CN108872277A - 基于龙虾眼透镜的x射线无损探伤装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于龙虾眼透镜的X射线无损探伤系统和装置，主要包括：X射线光源、龙虾眼透镜、待检测物体、X射线成像探测器以及信号处理系统等部分，可应用于无损探伤检测。所述X射线光源发出的X射线束，照射到龙虾眼透镜表面聚焦形成高强度的十字焦斑，进而与放置焦距处所述的待测物体进行探伤，探伤信号被X射线探测器接收集，最终通过矩阵重心法和Canny边界算法获取所述待测物体内、外的缺陷重心位置和边界形貌。本发明的优点是，可快速实现对待测物体内外部结构、杂质、击穿通道和形状畸变等情况进行无损检测，准确获取物体高清晰的缺陷信息和结果，结构简单，在检测领域有广阔的应用前景。

Description

基于龙虾眼透镜的X射线无损探伤装置
技术领域
本发明涉及基于龙虾眼透镜的X射线无损探伤装置，属于无损探伤领域，尤其是X射线无损探伤领域。
背景技术
目前，常用的无损检测主要有五种：超声检测UT(Ultrasonic Testing)、磁粉检测MT(Magnetic particle Testing)、渗透检测PT(Penetrant Testing)、涡流检测ET(Eddycurrent Testing)，X射线检测RT(Radiographic Testing)。其中磁粉检测、渗透检测和涡流检测主要是针对被检测物的表面及近表面缺陷，不适用于物体内部缺陷检测。超声检测对工作表面要求平滑、且缺陷成像没有直观性辨识难度大，受人为因素波动较大。X射线无损检测实用范围广、缺陷投影图像直观，这是其他检测手段无法达到企及的。
龙虾眼透镜(Micro-pore optic，简称MPO)源于龙虾的视觉系统 (lobster-eye，LE)，由大量规则正方形空心通道阵列紧密排列而成。MPO 具有视野大、焦距短、体积小、重量轻、灵敏度高、装调简单、聚焦效率高等优点，在X射线聚焦检测领域拥有巨大的应用前景。目前现有的X射线无损探伤设备存在结构复杂，成本昂贵，检测物体的厚度有限，图像分辨率较差等缺点。
发明内容
为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于龙虾眼透镜的X 射线无损探伤装置，该系统和装置采用龙虾眼透镜能聚焦X射线，提高图像分辨率，简化结构设计，降低成本。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于龙虾眼透镜的X射线无损探伤装置，包括沿光路依次设置的 X射线光源、龙虾眼透镜以及X射线成像探测器；
所述X射线光源，用于向待检测物体发射X射线；
所述龙虾眼透镜设置于发射光路中，用于汇聚X射线光源所发出的X 射线；
所述待检测物体，设置于龙虾眼透镜的焦距处；
所述X射线成像探测器，用于收集穿透待检测物体的X射线并成像；
所述X射线无损探伤装置还包括信号处理系统，所述信号处理系统与 X射线成像探测器电连接，用于分析X射线成像探测器所成图像，获取待检测物体的探伤结果。
利用本发明的基于龙虾眼透镜的X射线无损探伤装置，所述X射线光源发出的X射线束，照射到所述龙虾眼透镜表面聚焦形成高强度的十字焦斑，进而对放置焦距处的待测物体进行探伤，探伤信号被X射线探测器收集，最终通过信号处理系统获取所述待测物体内、外的缺陷种类和位置。
进一步的，在本发明中，所述X射线光源的出射X射线光子的能量为 10keV～50keV。由于X射线的穿透能力有限，在传统的X射线探伤过程中，若待测物体厚度较大，则需要大能量的X射线才能完成，使得光源成本高，且限制了探测物体的厚度。利用本发明中龙虾眼透镜的聚焦性能，使得低能量的X射线能够聚焦成高强度的十字焦斑，投入成本大为降低，可以适应于探测较厚的待测物体。
进一步的，在本发明中，所述龙虾眼透镜的外型为平板状，厚度为 1mm～100mm；其内部包括若干根相同的单通道，所述单通道的截面为正方形，所述单通道均匀分布且各个单通道的排布角度一致，所述单通道指向龙虾眼透镜的平板平面的垂直方向。
进一步的，在本发明中，所述龙虾眼透镜中包括500万～1000万根单通道，每个单通道的边长尺寸为10μm～1000μm。
进一步的，在本发明中，所述待检测物体的厚度为1mm～40mm。
进一步的，在本发明中，所述X射线成像探测器为CCD成像探测器，探测靶面像素为1024×1024个，单个像素大小为10μm～20μm。
有益效果：本发明的基于龙虾眼透镜的X射线无损探伤装置，与现有技术相比，具有以下优势：
1、本装置结构组成简单，且作为关键的聚焦工具的龙虾眼透镜的聚焦效果优异，将低能量强度的X射线聚焦成高能量强度的X射线，降低的光源处的高昂成本，而能适应较大的探测厚度，同时相应地获得良好的分辨率；
2、上述高分辨率的图像成像清晰，有助于图像分析，快速实现对待测物体内外部结构、杂质、击穿通道和形状畸变等情况进行无损检测。
应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。
结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。
附图说明
附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：
图1为本发明基于龙虾眼透镜的X射线无损探伤装置的示意图；
图2为本发明龙虾眼透镜结构模型；
图3为本发明龙虾眼透镜聚焦X射线原理图；
图4为本发明信号处理系统流程图；
图5为本发明龙虾眼透镜聚焦成像图。
图6为本发明添加龙虾眼透镜后光强分布曲线。
图中各附图标记含义如下：
X射线光源1、龙虾眼透镜2、待检测物体3、X射线成像探测器4、图像信号处理系统5。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。
本发明的具体实施例提供了一种基于龙虾眼透镜的X射线无损探伤装置，可应用于无损检测领域。如图1所示，该装置主要包括：X射线光源、龙虾眼透镜、X射线成像探测器以及信号处理系统。
具体的，上述X射线光源、龙虾眼透镜、待检测物体、X射线成像探测器组成光路结构并按照光路顺序布置，其中：
X射线光源1，其至少包含一个X射线发光器，用于向待检测物体发射X射线。
龙虾眼透镜2设置于发射光路中，用于汇聚X射线光源所发出的X射线，使得X射线的强度增强。
待检测物体设置于龙虾眼透镜的焦距处，经过龙虾眼透镜的作用，增强的X射线的汇聚点形成高强度的十字光斑，恰好落在待检测物体上，此处待检测物体接收到的X射线强度最大。
X射线成像探测器一般相对于待检测物体设置于其背面，用于收集穿透待检测物体的X射线并成像。
所述信号处理系统与X射线成像探测器电连接，用于分析X射线成像探测器所成图像，获取待检测物体的探伤结果。
如图5所示的龙虾眼透镜聚焦成像图以及图6所示的添加龙虾眼透镜后光强分布曲线，X射线光源发出的X射线束，照射到所述龙虾眼透镜聚焦形成高强度的十字微焦斑，进而对放置焦距处所述的待测物体进行探伤，探伤信号被X射线探测器接收集，通过信号处理获取所述待测物体内、外的缺陷种类和位置。
上述X射线无损检测的基本原理为X射线照射物质时部分会被吸收而使强度减弱，减弱的强度随物质的种类、厚度、密度物体内部的缺陷不同而有所差异。假设用强度为I0的X射线束照射厚度为d(cm)的物质时，射线衰减后的强度变为I1，该强度变化满足以下公式：
I1＝I0e-ud
式中，u为物体对应的吸收系数，单位为1/cm。
进一步的，在本发明的具体实施例中，上述所述的X射线光源为普通的X射线管，能量范围为10keV～50keV。
进一步的，在本某些优选的实施例中，核心组件龙虾眼透镜的外型为平板状，厚度为1mm～100mm；如图2所示，其内部包括若干根相同的单通道，所述单通道的截面为正方形，所述单通道均匀分布且各个单通道的排布角度一致，形成阵列方式紧密排列，且所述单通道指向龙虾眼透镜的平板平面的垂直方向。
进一步的，在本某些优选的实施例中，所述龙虾眼透镜中包括500万～1000万根单通道，每个单通道的边长尺寸为10μm～1000μm。
上述结构的龙虾眼透镜能将X射线聚焦成十字像。其成像原理如图3所示，O点为由图中4个单通道组成的中心位置；不同角度的光线K、L、 M、N投射到龙虾眼上，其中：未参与反射的光线K，直接透射在像面上形成本底噪声；在水平面经过一次反射的光线L，聚焦在过中心点的水平焦臂上；在垂直面经过一次反射的光线N，聚焦在过中心点的垂直焦臂上；在通道壁水平面和垂直面各反射一次的光线M，聚焦在中心焦点位置处，形成中心亮斑，聚焦整体表现为十字形状的图像，其中十字形状的中心点O’与龙虾眼透镜的O点对应。
经过上述龙虾眼透镜的聚焦，在十字焦斑处的X射线强度增益达到数百倍，因此可以在较低的X射线能量的情况下提高待检测对象的厚度，使得厚度范围为1mm～40mm之间的待检测物体均能够检测。由于经过聚焦后形成十字光斑，瞬时可对待检测物体的一个点进行检测。
X射线光源发出X射线，照射在平板MPO上，光线经过微孔阵列结构聚焦成为十字线，照射在待测物体上。十字光线经过一定物体厚度，强度会衰减，最终被放置于焦距处的CCD探测器接受。当物体内部存在缺陷，会导致局部密度会发生突变，X射线经过该处位置强度衰减会出现跳变， CCD将缺陷的位置获取并评估缺陷严重程度，当超过设置值时会及时发出警报。
在对整个待检测物体进行完全检测时，为了获取物体不同位置处的缺陷信息，则对物体进行二维扫描检测；其中，对于待检测物体为直线状物体时，如电线、电缆、钢缆、直管、木材等，则可采用线性扫描检测。
进一步的，为了获取物体不同位置处的缺陷信息，需对待测物体进行二维扫描检测，当物体内部存在缺陷，会导致局部密度会发生突变，X射线经过该处位置强度衰减会出现跳变。通过重心法可以确定缺陷重心位置。
其中x,y为缺陷重心的坐标位置。xi,yi为不同位置坐标。ρij为矩阵(i， j)处的密度。n为密度矩阵的大小。
进一步的，为了获取物体内部的缺陷边界特征，需要对二维矩阵需采用经典Canny边界算法。首先采用4个梯度算子来分别计算水平，垂直，和对角线的梯度。其次利用双阈值技术，去除噪点得到缺陷边界。
其中，Gx,Gy为边缘垂直和水平差分算子。θ为梯度角度。
进一步的，在某些优选的实施例中，上述所述的X射线探测器4为CCD 成像探测器。良好的图像分辨率对后续的信号处理系统对图像的解析起到重要作用，因此选取CCD成像探测器靶面像素为1024×1024个，单个像素大小为10μm～20μm，这样能够实现对物体缺陷进行微米级别的评估和分析。
上述所述的信号处理系统的流程如图4所示，通过CCD成像探测器记录物体的透射信号。分析所得数据，得到待测物体缺陷信息和位置。
作为优选的，上述信号处理系统上还设置有报警模块，当分析出待测物体有严重缺陷时会触发报警模块发出警报。
本发明提出基于龙虾眼透镜的X射线无损探伤装置，可快速实现对待测物体内外部结构、杂质、击穿通道和形状畸变等情况进行无损检测，准确获取物体高清晰的缺陷信息和结果，结构简单，在检测领域有广阔的应用前景。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (11)

1.一种基于龙虾眼透镜的X射线无损探伤装置，其特征在于：包括沿光路依次设置的X射线光源、龙虾眼透镜以及X射线成像探测器；
所述X射线光源，用于向待检测物体发射X射线；
所述龙虾眼透镜设置于发射光路中，用于汇聚X射线光源所发出的X射线；
所述待检测物体，设置于龙虾眼透镜的焦距处；
所述X射线成像探测器，用于收集穿透待检测物体的X射线并成像；
所述X射线无损探伤装置还包括信号处理系统，所述信号处理系统与X射线成像探测器电连接，用于分析X射线成像探测器所成图像，获取待检测物体的探伤结果。
2.根据权利要求1所述的基于龙虾眼透镜的X射线无损探伤装置，其特征在于：所述X射线光源的出射X射线光子的能量为10keV～50keV。
3.根据权利要求1所述的基于龙虾眼透镜的X射线无损探伤装置，其特征在于：所述龙虾眼透镜的外型为平板状，厚度为1mm～100mm；其内部包括若干根相同的单通道，所述单通道的截面为正方形，所述单通道均匀分布且各个单通道的排布角度一致，所述单通道指向龙虾眼透镜的平板平面的垂直方向。
4.根据权利要求3所述的基于龙虾眼透镜的X射线无损探伤装置，其特征在于：所述龙虾眼透镜中包括500万～1000万根单通道，每个单通道的边长尺寸为10μm～1000μm。
5.根据权利要求1所述的基于龙虾眼透镜的X射线无损探伤装置，其特征在于：所述待检测物体的厚度为1mm～40mm。
6.根据权利要求1所述的基于龙虾眼透镜的X射线无损探伤装置，其特征在于：所述X射线成像探测器为CCD成像探测器，探测器靶面像素大小为1024×1024个，单个像素大小为10μm～20μm。
7.根据权利要求1至6中任意一条所述的基于龙虾眼透镜的X射线无损探伤系统和装置，其特征在于：所述X射线光源发出X射线，照射在平板龙虾眼透镜上，光线经过龙虾眼透镜的微孔阵列结构聚焦成为十字线，照射在待测物体上，十字光线经过一定物体厚度，强度会衰减，最终被放置于焦距处的X射线成像探测器接收并成像。
8.根据权利7要求所述的基于龙虾眼透镜的X射线无损探伤装置，其特征在于：所述信号处理系统被设置成基于所述十字光线的强度衰减跳变确定待检测物体的缺陷。
9.根据权利8要求所述的基于龙虾眼透镜的X射线无损探伤装置，其特征在于：所述信号处理系统被设置成基于矩阵重心法和经典Canny边界算法获取所述待测物体的缺陷重心位置和边界形貌。
10.根据权利9要求所述的基于龙虾眼透镜的X射线无损探伤装置，其特征在于：对待测物体的无损探伤包括对其二维扫描检测，当物体内部存在缺陷，将导致局部密度会发生突变，十字光线经过该处位置强度衰减将出现跳变，通过矩阵重心法以确定缺陷重心位置：
其中x,y为缺陷重心的坐标位置，xi,yi为不同位置坐标，ρij为矩阵(i,j)处的密度，n为密度矩阵的大小。
11.根据权利要求9所述的基于龙虾眼透镜的X射线无损探伤装置，其特征在于，对二维矩阵采用经典Canny边界算法以确定物体内部的缺陷边界形貌特征：首先采用4个梯度算子来分别计算水平、垂直、和对角线的梯度；其次利用双阈值方式，去除噪点得到缺陷边界：
其中，Gx,Gy为边缘垂直和水平差分算子，θ为梯度角度。
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