免去了胶片的处理过程和节省了由此产生的费用，实现了真正的数字化检验、缺陷识别、数字化传输和存储，提供了有益的计算机辅助图像辨别，CR数字技术的产生使得无胶片化射线检测技术前进了一大步。

 

      CR图像存储板是基于某些荧光发射物质具有保留潜在图像信息的能力。在曝光后，存储板隐藏了射线能量的图像。将存储板移至暗室内的读出器上，当存储板被激光以特殊的频率扫描时，就以与曝光量相等的比例释放光线，在扫描的同时，该光线被光电二极管阵列采集，并且将其转化成数字值，经过优化处理以二维图显示在计算机的屏幕上。存储在板上的图像被删除，因此该存储板能够被重复使用几千次。CR系统由成像板、激光扫描仪、读出器、数字图像处理和储存系统组成如图4所示。

   

 

      CR图像存储板的对比精度是12位或4096灰度，与胶片相仿。CR的精度是5线对/毫米（即100µm）。对比度范围比胶片大，图像分辨率为20～100微米，尽管其空间分辨率还没有超过胶片，对于大多数检测应用已经足够了。

 

      CR技术的主要优点是，图像存储板可弯曲、便携，可直接代替胶片，检测过程与胶片相同。与胶片处理不同的是读出时间少于1分钟，不使用化学药品。曝光速度快、穿透力强、动态范围大，图像存储板可以接收任何射线源、它使用激光器从图像存储板上读取数据，在某些现场没有电源的情况下使用较为方便。在大多数情况下，在整个实验室中只需要一个屏幕读出器，读出器与图像采集部分是独立的，用户可以分别购买，这一点就区别于其它的采集和读取一体的数字设备。CR 能够被应用于所有的数字X射线检测领域，通过一个入口就可以获得多数拍摄对象的全部厚度范围，对于胶片有时是不可能完成的。通过计算机，你可以浏览或评定全部厚度范围的任何位置的缺陷图像。

 

      CR存储板能够代替胶片完成射线检测，不需要建设专用于胶片处理的暗室和评片室，使用CR存储板不需要或需要较少的准备时间，使用CR技术不需要淘汰现有的传统X线机，定向射线机、爬行器就可以继续使用，这也是有别于其他数字化检测的优点之一。虽然CR存储板比胶片的成本高（一张规格为14×17英寸的存储板价格大约为700美元），但是存储板可以使用几千次，其寿命决定于机械磨损程度，实际上使用成本比胶片更便宜。

      CR照相需要的射线强度仅为传统胶片射线照相的1/2～2/3，工作时可以降低2/3以上的射线剂量。其照相需要的曝光时间也仅仅为一般胶片的1/2～2/3，可使操作人员接受的辐射剂量下降一个数量级，降低了检测人员身体受辐射伤害的程度，同时也降低了X线机的负荷，相对地延长了机器的使用寿命，故障率降低，维修费用也相应降低。因不需要洗片过程，不需消耗显影、定影液等化学药品，节省了环保和暗房设施的投资。

      根据以上分析，笔者认为，我区特种设备现场安装企业很适合应用CR存储板进行射线检测，因为检测现场不需要暗房设施，也不需要很多的检测结果评定人员，现场检测图像可以经过网络传递回总部进行评定，可大大地节约开支。各级质量技术监督部门属下的特种设备监督检验所，在特种设备定期检验和监督检验中进行的射线检测均属按比例抽查，射线检测工作总量不

会很多，使用CR存储板代替胶片完成射线检测工作最为合适。

      非晶硅线阵探测器LDA (linear diode arrays)成像系统是20世纪90年代发展起来的新型射线检测技术，也是目前诸多数字化射线检测中最先进的数字化成像技术,使射线检测实时成像实现新的飞跃。该系统成像没有边缘几何变形、整个成像区具有均匀的灵敏度和分辨率（像质计灵敏度和空间分辨率优化）、动态范围倍增（12～16bit）、较大的成像面积和能实时成像等，其成像质量达到特种设备行业要求的B级，近年来在工业射线检测中投用优势显著，相信应用该技术是今后数字化射线检测的重点发展方向^[1]。

 

      探测器是基于大规模发光体非晶硅（α^__Si）光电二极管敏感阵列（像元）；高密度（像元间距0.127mm）、大尺寸(成像面积400×300 mm和250×200 mm)集成技术研发的X射线图像探测器，以光、电子累积的方式成像、前端数据采集系统等组成。X射线闪烁材料（常用晶体有基于磷屏的钇、Gd₂O₂S和CsI）能够将X射线转换为可见光，晶体安装在众多的光电二极管表面并按一定规则排列成为光电二极管阵列（大规模集成电路）。探测器包括以下三个部分：

      （1）亚毫米级厚度的闪烁体膜，材料一般为Gd₂O₂S和CsI；

      （2）与闪烁体膜直接耦合的大规模集成的α^__Si光电二极管敏感阵列（像元）；

      （3）像元读出和放大电路。

 

      非晶硅线阵探测器的工作原理如图5所示，把工件放置于有机械传动的输送装置上，通过将工件与探测器之间的相对运动，入射的射线透过工件后由LDA探测器扫描接收，并由计算机重建由行扫描所形成的图像。LDA直接与图像采集卡相结合，将采集的模拟图像送到采集卡进行A/D 转换，再经计算机图像处理得到检测结果。

      LDA可与CMOS传感器相结合，一步完成射线光电转换、数字采集的全过程，直接输出数字信号，这种成像系统称为LDA-CMOS射线数字直接成像系统。LDA-CMOS射线-数字直接成像系统的转换方式大大减少了信号长距离传输和转换过程的信号干扰，且光电阵列像素尺寸很小，因此，空间分辨率得到很大的提高。目前在各种成像系统中处于先进水平。

      LDA探测器成像系统类似于前面介绍的第二代射线数字化实时成像检测技术，但LDA探测器成像系统的成像质量远高于前者，是目前唯一达到特种设备射线检测B级成像质量的数字化射线检测技术。该系统目前在机场、车站旅客携带行李的安全检测中得到广泛应用。在特种设备的无损检测系统方面适用于产品结构较为简单、批量较大的产品的焊缝内部质量的无损检测。随着数字电子技术的飞速发展，LDA探测器成像系统在特种设备行业的应用已越来越广泛。

 

      射线检测与数字电子技术结合的数字射线检测技术，是当今特种设备射线检测向无胶片化方向发展的重点转折点，与胶片射线照相方法对比，它的先进性主要体现在以下几个方面：

      1. 科技含量高、经济效益好、资源消耗低、环境污染少、人力资源优势得到充分发挥。能大大提高检测管理水平和工作效率。

      2. 由于不使用传统的胶片和冲洗设备，无伪缺陷、曝光不足或过量等情况从而影响检测结果评定的情况。

      3.将不再需要庞大的底片库，还节约了大量用于底片的存储空间和管理人员，随着数字存储技术的不断发展，存储成本还可以进一步降低。

      4. 随着宽带互联网的快速发展，数字化图像使检测公司可以实现集中技术水平最高的底片评定人员进行远程评定、审核，结果更公正，更合理。同时可做到了资源共享，极大地提高了检测信息的利用率。

      随着特种设备行业的发展，广西特种设备射线检验部门结合自己的射线检测需求，应用新的数字化射线检测技术有很好的经济效益，也是必然的趋势。