基于数字射线的燃气轮机叶片内部缺陷三维参数提取方法与流程

【技术领域】

本发明属于工业射线无损检测领域，涉及一种基于数字射线的燃气轮机叶片内部缺陷三维参数提取方法。

背景技术：

燃气轮机是在电力、航海等领域广泛应用的一类旋转叶轮式动力机械。目前，我国在尚未完全掌握燃气轮机核心零部件制造的关键技术，相关产品还主要依靠国外进口。叶片是在燃气轮机上与高温高压高流速的工作介质相互作用并实现能量转换的核心气动零件，其制造通常采用精密铸造成型工艺，且需要在极高的温度和压力下承受巨大的工作载荷。由于叶片无论在制造还是服役阶段，都可能在其内部形成诸如缩孔、缩松、裂纹、夹杂等形式的缺陷，将严重影响燃气轮机整机的工作性能、使用寿命以及运行的安全可靠性。因此，研究燃气轮机叶片缺陷的检测技术，对提高我国燃气轮机制造水平、突破发达国家的技术封锁具有重大而深远的战略意义。

由于燃气轮机叶片属于复杂自由曲面类零件，且通常由具有较大密度的镍基高温合金材料构成，故对其的无损检测通常采用基于射线的方法。传统的方法采用工业射线对叶片进行透照，借助胶片成像来实现对叶片内部缺陷的检测。该方法具有成像分辨率高、灵敏度高、直观可靠等优点，在工业无损检测领域发挥着重要的作用。由于此方法本质上是将叶片沿透照方向在胶片上投影成像，故仅能够清晰显示出缺陷的二维轮廓，对于缺陷在透照方向上的三维特征信息却无法显示。即使是经验丰富的专业技术人员也很难精确估计这一维度上的信息。而工业ct技术由于可准确、清晰、直观地获取被测物体内部结构组成和缺陷的三维信息，使得其在叶片内部缺陷检测中有着一定程度的应用。但是亦存在两方面的局限性：一方面，由于叶片的组成材料镍基高温合金对于射线具有较大的衰减系数，功率较小的ct并不能够完全对叶片实现有效穿透。故只能采用具有较大透照功率的工业ct系统，此类系统高昂的价格直接抬高了叶片检测的成本。另一方面，为精确检测叶片内部较小尺度的缺陷，还需以较小的间隔对叶片进行大量切片。考虑到燃气轮机叶片通常都要求全检，巨大数量的切片数据采集要求不但会大幅降低检测的效率，还会带来巨大的运行成本。因此，正是由于工业ct高昂的检测成本和极低的检测效率，使得其很难在工程实际的燃气轮机叶片检测中得到广泛的应用。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，本发明公开了一种基于数字射线的大型高温叶片内部缺陷三维参数提取方法，通过将各个像素处的厚度用图像的灰度进行离散量化，使得每一灰度值对应一个厚度，求得每一像素处的厚度，基于此并结合像素的尺寸便可实现对缺陷三维参数的定量检测。

本发明采用以下技术方案：

基于数字射线的燃气轮机叶片内部缺陷三维参数提取方法，首先将缺陷的二维检测图像按照像素排布进行一次有限元划分；然后对每个像素处的厚度按照灰度值进行离散量化，确定灰度g与厚度t的对应关系；最后对所有像素有限元进行累积，提取缺陷区域的三维参数。

进一步的，包括以下步骤：

s1、确定数字射线探测系统的线性响应范围；

s2、利用数字射线探测系统对叶片进行透照得到二维检测图像，并获取缺陷的二维轮廓；

s3、通过对试验楔块透照，获取在特定的透照参数下图像灰度与材料厚度的关系曲线；

s4、将缺陷的模拟背景灰度和原图像缺陷灰度转换成厚度，两厚度相减获得缺陷厚度。

s5、对各个缺陷像素处厚度信息进行累加，即可获取缺陷的三维参数。

进一步的，步骤s1中，所述数字射线探测系统包括射线源、放置被检叶片的支撑平台、平板探测器以及成像及控制系统，所述射线源经过射线源控制器连接至所述成像及控制系统，所述支撑平台经过检测控制系统与所述成像及控制系统连接，所述平板探测器经过探测器控制器与所述成像及控制系统连接。

进一步的，步骤s1中，在所述平板探测器上设置中心开有小孔的铅板，所述小孔贯穿所述铅板，所述小孔的直径为1mm以上，小于10mm，增大所述数字射线探测系统的透照参数获取不同曝光量，所述平板探测器在准直小孔处所成图像由全黑转变为高亮全白，获取所述数字射线探测系统在小孔区域对应不同曝光量的成像灰度，绘制所述平板探测器的响应曲线，确定数字射线探测系统的线性响应区域。

进一步的，所述数字射线探测系统的线性响应关系为：

g＝α·h+b

其中：g—成像灰度值，h—曝光量，α—线性响应区域斜率，b—成像灰度线性偏移量。

进一步的，步骤s2中，获取所述缺陷的二维轮廓具体包括以下步骤：

s21、利用数字射线探测系统对叶片进行透照得到灰度处于系统线性区域范围的二维检测图像；

s22、基于叶片检测图像提取缺陷边界，初步获取缺陷的二维轮廓；

s23、对步骤s22初步获取的缺陷二维轮廓进行形态学膨胀，扩大缺陷区域以确保所有缺陷轮廓被完全包括在形态学膨胀后的区域内；

s24、对膨胀区域进行双三次插值，计算出缺陷区域的模拟背景；

s25、将模拟背景图像与原图像做差，并对差值图像做二值化处理获取缺陷的二维精确轮廓。

进一步的，步骤s3中，加工厚度变化范围与分区厚度变化范围相同的同材质试验用楔块，每个所述楔块采用与对应区域相同的曝光参数，采用分区透照方式，将每个区域的厚度都限制在一定的范围内，并采用一组特定的曝光参数进行一次透照，所述透照参数包括管电压、管电流和曝光时间。

进一步的，在所述一次透照过程中，随着透照厚度的增大到达所述平板探测器的有效曝光量减小，根据曝光量h与成像灰度g的线性关系确定成像灰度值g与透照厚度t之间的函数关系如下：

g＝f(t)。

进一步的，步骤s5中，根据厚度信息求取缺陷二维轮廓区域中每个像素区域的体积如下：

v＝a²×(t0-t1)

其中：v—单个像素区域体积、a—像素边长、t0—单个像素区域理论厚度、t1—单个像素区域实际厚度。

进一步的，所述缺陷区域的三维参数计算如下：

其中：vall—缺陷区域总体积、n—缺陷区域像素总数、ti0—缺陷区域第i个像素区域理论厚度、ti1—缺陷区域第i个像素区域实际厚度。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明基于数字射线的燃气轮机叶片内部缺陷三维参数提取方法，基于有限元的思想，将缺陷的二维检测图像按照像素排布进行一次有限元划分，对每个像素处的厚度按照灰度值进行离散量化，进而确定灰度与厚度的对应关系。通过对所有像素有限元区域进行累加，提取得到缺陷的三维参数，可有效弥补传统射线检测方法在缺陷三维参数提取上的不足，相比于工业ct系统，可以更高的效率和更低的成本实现对燃气轮机叶片内部缺陷三维参数的提取。

进一步的，本方法先确定数字射线探测系统的线性响应范围，再利用数字射线探测系统对叶片进行透照得到二维检测图像，并获取缺陷的二维轮廓，然后采用双三次插值法模拟缺陷区域的背景，再通过对试验楔块透照，获取在特定的透照参数下图像灰度与材料厚度的关系曲线，然后将缺陷的模拟背景灰度和原图像缺陷灰度转换成厚度，两厚度相减获得缺陷厚度，最后对各个缺陷像素处厚度信息进行累加，即可获取缺陷的三维参数。

进一步的，数字射线探测系统由射线源、放置被检叶片的支撑平台、平板探测器以及成像及控制系统组成，在平板探测器上设置有中心开有一个毫米级通孔的铅板，通过其对射线的准直作用减小射线的散射，有效避免射线在透照物体时存在散射现象。

进一步的，基于叶片检测图像提取缺陷边界，初步获取缺陷的二维轮廓，然后对初步获取的缺陷二维轮廓进行形态学膨胀，扩大缺陷区域以确保所有缺陷轮廓被完全包括在形态学膨胀后的区域内，再对膨胀区域进行双三次插值，计算出缺陷区域的模拟背景，最后将模拟背景图像与原图像做差，并对差值图像做二值化处理获取缺陷的二维精确轮廓，不仅能精确获取缺陷二维轮廓减小误差，还能通过模拟缺陷背景获取原始厚度。

进一步的，加工厚度变化范围与分区厚度变化范围相同的同材质试验用楔块，每个所述楔块采用与对应区域相同的曝光参数，采用分区透照方式，通过对已知尺寸的试验楔块进行透照，可定量量化透照图像各个灰度值所代表的透照厚度。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

【附图说明】

图1为本发明数字射线探测系统示意图；

图2为本发明方法流程示意图；

图3为本发明数字射线探测系统测试原理图；

图4为本发明平板探测器的响应规律曲线图；

图5为本发明方法获取缺陷二维轮廓流程示意图；

图6为本发明叶片分区透照示意图；

图7为本发明试验楔块透照示意图；

图8为本发明灰度—厚度关系曲线图；

图9为本发明由图像灰度获取材料厚度示意图；

图10为本发明缺陷像素的体积示意图。

【具体实施方式】

请参阅图1所示，本发明公开了一种数字射线探测系统，以及基于数字射线的燃气轮机叶片内部缺陷三维参数定量提取方法。通过将各个像素处的厚度用图像的灰度进行离散量化，使得每一灰度值对应一个厚度(平板探测器动态范围达到十六位，获取的离散厚度比像素尺寸小三个数量级)。由此求得每一像素处的厚度，基于此并结合像素的尺寸便可实现对缺陷三维参数的定量检测。

请参阅图2所示，本发明基于数字射线的燃气轮机叶片内部缺陷三维参数定量提取方法包括以下六个步骤：

s1、确定数字射线探测系统的线性响应范围；

请参阅图3所示，所述数字射线探测系统包括射线源、放置被检叶片的支撑平台、平板探测器以及成像及控制系统，所述射线源经过射线源控制器连接至所述成像及控制系统，所述支撑平台经过检测控制系统与所述成像及控制系统连接，所述平板探测器经过探测器控制器与所述成像及控制系统连接，由于射线在透照物体时存在散射现象，在铅板中心加工一个毫米级的小通孔，小孔的直径为1mm以上，小于10mm，通过其对射线的准直作用减小射线的散射，并将铅板紧贴所述平板探测器放置。

数字射线探测系统工作过程如下：通过射线源控制器设置各项透照参数(管电压、管电流、曝光时间)控制射线源发射x射线；射线源发射的x射线穿过被检叶片并被平板探测器所接收；平板探测器将x射线转换成电信号，经过模数转换最后在成像及控制系统上显示检测图像。

各个系统功能：

射线源控制器：设置射线源透照参数、触发射线源；

检测控制系统：调节被检叶片位置；

探测器控制器：触发平板探测器；

成像及控制系统：控制各个系统触发与显示图像。

请参阅图4所示，不断增大数字射线探测系统的透照参数(管电压、管电流、曝光时间)获取不同曝光量，直到平板探测器在准直小孔处所成图像由全黑转变为高亮全白。获取数字射线探测系统在小孔区域对应不同曝光量的成像灰度，以此绘制平板探测器的响应曲线，进而确定数字射线探测系统的线性响应区域。结合成像灰度与曝光量数据，确定式(1)中的α、b两个参数，获得数字射线探测系统的线性响应关系如下：

g＝α·h+b(1)

其中：

g—成像灰度值

h—曝光量

α—线性响应区域斜率

b—成像灰度线性偏移量。

针对任何工件的数字射线透照过程，必须调节曝光参数，使一次透照图像灰度处于线性区域范围，否则无法对图像进行量化分析。

s2、利用数字射线探测系统对叶片进行透照得到二维检测图像；

请参阅图5所示，获取缺陷二维轮廓、模拟缺陷区域背景包括以下五个步骤：

s21、利用数字射线探测系统对叶片进行透照得到灰度处于系统线性区域范围的二维检测图像；

s22、基于叶片检测图像提取缺陷边界，初步获取缺陷的二维轮廓；

s23、对步骤s22初步获取的缺陷二维轮廓进行形态学膨胀，扩大缺陷区域以确保所有缺陷轮廓被完全包括在形态学膨胀后的区域内；

s24、对膨胀区域进行双三次插值，计算出缺陷区域的模拟背景；

s25、将模拟背景图像与原图像做差，并对差值图像做二值化处理获取缺陷的二维精确轮廓。

s3、通过对试验楔块透照，获取在特定的透照参数(管电压、管电流、曝光时间)下图像灰度与材料厚度的关系曲线；

请参阅图6所示，由于叶片特殊的结构，对其的探测采用分区透照方式。将被检叶片分成六个区域，每个区域的厚度都限制在一定的范围内，并采用一组特定的曝光参数进行一次透照。

请参阅图7所示，加工厚度变化范围与分区厚度变化范围相同的同材质试验用楔块，每个所述楔块采用与对应区域相同的曝光参数，采用分区透照方式，将每个区域的厚度都限制在一定的范围内，并采用一组特定的曝光参数进行一次透照，所述透照参数包括管电压、管电流和曝光时间。

对某一分区，加工一厚度变化范围与该分区厚度变化范围相同的同材质试验楔块，每个楔块采用与对应区域相同的曝光参数进行一次透照。在一次透照过程中，随着透照厚度的增大到达探测器的有效曝光量减小(二者呈一一对应关系)。由于曝光量h与成像灰度g具有式(1)所述的线性关系，可以此确定成像灰度值g与透照厚度t之间的函数关系：

g＝f(t)(2)

请参阅图8所示，每个楔块采用与对应区域相同的曝光参数进行一次透照，记录连续厚度变化下的图像灰度值，确定图像灰度与材料厚度的关系曲线。

s4、将缺陷的模拟背景灰度和原图像缺陷灰度转换成厚度，两厚度相减获得缺陷厚度。

请参阅图9所示，通过图像灰度与材料厚度的关系曲线，可分别由模拟背景图像和实际检测图像获取叶片在每个像素点上的理论厚度与实际厚度，两个值相减即可获得叶片的缺陷区域及其每个像素点的厚度。对于单个像素点，g0为双三次插值背景灰度，g1为实际像素灰度，则缺陷厚度可由式得到：

t＝t0-t1(3)

其中，

t—缺陷厚度

t0—像素区域插值理论厚度

t1—像素区域实际厚度。

s5、对各个缺陷像素处厚度信息进行累加，即可获取缺陷的三维参数。

请参阅图10所示，基于有限元思想，结合对应的厚度信息分别求取缺陷二维轮廓区域中每个像素区域的体积，在对所有像素体积进行累加即可求得整个缺陷区域的体积。

由式(4)可计算得到单个像素区域的缺陷体积：

v＝a²×(t0-t1)(4)

其中：

v—单个像素区域体积

a—像素边长

t0—单个像素区域理论厚度

t1—单个像素区域实际厚度。

再由式(5)计算得到缺陷区域总体积：

其中：

vall—缺陷区域总体积

n—缺陷区域像素总数

ti0—缺陷区域第i个像素区域理论厚度

ti1—缺陷区域第i个像素区域实际厚度。

本发明基于数字射线的大型高温叶片内部缺陷三维参数提取方法，基于有限元的思想，首先将缺陷的二维检测图像按照像素排布进行一次有限元划分；然后对每个像素处的厚度按照灰度值进行离散量化，确定灰度与厚度的对应关系；最后对所有像素有限元进行累积即可提取缺陷的三维参数，一方面，可有效弥补传统射线检测方法在缺陷三维参数提取上的不足；另一方面，相比于工业ct系统，可以更高的效率和更低的成本实现对燃气轮机叶片内部缺陷三维参数的提取。