中心議題：

• 射線檢測中CMOS的研究
• CMOS探測器簡介

解決方案：

• 檢測工裝設計

• 選用Canny邊緣檢測算法進行缺陷邊緣定位

1 CMOS探測器簡介

射線檢測技術利用Xshexiantancecailiaoneibudebulianxuxing，bingzaijilujiezhishangxianshichutuxiang。suizhejishudebuduanjinbu
，shexianjiancecongchuantongdeyijiaopianweijilujiezhidezhaoxiangfangfabuduankuozhan，xingchengleduozhongshuzihuashexianjianceshouduan，rudipiandeshuzihuachulijishu(Film Digitisation)、射線實時成像技術(Radioscopy)、計算機射線成像係統(Computed Radiography)和射線數字直接成像檢測技術(Direct Radiography)等。實際應用中需要根據檢測要求的分辨率和相對靈敏度選用合適的方法。相對於其它射線記錄介質(如CCD
、多晶矽等)，CMOS(互補的金屬氧化矽)技術更具有性能優勢。目前，CMOS探測器的最小像素尺寸可達39μm，檢測精度較高，溫度適應性好
，結構適應性強。

較之龐大的增強器成像係統
，CMOS射線掃描探測器(圖1)結構小巧，內部芯片集成度高。較之CCD成像方式
，CMOS的每個探測點都有自己的放大器進行單獨配置。CMOS在(zai)其(qi)內(nei)部(bu)通(tong)過(guo)轉(zhuan)換(huan)屏(ping)將(jiang)接(jie)收(shou)到(dao)的(de)射(she)線(xian)轉(zhuan)換(huan)為(wei)光(guang)線(xian)，直(zhi)接(jie)與(yu)轉(zhuan)換(huan)屏(ping)接(jie)觸(chu)的(de)探(tan)測(ce)點(dian)單(dan)元(yuan)將(jiang)光(guang)線(xian)轉(zhuan)換(huan)為(wei)電(dian)子(zi)
，每(mei)個(ge)探(tan)測(ce)點(dian)單(dan)元(yuan)有(you)自(zi)己(ji)的(de)放(fang)大(da)器(qi)將(jiang)電(dian)信(xin)號(hao)放(fang)大(da)
，最(zui)後(hou)在(zai)探(tan)測(ce)器(qi)內(nei)對(dui)信(xin)號(hao)進(jin)行(xing)A/D轉換
，形成二進製編碼傳送到計算機。CMOS主要適用於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分辨率為6 lp/mm
，檢測圖像達到4096級灰度。

2 CMOS探測器的檢測應用

2.1 檢測流程

由於CMOS射(she)線(xian)探(tan)測(ce)單(dan)元(yuan)排(pai)成(cheng)線(xian)陣(zhen)列(lie)
，靜(jing)止(zhi)狀(zhuang)態(tai)下(xia)隻(zhi)能(neng)得(de)到(dao)射(she)線(xian)透(tou)過(guo)被(bei)檢(jian)物(wu)體(ti)而(er)形(xing)成(cheng)的(de)投(tou)影(ying)圖(tu)像(xiang)中(zhong)的(de)一(yi)條(tiao)線(xian)。為(wei)獲(huo)取(qu)被(bei)檢(jian)測(ce)物(wu)體(ti)的(de)圖(tu)像(xiang)
，需(xu)要(yao)進(jin)行(xing)相(xiang)對(dui)掃(sao)描(miao)運(yun)動(dong)，逐(zhu)線(xian)采(cai)集(ji)並(bing)拚(pin)成(cheng)完(wan)整(zheng)的(de)投(tou)影(ying)圖(tu)像(xiang)。獲(huo)取(qu)檢(jian)測(ce)圖(tu)像(xiang)時(shi)要(yao)求(qiu)射(she)線(xian)能(neng)量(liang)波(bo)動(dong)盡(jin)可(ke)能(neng)小(xiao)且(qie)可(ke)長(chang)時(shi)間(jian)連(lian)續(xu)工(gong)作(zuo)，因(yin)此(ci)筆(bi)者(zhe)采(cai)用(yong)恒(heng)壓(ya)式(shi)射(she)線(xian)源(yuan)(YX―LON MG325，最大電壓320 kV，大焦點3.0 mm，小焦點2.O mm)。采用CMOS線性X射線掃描探測器進行射線檢測的流程為：探測器配置及校準一確定透照方式，調節位置參數一相對運動
，獲取掃描圖像一圖像處理，缺陷分析。

2.2 檢測工裝設計

探測器的成像單元(線陣列)需要與射線束中心線良好匹配

，不能出現相對位置傾斜和偏移等現象。因此，需設計合適的成像工裝，以完成探測器的固定、位置調節及實現與檢測工件的相對運動。工裝要能方便地移入移出(筒形工件)
，應具有一定的靈活性和較大的適應性(檢測不同類型工件)。

本著簡便、實用的原則，在已有射線實時成像係統基礎上進行檢測工裝設計，即檢測時將檢測工件放在載物台上，可實現左右平移、繞垂直軸旋轉等運動
；探(tan)測(ce)器(qi)通(tong)過(guo)工(gong)裝(zhuang)固(gu)定(ding)於(yu)射(she)線(xian)實(shi)時(shi)成(cheng)像(xiang)係(xi)統(tong)增(zeng)強(qiang)器(qi)運(yun)動(dong)軸(zhou)上(shang)，可(ke)實(shi)現(xian)垂(chui)直(zhi)升(sheng)降(jiang)和(he)前(qian)後(hou)平(ping)動(dong)。另(ling)外(wai)，探(tan)測(ce)器(qi)還(hai)可(ke)實(shi)現(xian)一(yi)定(ding)角(jiao)度(du)的(de)旋(xuan)轉(zhuan)調(tiao)節(jie)。通(tong)過(guo)與(yu)實(shi)時(shi)成(cheng)像(xiang)檢(jian)測(ce)係(xi)統(tong)的(de)有(you)機(ji)結(jie)合(he)
，可(ke)實(shi)現(xian)多(duo)種(zhong)類(lei)型(xing)工(gong)件(jian)的(de)射(she)線(xian)檢(jian)測(ce)。此(ci)外(wai)，應(ying)用(yong)時(shi)對(dui)於(yu)工(gong)件(jian)還(hai)要(yao)設(she)計(ji)固(gu)定(ding)定(ding)位(wei)工(gong)裝(zhuang)。

2.3 探測器配置與校準

首次使用探測器時需指定成像器類型參數(長度和可承受電壓等)
，以(yi)便(bian)確(que)定(ding)出(chu)可(ke)用(yong)的(de)最(zui)小(xiao)積(ji)分(fen)時(shi)間(jian)。在(zai)探(tan)測(ce)器(qi)正(zheng)常(chang)工(gong)作(zuo)前(qian)，必(bi)須(xu)對(dui)其(qi)進(jin)行(xing)配(pei)置(zhi)與(yu)校(xiao)準(zhun)
，以(yi)便(bian)在(zai)一(yi)定(ding)的(de)成(cheng)像(xiang)條(tiao)件(jian)下(xia)，使(shi)所(suo)有(you)探(tan)測(ce)單(dan)元(yuan)的(de)偏(pian)置(zhi)輸(shu)出(chu)及(ji)增(zeng)益(yi)輸(shu)出(chu)達(da)到(dao)一(yi)致(zhi)。

對於新的檢測對象
，首先配置好采集圖像相關的參數(積分時間

、掃描精度以及是否迭加平均)
，然後開始進行探測器校準。校準時還要考慮焦距及物距的影響。一般校準時需進行三個步驟：①關閉射線源，探測器進行偏置校準。②開啟射線源，調節到檢測需使用的電流電壓值
，使探測器的線陣列輸出信號達到最大但未出現飽和為止。③tiaojieshexiannengliang，shixianzhenlieshuchuxinhaojiangdiweizuidaxinhaodeyiban。xiaozhundejieguoyiwenjianxingshicunchu，kegongyihoudejiancetiaoyong。dantiaoyonghouruozaigenggaiqizhongdexiaozhuncanshu，zexuzhongxinxiaozhunhoucainengjinxingjiance。

對於大多數檢測對象，在實際檢測時應用的電流
、dianyazhijiaogao，zaijinxingtanceqixiaozhunshishuchuxinhaozaoyibaohe。weijiejuezheyiwenti，genjubutonghoududejianceqingkuang，shejilexiangyingdexiaozhunyongjianceshiban。shibanhoudujunyun，zaixiaozhundiyibuwanchenghoujiangshibanfangzaishexianyuanchuangkou
，ranhoukaiqishexianjinxingxiayibuxiaozhuncaozuo。
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2.4 透照方式選取

(1)平動方式適用於平板焊縫類工件的射線檢測
，檢測時保持探測器與射線源位置相對固定，將工件放在載物台上，以合適的速度沿X軸平行移動。對於管、tongshangdehuanxinghanfeng，ruguocaiyongpingdongfangshichengxiang
，caijidejiangshituoyuanxingtoushituxiang
，zhiyouzhongxinquyudetuxiangcaikeyongyujiancejieguopingding，bingqiexuyaoxuanzhuanduogejiaoducainengwanchengquanbujiance，jiangdilejiancelingmindu(圖2a)，某些情況下由於厚度太大而不能實現透照檢測。

(2)旋轉方式要求調節相對位置使工件放在載物台回轉中心，且與射線束中心、探測器中心處於一條直線上。對於筒形件，通過工裝將探測器置於工件內部，盡可能貼近檢測部位，采用單壁單影的方式透照
；對於內徑較小的管狀與筒形工件，采用雙壁透照的方式
；旋轉一定角度即可將透照區展開成像，可有效提高檢測效率(圖2b)。對於回轉類工件
，采用旋轉方式成像具有突出的優點，可提高圖像質量，縮短檢測時問。

2.5 運動速度控製

youyutanceqibixuyouxiangduiyundongcainengchengxiang，yincixuyaojiangyundongsudukongzhizaihelidefanwei。ruguosudubuheshi，zededaodetuxiangjiucunzailashenhuoyasuoxianxiang。lingwai，fenbianlvyuegao、圖像噪聲越低

，運動速度需越低。

平動成像中的移動速度V與探測器的曝光時間T、成像精度P
、透照放大倍數M和重複掃描次數N有關： 對於旋轉方式，還需要考慮工件內徑進行計算。

2.6 檢測參數優化

最佳放大倍數Mopt與探測器的固有不清晰度Us、射線焦點尺寸d有關:
經計算
，最佳放大倍數Mopt=1
，即成像時探測器盡量貼近被檢測工件。此外，成像質量還與選用的透照電壓
、電流、焦距和焦點等參數有關。

掃描圖像的清晰度與重複掃描次數有關，圖像掃描時采用Double Graylevel選項

，類似於實時成像檢測中的4幀圖像疊加(N=4)。進行檢測的速度降低了4倍，但圖像卻有比較大的改善
，噪聲明顯降低，更有利於缺陷的檢出與識別。檢測圖像能夠滿足GB 3323―1987標準規定的AB級要求。
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2.7 缺陷定量分析

在(zai)進(jin)行(xing)圖(tu)像(xiang)尺(chi)寸(cun)測(ce)量(liang)時(shi)
，需(xu)要(yao)將(jiang)經(jing)過(guo)計(ji)量(liang)或(huo)已(yi)知(zhi)精(jing)確(que)尺(chi)寸(cun)的(de)試(shi)件(jian)緊(jin)貼(tie)在(zai)被(bei)檢(jian)焊(han)縫(feng)的(de)一(yi)側(ce)與(yu)焊(han)縫(feng)同(tong)時(shi)成(cheng)像(xiang)。每(mei)次(ci)評(ping)定(ding)前(qian)，應(ying)作(zuo)一(yi)次(ci)標(biao)定(ding)，缺(que)陷(xian)測(ce)量(liang)時(shi)進(jin)行(xing)對(dui)比(bi)或(huo)通(tong)過(guo)公(gong)式(shi)將(jiang)圖(tu)像(xiang)尺(chi)寸(cun)轉(zhuan)化(hua)為(wei)真(zhen)實(shi)尺(chi)寸(cun)。為(wei)此(ci)，設(she)計(ji)了(le)專(zhuan)用(yong)的(de)測(ce)量(liang)評(ping)片(pian)用(yong)試(shi)片(pian)(圖3)
，試片也可用於檢測相對運動速度是否匹配。

尺寸標定完成後，通過圖像處理方法實現缺陷定量分析。選用Canny邊緣檢測算法進行缺陷邊緣定位。接著對檢測出的邊緣進行細線化處理。然後通過搜索每條邊緣線端點為中心的5×5或更大的鄰域，找出其它端點並進行填充
，完成邊緣點連接
，去除邊緣檢測圖像中的間隙。再應用像素標記defangfa，jianzhameiyimubiaoxiangsuxianglindiandeliantongxing，jinxingbihequxianneidemubiaobiaoji。tongguoshangshucaozuojikejiangbutongquexianbiaojichulaiyigongceliangyong，zuihouwanchengquexiancanshujisuan。

2.8 圖像存檔管理

檢測結果以數字圖像形式存放在計算機上，為便於對檢測圖像進行統一管理，筆者自行設計了圖像文件的管理數據庫
，記錄檢測信息(工件名

、檢測日期等)、成像參數和檢測評定結果等。

3 應用結論及問題分析

CMOS射線探測器具有較高的空間分辨率(61p/mm，固有不清晰度<0.2 mm)，檢測靈敏度高(4096灰度級)。成像質量優於采用增強器的實時成像係統，接近或達到膠片照相的水平
；在圖像的對比度方麵優於膠片照相方法和實時成像係統。

通過試驗優化等方法，成功地將探測器應用於平板焊縫、環huan焊han縫feng和he縱zong焊han縫feng等deng大da多duo數shu產chan品pin零ling部bu件jian的de射she線xian檢jian測ce
，提ti高gao了le檢jian測ce效xiao率lv
，降jiang低di了le檢jian測ce成cheng本ben。為wei更geng好hao地di促cu進jin數shu字zi化hua射she線xian檢jian測ce技ji術shu的de應ying用yong，有you必bi要yao在zai下xia列lie方fang麵mian開kai展zhan研yan究jiu工gong作zuo：

(1)複雜工件的最優化檢測及仿真[4]，為檢測結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化
、半自動化方法的研究。

(3)圖像文件的管理、傳輸(引入PACS模式)[5]。

(4)建立新的數字化射線檢測標準。