德國(guó)２８２４型輪胎成像原理及系統(tǒng)維護(hù)探討

劉愛(ài)國(guó)

摘要：本文論述了德國(guó)COLLMANN公司2824型輪胎檢驗(yàn)X光機(jī)成像原理及X-RAY系統(tǒng)維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，闡述了X-RAY產(chǎn)生的原理以及數(shù)字成像的原理，探討了X-RAY系統(tǒng)在使用中易發(fā)生故障的原因及處理方法。

關(guān)鍵詞：X-RAY 高壓發(fā)生器 數(shù)字成像 X-RAY管

0 引言

隨著全鋼子午線輪胎在載重汽車(chē)上的普及，市場(chǎng)對(duì)全鋼載重子午線輪胎需求也日益增加，因此各大輪胎生產(chǎn)企業(yè)也將全鋼載重子午線輪胎作為企業(yè)的主要產(chǎn)品。依據(jù)GB9744-1997《載重汽車(chē)輪胎》標(biāo)準(zhǔn)，全鋼載重子午線輪胎必須進(jìn)行逐條X光檢驗(yàn)，以保證全鋼載重子午線輪胎的產(chǎn)品質(zhì)量，以及用戶使用的安全。我公司引進(jìn)了兩臺(tái)德國(guó)COLLMANN公司生產(chǎn)的2824型輪胎檢驗(yàn)X光機(jī)。該機(jī)可以檢驗(yàn)尺寸為15"到24.5"之間的所有規(guī)格的輪胎，具備全自動(dòng)輪胎識(shí)別用于優(yōu)化X光參數(shù)的調(diào)整，雙源/輪胎操作裝置用于較高速度和較高的產(chǎn)量，同時(shí)觀測(cè)輪胎胎面和胎側(cè)胎圈到胎圈，輪胎的檢測(cè)外加圖像調(diào)出功能進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)查，具有縮放功能。要實(shí)現(xiàn)這些功能，X光的發(fā)生以及圖像的生成是核心問(wèn)題，現(xiàn)在我就這兩個(gè)問(wèn)題簡(jiǎn)單探討一下。

1 X-RAY的產(chǎn)生原理及系統(tǒng)組成

X-ray是由德國(guó)侖琴教授在1895年所發(fā)現(xiàn)。這種由真空管發(fā)出能穿透物體的輻射線，在電磁光譜上能量較可見(jiàn)光強(qiáng)，波長(zhǎng)較短，頻率較高，相類似之輻射線有宇宙射線。X光與可見(jiàn)光線基本相同。兩者都是光子攜帶的波形電磁能，X光與可見(jiàn)光線的不同在于各自光子的能級(jí)不同。能級(jí)也可以表述為光線的波長(zhǎng)?？梢?jiàn)光光子和X光光子都是由電子在原子中的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的。電子分布在原子核周?chē)?，占?jù)不同的能級(jí)或軌道。當(dāng)電子進(jìn)入能量較低的軌道時(shí)，需要釋放一些能量，即以光子的形式釋放多余的能量。光子的能級(jí)取決于電子落在軌道間的距離。光子與另一個(gè)原子碰撞時(shí)，原子將一個(gè)電子推入能級(jí)較高的軌道，這樣，就可以吸收光子的能量。為此，光子的能級(jí)必須與電子所在的兩個(gè)位置之間的能差相符。否則，光子便無(wú)法使電子在軌道之間移動(dòng)。構(gòu)成物體組織的原子對(duì)可見(jiàn)光光子的吸收能力極強(qiáng)。光子的能級(jí)與電子所在位置之間的不同能差相符。無(wú)線電波的能量不足以在較大的原子中將電子在不同的軌道間移動(dòng)，因此，無(wú)線電波可穿過(guò)大多數(shù)物質(zhì)。X光光子也可以穿過(guò)大多數(shù)物質(zhì)，但原因正好相反：它們的能量過(guò)大。這些光子能夠?qū)㈦娮油耆搽x所屬的原子。X光光子的部分能量用于將電子與原子分離，其余能量用于發(fā)射電子，使其游離在空間。原子越大，以這種方式吸收X光光子的可能性就越大，因?yàn)樵釉酱?，軌道間的能差越大，于是能級(jí)就越接近光子的能量。原子越小，分離電子軌道的能量突變相對(duì)越低，吸收X光光子的可能性就越小。橡膠由較小的原子組成，因此不能很好地吸收X光光子。鋼鐵原子則大得多，因此能更好地吸收X光光子。這也是產(chǎn)生X光圖像的基礎(chǔ)。

工業(yè)上產(chǎn)生X-RAY是由X-RAY管產(chǎn)生的，X-RAY管是由陰極燈絲（Cathod）和陽(yáng)極靶（Anode）組成的高度真空的真空管。當(dāng)在陽(yáng)極與陰極之間加入電場(chǎng)，同時(shí)在陰極燈絲上有電流通過(guò)時(shí)，熱電子在電場(chǎng)的加速下轟擊陽(yáng)極靶，從而產(chǎn)生X-RAY。德國(guó)COLLMANN公司2824型輪胎檢驗(yàn)X光機(jī)使用的是德國(guó)RTW公司生產(chǎn)的MCT 120-6FII型X-RAY管。X-RAY管技術(shù)參數(shù)如下：

整個(gè)X-RAY發(fā)光系統(tǒng)是由X-RAY管、高壓發(fā)生器、MP1控制器以及連接電纜組成。MP1控制器是一個(gè)微處理機(jī)控制的控制器，它用于連接Gulmay公司生產(chǎn)的X射線高壓發(fā)生器?？赏ㄟ^(guò)面板調(diào)整參數(shù)，通過(guò)開(kāi)關(guān)編碼選擇不同的位置，以適用于不同類型的X光管和高壓發(fā)生器。控制器是借助于一個(gè)連接電纜線直接與發(fā)生器相連接?？刂破鬟B接到電源的分配裝置，該裝置可以與安全聯(lián)鎖，冷卻器接口和警告燈相結(jié)合。每一臺(tái)高壓發(fā)生器與X光管配合在工廠可達(dá)到4個(gè)預(yù)編的加熱程序?？刂破鲙в幸粋€(gè)RS232接口，它可使MP1狀態(tài)隨時(shí)受到監(jiān)視，實(shí)現(xiàn)X光系統(tǒng)的電壓、燈絲電流以及開(kāi)始、結(jié)束的自動(dòng)控制。FL100發(fā)生器是一個(gè)完全封閉的，單相輸入操作獨(dú)立的高壓裝置。它利用固態(tài)技術(shù)和高頻技術(shù)，使其能夠精密地控制并能監(jiān)視輸出參數(shù)?？刂平缑孢m宜于微處理機(jī)控制。FL100發(fā)生器用一個(gè)能控制的燈絲電壓和一個(gè)產(chǎn)生的電子高壓，給一個(gè)單級(jí)X-RAY光管提供電源。在480W的條件下產(chǎn)生100Kv的電壓。電源供給由2個(gè)主要元件組成，一個(gè)電子高壓缸和一個(gè)轉(zhuǎn)換器底盤(pán)。電子高壓缸包括所有產(chǎn)生電子高壓輸出所需要的高壓電路和有關(guān)的燈絲電壓。轉(zhuǎn)換器底盤(pán)直接安裝在電子高壓缸上，它包含產(chǎn)生控制480W驅(qū)動(dòng)電子高壓和驅(qū)動(dòng)燈絲變壓器的電子電路。

2 數(shù)字成像原理

COLLMANN公司2824型輪胎檢驗(yàn)X光機(jī)是運(yùn)用數(shù)字成像原理，在3臺(tái)電腦上分別顯示胎面和左右胎側(cè)的X光圖像的。數(shù)字成像的原理是X-RAY管產(chǎn)生扇形平面X線來(lái)進(jìn)行掃描投影，輪胎在驅(qū)動(dòng)裝置的作用下勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，分別位于胎面和左右胎側(cè)的探測(cè)器將X線直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。具體為X線束對(duì)輪胎某部一定厚度的層面進(jìn)行掃描，由探測(cè)器接收透過(guò)該層面的X線，轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢?jiàn)光后，由光電轉(zhuǎn)換變?yōu)殡娦盘?hào)，再經(jīng)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器（analog/digital converter）轉(zhuǎn)為數(shù)字，輸入計(jì)算機(jī)處理。圖像形成的處理有如對(duì)選定層面分成若干個(gè)體積相同的長(zhǎng)方體，稱之為體素（voxel），見(jiàn)圖1-2-1。

掃描所得信息經(jīng)計(jì)算而獲得每個(gè)體素的X線衰減系數(shù)或吸收系數(shù)，再排列成矩陣，即數(shù)字矩陣（digital matrix），見(jiàn)圖1-2-2。經(jīng)數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器（digital/analog converter）把數(shù)字矩陣中的每個(gè)數(shù)字轉(zhuǎn)為由黑到白不等灰度的小方塊，即象素（pixel），并按矩陣排列，即構(gòu)成輪胎某一部分的X光圖像。所以，輪胎某一部分的X光圖像是重建圖象。每個(gè)體素的X線吸收系數(shù)可以通過(guò)不同的數(shù)學(xué)方法算出。

輪胎在驅(qū)動(dòng)裝置的帶動(dòng)下勻速轉(zhuǎn)動(dòng)形成連續(xù)的輪胎連續(xù)的數(shù)字矩陣，通過(guò)相關(guān)的軟件處理后得到重建后的連續(xù)掃描的輪胎X光圖像。該系統(tǒng)的核心部件就是探測(cè)器，該機(jī)使用的是湯姆遜公司生產(chǎn)的非晶硅探測(cè)器，基本的原理是：像素都是由光電二極管和薄膜晶體管組成。光電二極管有非晶態(tài)氫化硅制成，它在可見(jiàn)光照射下產(chǎn)生電流。在光電二極管矩陣上覆蓋著一層閃爍發(fā)光晶體層，X線光子通過(guò)閃爍發(fā)光晶體層轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光光子，它激發(fā)光電二極管產(chǎn)生電流，電流在光電二極管自身電容上積分形成儲(chǔ)存電荷，每個(gè)像素的儲(chǔ)存電荷量與入射的X線光子能量成正比。在控制電路的作用下，按一定規(guī)律把各個(gè)像素的儲(chǔ)存電荷讀出，并形成14bit的數(shù)字信號(hào)輸出，由計(jì)算機(jī)建立圖像。

3 2824型輪胎檢驗(yàn)X光機(jī)X-RAY成像系統(tǒng)的故障與維護(hù)

3.1 X-RAY管故障與維護(hù) X光管是該機(jī)的核心部件之一，由于構(gòu)造上的原因，X光管比較脆弱，再加上該件價(jià)格昂貴，更是我們?nèi)粘＞S護(hù)的重中之重。我就結(jié)合我的維護(hù)經(jīng)驗(yàn)簡(jiǎn)單談一談。

3.1.1 新光管及長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存后的光管安裝 新光管一般在安裝時(shí)儲(chǔ)存都超過(guò)8周，因此一定要預(yù)熱，預(yù)熱的目的是使真空管中的殘留氣體進(jìn)一步排出，同時(shí)也使靶極在熱電子的轟擊下更均勻，有利于提高光管的使用壽命，這一過(guò)程我們稱作“訓(xùn)練”。具體步驟如下：①開(kāi)始將電壓放到光管可以正常使用電壓的50%。②在光管預(yù)熱運(yùn)行期間，陽(yáng)極電流的調(diào)整必須符合操作電壓允許的最大電流，具體見(jiàn)下表。(要注意充分冷卻)