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      碳纖維纏繞發(fā)動機殼體數(shù)字射線DR成像檢測圖像質(zhì)量控制

      2020-11-17 11:49:34
      宇航材料工藝 2020年5期
      關(guān)鍵詞:殼體碳纖維信噪比

      (湖北三江航天江北機械工程有限公司,孝感 432100)

      文 摘 對檢測圖像的空間分辨率、信噪比和對比度的影響因素進行了研究。采用不同的工藝參數(shù)對碳纖維纏繞發(fā)動機殼體進行了數(shù)字射線DR成像檢測試驗。試驗結(jié)果表明,當其他檢測參數(shù)不變時,焦點尺寸和放大倍數(shù)對圖像的空間分辨率影響較大;管電壓、管電流和單幀積分時間對圖像的信噪比有影響;管電壓和管電流對圖像的對比度均具有一定影響。

      0 引言

      碳纖維纏繞發(fā)動機殼體已成為固體火箭發(fā)動機殼體的重要發(fā)展方向,殼體在成型過程中會產(chǎn)生孔洞、夾雜、分層、脫粘等缺陷[1-2]。采用數(shù)字射線DR成像檢測可快速、有效地對碳纖維纏繞發(fā)動機殼體的內(nèi)部質(zhì)量進行檢測,其主要是通過觀察數(shù)字圖像的影像特征來對檢測結(jié)果進行判定,為了保證檢測結(jié)果的可靠性,本文針對空間分辨率、信噪比和對比度三個基本因素[3]進行了研究。

      1 檢測試驗

      1.1 試驗設(shè)備

      數(shù)字射線成像檢測系統(tǒng)主要由一臺最大管電壓為600 kV 的高頻恒壓定向X 射線機和一個像素尺寸為100 μm 的面陣探測器組成,其中X 射線機的射線管具有0.5和1.5 mm雙焦點。

      1.2 透照布置

      根據(jù)碳纖維纏繞殼體和試驗設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點,采取法線垂直透照殼體的透照布置,見圖1。

      圖1 碳纖維纏繞殼體透照布置Fig.1 Tranillumination layout of carbon filament-wound motor case

      2 結(jié)果與討論

      2.1 圖像空間分辨率影響因素

      2.1.1 焦點尺寸對圖像空間分辨率影響

      在其他檢測參數(shù)不變的情況下,分別采用不同的焦點對φ1200 mm 的碳纖維纏繞殼體進行檢測試驗,對不同檢測情況下圖像空間分辨率進行測量、分析,確定焦點尺寸對圖像空間分辨率的影響。

      圖像空間分辨率采用雙絲像質(zhì)計進行測定,0.5和1.5 mm 的焦點尺寸空間分辨率測試結(jié)果分別如圖2圖3所示,按照瑞利判據(jù)曲線深度達到20%即可識別該組絲對[4]的測試結(jié)果如表1所示。

      圖2 焦點尺寸為0.5 mm測試結(jié)果Fig.2 Test result under focus of 0.5 mm

      圖3 焦點尺寸為1.5 mm測試結(jié)果Fig.3 Test result under focus of 1.5 mm

      表1 圖像分辨率測試結(jié)果Tab.1 Test results of spatial resolution

      從表1中的試驗數(shù)據(jù)分析,在其他參數(shù)不變的情況下,采用較小的焦點尺寸進行透照可獲得較高的圖像空間分辨率。

      2.1.2 放大倍數(shù)對檢測圖像空間分辨率影響

      在相同的檢測參數(shù)下,通過采用不同放大倍數(shù)[4]對φ1 200 mm的碳纖維纏繞殼體進行檢測試驗,對不同放大倍數(shù)下圖像空間分辨率進行測量、分析,確定放大倍數(shù)對圖像空間分辨率的影響。

      試驗采用的面陣探測器像素尺寸為100 μm,檢測系統(tǒng)的固有不清晰度應(yīng)為0.2 mm;X 射線管的焦點尺寸選用0.5 mm。最佳放大倍數(shù)計算公式如下:

      式中,M0為最佳放大倍數(shù);UD為固有不清晰度;φ為焦點尺寸[4];試驗時UD為0.2 mm,φ為0.5 mm,計算得出M0為1.16。

      不同放大倍數(shù)下空間分辨率測試結(jié)果分別如圖4~圖6所示,按照瑞利判據(jù)曲線深度達到20%即可識別該組絲對[4]的測試結(jié)果如表2所示。

      從表2中的試驗數(shù)據(jù)分析,在其他參數(shù)不變的情況下,采用最佳放大倍數(shù)對碳纖維纏繞殼體進行檢測時,圖像分辨率最高。

      圖4 放大倍數(shù)1.16測試結(jié)果Fig.4 Test result under magnification of 1.16

      圖5 放大倍數(shù)1.5測試結(jié)果Fig.5 Test result under magnification of 1.5

      圖6 放大倍數(shù)2測試結(jié)果Fig.6 Test result under magnification of 2

      表2 圖像分辨率測試結(jié)果Tab.2 Test results of spatial resolution

      圖7 圖像信噪比測試位置Fig.7 Test-points of SNR

      表3 信噪比測試結(jié)果Tab.3 Test results of SNR

      2.2 圖像信噪比影響因素

      在相同的檢測參數(shù)下,分別改變管電壓、管電流、單幀積分時間和圖像采集疊加幀數(shù)對φ1 200 mm的碳纖維纏繞殼體進行檢測試驗,測量不同透照參數(shù)下檢測結(jié)果圖像的信噪比,經(jīng)比較分析,確定管電壓、管電流、單幀積分時間和圖像采集疊加幀數(shù)對圖像信噪比的影響。圖像信噪比測試位置如圖7所示,測試結(jié)果如表3所示。從試驗1~3 的測試結(jié)果分析發(fā)現(xiàn),隨著管電壓增加,圖像的信噪比顯著增加;從試驗1、4 的測試結(jié)果分析發(fā)現(xiàn),當管電流由1.1 mA增加到1.7 mA 時,圖像的信噪比有所增加;從試驗4、5 的測試結(jié)果分析發(fā)現(xiàn),當圖像采集疊加幀數(shù)30幀增加到60 幀時,圖像的信噪比基本不變;從試驗4、6的測試結(jié)果分析發(fā)現(xiàn),當單幀積分時間由499 ms增加到999 ms時,圖像信噪比略有增加。

      在其他檢測參數(shù)不變的情況下提高管電壓,可以使圖像的信噪比大大提高;提高管電流和單幀積分時間有利于提高圖像的信噪比,但影響不大;圖像采集疊加幀數(shù)對圖像信噪比基本沒有什么影響。

      2.3 圖像對比度影響因素

      在數(shù)字射線檢測技術(shù)中,數(shù)字圖像的對比度具體意義是圖像識別厚度差的能力[5],本文通過測量厚度方向上孔洞和夾雜的識別能力(即孔洞和夾雜的對比度靈敏度)來實現(xiàn)圖像對比度影響因素研究。在相同的檢測參數(shù)下,分別采用不同的管電壓和管電流對直徑φ500 mm 模擬缺陷殼體進行檢測試驗。直徑φ500 mm模擬缺陷殼體的碳纖維纏繞層厚度為5 mm、絕熱層厚度為4 mm,在殼體筒段部位分別預(yù)制了孔洞和夾雜缺陷,缺陷示意圖如圖8所示。

      圖8 預(yù)埋缺陷示意圖Fig.8 Embedded defects diagram

      2.3.1 管電流影響

      在相同的檢測參數(shù)下,分別采用0.5、0.65、0.9 mA 的管電流對直徑φ500 mm 的模擬缺陷殼體進行檢測試驗。如圖9為不同管電流下檢測結(jié)果,可識別的孔洞和夾雜最小尺寸如表4所示。

      圖9 不同管電流下檢測結(jié)果Fig.9 Test results under different tube currents

      從試驗結(jié)果分析,所有夾雜均清晰可見;針對孔洞,當管電流由0.5 mA增加到0.65 mA時,對比度靈敏度略有提高。說明提高管電流,在一定程度上可提高圖像的對比度。

      表4 最小可分辨孔洞、夾雜尺寸Tab.4 Size of minimum recognizable holes and inclusions

      2.3.2 管電壓影響

      在相同的檢測參數(shù)下,分別采用45、60、80、100、120 kV 的管電壓對直徑φ500 mm 的模擬缺陷殼體進行檢測試驗。如圖10為不同管電壓下檢測結(jié)果圖,可識別的孔洞和夾雜最小尺寸如表5所示。

      圖10 不同管電壓下檢測結(jié)果Fig.10 Test results under different tube voltages

      表5 最小可分辨孔洞、夾雜尺寸Tab.5 Size of minimum recognizable holes and inclusions

      從試驗結(jié)果分析,所有夾雜均清晰可見;針對孔洞,當管電壓由45 kV增加到60 kV時,對比度靈敏度由2.5%提高到1.7%,當管電壓由100 kV 增加到120 kV 時,對比度靈敏度由1.7%降低到2.5%。試驗結(jié)果表明,在一定范圍內(nèi),當管電壓增加時,對比度靈敏度會有所提高,但當管電壓超出一定范圍后,當管電壓增加時,對比度靈敏度會有所降低。

      3 結(jié)論

      本文針對碳纖維纏繞發(fā)動機殼體進行X 射線數(shù)字DR 成像檢測試驗,在其他試驗透照條件不變的情況下具有以下結(jié)論:

      (1)采用較小的焦點尺寸進行檢測時,圖像的空間分辨率更高;使用最佳放大倍數(shù)獲得的圖像空間分辨最高。

      (2)當管電壓、管電流和圖像采集的單幀積分時間增加,圖像的信噪比明顯增加。

      (3)進行數(shù)字射線DR 檢測時,在一定范圍內(nèi)管電壓增加,圖像對比度靈敏度增加,當超出一定限制后,管電壓增加,對比度靈敏度會降低;管電流增加,圖像的對比度靈敏度有所增加。

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