基于視差照相法的小直徑管焊縫內(nèi)缺陷深度定位技術(shù)分析

引言
某產(chǎn)品內(nèi)小直徑管采用對(duì)接方式進(jìn)行電子束焊接，對(duì)焊接質(zhì)量提出了較高要求：在有效的焊接深度內(nèi)不允許有超標(biāo)氣孔。因此，對(duì)于普通的射線照相方法而言，在發(fā)現(xiàn)超標(biāo)氣孔后無(wú)法給出缺陷的具體深度位置，也就不能判別焊縫是否合格。

采用3D-ICT方法，對(duì)小徑管焊縫進(jìn)行檢測(cè)，可準(zhǔn)確得到缺陷的大小及其分布狀態(tài)。但CT設(shè)備成本及檢測(cè)成本都比較高，如何利用常規(guī)無(wú)損檢測(cè)方法得到缺陷的深度信息是一個(gè)非常有價(jià)值的研究課題。為此，針對(duì)具體的檢測(cè)對(duì)象，不少學(xué)者進(jìn)行了有針對(duì)性的研究，也取得了一定的進(jìn)展[1,2,5]。本文針對(duì)小直徑管（外徑Φ8mm，內(nèi)徑Φ4mm）焊縫內(nèi)缺陷的深度定位實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行分析，以充分利用常規(guī)照相方法解決問(wèn)題。

1．缺陷深度定位方法分析
普通的射線照相方法是將三維物體投影到二維平面內(nèi)，因此，缺陷在透照方向上的位置信息是無(wú)法獲取的，只能得到投影面上的二維尺寸。為了檢測(cè)缺陷的埋藏深度，需要利用視差照相法，主要包括平移法和旋轉(zhuǎn)法。

近年來(lái)，數(shù)字化射線檢測(cè)技術(shù)獲得了更多的應(yīng)用，這使視差法用于缺陷深度定位變得更加簡(jiǎn)便。在數(shù)字化射線探測(cè)器中，CMOS線陣列掃描探測(cè)器具有成像精度高（像素間距0.08mm）、結(jié)構(gòu)適用性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，已成功應(yīng)用于焊縫的內(nèi)部質(zhì)量檢測(cè)。

1.1平移法
平移法用于缺陷深度定位,其原理主要為相似三角形，如圖1所示。以往應(yīng)用平移法時(shí)，大多需要準(zhǔn)確測(cè)量出射線源到探測(cè)器的距離、探測(cè)器與檢測(cè)物體間的距離[3]，而這些參數(shù)難以得到真實(shí)值，這很大程度影響到缺陷深度計(jì)算數(shù)值的準(zhǔn)確性。利用設(shè)置標(biāo)記方法可避免上述參數(shù)測(cè)量不準(zhǔn)確所帶來(lái)的不利影響[4]。

保持檢測(cè)物體與探測(cè)器位置不同，將射線源從位置1（P0）上升到位置2（P1），射線管移動(dòng)距離為hs。物體內(nèi)部有兩個(gè)間距為Δd的相鄰缺陷。射線源到缺陷位置的距離為FOD，缺陷影像放大倍數(shù)為K-1。
移動(dòng)射線源后，缺陷d1、d2的影像位移為Hd1、Hd2：
Hd1=hs*(FOD*(K-1)-Δd)/(FOD+Δd)                                   （1）
       Hd2=hs*(k-1)                                                       （2）
相鄰缺陷由于位置的差異，而使移動(dòng)射線源后所產(chǎn)生的影像偏移不同，其間的差值為：
   ΔHd=Hd2-Hd1=hs*K*Δd/(FOD+Δd)                                    （3）
不難證明，對(duì)于間隔相等的缺陷（如d3、d4），射線源從位置1上升到位置2得到缺陷影像位移差是相等的(與d1、d2)。因此，在檢測(cè)物體表面設(shè)置兩個(gè)標(biāo)記用于確定缺陷深度位置是可行的。
應(yīng)用平移法時(shí)，F(xiàn)OD與K值保持恒定。為使平移法取得較好的檢測(cè)定量結(jié)果與精度，需要合理設(shè)定檢測(cè)參數(shù)，以使缺陷影像足夠清晰，可得到較高的定量精度，且不同位置的缺陷影像區(qū)分明顯。
將公式（3）進(jìn)行變換，可得到
                 hs=npx*0.08*(1+FOD/Δd)/K                               （4）
npx代表像素個(gè)數(shù)。
可據(jù)公式（4）計(jì)算出合適的透照參數(shù)。假設(shè)Δd=0.2mm間隔的缺陷經(jīng)平移法后需要產(chǎn)生5個(gè)像素的影像偏移，射線源移動(dòng)距離不能超過(guò)40mm，射線源到檢測(cè)物體距離不能小于100mm，射線源到探測(cè)器距離不能超過(guò)1000mm，且要求缺陷位置(Δd)與影像位移(npx)間具有線性關(guān)系（FOD/Δdmax>>1），計(jì)算出可用的透照參數(shù)如圖2所示。

1.2旋轉(zhuǎn)法
以往利用旋轉(zhuǎn)法測(cè)缺陷深度時(shí)，需要測(cè)量出射線源到探測(cè)器的距離參數(shù)、旋轉(zhuǎn)中心距探測(cè)器距離[1,5]，而這些參數(shù)的測(cè)量不準(zhǔn)確造成了計(jì)算結(jié)果偏差。
由于管子為回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)，使用旋轉(zhuǎn)方法確定缺陷的深度位置似乎更加簡(jiǎn)便。在發(fā)現(xiàn)缺陷投影位于管徑中心位置處再旋轉(zhuǎn)90度即可確定出缺陷的埋藏深度。但事實(shí)上，缺陷影像在旋轉(zhuǎn)一定角度后往往變得不清晰，難以準(zhǔn)確識(shí)別。如埋藏深度為1.8mm的一個(gè)圓形氣孔，在不同角度下的影像如圖3所示，當(dāng)缺陷影像位于邊緣時(shí)，其可識(shí)別性較差(圖4)。

如果管子繞中心旋轉(zhuǎn)一周，則其內(nèi)部缺陷中心與管徑中心的距離將會(huì)以余弦曲線形式分布（圖5）。在缺陷中心與管徑中心基本一致的位置，將取得最清晰的射線影像。為使缺陷影像足夠清晰，旋轉(zhuǎn)角度應(yīng)使缺陷投影在管徑中心附近。
如果從缺陷投影在管徑中心的位置起旋轉(zhuǎn)較小角度(如±15。)，則余弦曲線的一段將近似為直線。據(jù)此直線的斜率可得到缺陷的深度位置。

如果要求計(jì)算結(jié)果具有足夠的精度，則應(yīng)使圖像中缺陷影像位移所對(duì)應(yīng)的像素?cái)?shù)足夠大；還應(yīng)設(shè)置標(biāo)記，以使圖像中缺陷影像位移轉(zhuǎn)化為實(shí)際長(zhǎng)度單位。
2．試驗(yàn)結(jié)果
2.1 平移法
通過(guò)計(jì)算得到，采用CMOS射線線陣探測(cè)器，hs=20mm，F(xiàn)OD=101mm,K=9.9時(shí)，可使間距Δd=0.2mm的缺陷在射線平移后的影像偏差達(dá)到5個(gè)像素。

檢測(cè)結(jié)果表明，由于投影時(shí)深度位置的差異導(dǎo)致了射線偏移后缺陷或標(biāo)記的影像位移差值的不同。圖6b中三個(gè)圓形自上到下分別為靠近靠近探測(cè)器側(cè)標(biāo)記、內(nèi)部氣孔缺陷、射線源側(cè)標(biāo)記影像，其大小均為Ф0.3mm；為簡(jiǎn)化分析，保持標(biāo)記與缺陷的高度一致。

通過(guò)軟件測(cè)量得到標(biāo)記影像的縱坐標(biāo)為395.9、584.4，而缺陷影像縱坐標(biāo)為441.7。由線性關(guān)系不難算出，氣孔距管徑中心的距離為2.13mm，與真實(shí)值非常接近。改變?nèi)毕莸奈恢茫嘀行膹?.25mm以0.25mm間隔增加到3.75mm，計(jì)算出相應(yīng)的缺陷影像位移如圖7所示。

2.2 旋轉(zhuǎn)法
為使缺陷影像足夠清晰，在應(yīng)用旋轉(zhuǎn)法時(shí)也采用投影放大技術(shù)，F(xiàn)OD=101mm,K=9.9。在旋轉(zhuǎn)15度后，獲取的檢測(cè)圖像如圖8所示，中間的圓形為氣孔缺陷的透照?qǐng)D像。

兩個(gè)標(biāo)記影像的橫坐標(biāo)分別為484.7、750.5，氣孔的橫坐標(biāo)為545.6，管徑中心的橫坐標(biāo)為618。因此，旋轉(zhuǎn)角度后兩標(biāo)記影像的橫坐標(biāo)與管徑中心偏差分別為133.3、132.5,而氣孔影像的橫坐標(biāo)與管徑中心偏差值為72.4。根據(jù)線性關(guān)系，可得到氣孔中心距管徑中心的距離為4.15*72.4/133=2.26，與真實(shí)值非常接近。

結(jié)論
1.        利用視差法可一定程度解決缺陷埋藏深度定位的難題。
2.        針對(duì)小徑管對(duì)接焊縫內(nèi)部氣孔類缺陷的深度定位難題，提出了設(shè)置合適的標(biāo)記，利用直線關(guān)系進(jìn)行計(jì)算的解決方法。比較而言，旋轉(zhuǎn)法的應(yīng)用更加簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確。
3.        使用微焦點(diǎn)射線源，借助射線投影放大技術(shù)可取得較好的缺陷深度定位精度。

參考文獻(xiàn)
1．        Bikash Ghose, D.K. Kankane, Estimation of location of defects in propellant grain by X-ray radiography[J], NDT&E International 41 (2008):125–128
2．        石端虎，剛鐵，楊根喜等，工字形激光焊件中批量缺陷定位數(shù)據(jù)的自動(dòng)提取[J]，焊接學(xué)報(bào)，2009年10月: 49-52
3．        美國(guó)無(wú)損檢測(cè)學(xué)會(huì)編，美國(guó)無(wú)損檢測(cè)手冊(cè)——射線卷[M]，北京：世界圖書出版公司，1992年7月
4．        C. Sun, G. Tang, Z. Wang，Realization and application of simulation technology in Direct Radiography[C]，CD-Proceedings of 17th World Conference on Nondestructive Testing.25-28 Oct 2008, Shanghai, China
5．        楊飛，X射線數(shù)字成像中的缺陷定位檢測(cè)技術(shù)研究[D]，華北工學(xué)院碩士學(xué)位論文，2003年3月

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普通膠片射線有可用的方案嗎？

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