視差法及CIVA仿真在數(shù)字射線檢測(cè)缺陷深度定位中的應(yīng)用

華雄飛，樊明巖2，劉 順，林世昌，范 義

(1.中廣核檢測(cè)技術(shù)有限公司，蘇州 215021；2.遼寧紅沿河核電公司，大連 116300)

作為五大常規(guī)無損檢測(cè)方法之一的射線檢測(cè),其在工業(yè)上有著廣泛的應(yīng)用[1]。一般的射線檢測(cè)技術(shù)是典型的二維成像技術(shù)，只能測(cè)量缺陷在投影面方向上的位置和尺寸，無法反映其厚度方向的位置和尺寸信息[2]。在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中，因無損評(píng)價(jià)、焊縫質(zhì)量評(píng)級(jí)以及缺陷修補(bǔ)的需要，工業(yè)無損檢測(cè)時(shí)需要準(zhǔn)確獲取焊縫內(nèi)部缺陷的深度信息[3-4]。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)缺陷深度測(cè)量的方法主要有超聲波法和射線成像法，射線成像法又分為工業(yè)計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)法、黑度法、體視法及視差法等[3,5-6]。筆者重點(diǎn)研究了射線視差法，通過原理分析、CIVA軟件仿真模擬以及試塊數(shù)字射線透照試驗(yàn)，探討了視差法在缺陷深度定位上的可行性，分析了影響缺陷深度測(cè)量精度的主要因素。

1 視差法原理及測(cè)量誤差分析

1.1 視差法原理

視差法缺陷深度定位原理示意如圖1所示，通過改變放射源的位置拍攝兩張數(shù)字射線(DR)圖像，根據(jù)圖1中的相似三角形關(guān)系可得

(1)

式中：H為缺陷至成像平面的距離；F為射線源至成像平面的距離；L為射線源移動(dòng)的距離；K為缺陷影像位移。

圖3 不同平移距離時(shí)的軟件模擬影像

圖1 視差法缺陷深度定位原理示意

1.2 視差法測(cè)量誤差分析

由式(1)可知，缺陷至成像平面的距離H和缺陷影像的位移K之間不是線性關(guān)系，但在實(shí)施射線檢測(cè)時(shí)，受幾何不清晰度的影響，一般F?T>H，則有L?K，因此式(1)可以近似地表示為式(2)，即缺陷A至成像平面的距離H與缺陷影像的位移K近似成線性關(guān)系(H∝K)。

(2)

由式(2)可知，最終測(cè)量的缺陷至成像平面的距離H由F、L、K共同決定，由于F和L的值遠(yuǎn)大于K，使用單變量法分析式(2)可知，焦距F和平移距離L的微小誤差對(duì)H的測(cè)量結(jié)果影響較小，而K的測(cè)量誤差會(huì)對(duì)最終的結(jié)果造成較大的影響。F/L可以看成是K的放大系數(shù)，因此為了減小測(cè)量誤差，在滿足幾何不清晰度的前提下，應(yīng)適當(dāng)減小焦距F和增大平移距離L。

在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，為了減小焦距F和平移距離L的測(cè)量誤差對(duì)結(jié)果的影響，引入一個(gè)定位標(biāo)記S(見圖1)，根據(jù)圖中相似三角形關(guān)系有L/M=F/(F-T)，即M=L(F-T)/F，通過對(duì)比驗(yàn)證標(biāo)記影像位移M的實(shí)測(cè)值和理論值，判斷F和L是否有較大誤差。針對(duì)K值誤差對(duì)結(jié)果的影響，采用DR技術(shù)替代膠片成像技術(shù)，檢驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)直接輸出數(shù)字圖像，在圖像軟件上實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)度測(cè)量、圖像疊加等功能，能方便準(zhǔn)確地測(cè)量出缺陷影像的位移。

通過分析可知，利用視差法測(cè)量缺陷深度的主要工藝參數(shù)是焦距F和平移距離L，減小焦距和增大平移距離能減小測(cè)量誤差，但是焦距過小不能滿足幾何不清晰度的要求，平移距離過大容易導(dǎo)致缺陷影像畸變。筆者以CIVA仿真模擬為主，試塊透照試驗(yàn)為輔，研究了射線視差法測(cè)量缺陷深度的可行性，同時(shí)在滿足幾何不清晰度要求的條件下選用小焦距，以平移距離、缺陷深度為變量，分析其對(duì)測(cè)量精度的影響。

2 CIVA仿真軟件模擬

CIVA仿真軟件的工作界面如圖2所示，軟件的模擬參數(shù)如下：射線源為Ir192源，源尺寸為φ2 mm×2 mm，焦距為500 mm，透照方式為單壁透照；試樣材料為奧氏體不銹鋼，規(guī)格(長(zhǎng)×寬×高)為200 mm×200 mm×40 mm，模擬缺陷為φ3 mm球孔，試樣1～試樣4的缺陷深度分別為5，15，25，35 mm。

圖2 CIVA仿真軟件工作界面

2.1 平移距離為變量時(shí)的仿真模擬

以放射源的平移距離為單一變量，選用試樣3作為模擬試樣，焦距為500 mm，在初始位置處及將放射源分別平移50，100，150，200 mm時(shí)進(jìn)行仿真模擬，軟件模擬影像如圖3所示，影像位移及測(cè)量深度如表1所示。

表1 不同平移距離時(shí)的軟件影像位移和測(cè)量深度 mm

由表1可知，通過平移放射源，工件的缺陷影像位置隨之發(fā)生改變，缺陷影像的移動(dòng)距離與平移距離近似成正比關(guān)系。通過式(1)可求得缺陷深度，結(jié)果顯示，缺陷測(cè)量深度與其實(shí)際深度相差不大。

2.2 缺陷深度為變量時(shí)的仿真模擬

以試樣缺陷深度為單一變量，焦距為500 mm，將放射源平移200 mm，對(duì)試樣進(jìn)行兩次射線檢測(cè)模擬，試樣缺陷深度分別為5，15，25，35 mm，其軟件模擬影像如圖4～7所示。

圖5 缺陷深度為15 mm的軟件模擬圖像

圖6 缺陷深度為25 mm的軟件模擬圖像

圖7 缺陷深度為35 mm的軟件模擬圖像

由圖4～7可知，隨著缺陷深度的增加，缺陷影像的移動(dòng)距離逐漸減小，缺陷影像的位移與缺陷到成像面的距離近似成正比關(guān)系，通過式(1)計(jì)算缺陷的深度，結(jié)果顯示其測(cè)量值與實(shí)際深度相差不大。不同缺陷深度的軟件模擬結(jié)果如表2所示。

表2 不同缺陷深度時(shí)的軟件模擬結(jié)果 mm

通過CIVA軟件仿真模擬及對(duì)模擬結(jié)果分析可知，采用射線視差法對(duì)焊縫缺陷深度定位的可行性很強(qiáng)。在焦距一定的情況下，同一缺陷影像的位移與射線源的平移距離近似成正比關(guān)系；焦距和射線源平移距離固定時(shí)，缺陷影像的位移與缺陷至成像平面的距離也近似成正比關(guān)系。

3 試塊透照試驗(yàn)

選用厚度分別為5，10，20 mm的不銹鋼試塊，其中厚度為5 mm的試塊2塊，其余厚度試塊1塊，將其疊加成厚度為40 mm的模擬試塊(見圖8)。試塊尺寸均為150 mm×80 mm(長(zhǎng)×寬)，其中10 mm厚試塊表面有較多人工缺陷(見圖9)，此次試驗(yàn)選用缺陷A作為試驗(yàn)?zāi)M缺陷，其余3塊試塊均為內(nèi)部無缺陷的標(biāo)準(zhǔn)試塊。通過改變疊加順序，將人工缺陷A的深度位置分別定為5，15，25，35 mm。

圖8 疊加后的試塊外觀

圖9 人工缺陷試塊外觀

試塊透照試驗(yàn)方案與CIVA仿真模擬方案類似，分別改變放射源的平移位置和試塊缺陷深度對(duì)試塊進(jìn)行透照試驗(yàn)。采用數(shù)字射線成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)圖像的數(shù)字化，可通過軟件進(jìn)行圖片疊加，與膠片成像技術(shù)相比，其測(cè)量缺陷影像的平移距離更加準(zhǔn)確。改變放射源位置的兩次射線檢測(cè)圖像及經(jīng)過圖像疊加后的圖像如圖10所示，其中A1、A2分別是兩次試驗(yàn)后缺陷的影像，在軟件上能直接測(cè)出缺陷影像的位移。圖像上“0”為定位標(biāo)記，“S”為驗(yàn)證標(biāo)記，平移后，定位標(biāo)記影像不移動(dòng)，驗(yàn)證標(biāo)記和缺陷影像移動(dòng)距離能通過軟件測(cè)出。

圖10 改變射線源位置時(shí)的數(shù)字射線檢測(cè)圖像

3.1 不同放射源平移距離時(shí)的試塊透照試驗(yàn)

試驗(yàn)焦距為500 mm，人工缺陷深度為25 mm，在初始位置處及將放射源分別平移50，100，150，200 mm時(shí)對(duì)試塊進(jìn)行多組數(shù)字射線成像試驗(yàn)，通過對(duì)比驗(yàn)證標(biāo)記影像平移距離的測(cè)量值和理論值，選取誤差較小的3組試驗(yàn)，分別測(cè)量其缺陷影像的位移，計(jì)算其均值后匯總，結(jié)果見表3。

表3 不同平移距離時(shí)的試塊透照試驗(yàn)結(jié)果 mm

從表3可知，當(dāng)放射源平移距離分別為100，150，200 mm時(shí)，缺陷深度定位的誤差較小(小于0.5 mm)；當(dāng)放射源平移距離為50 mm時(shí)，其定位誤差相對(duì)較大(1.91 mm)。平移距離增大時(shí)，缺陷影像位移增大，缺陷深度測(cè)量誤差相對(duì)有所減小。

3.2 不同缺陷深度時(shí)的試塊透照試驗(yàn)

試驗(yàn)焦距為500 mm，放射源平移距離為200 mm，對(duì)缺陷深度分別為5，15，25，35 mm的試塊分別進(jìn)行數(shù)字射線成像試驗(yàn)。分別進(jìn)行多組試驗(yàn)，根據(jù)驗(yàn)證標(biāo)記影像平移距離的測(cè)量值和理論值進(jìn)行對(duì)比，篩選出誤差較小的3組試驗(yàn)，計(jì)算缺陷影像位移均值后匯總，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 不同缺陷深度時(shí)的試塊透照試驗(yàn)結(jié)果 mm

從表4可知，對(duì)于厚度為40 mm的試塊，缺陷深度為5，15，25 mm時(shí)，射線視差法缺陷深度定位誤差較小(小于0.4 mm)；缺陷深度為35 mm時(shí)，缺陷深度定位誤差相對(duì)較大(0.9 mm)，此時(shí)缺陷影像的位移較小。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

上述試塊透照試驗(yàn)結(jié)果表明，利用視差法測(cè)量缺陷深度具有很強(qiáng)的可行性。在采用驗(yàn)證標(biāo)記篩選試驗(yàn)數(shù)據(jù)后，影響其深度測(cè)量精度的主要因素是缺陷影像位移長(zhǎng)度的測(cè)量。

從圖像影像測(cè)量角度考慮，缺陷影像的位移越大，其測(cè)量相對(duì)誤差越小，經(jīng)過大量對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)缺陷影像位移大于缺陷尺寸的2倍時(shí)，其測(cè)量相對(duì)誤差均在可接受的范圍內(nèi)。因此，在設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案時(shí)，應(yīng)綜合考慮影像長(zhǎng)度測(cè)量精度和影像畸變因素來選擇射線源平移的距離。此外，對(duì)于靠近成像面的缺陷，為了提高測(cè)量精度，可將平板探測(cè)器和射線源的位置改變180°進(jìn)行視差法深度定位。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)射線視差法測(cè)量缺陷深度具有可行性，其對(duì)檢測(cè)設(shè)備要求低、操作簡(jiǎn)便，可在一定程度上解決缺陷深度定位的難題。

(2)采用數(shù)字成像技術(shù)替代膠片成像技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)圖像的數(shù)字化，通過圖像軟件進(jìn)行圖像疊加和長(zhǎng)度測(cè)量，提高了檢測(cè)效率，彌補(bǔ)了膠片成像技術(shù)測(cè)量缺陷影像位移長(zhǎng)度的困難、測(cè)量誤差大等不足。

(3)在工件表面貼附一個(gè)驗(yàn)證標(biāo)記，通過對(duì)比驗(yàn)證標(biāo)記影像平移距離的測(cè)量值和理論值,篩選了試驗(yàn)數(shù)據(jù)，避免了因操作原因造成的定位誤差。