CMOS探測(cè)器在射線(xiàn)檢測(cè)中的設(shè)計(jì)應(yīng)用

概述：以CMOS探測(cè)器為記錄介質(zhì)的數(shù)字化射線(xiàn)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(xiàn)掃描探測(cè)器探測(cè)單元排成線(xiàn)陣列，需要在檢測(cè)時(shí)進(jìn)行相對(duì)掃描運(yùn)動(dòng)，逐線(xiàn)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(guò)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(xiàn)檢測(cè)。最后分析了應(yīng)用中存在的問(wèn)題及后續(xù)研究方向。


Application of Direct Radiography Using CMOS X-ray Linear Array Detector
SUN Chao-Ming, LI Qiang, WANG Zeng-Yong, LI Jian-Wen
(Institute of Machinery Manufacturing Technology, CAEP, Mian yang 621900, China)
Abstract: The digital radiography（DR） using complementary metal oxide silicon(CMOS) X-ray linear array detector as record media had advantages of higher spatial resolution, better temperature adaptability and flexible structure adaptability. During radiographic testing, relative movement of the detector and the work piece was necessary to collect each line of the scanned image, as the detecting units were lined in a row. So the testing equipments were designed to mount the detector, adjust the relative position and move the work piece according to its structure. The testing procedure comprising configuration and calibration of the detector, selection of the applicable scan mode, control of the scan speed, optimizing of the testing parameters, segmentation and quantification of defects and archiving and retrieval of the digital images were described. After optimizing the testing process, it showed that CMOS detector had capability to achieve better images and it could be used in radiographic testing widely. The benefit of using DR and some problems to be solved were talked in the end.
Keywords: Digital radiography; CMOS X-ray linear array detector; Process optimization

1 CMOS探測(cè)器簡(jiǎn)介
射線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)利用X射線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)檢測(cè)手段，如底片的數(shù)字化處理技術(shù)(Film Digitisation)、射線(xiàn)實(shí)時(shí)成像技術(shù)(Radioscopy)、計(jì)算機(jī)射線(xiàn)成像系統(tǒng)(Computed Radiography)和射線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(guò)轉(zhuǎn)換屏將接收到的射線(xiàn)轉(zhuǎn)換為光線(xiàn)，直接與轉(zhuǎn)換屏接觸的探測(cè)點(diǎn)單元將光線(xiàn)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(xiàn)能量，80/μm的空間分辨率，無(wú)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。

圖1 CMOS射線(xiàn)掃描探測(cè)器

2 CMOS探測(cè)器的檢測(cè)應(yīng)用

2.1 檢測(cè)流程
由于CMOS射線(xiàn)探測(cè)單元排成線(xiàn)陣列，靜止?fàn)顟B(tài)下只能得到射線(xiàn)透過(guò)被檢物體而形成的投影圖像中的一條線(xiàn)。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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)源(YX―LON MG325，最大電壓320 kV，大焦點(diǎn)3.0 mm，小焦點(diǎn)2.O mm)。采用CMOS線(xiàn)性X射線(xiàn)掃描探測(cè)器進(jìn)行射線(xiàn)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(xiàn)陣列)需要與射線(xiàn)束中心線(xiàn)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(lèi)型工件)。
本著簡(jiǎn)便、實(shí)用的原則，在已有射線(xiàn)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(guò)工裝固定于射線(xiàn)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(guò)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(lèi)型工件的射線(xiàn)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)
首次使用探測(cè)器時(shí)需指定成像器類(lèi)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(kāi)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(xiàn)源，探測(cè)器進(jìn)行偏置校準(zhǔn)。②開(kāi)啟射線(xiàn)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(xiàn)陣列輸出信號(hào)達(dá)到最大但未出現(xiàn)飽和為止。③調(diào)節(jié)射線(xiàn)能量，使線(xiàn)陣列輸出信號(hào)降低為最大信號(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(wèn)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)第一步完成后將試板放在射線(xiàn)源窗口，然后開(kāi)啟射線(xiàn)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(lèi)工件的射線(xiàn)檢測(cè)，檢測(cè)時(shí)保持探測(cè)器與射線(xiàn)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(xiàn)束中心、探測(cè)器中心處于一條直線(xiàn)上。對(duì)于筒形件，通過(guò)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(kāi)成像，可有效提高檢測(cè)效率(圖2b)。對(duì)于回轉(zhuǎn)類(lèi)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(wèn)。

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。

圖2 不同透照方式獲取的檢測(cè)圖像