基于x射線探測器的焊接質(zhì)量無損檢測系統(tǒng)

基于x射線探測器的焊接質(zhì)量無損檢測系統(tǒng)

x輻射能實現(xiàn)非接觸、高能量的優(yōu)點，因此在焊接質(zhì)量的損失試驗中得到了廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)射線成像檢測法是基于模擬技術(shù)的,其高成本、漫長的檢測周期,與焊接質(zhì)量無損檢測技術(shù)自動化、數(shù)字化的發(fā)展趨勢相違背。本文研制了基于X射線探測器的數(shù)字化無損檢測系統(tǒng),對系統(tǒng)硬件進(jìn)行了模塊化設(shè)計,對各種導(dǎo)致圖像信息失真的因素進(jìn)行了校正,應(yīng)用和改進(jìn)了先進(jìn)的圖像處理算法,開發(fā)了成像檢測軟件。該系統(tǒng)能進(jìn)行圖像的遠(yuǎn)程采集和傳輸,并能進(jìn)行遠(yuǎn)程非現(xiàn)場焊接質(zhì)量評判,充分利用了數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化的優(yōu)勢。筆者進(jìn)行這方面的研究,對于促進(jìn)焊接質(zhì)量檢測的自動化和數(shù)字化,縮短工程施工周期,提高構(gòu)件的焊接質(zhì)量,意義重大。1系統(tǒng)組成系統(tǒng)主要由X-ray、檢測工作臺、主控箱、軟件系統(tǒng)組成,如圖1所示。系統(tǒng)中各模塊主要完成如下功能:(1)x-rail(2)測試工作(3)主箱(4)軟件系統(tǒng)2圖像噪聲降低X射線探測器在圖像獲取、處理的一連串過程中,都可能會引入噪聲,導(dǎo)致圖像信息的失真從而使圖像質(zhì)量下降。而高質(zhì)量焊縫圖像的獲取是焊接質(zhì)量評判的基礎(chǔ),所以需要針對不同的情況進(jìn)行校正。2.1糾正算法2.1.1基于圖像的編碼算法本系統(tǒng)采用的校正算法就是先采集若干原始工件圖片,然后對這些圖片的灰度值進(jìn)行相加,最后取平均值。若灰度分布用f表示,該算法的數(shù)學(xué)表達(dá)式為:式中:k為原始工件X-ray圖片的個數(shù);h,w為圖片高寬像素值;ft為圖片第t個時間的灰度;(x,y)為X-ray圖片像素點坐標(biāo)。試驗發(fā)現(xiàn),當(dāng)通過8幅圖像疊加,圖片灰度標(biāo)準(zhǔn)差σ降到9以下。2.1.2原始圖片的采集根據(jù)線性系統(tǒng)理論,誤差的校正就是求取零狀態(tài)響應(yīng),其數(shù)學(xué)表達(dá)式為:式中:f(x,y)為最終的圖片灰度;fm(x,y)為在某一特定條件下采集的原始圖片;fn(x,y)為在沒有X-ray輻射時采集的一張圖片。在計算機(jī)硬件條件允許下,k和s的取值應(yīng)該盡量大。2.1.3圖像fl0x,y為了對X-ray反映差異性進(jìn)行校正,先在暗、中、亮3種射線環(huán)境中采集多幅圖片并疊加平均,灰度分別記作fd0(x,y),fm0(x,y),fl0(x,y)。fd0(x,y)為初始灰度fd(x,y)=0;fl0(x,y)為最終灰度。假設(shè)圖片位數(shù)為n,則最終灰度fl(x,y)=2n-1。由于分段曲線較為簡單,易于編程實現(xiàn),因此,筆者設(shè)計采用分段曲線作為灰度校正曲線,如圖2所示,橫坐標(biāo)為原始灰度,縱坐標(biāo)為最終灰度,則fm0(x,y)的最終的灰度fm(x,y)為:由于圖2中各參數(shù)均為已知數(shù),故對于某一最初的圖像,其最初灰度記作fx0,則最終灰度fx為:2.2x-現(xiàn)代監(jiān)獄ro成像質(zhì)量試驗經(jīng)過上述算法,對探測器進(jìn)行校正后,在X-ray探測器系統(tǒng)最佳透照條件(管電壓65kV,管電流1.3mA,X射線管焦點0.8mm×0.8mm,焦距為1330mm,幀周期為6.2s/幀)下,將標(biāo)準(zhǔn)的透度計粘貼在均勻鋼板焊縫背面,對X-ray探測器系統(tǒng)進(jìn)行了成像質(zhì)量試驗,結(jié)果如圖3所示。由圖3可見,透過10mm厚焊接鋼板,第6根絲能接收到射線并清晰成像,第7根絲雖然有些模糊,但是也能依稀可見;透過6mm厚焊接鋼板,卻能比較清晰地看到第7根絲。X-ray成像工業(yè)檢測的最高級要求是B級,本系統(tǒng)的成像質(zhì)量能夠輕松達(dá)到。另外,焊縫中微小的裂紋等缺陷,也可以輕松看到。3圖像檢測軟件3.1該軟件的主要功能3.2圖像特征模糊變化的魯棒性算法在對圖片進(jìn)行處理的算法中,最佳閾值的求取是核心。傳統(tǒng)閾值的求取,由于沒有考慮實際檢測過程中系統(tǒng)各參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)的誤差,費時費力效果差。本文通過自動調(diào)節(jié)迭代系數(shù),對常規(guī)的迭代算法進(jìn)行了改進(jìn)。該算法對圖片灰度的變化具有極強(qiáng)的魯棒性。其步驟如下:(1)選取圖片灰度的中間數(shù)值T0={Tk|k=0},則式中:Gmin,Gmax分別為圖像最小和最大灰度值。(2)利用閾值Tk把圖片分成2組R1和R2,其中:(3)計算區(qū)域R1和R2的灰度均值G1和G2:式中:f(x,y)是(x,y)點的灰度值;P(x,y)是(x,y)點的權(quán)重系數(shù),一般取1.0。(4)選擇新的閾值Tk+1:式中:Q為迭代系數(shù),其初始值可取0.6。(5)求象素點總數(shù)與字符象素點總數(shù)之比N:(6)如果Tk=Tk+1,結(jié)束;否則,跳轉(zhuǎn)至第(2)步。4檢測結(jié)果分析為了驗證整個焊接質(zhì)量檢測系統(tǒng)的軟硬件配合情況,做了如下試驗。采用20mm厚的X70鋼板,在鋼板上開V形坡口,人為有計劃地埋藏缺陷。其中圓形缺陷的直徑為3mm左右;未熔合、未焊透缺陷的長徑為20~30mm,深度約為其長徑的1/5~1/3;裂紋、條狀夾渣的長徑為20~40mm,深度約為其長徑的1/6~1/3。將焊縫焊接完畢后,利用圖1所示系統(tǒng)進(jìn)行檢測。系統(tǒng)自動檢測結(jié)果見表1。從表1可以看出,系統(tǒng)對圓形夾渣或孔的檢測正確率最高,達(dá)到100%;條渣或孔識別的正確率也較高,識別準(zhǔn)確率最低的是未焊透,裂紋和未熔合的識別率居中。另外,焊接質(zhì)量檢測專家利用判讀尺等輔助工具,檢測出了全部缺陷;而一般的檢測人員,檢測準(zhǔn)確率不如機(jī)器自動檢測結(jié)果,而且有誤判。5檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計通過對探測器噪聲的校正,系統(tǒng)圖像質(zhì)量處理后能夠達(dá)到相應(yīng)的工業(yè)檢測最高級B級要求。成像檢測軟件能夠與硬件配合完成常規(guī)焊接缺陷的自動檢測。軟件支持人機(jī)共檢,通過相互對比有效地提高了檢測的準(zhǔn)確率;其遠(yuǎn)程支持模塊為遠(yuǎn)程評判提供了基礎(chǔ)。該系統(tǒng)目前尚不能實現(xiàn)完全的計算機(jī)自動檢測和評判,尤其一些疑似缺陷和偽缺陷,檢測結(jié)果不如人工檢測,檢出率較低。X-ray的用途是穿透焊接構(gòu)件,將焊接構(gòu)件內(nèi)部的特征信息傳遞到達(dá)探測器,盡可能選用小焦點X-ray射線管。該工作臺通過專用的運動控制卡來控制和驅(qū)動四軸步進(jìn)電機(jī),在電機(jī)帶動下,其運動方向有4個自由度。主控箱是整個檢測系統(tǒng)最主要的硬件部分。其最主要的特色是為了能夠與軟件相配合,將采集的圖片等海量信息通過無線方式快速傳送到遠(yuǎn)方,為專家遠(yuǎn)程評片提供了硬件支撐。該系統(tǒng)的軟件由2個PC機(jī)支撐,其中1個PC機(jī)控制和管理整個硬件的常規(guī)動作,另外1個PC機(jī)安裝有成像檢測軟件。該成像檢測軟件由項目組獨立開發(fā),采用了先進(jìn)的閾值求取和圖像處理算法,是整個焊接質(zhì)量檢測系統(tǒng)技術(shù)含量最高的地方。該軟件開發(fā)過程中,筆者嚴(yán)格遵守X-ray檢測的一些國家標(biāo)準(zhǔn),仔細(xì)研究了X-ray檢測的工作流程,并通過充分利用Excel表格、MATLAB計算、SQL數(shù)據(jù)庫等計算機(jī)軟件和技術(shù),使軟件的使用與X-ray檢測工作者的工作習(xí)慣和行業(yè)規(guī)范不謀而合。該成像檢測