Источник - статья N. Parspour опубликованная в журнале « В мире НК » № 4(10) 2010г.

В статье описаны цифровые рентгеновские детекторы, применяемые для автоматического выявления дефектов в отливках.

Программа автоматического распознавания дефектов, рассматривая их как объемные, разделяет дефекты плотностного контраста как разницу значений уровня серого и геометрическую величину дефекта как площадь поверхности. С обычными усилителями изображения могут обнаруживаться дефекты плотностного контраста до 6%, с цифровыми детекторами изображения – до 3% толщины просвечиваемого материала. Такие возможности цифровых детекторов – следствие применения технологии амфорного кремния, которая обеспечивает прямое цифровое изображение. Таким образом может быть получен и использован сигнал с разрешением по величине 14 бит на точку вместо 8 бит для обычного усилителя изображения с ССD камерой. Поэтому цифровой детектор изображения позволяет регистрировать и анализировать участки с сильно меняющейся толщиной всего при одной позиции контроля.

Устройство автоматической системы контроля

Подлежащие контролю детали поступают по транспортеру в кабину с радиационной защитой, где находится манипулятор с четырьмя степенями свободы, на котором закреплены рентгеновский излучатель и цифровой детектор.

Манипулятор устанавливается в позицию контроля после чего на детектор, в течении так называемого времени ввода картинки проецируется теневое рентгеновское изображение. Это время зависит от требуемого соотношения сигнал/шум и составляет для современных детекторов от 150 до 600 мсек.

После ввода картинки манипулятор перемещается в следующую позицию. Введенное изображение обрабатывается компьютером по алгоритму автоматической обработки изображения.

Требования к автоматическим системам контроля.

Современная промышленность ищет компромисс между постоянно ужесточающимися требованиями стандартов безопасности и требованиями заказчиков к снижению материальных и временных затрат. Применение цифровых детекторов дает реальный шанс удовлетворить эти противоречивые требования.

Время контроля системы определяется главным образом временем, необходимым для перемещения отливки внутри кабины от одной позиции контроля к другой и временем ее просвечивания.

Упрощенно время контроля можно представить следующей формулой:
Tr = Nпоз (Tпер + Tдан + Tввод) где Nпоз – число позиций контроля для детали, Tпер – время механического перемещения между отдельными позициями контроля, Tдан – время передачи данных, Tввод – время ввода картинки.

Видно что общее время контроля определяется главным образом, числом необходимых позиций контроля которое в свою очередь зависит от трех факторов: геометрической сложности отливки, выбора приемника и заданных заказчиком требований контроля. Чем сложнее деталь и жестче требования контроля, тем больше число необходимых позиций контроля.

Зависимости числа позиций контроля от выбора детектора определяется двумя параметрами: размером детектора и способа преобразования плотности потока прошедшего через деталь рентгеновского излучения в изображение. Уже несколько лет кроме существующих усилителей изображения используются так называемые ASD детекторы, которые непосредственно формируют цифровое изображение и поэтому известны как цифровые детекторы. Эти детекторы обладают расширенным диапазоном уровня серого и поэтому позволяют контролировать детали с очень большой разницей толщины стенок, в то время как обычным усилителям изображения необходима одна или более дополнительных позиций контроля, для того, чтобы участки с разной толщиной стенки просветить с разных направлений.

Цифровые детекторы

Устройство и принцип действия цифрового детектора показаны на рис. 2.

Рентгеновское излучение попадает сначала на слой сцинтиллятора (например Csl), в котором оно преобразуется в световые фотоны. За слоем расположена светодиодная матрица, по своей спектральной чувствительности соответствующая сцинтиллятору. Светодиоды состоят из амфорного кремния, который дал имя ASD (Amorphus Silicon Detector = детектор из амфорного кремния). Фотоны наводят в элементах матрицы электрический заряд. Считывание заряда производится бипараллельным управлением всех элементов внутри каждой ячейки.

Специальная малошумящая микросхема преобразует заряд в электрический сигнал, который после усиления поступает на внутренний аналого-цифровой преобразователь и оцифровывается. Прямое преобразование рентгеновского изображения в цифровую картинку (минуя трубку ускорителя и камеру, как в обычном усилителе изображения) определяет высокие характеристики цифровых детекторов.

Тогда кА визуальное разрешение обычных усилителей изображения в настоящее время больше, чем у имеющихся на рынке цифровых детекторов, последние имеют значительно лучшее плотностное разрешение.

При применении цифровых детекторов достигается диапазон сигнала 16 бит на точку теоретически и 14 бит на точку практически. То есть в одной позиции может различаться 214 значений серого. Обычные усилители изображения с CCD камерой различают 28 значений серого. Для сравнения можно упомянуть, что глаз человека может различать 26 значений серого.

У обычных усилителей изображения имеется, однако, возможность повышения числа различаемых значений серого до 14 бит при применении цифровой камеры, камеры, однако, необходимо принимать во внимание некоторые отрицательные последствия, такие как худшее отношение сигнал/шум, большую подверженность засветке и меньшую компактность.

В таблице 1 приводится сравнение плоских цифровых детекторов и обычных усилителей изображения

Таблица 1

Характеристики	Плоский цифровой детектор	Обычный усилитель изображения
Поглощение рентгеновского излучения	Очень хорошее	Хорошее
Компактность	Высокая	Низкая
Засветка	Очень малая	Большая
Искажение картинки	Нет	Искажение в краевых областях
Коэффициент преобразования	Очень хорошая	Хорошая
Динамический диапазон серого	Широкий	Средний
Отношение сигнал/шум	От хорошего до очень хорошего	Среднее
Контраст	Высокий	Низкий

Для решения задач современного литейного производства, требующих в основном быстрого массового контроля отливок и выявления дефектов в миллиметровом диапазоне, отлично подходят имеющиеся на рынке цифровые детекторы средней стоимости.

В таблице 2 представлены параметры детекторов фирм Varian и Perkin-Elmer – лидеров рынка в области цифровых детекторов.

Величина, приведенная в таблице как плотностное разрешение, характеризует разрешение детектора по толщине материала. Эта величина определяется в конечном итоге для данного детектора динамическим диапазоном серого цвета (числом значений серого).

Визуальное разрешение определялось экспериментально.

Таблица 2

Тип	Фирма	Формат	Визуальное разрешение мм	Плотностное разрешение, % толщины	Условная цена	Применял YXLON
УИ9''	Thomson + CCD камера 758 строк	9'' 5''	0,32 0,17	6	1	х
УИ13''	Siemens + CCD камера 758 строк	13''	0,45	6	1,55
ЦД	Perkin Elmer	512 х 512 точек	0,44	3	1,60	х
ЦД	Perkin Elmer	1024 х 1024 точек	0,44	3	3,20	х
ЦД	Perkin Elmer	2000 х 2000 точек	0,22	3
ЦД	Varian	1408 х 1888 точек 0,127х0,4	0,14	3	6

Первым цифровым детектором использованным YXLON для автоматического контроля отливок, были детекторы 512х512 точек фирмы Perkin Elmer. Они применены в кабине для фирмы AMCAST весной 1998.

Пример из практики

В феврале 1998 мы получили от фирмы Dimler-Chrysler заказ на автоматическую систему контроля двух цельнолитных деталей подвески типов W203  R230.

Рисунок 3. Отливка R230. Габаритные размеры 900х400х20мм.

По техническому заданию требовалось распознать дефекты размером 1мм в критических и 2мм в некритических областях. Для уверенности, что время контроля будет выдержано при соблюдении заданных требований фирмой YXLON International X-Ray GmbH летом 1998г. Было проведено соответствующее исследование, результаты которого приведены в таблице 3.

Таблица 3

 

Число позиций контроля	УИ9''	УИ13''	ЦД 512 х 512	ЦД 1024х1024
Nпоз критическое	34	34	26	17
Nпоз некритическое	66	46	44	29
Nпоз суммарное	98	80	70	46
Время контроля сек.	196	160	140	92
Отливок за 24 часа	440	540	617	939

Выяснилось, что число необходимых позиций необходимых при применении цифрового детектора может быть значительно снижено. На стадии запроса Dimler-Chrysler по данному проекту фирмой – конкурентом было предложено применение 13''
усилитель изображения. Определенное при этом число позиций контроля для R230 было примерно 57. Это число в наших исследованиях при соблюдении требований контроля –Chrysler не могло быть подтверждено. Необходимо отметить что мы проводили свои исследования с усилителями изображения имеющими CCD камеру, использующую 8 бит. Указанное фирмой – конкурентом число позиций контроля было получено предположительно при применении усилителя изображения с цифровой камерой. Учитывая уже описанные отрицательные стороны применения усилителя изображения с цифровой камерой, YXLON предложил решение с цифровым детектором.

Фирма Dimler-Chrysler весной 1999г. Выбрала разработку фирмы YXLON и двойную рентгеновскую систему с двумя цифровыми детекторами форматом 512х512 точек. YXLON International реализовала автоматическую систему с 70 позициями контроля для R230 системой ежедневно проверяется 1234 отливки.

Выводы

Цифровые детекторы обладают рядом достоинств:

• широким динамическим диапазоном в области серого;
• очень низким эффектом засвечивания;
• неискаженной картинкой;
• компактной конструкцией;
• высоким коэффициентом преобразования;
• очень высоким коэффициентом сигнал/шум.

К недостаткам цифровых детекторов относится в первую очередь относительно высокая покупная цена. Как следующий недостаток можно назвать отклонения качества внутри каждого класса детекторов, примером которых могут служить более иле менее часто встречающиеся точечные дефекты.

Обобщенно можно утверждать что при применении цифровых детекторов в автоматических системах контроля два требования со стороны литейной промышленности могут быть выполнены. Это высокая чувствительность при распознавании дефектов и сокращенное время контроля.

Эти утверждения результат практического применения цифровых детекторов в более чем 20 рентгеновских системах фирмы YXLON International за последние три года.
Источник - статья N. Parspour опубликованная в журнале « В мире НК » № 4(10) 2010г.

 

Другие статьи на тему цифровой радиографии можно посмотреть в разделе Статьи.