通过正电子探针定位腔体内壁缺陷的无损检测系统及检测方法

摘要

本发明公开一种通过正电子探针定位腔体内壁缺陷的无损检测系统及检测方法，检测系统包括硬件部分和软件部分，硬件部分包括底座；位于底座上的待测零件前端支架、待测零件后端支架和带光栅尺的气浮导轨模组；待测零件；安装于带光栅尺的气浮导轨模组上的环形探测器支架；安装于环形探测器支架内的环形探测器阵列；位于底座上的正电子探针源铅室；连接于正电子探针源铅室和待测零件之间的正电子探针液体循环输入管和正电子探针液体循环输出管。软件部分包括探测器记录正电子湮没产生的γ光子数的计数模块；γ光子均分补偿的最大似然估计数学模型模块；基于有序子集最大期望的模型求解模块；基于最大类间方差的图像增强模块以及3D图像合成模块。

说明书

技术领域：

本发明涉及一种通过正电子探针定位腔体内壁缺陷的无损检测系统及检测方法，其 属于无损检测技术领域。

背景技术：

以无损检测技术为代表的现代检测技术已成为高端装备制造工艺流程中的重要技 术环节，较为成熟的无损检测技术有：超声及电磁扫描技术、电子显微镜成像技术、计 算机断层扫描技术、噪声探伤技术等，但上述无损检测技术对内腔结构复杂、壁厚分布 不均匀的金属合金及单晶零件的内壁缺陷及裂隙检测有难度，更不能对缺陷进行准确成 像定位。目前对于具有复杂内腔结构零件，例如液压执行机构、做功机构等的检测都是 有损的疲劳测试法，通过数十万次的液压执行往复动作或数千小时的运转测试对零件进 行检测。

由于目前的无损检测手段及设备系统无法对运行中的不良因素进行在线精确定位， 鉴于此问题亟待解决，本专利提出了一种通过正电子探针定位腔体内壁缺陷的无损检测 系统及检测方法。而世界范围内对正电子湮没理论的研究及应用在某些方面已经相对成 熟，早在1928年英国物理学家DiracPAM在研究电子的量子理论时预言电子有反电 子，1932年美国物理学家AndersonCD在研究宇宙射线的云室照片中发现了正电子的 存在。后来科学家注意到正电子湮没后产生的γ光子可以获得金属材料、半导体材料、 非金属材料、凝聚态物质内部的电子结构、缺陷与相变等信息。目前正电子湮没技术推 广到了化学、生物学以及医学等领域，通过回旋加速器制造低能量的正电子探针，如 ²²Na，⁶⁴Cu，⁵⁸Co，¹⁸F等，将含有这些元素的液体经过回旋加速器反复加速后，变为缺 中子核素，所产生的放射性核素经过β+衰变产生正电子，其原理如图1所示。例如， 在医学中，配合PET/CT设备使用的医用显像剂，包括氟代脱氧葡萄糖、脂肪酸、蛋白 质等，这些正电子显像剂可以被特定的人体器官吸收，并呈现出吸收部位的病变情况。

到目前为止，正电子湮没技术成果仅限于生物医疗与材料微观缺陷领域，并未涉及 到工业无损检测技术领域，更未涉及对零件复杂内腔结构进行缺陷定位。

发明内容：

本发明针对现有无损检测技术手段对于复杂内腔结构零件检测的不足，提供一种通 过正电子探针定位腔体内壁缺陷的无损检测系统及检测方法，利用该无损检测系统对金 属、合金及单晶材料零件的内壁表面缺陷进行定位。

本发明采用如下技术方案：一种通过正电子探针定位腔体内壁缺陷的无损检测系 统，包括硬件部分和软件部分，所述硬件部分包括底座；位于底座上的待测零件前端支 架、待测零件后端支架和带光栅尺的气浮导轨模组；同时放置于待测零件前端支架和待 测零件后端支架上的待测零件；安装于带光栅尺的气浮导轨模组上且环绕于待测零件外 围的环形探测器支架；安装于环形探测器支架内的环形探测器阵列；位于底座上的且位 于待测零件前端支架下方的正电子探针源铅室；连接于正电子探针源铅室和待测零件之 间的正电子探针液体循环输入管和正电子探针液体循环输出管；

所述软件部分包括以下5个程序模块：探测器记录正电子湮没产生的γ光子数的计 数模块；γ光子均分补偿的最大似然估计数学模型模块，用于描述正电子浓度与重建图 像像素之间的关系；基于有序子集最大期望的模型求解模块，用于得到腔体的2D图像； 基于最大类间方差的图像增强模块，用于缺陷的检测及分析；3D图像合成模块，用于 以3D图像形式实现缺陷的定位。

首先本发明的核心就是通过探测正电子湮没产生的γ光子形成响应线，基于响应线 数据重建图像，因此需要探测器记录正电子湮没产生的γ光子数的计数模块；当计数模 块记录了响应线后，需要建立重建图像像素与正电子探针浓度之间对应关系的数学模 型，因此本发明提出了γ光子均分补偿的最大似然估计数学模型模块，准确测量了整个 实验过程中实际产生的γ光子数与探测模块记录的γ光子数；通过何种数学算法求解上 述γ光子均分补偿的最大似然估计数学模型是影响图像重建精度重要过程，本发明采用 了基于有序子集最大期望的模型求解模块，通过在每一次迭代中将响应线数据分成多个 子集，提高2D重建图像的分辨率；在得到重建2D图像的切片序列后，需要对内腔缺 陷进行定量分析，通过最大类间方差的图像增强模块，对重建2D图像进行阈值分割， 得到目标区域(即缺陷)增强的2D图像；将目标区域增强的2D图像序列导入到3D图 像合成模块，还原被检测零件的内腔3D图像，并实现腔体内壁缺陷的定位。

本发明还采用如下技术方案：一种通过正电子探针定位腔体内壁缺陷的无损检测系 统的检测方法，其包括如下步骤：

(1).正电子探针通过正电子探针源铅室注入零件腔内，通过正电子探针源铅室内 置的液泵循环使正电子探针充满零件腔体，并与腔体内壁产生正电子湮没，环形探测器 阵列记录下一组零件剖面位置处的γ光子信息后，带光栅尺的气浮导轨模组移动环形探 测器支架沿着Y轴运行，开始下一组剖面序列γ光子数据的记录，同时带光栅尺的气浮 导轨模组上的光栅尺记录下环形探测器阵列沿Y轴移动的绝对位置；

(2).根据零件材料的密度、厚度范围以及γ光子计数值进行γ光子均分补偿，该 过程通过γ光子数的计数模块和γ光子均分补偿的最大似然估计数学模型模块实现，控 制伺服机构的运动速度、环形探测器的采样频率，调节γ光子计数的能量窗范围、符合 计数的时间窗范围，极大的降低康普顿散射及瑞利散射产生的伪影；

(3).对光栅尺、环形探测器阵列所获得数据进行零件内腔的2D重建，该过程通 过基于有序子集最大期望的模型求解模块实现，在每次迭代过程中将响应线数据分成n 个子集，而每个子集对重建图像各个像素点的值进行校正后，重建图像就会被更新一次， 这样一次迭代相当于重建图像被更新了n次，这样就可以根据零件对动态性能的分辨率 要求，对零件进行动态或者静态2D成像；

(4).设定缺陷判定阈值，与零件三维理论模型进行点云匹配，定位缺陷的精确区 域及位置，本发明的核心在于对腔体内壁缺陷进行定位，因此需要通过最大类间方差的 图像增强模块对目标区域进行增强处理，此时对得到的目标区域增强的2D切片图像序 列导入到3D图像合成模块，实现腔体内壁的3D重建图像，以此诊断有无缺陷、缺陷 的大小及位置。

进一步地，零件内腔的三维重建步骤如下：

(1).通过迭代法重建二维剖面序列图像；

(2).对剖面序列中的每一个剖面进行二维目标区域增强；

(3).在区域增强之后，对内腔剖面轮廓进行提取；

(4).将轮廓线离散为三维坐标点云，用以和零件理论模型进行点云匹配来定位缺 陷。

本发明具有如下有益效果：

(1).本专利提供了一种通过正电子探针定位腔体内壁缺陷的无损检测系统，该无 损检测系统基于正电子湮没技术原理，将带有正电子探针的液体注入待测零件腔体，正 电子探针与腔体内壁表面负电子结合发生的湮没事件产生互成180°的γ光子对，通过 环形探测器阵列对γ光子对反映的湮没事件进行记录及数据处理并定位缺陷。这种无损 检测系统的优势在于检测的缺陷尺寸能够达到亚毫米级以下，正电子探针可覆盖零件内 腔中液体能够到达的任何位置，各无损检测方法缺陷检测深度及缺陷尺寸如图2所示。

(2).本专利为具有复杂内腔结构的零件提供了一种新的无损检测手段及系统，具 有很好的实际应用前景，可以推广到诸如航空、舰船、汽车动力系统及其关键复杂零部 件的无损检测当中，为高端装备制造提供重要检测手段及检测依据。

附图说明：

图1为核素β+衰变产生正电子原理示意图。

图2为各无损检测缺陷探测深度及缺陷尺寸。

图3为正电子探针定位腔体内壁缺陷的无损检测系统硬件结构图。

图4为探测传感器系统与高性能运算的通讯拓扑结构示意图。

图5为正电子探针定位原理示意图。

图6为PLA材料腔体3D打印结构示意图。

图7为PLA材料腔体进行正电子探针内腔缺陷定位检测所得3D图像的正面截图。

图8为PLA材料腔体进行正电子探针内腔缺陷定位检测所得3D图像的反面截图。 其中：

1-环形探测器阵列；2-环形探测器支架；3-带光栅尺的气浮导轨模组；4-正电子探 针源铅室；5-正电子探针液体循环输入管；6-正电子探针液体循环输出管；7-待测零件 前端支架；8-待测零件后端支架；9-待测零件；10-底座。

具体实施方式：

本发明通过正电子探针定位腔体内壁缺陷的无损检测系统可以对零件复杂内腔结 构缺陷进行三维精确定位。本发明无损检测系统所测对象有如下几类：1.有贮存液体空 间的“啤酒瓶形”的零件内腔，例如活塞缸体、阀体蓄能器等；2.阶梯状管道构内壁， 例如集成阀管路、伺服电液控制阀管路及毛细管内壁的导流等；3.封闭的零件组装件， 有固定的液体输入、输出口，例如内燃发动机燃油回路、变速箱液力变矩系统、航空涡 轮发动机燃烧回路、航空液压系统电液伺服集成单元等。

本发明通过正电子探针定位腔体内壁缺陷的无损检测系统包括硬件部分和软件部 分，其中硬件部分结构如图3所示，其包括底座10；位于底座10上的待测零件前端支 架7、待测零件后端支架8和带光栅尺的气浮导轨模组3；同时放置于待测零件前端支 架7和待测零件后端支架8上的待测零件9；安装于带光栅尺的气浮导轨模组3上且环 绕于待测零件9外围的环形探测器支架2；安装于环形探测器支架2内的环形探测器阵 列1；位于底座10上的且位于待测零件前端支架7下方的正电子探针源铅室4；连接于 正电子探针源铅室4和待测零件9之间的正电子探针液体循环输入管5和正电子探针液 体循环输出管6。

在检测过程中，正电子探针通过正电子探针源铅室4注入零件腔内，通过正电子探 针源铅室4内置的液泵循环使正电子探针充满零件腔体，并与腔体内壁产生正电子湮没， 环形探测器阵列1记录下一组零件剖面位置处的γ光子信息后，带光栅尺的气浮导轨模 组3移动环形探测器支架2沿着Y轴运行，开始下一组剖面序列γ光子数据的记录，同 时带光栅尺的气浮导轨模组3上的光栅尺记录下环形探测器阵列1沿Y轴移动的绝对位 置。

在硬件系统中，探测传感器系统是整个测试系统的核心，具体包括环形探测器阵列 1、环形探测器支架2以及带光栅尺的气浮导轨模组3，当正电子液充分注入到零件内腔 时，正电子会在内腔中发生湮没事件，而环形探测器阵列1的宽度限制了其对零件的一 次完全扫描，因此需要借助带光栅尺的气浮导轨模组3带动环形探测器阵列1进行分时 段扫描，以此达到记录整个零件内腔中不同部位正电子湮没所产生的γ光子数的目的。 该系统与高性能运算的通讯拓扑结构如图4所示，正电子湮没产生的γ光子由环形探测 器阵列1进行探测传感，环形探测器阵列1环形排布在环形探测器支架2上，两两沿对 角线对称安装，环形探测器阵列1所获得的γ光子信息通过光电倍增管和信号调理模块 以CAN总线数据的形式传给高性能工作站，零件剖面的成像精度由环形探测器支架2 的直径和环形探测器阵列1的排布数量决定，一个环形探测器阵列1可以获取处在环内 区域零件的一组剖面序列。安装在气浮导轨模组3上的光栅尺记录下环形探测器阵列1 所处的Y轴位置，所获得的Y轴坐标与环形探测器阵列1所测的剖面序列进行数据融 合，对零件内腔进行完整的数据记录。

本发明软件部分包括以下5个程序模块：探测器记录正电子湮没产生的γ光子数的 计数模块；γ光子均分补偿的最大似然估计数学模型模块，用于描述正电子浓度与重建 图像像素之间的关系；基于有序子集最大期望的模型求解模块，用于得到腔体的2D图 像；基于最大类间方差的图像增强模块，用于缺陷的检测及分析；3D图像合成模块， 用于以3D图像形式实现缺陷的定位。

首先本发明的核心就是通过探测正电子湮没产生的γ光子形成响应线，基于响应线 数据重建图像，因此需要探测器记录正电子湮没产生的γ光子数的计数模块；当计数模 块记录了响应线后，需要建立重建图像像素与正电子探针浓度之间对应关系的数学模 型，因此本发明提出了γ光子均分补偿的最大似然估计数学模型模块，准确测量了整个 实验过程中实际产生的γ光子数与探测模块记录的γ光子数；通过何种数学算法求解上 述γ光子均分补偿的最大似然估计数学模型是影响图像重建精度重要过程，本发明采用 了基于有序子集最大期望的模型求解模块，通过在每一次迭代中将响应线数据分成多个 子集，提高2D重建图像的分辨率；在得到重建2D图像的切片序列后，需要对内腔缺 陷进行定量分析，通过最大类间方差的图像增强模块，对重建2D图像进行阈值分割， 得到目标区域(即缺陷)增强的2D图像；将目标区域增强的2D图像序列导入到3D图 像合成模块，还原被检测零件的内腔3D图像，并实现腔体内壁缺陷的定位。

本发明通过正电子探针定位腔体内壁缺陷的无损检测系统中的软件部分主要是对 探测传感器系统数据进行数据处理，其主要的数据处理流程包括：

1.根据零件材料的密度、厚度范围以及γ光子计数值进行γ光子均分补偿；

2.对光栅尺、环形探测器阵列1所获得数据进行零件内腔的2D重建；

3.设定缺陷判定阈值，与零件三维理论模型进行点云匹配，定位缺陷的精确区域及 位置。

正电子探针定位的原理如图5所示，

其中γ光子均分补偿的原理及方法如下：

假设实验静态扫描时间为t，则时间t内放射性核素发生β+衰变的原子核数目为N (t)，由放射性核素产生的γ光子数为2(N(0)-N(t))，被探测器接收到的γ光子数 为：

$\underset{i=1}{\overset{m}{\Sigma }}{b}_i$

因各种因素导致未被探测器接收的γ光子数为：

$2\left(N\right(0)-N\left(t\right))-\underset{i=1}{\overset{m}{\Sigma }}{b}_i$

此时γ光子均分补偿后第i条响应线接收到的γ光子数为：

$b_i^{\prime }=b_i+\frac{2\left(N\right(0)-N\left(t\right))-\underset{i=1}{\overset{m}{\Sigma }}{b}_i}{m},i=1,2,...,m$

正则化过程为：

${\tilde{x}}_j=x_j\underset{i=1}{\overset{m}{\Sigma }}{p}_{ij}$

则γ光子均分补偿的最大似然估计模型为：

$l\left(\tilde{x}\right)=-\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\tilde{x}}_j\underset{i=1}{\overset{m}{\Sigma }}{s}_{ij}+\underset{i=1}{\overset{m}{\Sigma }}{b}_i^{\prime }log\left(\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}{s}_{ij}{\tilde{x}}_j\right)-\underset{i=1}{\overset{m}{\Sigma }}log(b_i^{\prime }!)$

求解该γ光子均分补偿的最大似然估计模型即可求出重建图像矢量

${\tilde{x}}^{*}({\tilde{x}}_1^{*},{\tilde{x}}_2^{*},...,{\tilde{x}}_n^{*})$

使得

$l\left({\tilde{x}}^{*}\right)=\underset{x}{\max }\log \left(L\right(x)).$

零件内腔的三维重建过程的主要步骤如下：

1.通过迭代法重建二维剖面序列图像。

2.对剖面序列中的每一个剖面进行二维目标区域增强。

3.在区域增强之后，对内腔剖面轮廓进行提取。

4.将轮廓线离散为三维坐标点云，用以和零件理论模型进行点云匹配来定位缺陷。

在三维重建的过程中最重要的步骤就是通过迭代法重建二维剖面序列图像，生成剖 面图像精度直接关系着内腔轮廓提取精度。重建算法流程如下：

假设单个像素发射的正电子计数记为a_j，而其对应的随机变量则表示为A，则A服 从均值为x_j的泊松分布。每个探测器对的正电子计数与多个像素有关，在某个像素处发 射的正电子总数也自然可分解为被多个探测器对检测计数之和，即

$a_j=\underset{i=1}{\overset{m}{\Sigma }}{z}_{ij}$

其中z_ij表示在像素j处发射的正电子中被i个探测器对接收到的计数，并且其对应 的随机变量显然满足均值为b_i的泊松分布，又z_ij与实际检测数据存在如下关系：

$b_i=\underset{i=1}{\overset{m}{\Sigma }}{z}_{ij}$

根据γ光子均分补偿的最大似然估计模型，计算出的探测器接收到的γ光子数为：

$b_i^{\prime }=b_i+\frac{2\left(N\right(0)-N\left(t\right))-\underset{i=1}{\overset{m}{\Sigma }}{b}_i}{m}\stackrel{\Delta }{=}{b}_i+\Delta ,i=1,2,...,m$

令

$b=(b_1^{\prime },b_2^{\prime },...,b_m^{\prime })$

此时需要给予z_ij合理的数值以达到迭代优化原似然函数的目的，假设迭代估计值为 则z_ij的一个合理值即是在和数据b下的条件期望，即

$z_{ij}=E\left(z_{ij}\right|{\tilde{x}}^{\left(k\right)},b)$

从某一初始估计值开始，设当前迭代估计值为则新的迭代值为

${\tilde{x}}_j^{\left(k+1\right)}=a_j=\underset{i=1}{\overset{m}{\Sigma }}{z}_{ij}=\underset{i=1}{\overset{m}{\Sigma }}E\left(z_{ij}|{\tilde{x}}^{\left(k\right)},b\right)=\underset{i=1}{\overset{m}{\Sigma }}{b}_i^{\prime }\frac{s_{ij}{\tilde{x}}_j^{\left(k\right)}+\Delta }{\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}\left(s_{ij}{\tilde{x}}_j^{\left(k\right)}+\Delta \right)},j=1,2,...,n.$

本发明为了使重建算法在保证重建精度的前提下，具有更快的收敛速度，每一步迭 代中将投影数据分成M个子集，其中M为γ光子探测器对的数量。每个子集对重建图 像各像素值修正后，重建图像就会更新一次，所有的子集运算一遍，即进行一次迭代， 每一次迭代完成就代表剖面序列中的一个剖面的图像重建完成。

通过正电子探针对零件内腔缺陷定位的结果如图6、图7和图8所示：

图6为被测的复合材料PLA块的结构示意图，图7、8为对复合材料PLA块内腔进 行正电子探针内腔缺陷定位检测所得3D图像的正面及反面截图。该复合材料块是通过 热熔融堆积式3D打印的方式制作完成，如图6所示，在材料块内有一个呈直角形的管 腔连接一个螺旋状的管腔，该管腔无法通过外部手段进行无损检测。热熔融堆积式3D 打印的零件，在堆积层与层之间由于热胀冷缩会产生微小的裂纹及缝隙，正电子液不断 渗透，正电子探针不断与缝隙表面发生湮没事件，通过γ光子探测及成像设备，可以对 这些缝隙进行精确定位，并可以观察到该复合材料零件中细小的渗漏点和渗漏带。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员 来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的 保护范围。