CMOS探測器在射線(xiàn)檢測中的設計應用

概述：以CMOS探測器為記錄介質(zhì)的數字化射線(xiàn)檢測技術(shù)，檢測精度高、溫度適應性好、結構適應性強。CMOS射線(xiàn)掃描探測器探測單元排成線(xiàn)陣列，需要在檢測時(shí)進(jìn)行相對掃描運動(dòng)，逐線(xiàn)采集并拼成完整的透照投影圖像。介紹了檢測工裝設計，完成了探測器的固定、位置調節及實(shí)現與檢測工件的相對運動(dòng)。介紹了檢測應用中的探測器配置與校準、透照方式選取、運動(dòng)速度控制、檢測參數優(yōu)化、缺陷定量分析和圖像存檔管理等。應用結果表明，經(jīng)過(guò)工藝優(yōu)化，CMOS探測器能夠實(shí)現大多數產(chǎn)品零部件的射線(xiàn)檢測。最后分析了應用中存在的問(wèn)題及后續研究方向。


Application of Direct Radiography Using CMOS X-ray Linear Array Detector
SUN Chao-Ming, LI Qiang, WANG Zeng-Yong, LI Jian-Wen
(Institute of Machinery Manufacturing Technology, CAEP, Mian yang 621900, China)
Abstract: The digital radiography（DR） using complementary metal oxide silicon(CMOS) X-ray linear array detector as record media had advantages of higher spatial resolution, better temperature adaptability and flexible structure adaptability. During radiographic testing, relative movement of the detector and the work piece was necessary to collect each line of the scanned image, as the detecting units were lined in a row. So the testing equipments were designed to mount the detector, adjust the relative position and move the work piece according to its structure. The testing procedure comprising configuration and calibration of the detector, selection of the applicable scan mode, control of the scan speed, optimizing of the testing parameters, segmentation and quantification of defects and archiving and retrieval of the digital images were described. After optimizing the testing process, it showed that CMOS detector had capability to achieve better images and it could be used in radiographic testing widely. The benefit of using DR and some problems to be solved were talked in the end.
Keywords: Digital radiography; CMOS X-ray linear array detector; Process optimization

1 CMOS探測器簡(jiǎn)介
射線(xiàn)檢測技術(shù)利用X射線(xiàn)探測材料內部的不連續性，并在記錄介質(zhì)上顯示出圖像。隨著(zhù)技術(shù)的不斷進(jìn)步，射線(xiàn)檢測從傳統的以膠片為記錄介質(zhì)的照相方法不斷擴展，形成了多種數字化射線(xiàn)檢測手段，如底片的數字化處理技術(shù)(Film Digitisation)、射線(xiàn)實(shí)時(shí)成像技術(shù)(Radioscopy)、計算機射線(xiàn)成像系統(Computed Radiography)和射線(xiàn)數字直接成像檢測技術(shù)(Direct Radiography)等[1]。實(shí)際應用中需要根據檢測要求的分辨率和相對靈敏度選用合適的方法。相對于其它射線(xiàn)記錄介質(zhì)(如CCD、多晶硅等)，CMOS(互補的金屬氧化硅)技術(shù)更具有性能優(yōu)勢。目前，CMOS探測器的最小像素尺寸可達39μm，檢測精度較高，溫度適應性好，結構適應性強。
較之龐大的增強器成像系統，CMOS射線(xiàn)掃描探測器(圖1)結構小巧，內部芯片集成度高。較之CCD成像方式，CMOS的每個(gè)探測點(diǎn)都有自己的放大器進(jìn)行單獨配置。CMOS在其內部通過(guò)轉換屏將接收到的射線(xiàn)轉換為光線(xiàn)，直接與轉換屏接觸的探測點(diǎn)單元將光線(xiàn)轉換為電子，每個(gè)探測點(diǎn)單元有自己的放大器將電信號放大，最后在探測器內對信號進(jìn)行A/D轉換，形成二進(jìn)制編碼傳送到計算機。CMOS主要適用于20～320 kV射線(xiàn)能量，80/μm的空間分辨率，無(wú)幾何放大情況下檢測分辨率為6 lp/mm，檢測圖像達到4096級灰度。

圖1 CMOS射線(xiàn)掃描探測器

2 CMOS探測器的檢測應用

2.1 檢測流程
由于CMOS射線(xiàn)探測單元排成線(xiàn)陣列，靜止狀態(tài)下只能得到射線(xiàn)透過(guò)被檢物體而形成的投影圖像中的一條線(xiàn)。為獲取被檢測物體的圖像，需要進(jìn)行相對掃描運動(dòng)，逐線(xiàn)采集并拼成完整的投影圖像。獲取檢測圖像時(shí)要求射線(xiàn)能量波動(dòng)盡可能小且可長(cháng)時(shí)間連續工作，因此筆者采用恒壓式射線(xiàn)源(YX―LON MG325，最大電壓320 kV，大焦點(diǎn)3.0 mm，小焦點(diǎn)2.O mm)。采用CMOS線(xiàn)性X射線(xiàn)掃描探測器進(jìn)行射線(xiàn)檢測的流程為：探測器配置及校準一確定透照方式，調節位置參數一相對運動(dòng)，獲取掃描圖像一圖像處理，缺陷分析。

2.2 檢測工裝設計
探測器的成像單元(線(xiàn)陣列)需要與射線(xiàn)束中心線(xiàn)良好匹配，不能出現相對位置傾斜和偏移等現象。因此，需設計合適的成像工裝，以完成探測器的固定、位置調節及實(shí)現與檢測工件的相對運動(dòng)。工裝要能方便地移入移出(筒形工件)，應具有一定的靈活性和較大的適應性(檢測不同類(lèi)型工件)。
本著(zhù)簡(jiǎn)便、實(shí)用的原則，在已有射線(xiàn)實(shí)時(shí)成像系統基礎上進(jìn)行檢測工裝設計，即檢測時(shí)將檢測工件放在載物臺上，可實(shí)現左右平移、繞垂直軸旋轉等運動(dòng)；探測器通過(guò)工裝固定于射線(xiàn)實(shí)時(shí)成像系統增強器運動(dòng)軸上，可實(shí)現垂直升降和前后平動(dòng)。另外，探測器還可實(shí)現一定角度的旋轉調節。通過(guò)與實(shí)時(shí)成像檢測系統的有機結合，可實(shí)現多種類(lèi)型工件的射線(xiàn)檢測。此外，應用時(shí)對于工件還要設計固定定位工裝。

2.3 探測器配置與校準
首次使用探測器時(shí)需指定成像器類(lèi)型參數(長(cháng)度和可承受電壓等)，以便確定出可用的最小積分時(shí)間。在探測器正常工作前，必須對其進(jìn)行配置與校準，以便在一定的成像條件下，使所有探測單元的偏置輸出及增益輸出達到一致。
對于新的檢測對象，首先配置好采集圖像相關(guān)的參數(積分時(shí)間、掃描精度以及是否迭加平均)，然后開(kāi)始進(jìn)行探測器校準。校準時(shí)還要考慮焦距及物距的影響。一般校準時(shí)需進(jìn)行三個(gè)步驟：①關(guān)閉射線(xiàn)源，探測器進(jìn)行偏置校準。②開(kāi)啟射線(xiàn)源，調節到檢測需使用的電流電壓值，使探測器的線(xiàn)陣列輸出信號達到最大但未出現飽和為止。③調節射線(xiàn)能量，使線(xiàn)陣列輸出信號降低為最大信號的一半。校準的結果以文件形式存儲，可供以后的檢測調用。但調用后若再更改其中的校準參數，則需重新校準后才能進(jìn)行檢測。
對于大多數檢測對象，在實(shí)際檢測時(shí)應用的電流、電壓值較高，在進(jìn)行探測器校準時(shí)輸出信號早已飽和。為解決這一問(wèn)題，根據不同厚度的檢測情況，設計了相應的校準用檢測試板。試板厚度均勻，在校準第一步完成后將試板放在射線(xiàn)源窗口，然后開(kāi)啟射線(xiàn)進(jìn)行下一步校準操作。

2.4 透照方式選取
(1)平動(dòng)方式適用于平板焊縫類(lèi)工件的射線(xiàn)檢測，檢測時(shí)保持探測器與射線(xiàn)源位置相對固定，將工件放在載物臺上，以合適的速度沿X軸平行移動(dòng)。對于管、筒上的環(huán)形焊縫，如果采用平動(dòng)方式成像，采集的將是橢圓形透視圖像，只有中心區域的圖像才可用于檢測結果評定，并且需要旋轉多個(gè)角度才能完成全部檢測，降低了檢測靈敏度(圖2a)，某些情況下由于厚度太大而不能實(shí)現透照檢測。
(2)旋轉方式要求調節相對位置使工件放在載物臺回轉中心，且與射線(xiàn)束中心、探測器中心處于一條直線(xiàn)上。對于筒形件，通過(guò)工裝將探測器置于工件內部，盡可能貼近檢測部位，采用單壁單影的方式透照；對于內徑較小的管狀與筒形工件，采用雙壁透照的方式；旋轉一定角度即可將透照區展開(kāi)成像，可有效提高檢測效率(圖2b)。對于回轉類(lèi)工件，采用旋轉方式成像具有突出的優(yōu)點(diǎn)，可提高圖像質(zhì)量，縮短檢測時(shí)問(wèn)。

2.5 運動(dòng)速度控制
由于探測器必須有相對運動(dòng)才能成像，因此需要將運動(dòng)速度控制在合理的范圍。如果速度不合適，則得到的圖像就存在拉伸或壓縮現象。另外，分辨率越高、圖像噪聲越低，運動(dòng)速度需越低。

圖2 不同透照方式獲取的檢測圖像