0 引言

射线检测技术中，缺陷的尺寸测量是在检测图像上获得某个细节的缺陷数据，对缺陷数据的归纳、分析是进行产品质量级别评定的关键，如焊接接头中出现的气孔、夹渣、未焊透、裂纹等缺陷的尺寸测量。传统的测量方法是通过X射线将焊接接头成像在胶片上，在观片灯上直接对胶片上显示的缺陷进行测量，一般会使用带放大镜的刻度尺，由于人眼对缺陷边界判断上的差异性较大，这导致缺陷的量化检测存在较大的人为误差，影响检测结果的一致性，特别是未焊透、裂纹等缺陷的宽度、小尺寸气孔、夹杂等缺陷的准确测量，受不清晰度的影响，导致检测图像边界模糊，难以准确测量尺寸^[1]。

国内学者做了一些关于数字成像尺寸计算问题的研究，如孔凡琴等^[2]研究了基于数字射线成像的航空涡轮叶片缺陷尺寸的自动测定，李强等^[3]研究了数字射线检测中图像评定尺的设计与应用，韩加强等^[1]研究了数字射线图像缺陷尺寸的自动测定。而基于半波高法的数字射线检测缺陷尺寸测量技术的研究，很少见到相关报道。本文基于数字射线检测技术，分析了检测系统的调制传递函数，并研究了半波高法在缺陷尺寸测量方面的应用。

1 缺陷尺寸测量技术 1.1 成像系统空间分辨率

对于数字射线检测，那些质量级别评定涉及缺陷影像形貌特点的缺陷，其在检测图像上显示的影像形貌与检测图像的空间分辨率密切相关。

成像系统的调制传递函数(MTF)表示影像调制度与空间频率的关系曲线^[4]。目前国外的技术标准中，比较明确的规定空间分辨力应采用双丝像质计进行测试，空间分辨力确定的依据是瑞利判据，如图 1所示，具体的测试是在双丝像质计图像上获取MTF曲线，以调制度不小于20%为确定丝对可识别的基准，如图 2所示，消除了早期人眼识别线对卡丝对的不确定因素^[5]。根据瑞利判据，采用双丝像质计测定的不清晰度对应的空间频率，可近似认为就是对应调制度为0.11处的空间频率。

1.2 半波高法

提出基于半波高法的焊接接头缺陷数字射线尺寸测量技术，通过半波高法确定被测缺陷的边界，进而确定图像对应缺陷的尺寸。半波高法测量缺陷尺寸方法如图 3所示，焊接接头存在一处未焊透缺陷(黑色直线)，未焊透宽度方向灰度分布曲线如右图所示，测量未焊透灰度分布峰值h的一半值作为边界，并测量两个边界的距离W作为未焊透的宽度测量值，其他缺陷(如气孔直径、裂纹宽度等)的尺寸测量方法类似。

实际使用半波高法测量时，由于检测图像测量的值存在一定的误差，故在数据采集时，应以多次测量平均值进行计算。

2 检测过程及分析 2.1 检测对象及设备

焊接接头典型缺陷为气孔、夹渣、未焊透、裂纹等，这些缺陷是影响接头性能的重要因素，其尺寸的精确测量是接头进行质量评级的关键。本文通过双丝像质计线对间距、单丝像质计、高密度金属圆珠分别模拟焊接接头中的狭缝类缺陷(未焊透、裂纹)、条形缺陷、点状缺陷等。

采用CR检测系统，CR技术检测原理如图 4所示，采用的扫描仪为美国VMI 5100S，IP板为HR高分辨率IP板，射线源使用YXLON公司160 kV定向辐射式X射线机。扫描光斑为尺寸为50 μm，管电压65 kV，焦距1 m，曝光量为10 mA·min。

2.2 空间分辨率测量

通过双丝像质计(EN462) 确定检测系统的调制传递函数(MTF)，计算系统的极限空间分辨率。对双丝像质计X射线图像进行垂直扫描(图 5)，提取双丝像质计垂直扫描线的线灰度曲线，如图 6所示。

MTF曲线绘制方法：调制度近似等于缺陷特征有效对比度(Δμ)_e和其实际对比度Δμ的比值。在线灰度曲线上，选择线条最宽的一组，此时线条和基体的灰度值差可近似表示实际对比度Δμ，随着线条变细，线条和基体之间灰度值差越来越小，这个差值可表示有效对比度(Δμ)_e，其结果如表 1所示，由此可以获得调制度(Δμ)_e/Δμ，以空间分辨率对数为横坐标、调制度(Δμ)_e/Δμ为纵坐标绘制出MTF曲线，如图 7所示。对该MTF曲线进行二项式拟合(虚线所示)，可近似确定图中调制度为0.11处的空间频率为4.5 Lp/mm，即该成像系统的目测极限分辨率为4.5 Lp/mm，因此，检测系统能够识别的最小细节尺寸应至少为0.11 mm。

2.3 狭缝类缺陷宽度测量

根据半波高法的原理，对双丝像质计的线对间距值进行测量。该检测系统的空间分辨率为4.5 Lp/mm，肉眼能够清晰分辨的线对为D9，用半波高法测量D1~D9线对间距值，分别对比检测尺寸与其标称尺寸，结果见表 2。与D1对应的数字X射线图及半波高法测量线对间距图见图 8。

2.4 条形缺陷宽度测量

采用相同的透照布置和参数，通过半波高法，分别测量单丝像质计W6~W16的丝径值，测量过程与双丝像质计线对间距值相似，对比检测尺寸与其实际尺寸，数据见表 3。

2.5 点状缺陷的尺寸测量 2.5.1 气孔

图 9为铝合金焊接接头试板的X射线检测图像，其内部存在多个气孔，测量其中2个气孔直径，右图为气孔2直径的测量过程。图 10为气孔1、气孔2体视显微镜形貌图，通过显微镜和半波高法分别测量气孔直径，对比检测尺寸和实际尺寸，结果见表 4。

2.5.2 高密度夹杂

采用硬质合金圆珠模拟高密度夹杂，将三个直径已知的硬质合金珠镶嵌在低密度蜂窝板上，其射线检测图像见图 11，以某一圆珠为例，体视显微镜形貌图见图 12。通过显微镜和半波高法分别测量圆珠直径，对比检测尺寸和实际尺寸，结果见表 5。

2.6 对比结果分析 2.6.1 误差分析

(1) 测量时CR图像灰度值的读取误差

受人为因素的影响，CR图像的灰度值在测量时，读取过程会产生误差，影响测量的结果，因此，对形成的MTF曲线进行二次拟合，减小人为因素影响。

(2) 半波高法测量误差

受扫描光斑尺寸的限制，测量值只可为0.05 mm的整数倍，以多次测量平均值进行计算。

2.6.2 结果分析

通过对以上测试结果对比分析，得出以下结论：

(1) 在该透照条件下，成像系统的目测极限分辨率为4.5 Lp/mm，能够识别的最小细节尺寸至少为0.11 mm;

(2) 由表 2~表 5中数据可知，当被检细节尺寸不小于系统可分辨的最小细节尺寸时，缺陷尺寸的测量尺寸与实际尺寸基本相符，且误差较小，可以满足日常产品缺陷尺寸测量的基本要求;

(3) 在实际检测应用中，当焊接接头中存在未焊透、裂纹、丝状夹杂物、气孔、高密度夹杂等缺陷时，可通过半波高法测量缺陷细节的尺寸，以此作为焊接接头质量级别评定的相关缺陷数据依据。

3 结论

首先，通过双丝像质计可以确定数字X射线检测系统的MTF曲线，进而依据瑞利判据确定检测系统空间分辨率。其次，对焊接接头内部存在的未焊透、裂纹、丝状夹杂物、气孔、高密度夹杂等缺陷，提出了基于半波高法确定缺陷边界并测量缺陷尺寸的方法，并以模拟缺陷实例对该方法进行了验证。将该方法的测量值和实际值相对比，其结果基本相符，误差较小，实验结果证明半波高法具有可行性，而且，该方法避免了人为因素的影响。最后，运用半波高法对焊接接头内部的各种缺陷尺寸进行测量，对定量研究焊接接头的缺陷对其性能的影响具有重要指导意义。在铸件以及航天防热系统用复合材料等产品的射线检测中，半波高法对其缺陷尺寸的检测同样适用，有望通过进一步实验加以验证，将半波高法拓展到更多的产品检测中，发挥更大的作用。