板狀復(fù)合材料X射線成像檢測工藝參數(shù)仿真計算

董方旭，凡麗梅，趙付寶，孫良文，湯振鶴，蔣志強

（中國兵器工業(yè)集團第五三研究所，濟南 250031）

0 引言

無損檢測技術(shù)在新材料構(gòu)件內(nèi)部特征的定性定量檢測與表征中發(fā)揮著重要作用。其中，X射線成像檢測技術(shù)因可實現(xiàn)可視化快速檢測而應(yīng)用較為廣泛[1-3]。檢測工藝參數(shù)的選擇決定了產(chǎn)品檢測結(jié)果的可靠性，最佳檢測工藝參數(shù)所得的X射線成像掃描結(jié)果才具有真實性與可靠性[4-8]。對于批量生產(chǎn)的新復(fù)合材料產(chǎn)品構(gòu)件，往往通過人工經(jīng)驗或者試驗過程摸索相應(yīng)的檢測工藝參數(shù)，但這種方法費時費力，且也不一定會獲得高質(zhì)量的檢測圖像，進而導(dǎo)致誤檢、漏檢等問題，影響產(chǎn)品的使用，甚至造成安全隱患。

CIVA仿真模擬軟件[9]作為一種集仿真、成像和分析3個模塊為一體的無損檢測仿真平臺，在優(yōu)化設(shè)計檢測工藝參數(shù)和預(yù)測檢測過程中的檢測能力方面表現(xiàn)尤為突出。它不僅可以優(yōu)化檢測工藝參數(shù)，而且可以降低成本，提高效率和檢測可靠性。

魏鵬等[10]采用CIVA仿真軟件對焊縫的射線檢測過程進行建模仿真計算，研究放射源、透照方式、曝光次數(shù)等參數(shù)對射線檢測質(zhì)量的影響。結(jié)果表明，CIVA仿真平臺可有效再現(xiàn)射線檢測過程，并可以預(yù)測實際檢測中的工藝參數(shù)，從而達到優(yōu)化射線檢測工藝參數(shù)的目的。嚴(yán)宇等[11]采用CIVA仿真軟件對焊縫的射線檢測過程進行仿真計算，研究曝光次數(shù)對射線檢測結(jié)果的影響，得到最佳的曝光次數(shù)為6次，同時得到曝光時間越長，底片黑度越大，證明了CIVA仿真軟件在核電設(shè)備射線檢測中對優(yōu)化檢測工藝具有重要的意義。王茹等[12]采用CIVA仿真軟件建立超導(dǎo)母線絕緣層DR檢測過程模型，研究了不同射線檢測參數(shù)對超導(dǎo)母線絕緣復(fù)合材料氣孔和分層型缺陷DR檢測結(jié)果的影響，得到最佳的曝光次數(shù)，證明了DR檢測技術(shù)在超導(dǎo)母線絕緣層質(zhì)量控制評估方面的可行性。

本研究采用CIVA仿真模擬軟件，對X射線數(shù)字成像檢測用于板狀復(fù)合材料構(gòu)件檢測的射線源工藝參數(shù)進行仿真模擬，確定射線源工藝參數(shù)，并采用該參數(shù)對已知間隙尺寸的板狀復(fù)合材料構(gòu)件試驗試樣進行檢測，以驗證CIVA仿真模擬軟件在優(yōu)化檢測工藝方面的可行性與可靠性。

1 CIVA仿真模擬

1.1 檢測設(shè)備及仿真軟件

檢測設(shè)備使用Y.XST225射線源，最高管電壓為225 kV，焦點尺寸為0.8 mm；SEZ T3線陣探測器，密度分辨率≤0.3%，空間分辨率≤3 lp/mm。

仿真軟件采用CIVA 9軟件，它包含5種無損檢測技術(shù)模塊，其中X射線數(shù)字成像檢測模塊可以模擬實際檢測過程，實現(xiàn)多種參數(shù)的設(shè)置及檢測結(jié)果的顯示。

1.2 仿真工件建模

根據(jù)試樣的實際結(jié)構(gòu)及尺寸信息，建立試驗試樣CIVA仿真三維模型，如圖1所示。

圖1 試樣CIVA仿真三維模型圖Fig.1 CIVA simulation 3D model of test sample

1.3 檢測工藝參數(shù)設(shè)置

1）X射線成像檢測系統(tǒng)已知參數(shù)設(shè)置。

在仿真軟件的設(shè)置界面中，設(shè)置X射線成像檢測系統(tǒng)的射線源焦點尺寸為0.8 mm，X射線束張角為40°，面陣探測器的像素矩陣為1536×1920，像素尺寸為0.127 mm，射線源距離探測器距離（SDD）為1460 mm，射線源距離工件距離（SOD）為1310 mm，放大倍數(shù)為1.11?；緟?shù)設(shè)置后，工件仿真的透照布置示意圖見圖2。

圖2 工件仿真透照布置示意圖Fig.2 Layout diagram of simulation transillumination of workpiece

2）仿真工藝參數(shù)設(shè)置。

在仿真軟件中預(yù)設(shè)工藝參數(shù)，通過X射線數(shù)字成像檢測仿真計算完成射線源工藝參數(shù)的設(shè)計。工藝參數(shù)的預(yù)設(shè)采用控制變量法。檢測電壓仿真計算時，設(shè)定焦點尺寸0.8 mm、檢測電流7 mA、曝光時間180 s，檢測電壓分別預(yù)設(shè)為70、80、90、100、110、120 kV；檢測電流仿真計算時，設(shè)定焦點尺寸0.8 mm、檢測電壓100 kV、曝光時間180 s，檢測電流則分別預(yù)設(shè)為由6、7、8、9、10、11 mA。

1.4 X射線數(shù)字成像檢測仿真計算

1）檢測電壓仿真計算。

由于工件中缺陷能否被檢出取決于X射線能否穿透被檢測工件，因此，首先對檢測電壓進行仿真計算。不同檢測電壓下的X射線數(shù)字成像檢測仿真圖像見圖3。從圖3中可以看出，當(dāng)檢測電壓為70 kV時，圖像清晰度和對比度都較差，原因是X射線能量較低，穿透效果較差。其他檢測電壓下的圖像清晰度和對比度都較好。

圖3 不同檢測電壓下的X射線數(shù)字成像檢測仿真圖像Fig.3 Simulation imageof X-ray digital imaging detection at different voltages

測量6種檢測電壓下仿真圖像的信噪比（SNRN）和對比度信噪比（CNR），測量位置示意圖如圖4所示。測量建模尺寸為0.3 mm間隙的5處不同位置的尺寸并計算平均值，測量示意圖如圖5所示。測量結(jié)果見表1。

圖4 圖像SNRN和CNR測量位置示意圖Fig.4 Measurement position diagram of SNRN and CNR of image

圖5 圖像中間隙尺寸示意圖Fig.5 Schematic diagram of image gap size

從表1可以看出：SNRN隨著檢測電壓的升高而逐漸升高。當(dāng)檢測電壓達到110 kV時，SNRN達到最高，隨后檢測電壓再升高，SNRN降低。CNR隨著檢測電壓的升高而逐漸升高。檢測電壓為70、80、120 kV時，間隙尺寸測量誤差較大；檢測電壓為90～110 kV時，間隙尺寸測量誤差較??；在100 kV時，間隙尺寸測量誤差最小。由于GB/T35388[13]規(guī)定SNRN不能小于100，而ASTM E2698[14]規(guī)定CNR不能低于2.5，因此，綜合分析可知，檢測電壓的仿真計算結(jié)果為100 kV，即通過CIVA仿真軟件確定了試樣X射線數(shù)字檢測的最佳檢測電壓。

表1 不同檢測電壓下SNRN、CNR和間隙尺寸測量結(jié)果Table1 Measurement results of SNRN,CNR and gap sizeat different detection voltages

2）檢測電流仿真計算。

不同檢測電流下的X射線數(shù)字成像檢測仿真圖像見圖6。從圖6中可以看出，不同檢測電流下的圖像清晰度和對比度均較好。測量各仿真圖像的SNRN、CNR以及間隙尺寸，結(jié)果見表2。

圖6 不同檢測電流下的X射線數(shù)字成像檢測仿真圖像Fig.6 Simulation imagesof X-ray digital imaging detection under different detection currents

表2 不同檢測電流下SNRN、CNR和間隙尺寸測量結(jié)果Table 2 Measurement results of SNRN,CNR and gap size under different detection currents

從表2可以看出：SNRN隨著檢測電流的升高，先升高后降低，當(dāng)檢測電流達到9 mA，SNRN達到最大；CNR隨著檢測電流的變化趨勢與SNRN相似，當(dāng)檢測電流為9、10 mA時，CNR達到最大；當(dāng)檢測電流為6 mA時，間隙尺寸測量誤差最大；當(dāng)檢測電流為9 mA時，間隙尺寸測量誤差最小。綜合分析可知，檢測電流的仿真計算結(jié)果為9 mA，即通過CIVA仿真軟件確定了試樣X射線數(shù)字檢測的最佳檢測電流。

綜上，通過對檢測電壓、檢測電流的仿真計算，可得到X射線數(shù)字成像檢測用于板狀復(fù)合材料構(gòu)件檢測的射線源工藝參數(shù)，即焦點尺寸0.8 mm、檢測電壓為100 kV、檢測電流為9 mA。

2 試驗驗證

驗證試樣是由鋁板、玻璃纖維復(fù)合材料板以及陶瓷塊通過膠黏劑復(fù)合而成的5層板狀復(fù)合材料。2塊鋁板在最外側(cè)，2塊玻璃纖維復(fù)合材料板在鋁板內(nèi)側(cè)，最內(nèi)層由陶瓷塊拼接構(gòu)成。其中，鋁板單塊厚度為0.5 mm，玻璃纖維復(fù)合材料板單塊厚度為1.5 mm，陶瓷塊厚度為5.0 mm，預(yù)制陶瓷塊間隙尺寸為0.5 mm，試樣總尺寸為150 mm×100 mm×9 mm。

按上述優(yōu)化的參數(shù)設(shè)置射線源工藝，并設(shè)置積分時間27 ms，幀合并數(shù)3，機械系統(tǒng)工藝參數(shù)為射線源距離探測器距離（SDD）1460 mm，射線源距離工件距離（SOD）1310 mm，對試樣進行X射線數(shù)字成像檢測，并測量預(yù)制間隙5個位置的尺寸，計算其平均值和測量誤差。結(jié)果如圖7、表3所示。從圖7可以看出，采用仿真計算優(yōu)化的射線源工藝參數(shù)得到的X射線數(shù)字成像檢測圖像具有較好的清晰度和對比度。由表3可知，試樣預(yù)制間隙尺寸的測量值接近真實值，測量誤差僅為2.0%。

表3 試驗試樣間隙尺寸測量結(jié)果Table3 Measurement resultsof gap dimension of test specimen

圖7 試驗試樣的X射線數(shù)字成像檢測圖像Fig.7 X-ray digital imaging image of test sample

此驗證試驗雖然表明CIVA仿真模擬軟件可以實現(xiàn)在無損檢測試驗前指導(dǎo)對檢測工藝參數(shù)的選擇，但實際檢測結(jié)果受檢測工況、噪聲等影響，最佳檢測工藝的確定仍需要通過實際檢測來反復(fù)優(yōu)化對比得出。

3 結(jié)論

1）采用CIVA仿真模擬軟件，通過仿真計算分別研究了檢測電壓及檢測電流對板狀復(fù)合材料構(gòu)件X射線數(shù)字成像檢測結(jié)果的影響，獲得的射線源工藝參數(shù)為焦點尺寸0.8 mm、檢測電壓100 kV、檢測電流9 mA。

2）在仿真得到的射線源工藝參數(shù)下，對含有預(yù)制0.5 mm間隙尺寸的試驗試樣進行X射線數(shù)字成像檢測，間隙尺寸的測量誤差為2%，滿足板狀復(fù)合材料的可靠性檢測，驗證了CIVA仿真模擬軟件在對檢測工藝參數(shù)的優(yōu)化方面具有很高的應(yīng)用價值。