碳纖維纏繞發(fā)動機殼體數(shù)字射線DR成像檢測圖像質(zhì)量控制

（湖北三江航天江北機械工程有限公司，孝感 432100）

文 摘 對檢測圖像的空間分辨率、信噪比和對比度的影響因素進行了研究。采用不同的工藝參數(shù)對碳纖維纏繞發(fā)動機殼體進行了數(shù)字射線DR成像檢測試驗。試驗結(jié)果表明，當其他檢測參數(shù)不變時，焦點尺寸和放大倍數(shù)對圖像的空間分辨率影響較大；管電壓、管電流和單幀積分時間對圖像的信噪比有影響；管電壓和管電流對圖像的對比度均具有一定影響。

0 引言

碳纖維纏繞發(fā)動機殼體已成為固體火箭發(fā)動機殼體的重要發(fā)展方向，殼體在成型過程中會產(chǎn)生孔洞、夾雜、分層、脫粘等缺陷［1-2］。采用數(shù)字射線DR成像檢測可快速、有效地對碳纖維纏繞發(fā)動機殼體的內(nèi)部質(zhì)量進行檢測，其主要是通過觀察數(shù)字圖像的影像特征來對檢測結(jié)果進行判定，為了保證檢測結(jié)果的可靠性，本文針對空間分辨率、信噪比和對比度三個基本因素［3］進行了研究。

1 檢測試驗

1.1 試驗設(shè)備

數(shù)字射線成像檢測系統(tǒng)主要由一臺最大管電壓為600 kV 的高頻恒壓定向X 射線機和一個像素尺寸為100 μm 的面陣探測器組成，其中X 射線機的射線管具有0.5和1.5 mm雙焦點。

1.2 透照布置

根據(jù)碳纖維纏繞殼體和試驗設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點，采取法線垂直透照殼體的透照布置，見圖1。

圖1 碳纖維纏繞殼體透照布置Fig.1 Tranillumination layout of carbon filament-wound motor case

2 結(jié)果與討論

2.1 圖像空間分辨率影響因素

2.1.1 焦點尺寸對圖像空間分辨率影響

在其他檢測參數(shù)不變的情況下，分別采用不同的焦點對φ1200 mm 的碳纖維纏繞殼體進行檢測試驗，對不同檢測情況下圖像空間分辨率進行測量、分析，確定焦點尺寸對圖像空間分辨率的影響。

圖像空間分辨率采用雙絲像質(zhì)計進行測定，0.5和1.5 mm 的焦點尺寸空間分辨率測試結(jié)果分別如圖2圖3所示，按照瑞利判據(jù)曲線深度達到20%即可識別該組絲對［4］的測試結(jié)果如表1所示。

圖2 焦點尺寸為0.5 mm測試結(jié)果Fig.2 Test result under focus of 0.5 mm

圖3 焦點尺寸為1.5 mm測試結(jié)果Fig.3 Test result under focus of 1.5 mm

表1 圖像分辨率測試結(jié)果Tab.1 Test results of spatial resolution

從表1中的試驗數(shù)據(jù)分析，在其他參數(shù)不變的情況下，采用較小的焦點尺寸進行透照可獲得較高的圖像空間分辨率。

2.1.2 放大倍數(shù)對檢測圖像空間分辨率影響

在相同的檢測參數(shù)下，通過采用不同放大倍數(shù)［4］對φ1 200 mm的碳纖維纏繞殼體進行檢測試驗，對不同放大倍數(shù)下圖像空間分辨率進行測量、分析，確定放大倍數(shù)對圖像空間分辨率的影響。

試驗采用的面陣探測器像素尺寸為100 μm，檢測系統(tǒng)的固有不清晰度應(yīng)為0.2 mm；X 射線管的焦點尺寸選用0.5 mm。最佳放大倍數(shù)計算公式如下：

式中，M0為最佳放大倍數(shù)；UD為固有不清晰度；φ為焦點尺寸［4］；試驗時UD為0.2 mm，φ為0.5 mm，計算得出M0為1.16。

不同放大倍數(shù)下空間分辨率測試結(jié)果分別如圖4～圖6所示，按照瑞利判據(jù)曲線深度達到20%即可識別該組絲對［4］的測試結(jié)果如表2所示。

從表2中的試驗數(shù)據(jù)分析，在其他參數(shù)不變的情況下，采用最佳放大倍數(shù)對碳纖維纏繞殼體進行檢測時，圖像分辨率最高。

圖4 放大倍數(shù)1.16測試結(jié)果Fig.4 Test result under magnification of 1.16

圖5 放大倍數(shù)1.5測試結(jié)果Fig.5 Test result under magnification of 1.5

圖6 放大倍數(shù)2測試結(jié)果Fig.6 Test result under magnification of 2

表2 圖像分辨率測試結(jié)果Tab.2 Test results of spatial resolution

圖7 圖像信噪比測試位置Fig.7 Test-points of SNR

表3 信噪比測試結(jié)果Tab.3 Test results of SNR

2.2 圖像信噪比影響因素

在相同的檢測參數(shù)下，分別改變管電壓、管電流、單幀積分時間和圖像采集疊加幀數(shù)對φ1 200 mm的碳纖維纏繞殼體進行檢測試驗，測量不同透照參數(shù)下檢測結(jié)果圖像的信噪比，經(jīng)比較分析，確定管電壓、管電流、單幀積分時間和圖像采集疊加幀數(shù)對圖像信噪比的影響。圖像信噪比測試位置如圖7所示，測試結(jié)果如表3所示。從試驗1～3 的測試結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，隨著管電壓增加，圖像的信噪比顯著增加；從試驗1、4 的測試結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，當管電流由1.1 mA增加到1.7 mA 時，圖像的信噪比有所增加；從試驗4、5 的測試結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，當圖像采集疊加幀數(shù)30幀增加到60 幀時，圖像的信噪比基本不變；從試驗4、6的測試結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，當單幀積分時間由499 ms增加到999 ms時，圖像信噪比略有增加。

在其他檢測參數(shù)不變的情況下提高管電壓，可以使圖像的信噪比大大提高；提高管電流和單幀積分時間有利于提高圖像的信噪比，但影響不大；圖像采集疊加幀數(shù)對圖像信噪比基本沒有什么影響。

2.3 圖像對比度影響因素

在數(shù)字射線檢測技術(shù)中，數(shù)字圖像的對比度具體意義是圖像識別厚度差的能力［5］，本文通過測量厚度方向上孔洞和夾雜的識別能力（即孔洞和夾雜的對比度靈敏度）來實現(xiàn)圖像對比度影響因素研究。在相同的檢測參數(shù)下，分別采用不同的管電壓和管電流對直徑φ500 mm 模擬缺陷殼體進行檢測試驗。直徑φ500 mm模擬缺陷殼體的碳纖維纏繞層厚度為5 mm、絕熱層厚度為4 mm，在殼體筒段部位分別預(yù)制了孔洞和夾雜缺陷，缺陷示意圖如圖8所示。

圖8 預(yù)埋缺陷示意圖Fig.8 Embedded defects diagram

2.3.1 管電流影響

在相同的檢測參數(shù)下，分別采用0.5、0.65、0.9 mA 的管電流對直徑φ500 mm 的模擬缺陷殼體進行檢測試驗。如圖9為不同管電流下檢測結(jié)果，可識別的孔洞和夾雜最小尺寸如表4所示。

圖9 不同管電流下檢測結(jié)果Fig.9 Test results under different tube currents

從試驗結(jié)果分析，所有夾雜均清晰可見；針對孔洞，當管電流由0.5 mA增加到0.65 mA時，對比度靈敏度略有提高。說明提高管電流，在一定程度上可提高圖像的對比度。

表4 最小可分辨孔洞、夾雜尺寸Tab.4 Size of minimum recognizable holes and inclusions

2.3.2 管電壓影響

在相同的檢測參數(shù)下，分別采用45、60、80、100、120 kV 的管電壓對直徑φ500 mm 的模擬缺陷殼體進行檢測試驗。如圖10為不同管電壓下檢測結(jié)果圖，可識別的孔洞和夾雜最小尺寸如表5所示。

圖10 不同管電壓下檢測結(jié)果Fig.10 Test results under different tube voltages

表5 最小可分辨孔洞、夾雜尺寸Tab.5 Size of minimum recognizable holes and inclusions

從試驗結(jié)果分析，所有夾雜均清晰可見；針對孔洞，當管電壓由45 kV增加到60 kV時，對比度靈敏度由2.5%提高到1.7%，當管電壓由100 kV 增加到120 kV 時，對比度靈敏度由1.7%降低到2.5%。試驗結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)，當管電壓增加時，對比度靈敏度會有所提高，但當管電壓超出一定范圍后，當管電壓增加時，對比度靈敏度會有所降低。

3 結(jié)論

本文針對碳纖維纏繞發(fā)動機殼體進行X 射線數(shù)字DR 成像檢測試驗，在其他試驗透照條件不變的情況下具有以下結(jié)論：

（1）采用較小的焦點尺寸進行檢測時，圖像的空間分辨率更高；使用最佳放大倍數(shù)獲得的圖像空間分辨最高。

（2）當管電壓、管電流和圖像采集的單幀積分時間增加，圖像的信噪比明顯增加。

（3）進行數(shù)字射線DR 檢測時，在一定范圍內(nèi)管電壓增加，圖像對比度靈敏度增加，當超出一定限制后，管電壓增加，對比度靈敏度會降低；管電流增加，圖像的對比度靈敏度有所增加。