CN105572153A - 基于x射线线阵扫描的便携式面阵成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于X射线线阵扫描的便携式面阵成像系统。系统主要由电源模块、X射线源模块、X射线探测模块、控制主板模块和机械扫描装置组成，系统采用基于GigE协议的网络传输模式，可实现远距离的数据高速传输和采集图像实时显示。系统以体积小巧的X射线线阵探测芯片为基础设计而来，结构紧凑，成本低廉，方便携带，配合移动式X射线源和手提式电脑，可以应对大部分工业施工现场的射线成像检测需求。相比于传统的基于非晶硅面阵探测器的成像方式，发明的基于X射线线阵扫描的便携式面阵成像系统具有抗X射线散射影响的特点。
Description
本发明是申请日为2014年6月25日，申请号为：2014102905520，发明名称为：基于X射线线阵扫描的便携式面阵成像系统的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种辐射成像技术，具体涉及一种利用X射线线阵扫描成像技术实现便携式面阵成像的X射线检测系统，适合工业施工现场的X射线检测。
背景技术
近年来，X射线数字成像系统已经逐步取代传统的胶片检测成像成为无损检测领域发展的新趋势。目前，常用的数字射线扫描成像系统以平板探测器为主，其体积与重量较大，不适宜在条件复杂的工业施工现场使用。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种基于X射线线阵扫描的便携式面阵成像系统，该系统结构紧凑，方便携带。
为实现上述目的，本发明的基于X射线线阵扫描的便携式面阵成像系统如下：
一种基于X射线线阵扫描的便携式面阵成像系统，包括：
与X射线发生装置相对应的安装于机械扫描装置上的X射线探测模块，X射线探测模块用于接收X射线发生装置产生的X射线透过被测物体后的信息，其中，透过被测物体后的X射线强度分布携带了被测物体的信息；
X射线探测模块包括相连的信号探测电路和信号采集电路，信号探测电路包括集成一体的X射线线阵探测芯片组和信号调理电路；信号采集电路包括信号转换电路和采集控制电路；所述X射线线阵探测芯片组是由多个X射线线阵探测芯片首尾依次串接而成；X射线线阵探测芯片组外部由遮光薄膜包覆，遮光薄膜内部由上至下依次设置闪烁体和光敏单元，光敏单元和信号调理电路相连，闪烁体将接收到的X射线转换为微弱的可见光，再通过光敏单元转换为弱电流信号，实现光电转换，再通过信号调理电路将弱电流信号放大为模拟电压信号输出，信号转换电路将前一级信号探测电路输出的模拟电压信号转为数字电压信号，并传输给采集控制电路，采集控制电路经传输控制电路将数字电压信号传输给控制主板；单个X射线线阵探测芯片的长度在50mm左右，首尾相接组成探测器芯片组，X射线探测模块的电路板上的集成电路芯片使用SMT（表面贴装技术）贴片封装，以上措施使得X射线探测模块体积小、重量轻，同时也减轻了机械扫描装置的重量；
控制主板，与X射线探测模块相连，接收处理X射线探测模块传输的数字电压信号，并将接收处理的信号传输给控制X射线发生装置产生X射线的上位机；
电源管理模块，用于为机械扫描装置、X射线探测模块和控制主板提供电源；
壳体，用于放置X射线探测模块和控制主板；
所述机械扫描装置为一爬行小车，爬行小车的底部设有磁性车轮，爬行小车的磁性车轮使其能够吸附在被测工件的内表面或外表面，X射线探测模块、控制主板以及电源管理模块都采用模块化的结构框架，经过精心的布局设计后全部集成在小车上，保证小车结构紧凑；小车在接受上位机的扫描命令后能沿被测工件表面平稳运动，完成扫描成像，爬行小车由内置电池供电，无需市电，移动方便，对施工现场的适应性好，可单人携带和操作。
基于X射线线阵扫描的便携式面阵成像系统，所述控制主板包括FPGA功能单元、基于GigE协议的高速网络通信模块和扩展存储模块，其中FPGA功能单元作为控制核心，既负责实现信号探测电路和信号转换电路的时序驱动，又负责完成量化后的数字图像缓存；数字图像信息能够直接存储在SD卡移动存储设备中，便于对其进行管理和后续处理；控制主板和上位机的通信利用控制主板上集成的GigE协议高速网络通信模块。
基于X射线线阵扫描的便携式面阵成像系统，所述FPGA功能单元通过内部的时序驱动模块和A/D控制器模块分别控制X射线探测模块和信号转换电路的A/D转换器的工作时序；FPGA在上电初始阶段通过内部的A/D控制器对外部A/D转换器进行相应转换参数的配置并提供其工作所需的控制时序，然后X射线探测模块在时序驱动模块的时序驱动下逐行输出像元模拟信号，同时A/D转换器在A/D控制器模块的同步时序下将相应的像元模拟信号转换成数字信号；FPGA内部的乒乓控制逻辑通过A/D转换器将数字信号读取出来，利用乒乓缓存原理，即判断双口RAM1和RAM2的读状态，将读取过来的数字信号写入到读空闲的双口RAM中，同时将写入双口RAM中的数据通过传输速率高达1Gb/s的GigE协议高速网络通信模块发送至上位机。
基于X射线线阵扫描的便携式面阵成像系统，高速网络通信模块配备有Camlink接口和RJ-45型以太网接口，灵活方便地实现与上位机之间的数据传输。
基于X射线线阵扫描的便携式面阵成像系统，控制主板上配备有移动存储外设接口，能将图像数据写到SD卡移动存储设备里存档。
本发明中各部件及单元的功能及作用如下：
1.X射线发生装置：X射线源控制器控制射线源产生X射线，X射线透过物体后其强度分布携带了被测物体的信息，透过物件的X射线到达X射线探测模块。
2.X射线探测模块：其系统框图如附图6所示，包括信号探测电路、信号转换电路、采集控制电路。信号探测电路用来实现光电转换，由X射线线阵探测芯片组和信号调理电路构成，X射线线阵探测芯片组外部由遮光薄膜包覆，将接收的X射线信号专为为弱电流信号，再通过信号调理电路将弱电流信号放大为电压信号输出。信号转换电路主要由高速高精度A/D转换芯片及其外围电路组成，负责将前一级信号探测电路输出的模拟电压信号转为数字电压信号，并传输给采集控制电路，采集控制电路经传输控制电路将数字电压信号传输给控制主板。X射线探测模块放置在壳体内，以便可以将其安装在机械扫描装置上完成运动扫描。
3.控制主板由FPGA和其外围电路组成，其中FPGA作为控制核心，既负责控制电路实现信号探测电路和信号转换电路的时序驱动，又负责完成量化后的数字图像缓存。数字图像信息可以直接存储在SD卡等移动存储设备中，便于对其进行管理和后续处理。控制主板和上位机的通信利用主板上集成的GigE协议高速网络通信模块。上位机上配套的显示软件完成图像的实时显示和保存。
4.机械扫描装置。本发明将X射线探测模块通过工装固定于机械扫描装置的运动滑块上，实现X射线探测模块的平面移动和曲面移动，进而实现多种类型工件的射线检测。这种方法的优点在于X射线成像不受制于被检测物体的体积，即使是体积庞大，无法移动的工件也可对其进行X射线扫描成像，大大拓宽了应用领域。
扫描传动装置将X射线探测模块通过工装固定于运动滑块上，可实现平面移动扫描或曲面移动扫描。应对不同工业场合的成像要求，设计了三种类型的扫描传动装置，附图3、附图4、附图5分别是它们的结构示意图。
实现平面移动扫描的机械装置结构示意图如附图3所示，整个扫描装置主要包括扫描框架、步进电机、丝杠、直线导轨等部分。X射线探测模块固定在直线导轨和微型丝杠的运动滑块上，微型丝杠的运动滑块和直线导轨的运动滑块通过固定连杆相连，步进电机产生驱动力带动丝杠上的运动滑块移动，从而使X射线探测模块沿着直线导轨运动完成平面移动扫描。在上位机发出扫描控制命令后，控制主板通过改变输出给步进电机的脉冲频率，即可达到控制步进电机转速的目的，进而实现控制X射线探测模块的扫描速度。
完成曲面移动扫描的机械装置有两种结构。第一种曲面移动扫描的机械装置如附图4所示，整个扫描装置包括坦克）结构、驱动齿轮、传动链条等部分。坦克链结构可根据被测物体的外形进行相应的弯曲定型，X射线探测模块固定在坦克链两端的传动链条上，步进电机的输出轴上安装与传动链条啮合的驱动齿轮，当步进电机驱动齿轮带动传动链条运动时，X射线探测模块随之运动，完成曲面扫描，通过控制步进电机的正反转就能实现X射线探测模块的沿曲面的往复运动。
第二种曲面移动扫描的机械装置如附图5所示，它采用爬行小车结构，小车的磁性小轮使其可以吸附在被测工件的内表面或外表面，X射线探测模块、控制主板以及供电电源全部集成在小车上。小车在接受上位机的扫描命令后可沿被测工件表面平稳运动，完成扫描成像。这种小车结构式扫描装置自身结构小巧轻便，不受被测工件的大小限制，对各种工业施工现场有更好的适应性。
本发明的基于X射线线阵扫描的便携式面阵成像系统，结构紧凑，方便维护和X射线探测模块尺寸扩展。由于不同工业场合对X射线探测模块尺寸要求可能有所不同，本发明设计的X射线探测模块预留多路X射线线阵探测芯片通道，可根据工业现场的实际需求灵活增添X射线线阵探测芯片。此外，根据被检测工件的差异，与X射线探测模块配套的扫描装置可以进行平面运动扫描、曲面运动扫描。系统还允许上位机灵活修改各项参数，方便调试，适用于不同强度的X射线探测系统。相比于传统的非晶硅面阵成像方式，发明的基于X射线线阵扫描的便携式面阵成像系统具有抗X射线散射影响的特点。
附图说明
图1为面阵成像系统结构示意图；
图2为X射线线阵探测芯片结构示意图；
图3为平面扫描机械装置结构示意图；
图4为第一种曲面扫描机械装置结构示意图；
图5为第二种曲面扫描机械装置结构示意图；
图6为X射线探测模块系统框图；
图7为系统控制流程图；
其中1.X射线，2.遮光薄膜，3.光敏单元，4.闪烁体，5.信号调理电路，6.扫描框架，7.直线导轨，8.X射线探测模块，9.步进电机，10.丝杠，11.被测物体，12.驱动齿轮，13.传动链条，14.坦克链，15.爬行小车，16.控制主板及供电电源，17.磁性车轮。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
实施例1：
如图1、2所示，基于X射线线阵扫描的便携式面阵成像系统，包括：
与X射线发生装置相对应的安装于机械扫描装置上的X射线探测模块8，X射线探测模块8用于接收X射线发生装置产生的X射线1透过被测物体11后的信息，其中，透过被测物体11后的X射线1强度分布携带了被测物体11的信息。
实现平面移动扫描的机械装置结构示意图如附图3所示，整个扫描装置主要包括扫描框架6、步进电机9、丝杠10、直线导轨7等部分。X射线探测模块8固定在直线导轨7的运动滑块和丝杠10的运动滑块上，丝杠10的运动滑块和直线导轨7的运动滑块通过固定连杆相连，步进电机9产生驱动力带动丝杠10上的运动滑块移动，从而使X射线探测模块8沿着直线导轨7运动完成平面移动扫描。在上位机发出扫描控制命令后，控制主板通过改变输出给步进电机9的脉冲频率，即可达到控制步进电机9转速的目的，进而实现控制X射线探测模块8的扫描速度。
X射线发生装置：X射线源控制器控制射线源产生X射线1，透过被测物体11的X射线到达X射线探测模块8。
X射线探测模块8：包括信号探测电路、信号转换电路、采集控制电路。信号探测电路用来实现光电转换，由X射线线阵探测芯片和信号调理电路构成，X射线线阵探测芯片将接收的X射线信号专为为弱电流信号，再通过信号调理电路将弱电流信号放大为电压信号输出。信号转换电路将前一级信号探测电路输出的模拟电压信号转为数字信号，主要由高速高精度A/D转换芯片及其外围电路组成。X射线探测模块8放置于保护壳中，并加装遮光薄膜2和正面保护装置，以便可以将其安装在机械扫描装置上完成运动扫描。
其系统框图如附图6所示，X射线探测模块包括相连的信号探测电路和信号采集电路，信号探测电路包括集成一体的X射线线阵探测芯片组和信号调理电路；信号采集电路包括相连的信号转换电路和采集控制电路；所述X射线线阵探测芯片组是由多个单个X射线线阵探测芯片首尾依次串接而成；X射线线阵探测芯片组外部由遮光薄膜2包覆，遮光薄膜2内部由上至下依次设置闪烁体4和光敏单元3，光敏单元3和信号调理电路5相连，闪烁体4将接收到的X射线1转换为微弱的可见光，再通过光敏单元3转换为弱电流信号，实现光电转换，再通过信号调理电路5将弱电流信号放大为模拟电压信号输出，信号转换电路将前一级信号探测电路输出的模拟电压信号转为数字电压信号，并传输给采集控制电路，采集控制电路经传输控制电路将数字电压信号传输给控制主板。
控制主板，与X射线探测模块8相连，接收处理X射线探测模块传输的数字电压信号，并将接收处理的信号传输给控制X射线发生装置产生X射线的上位机；
控制主板包括FPGA功能单元、基于GigE协议的高速网络通信模块和扩展存储模块，其中FPGA功能单元作为控制核心，既负责实现信号探测电路和信号转换电路的时序驱动，又负责完成量化后的数字图像缓存；数字图像信息能够直接存储在SD卡移动存储设备中，便于对其进行管理和后续处理；控制主板和上位机的通信利用控制主板上集成的高速网络通信模块。
FPGA功能单元通过内部的时序驱动模块和A/D控制器模块分别控制X射线探测模块和信号转换电路的A/D转换器的工作时序；FPGA在上电初始阶段通过内部的A/D控制器模块对外部A/D转换器进行相应转换参数的配置并提供其工作所需的控制时序，然后X射线探测模块在时序驱动模块的时序驱动下逐行输出像元模拟信号，同时A/D转换器在A/D控制器模块的同步时序下将相应的像元模拟信号转换成数字信号；FPGA内部的乒乓控制逻辑通过A/D转换器将数字信号读取出来，利用乒乓缓存原理，即判断双口RAM1和RAM2的读状态，将读取过来的数字信号写入到读空闲的双口RAM中，同时将写入双口RAM中的数据通过传输速率高达1Gb/s的GigE协议高速网络通信模块发送至上位机。
高速网络通信模块配备有Camlink接口和RJ-45型以太网接口，灵活方便地实现与上位机之间的数据传输。
控制主板上配备有移动存储外设接口，能将图像数据写到SD卡移动存储设备里存档。
电源管理模块，用于为机械扫描装置、X射线探测模块8和控制主板提供电源；
壳体，用于放置X射线探测模块8和控制主板。
下面结合附图7对本发明的工作流程进一步说明。本成像系统的工作流程大致可以划分为：X射线探测模块校准、FPGA上电初始化、X射线探测模块启动扫描、采集转换、数据显示和保存等几个过程。
在进行成像检测前，需对X射线探测模块进行校准，步骤是：1）、在关闭射线源的情况下，进行X射线探测模块位置校准，调节X射线探测模块的位置，使其扫描范围处于X射线源发出的锥形射线束的中心区域；2）根据具体应用，设置X射线探测模块的数据采集的行频和机械扫描的运动速度；3）开启射线源，确保射线源与X射线探测模块之间无物体遮挡，调节X射线源管电压和管电流使X射线探测模块的输出信号接近但不超过X射线探测模块输出的饱和值。由于X射线探测模块必须有相对运动才能成像，因此需要将X射线探测模块的运动速度和其采样时的行频进行匹配。
校准完毕后，上位机发送启动扫描命令，X射线源控制器控制射线源产生X射线，X射线透过物体后其强度分布携带了被测物体的信息，透过物件的X射线到达X射线探测模块。X射线探测模块是由多个单个X射线线阵探测芯片首尾依次串接并加装外壳而成，因此其尺寸可根据现场成像要求进行定制。X射线线阵探测芯片集成了闪烁体、光敏单元和信号调理电路。闪烁体材料将接收到的X射线转换为微弱的可见光，再通过光敏单元转换为弱电流信号，实现光电转换。积分放大器将对应的弱电流信号进行同步积分放大，转换为电压信号，再通过电压保持器和移位寄存器电路，输出符合A/D量化要求的信号。16位的高速A/D转换器对X射线探测模块的电压输出进行采样。A/D转换器将模拟信号转换为16位数字量，每个16位数字量以两个8位宽的形式从A/D转换器输出，通过数据总线传输至控制主板的FPGA功能单元。
FPGA功能单元通过内部的时序驱动模块和A/D控制器模块分别控制X射线探测模块和A/D转换器的工作时序。首先，FPGA在上电初始阶段通过内部的A/D控制器对外部A/D转换器进行相应转换参数的配置并使其工作，然后X射线探测模块在时序驱动模块的时序驱动下逐行输出像元模拟信号，同时A/D转换器在A/D控制器模块的同步时序下将相应的像元模拟信号转换成数字信号输出。其次，FPGA内部的乒乓控制逻辑通过A/D转换器将数字信号读取出来，利用乒乓缓存原理，即判断双口RAM1和RAM2的读状态，将读取过来的数字信号写入到读空闲的双口RAM中，同时将写入双口RAM中的数据通过传输速率高达1Gb/s的GigE协议高速网络传输模块发送至上位机。高速网络模块配备有Camlink接口和RJ-45型以太网接口，灵活方便地实现与上位机之间的数据传输。同时，控制主板上配备有移动存储外设接口，可将图像数据写到SD卡等移动存储设备里存档。FPGA单元的各个模块并行工作，通过统一的全局时钟来实现各模块之间信号的同步和各接口之间的数据传输，保证各个逻辑控制模块可靠高速运行，而且由于FPGA的并行工作机制，各个模块之间互不影响，提高了系统运行效率和可靠性。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
实施例2：
与实施例1不同的是，完成曲面移动扫描的机械装置如附图4所示，整个扫描装置包括坦克链14、步进电机9、驱动齿轮12、传动链条13等部分。坦克链14可根据被测物体11的外形进行相应的弯曲定型，X射线探测模块8固定在坦克链14两端的传动链条13上。当步进电机9驱动齿轮12带动传动链条13运动时，X射线探测模块8随之运动，完成曲面扫描。通过控制步进电机的正反转就可实现X射线探测模块8的沿曲面的往复运动。
实施例3：
与实施例1不同的是，曲面移动扫描的机械装置如附图5所示，它采用爬行小车15结构，爬行小车15的磁性小轮17使其可以吸附在被测物体11的内表面或外表面，X射线探测模块8、控制主板及供电电源16全部集成在爬行小车15上。爬行小车15在接受上位机的扫描命令后可沿被测物体11表面平稳运动，完成扫描成像。这种小车结构式扫描装置不受被测物体11的大小限制，对各种工业施工现场有更好的适应性。
Claims (5)
1.一种基于X射线线阵扫描的便携式面阵成像系统，其特征是，包括：
与X射线发生装置相对应的安装于机械扫描装置上的X射线探测模块，X射线探测模块用于接收X射线发生装置产生的X射线透过被测物体后的信息，其中，透过被测物体后的X射线强度分布携带了被测物体的信息；
X射线探测模块包括相连的信号探测电路和信号采集电路，信号探测电路包括集成一体的X射线线阵探测芯片组和信号调理电路；信号采集电路包括信号转换电路和采集控制电路；所述X射线线阵探测芯片组是由多个单个X射线线阵探测芯片首尾依次串接而成；X射线线阵探测芯片组外部由遮光薄膜包覆，遮光薄膜内部由上至下依次设置闪烁体和光敏单元，光敏单元和信号调理电路相连，闪烁体将接收到的X射线转换为微弱的可见光，再通过光敏单元转换为弱电流信号，实现光电转换，再通过信号调理电路将弱电流信号放大为模拟电压信号输出，信号转换电路将前一级信号探测电路输出的模拟电压信号转为数字电压信号，并传输给采集控制电路，采集控制电路经传输控制电路将数字电压信号传输给控制主板；
控制主板，与X射线探测模块相连，接收处理X射线探测模块传输的数字电压信号，并将接收处理的信号传输给控制X射线发生装置产生X射线的上位机；
电源管理模块，用于为机械扫描装置、X射线探测模块和控制主板提供电源；
壳体，用于放置X射线探测模块和控制主板；
所述机械扫描装置包爬行小车，爬行小车的底部设有磁性车轮，爬行小车的磁性车轮使其能够吸附在被测工件的内表面或外表面，X射线探测模块、控制主板以及电源管理模块全部集成在小车上；小车在接受上位机的扫描命令后能沿被测工件表面平稳运动，完成扫描成像。
2.如权利要求1所述的系统，其特征是，所述控制主板包括FPGA功能单元、基于GigE协议的高速网络通信模块和扩展存储模块，其中FPGA功能单元作为控制核心，既负责实现信号探测电路和信号转换电路的时序驱动，又负责完成量化后的数字图像缓存；数字图像信息能够直接存储在SD卡移动存储设备中，便于对其进行管理和后续处理；控制主板和上位机的通信利用控制主板上集成的GigE协议高速网络通信模块。
3.如权利要求2所述的系统，其特征是，所述FPGA功能单元通过内部的时序驱动模块和A/D控制器模块分别控制X射线探测模块和信号转换电路的A/D转换器的工作时序；FPGA在上电初始阶段通过内部的A/D控制器模块对外部A/D转换器进行相应转换参数的配置并提供其工作所需的控制时序，然后X射线探测模块在时序驱动模块的时序驱动下逐行输出像元模拟信号，同时A/D转换器在A/D控制器模块的同步时序下将相应的像元模拟信号转换成数字信号；FPGA内部的乒乓控制逻辑通过A/D转换器将数字信号读取出来，利用乒乓缓存原理，即判断双口RAM1和RAM2的读状态，将读取过来的数字信号写入到读空闲的双口RAM中，同时将写入双口RAM中的数据通过传输速率高达1Gb/s的GigE协议高速网络通信模块发送至上位机。
4.如权利要求2所述的系统，其特征是，GigE协议高速网络通信模块配备有Camlink接口和RJ-45型以太网接口，灵活方便地实现与上位机之间的数据传输。
5.如权利要求2所述的系统，其特征是，控制主板上配备有移动存储外设接口，能将图像数据写到SD卡移动存储设备里存档。
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