一种模型未知的燃气轮机高温叶片数字射线检测分区方法与流程

本发明属于工业射线无损检测技术领域，具体涉及一种模型未知的燃气轮机高温叶片数字射线检测分区方法。

背景技术

燃气轮机是继蒸汽轮机和内燃机后出现的新一代的旋转动力式机械。燃气轮机通过高温高压高速的气体工作介质带动叶轮旋转进行做功，被广泛应用于航海、发电等各个领域。燃气轮机高温叶片(以下简称“叶片”)通常由镍基高温合金采用精密铸造的方法制成，是燃气轮机的主要核心部件之一，其机械性能对整个燃气轮机机组的安全运行有着重要影响。叶片的工作环境恶劣，不仅承受着各种复杂的应力作用，同时还承受着高温高压介质的腐蚀作用。故叶片在制造和服役过程中，表面和内部都有可能出现各种形式的缺陷，从而影响整个燃气轮机机组的安全运行。因此对叶片的缺陷检测具有十分重要的意义和广阔的应用前景。

常用的无损检测方法有超声检测、涡流检测、磁粉检测、工业ct(computedtomography)检测、数字射线dr(digitalradiography)检测技术等。由于叶片属于复杂自由曲面类零件，超声波探头很难很好地贴合在叶片表面，故具有较强穿透能力的传统接触式超声检测不适用于叶片的缺陷检测。涡流检测和磁粉检测只能检测物体表面和近表面缺陷，故也不适用于叶片的缺陷检测。工业ct技术虽然能够清晰直观准确地获取叶片内部缺陷的三维信息，但是检测成本过高，一支叶片的检测成本往往高达十几万。dr检测技术利用数字射线对叶片进行透照，由平板探测器采集穿透叶片后的射线，再将射线的辐射强度转化为电信号并传送至计算机生成透照灰度图像。通过分析透照灰度图像，实现对叶片的缺陷检测。由于平板探测器成像区域的尺寸小于叶片尺寸且叶片厚度分布不均，故需要对叶片的不同部位采用不同的透照参数进行分区透照。由于燃气轮机高温叶片尚未实现国产化，往往无法直接获得叶片的设计模型，进而将其作为对叶片分区的重要参考。传统的分区方法是基于人工经验通过多次试验的方法确定一组可行的分区方案，随意性较大，未能实现叶片分区的最优化。

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，提供一种模型未知的燃气轮机高温叶片数字射线检测分区方法，实现叶片分区的最优化。

本发明采用以下技术方案：

一种模型未知的燃气轮机高温叶片数字射线检测分区方法，首先根据平板探测器响应情况随管电流的变化确定平板探测器的线性响应灰度范围，以叶片型面在平板探测器上的投影面积最大为基准，通过建立叶片型面在平板探测器上的投影面积与转台转动角度的关系，确定叶片的最优透照方向；以灰度值在平板探测器线性响应灰度范围中心2/3区域内的透照灰度图像作为合格图像确定叶片透照分区，对整个叶片型面进行分区。

具体的，平板探测器的线性响应灰度范围确定包括以下步骤：

s101、设置焦距和曝光时间为定值；

s102、改变管电压，以某一步距，从x射线管的最低值逐渐增大至最高值，对平板探测器进行透照；

s103、在各个管电压下分别以x射线管的最低管电流和最高管电流进行透照，获得各个管电压下平板探测器响应灰度值的变化范围；

s104、确定平板探测器响应灰度值变化范围最大时的管电压并作为实验管电压；

s105、在步骤s104确定的实验管电压下，改变管电流，以某一步距，从x射线管的最低值逐渐增大至最高值，对平板探测器进行透照；

s106、由平板探测器的响应灰度值随管电流变化的散点图确定平板探测器的线性响应灰度范围。

具体的，确定叶片的最优透照方向的步骤如下：

s201、沿竖直方向将叶片型面进行分割；

s202、建立各个区域在平板探测器上的投影面积与透照方向的关系，并将其累加获得整个叶片型面在平板探测器上的投影面积与透照方向的关系；

s203、确定使叶片型面在平板探测器上的投影面积取最大时的最优透照方向；

s204、获取最优透照方向下叶台上的基准面与平板探测器在水平面内的夹角，将其作为最优透照方向的定位基准。

进一步的，步骤s203具体如下：

当转台逆时针转过角度α时，叶片最上和最下两个区域的面积分别变如下：

当转台逆时针转过角度α时，叶片中间四个区域的面积分别如下：

其中，h1和h2为叶片最上和最下两个区域高度，h为叶片中间四个区域高度，l1、l2、l3、l4、l5为分区边界截面弦长，θ1、θ2、θ3、θ4、θ5为弦线l1、l2、l3、l4、l5与平板探测器在水平面内所成角度。

进一步的，转台逆时针转过角度α时叶片型面在平板探测器上的投影面积分别如下：

其中，α∈[0°，360°]。

具体的，确定叶片透照分区的步骤如下：

s301、设置焦距、曝光时间和管电流为定值；

s302、改变管电压，以某一步距从x射线管的最低值逐渐增大至最高值，将叶片至于转台，使叶片型面上边缘接近平板探测器成像区域上边缘，在最优透照方向下对叶片型面进行透照；

s303、以叶片型面上边缘为基准，从各个透照图像中划分出高度和宽度在平板探测器成像区域尺寸7/8范围内的叶片型面灰度图像；

s304、确定各个叶片型面灰度图像中的合格图像区域；

s305、选择包含叶片左边缘且面积最大的合格区域作为分区1；

s306、选择承接分区1且面积最大的合格图像区域作为分区2，并依次类推，对剩余部分进行分区。

进一步的，步骤s306完成后，还包括以下步骤：

s307、将x射线管和平板探测器高度降低平板探测器成像区域高度7/8，改变管电压，以某一步距从x射线管的最低值逐渐增大至最高值，对叶片型面进行透照；

s308、以已分区部分下边缘为基准，从各个透照图像中划分出高度和宽度在平板探测器成像区域尺寸7/8范围内的叶片型面灰度图像，重复以上步骤直至完成整个叶片型面的分割。

进一步的，步骤s304中，合格图像区域为出不同电压下各个透照灰度图像中灰度值在内且高度为的区域，其中，平板探测器的线性响应灰度范围为[g1，g2]。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种模型未知的燃气轮机高温叶片数字射线检测分区方法，首先通过分析平板探测器响应情况随管电流的变化，确定平板探测器的线性响应灰度范围；然后通过沿竖直方向对叶片型面进行分割，建立叶片型面在平板探测器上投影面积与转台转动角度的关系，确定叶片型面投影面积最大时的透照方向；最后结合平板探测器的成像区域尺寸和线性响应灰度范围，通过分析各管电压下叶片型面的透照灰度图像，以分区最大化为原则对叶片型面进行分区，相较于传统的改变管电压调节x射线强度的方法，避免了x射线穿透能力改变所引入的误差，获得的线性响应灰度范围更为准确；其次在没有模型的情况下，以投影面积最大化为原则确定了叶片的最优透照方向，可有效减小透照灰度图像中的特征重叠，且方法在实际操作中简单易行；最后在充分考虑平板探测器成像区域尺寸和线性响应灰度范围的条件下，以分区最大化为原则对叶片型面进行分区，相较于传统的基于人工经验通过试验粗略确定分区方案的方法，获得的分区方案有理可依，有望获取更高质量的透照灰度图像。

进一步的，选择平板探测器响应灰度范围最大时的管电压作为实验管电压，可获得最完整的实验数据，保证所获得的平板探测器响应灰度范围包含整个线性区间；通过改变管电流的方式改变x射线强度，获取试验管电压下平板探测器的响应散点图，从而获取平板探测器响应响应时的灰度范围，相较于传统的改变管电压的方法，避免了x射线穿透能力改变所引入的误差，所获得的灰度范围更加准确可靠。

进一步的，通过对平板探测器沿竖直方向进行划分，通过近似算法，在没有模型的情况下获取叶片投影面积最大时的透照方向作为最优透照方向，可有效减小透照图像中的特征重叠，有望更高质量的透照灰度图像。

进一步的，以透照灰度图像中灰度值在平板探测器线性响应灰度范围2/3的部分为合格图像，可有效保证包含缺陷时各分区的透照图像灰度值也在平板探测器线性响应范围内，为后续缺陷的进一步分析提供了重要保障；以平板探测器成像区域尺寸的7/8作为分区尺寸的上限，可保证存在摆放误差时，一次透照可获得整个分区的透照灰度图像；分割出各个管电压下，不超过分区上限的合格图像区域，以分割出来的合格图像区域面积最大的情况作为该分区，可有效减小叶片分区数量，提高检测效率。

综上所述，本发明相较于传统的改变管电压调节x射线强度的方法，避免了x射线穿透能力改变所引入的误差，获得的线性响应灰度范围更为准确；其次在没有模型的情况下，以投影面积最大化为原则确定了叶片的最优透照方向，可有效减小透照灰度图像中的特征重叠，且方法在实际操作中简单易行；最后在充分考虑平板探测器成像区域尺寸和线性响应灰度范围的条件下，以分区最大化为原则对叶片型面进行分区，相较于传统的基于人工经验通过试验粗略确定分区方案的方法，获得的分区方案有理可依，有望获取更高质量的透照灰度图像。

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为本发明叶片数字射线检测系统；

图2为叶片结构示意图；

图3为管电流-灰度均值折线图；

图4为本发明转台转动示意图；

图5为本发明叶片截面在平板探测器上的投影；

图6为本发明叶片型面划分示意图；

图7为本发明叶片型面投影面积变化曲线图；

图8为本发明合格图像上区域示意图，其中，(a)为一种电压下合格图像区域示意图，(b)为另一种电压下合格图像区域示意图，(c)为第三种电压下合格图像区域示意图；

图9为本发明分区示意图；

图10为本发明合格图像下区域示意图，其中，(a)为一种电压下合格图像区域示意图，(b)为另一种电压下合格图像区域示意图，(c)为第三种电压下合格图像区域示意图；

图11为本发明叶片型面分区示意图。

其中：1.叶片；2.转台；3.计算机；4.x射线管；5.探测器。

具体实施方式

请参阅图1，本发明采用的叶片数字射线检测系统包括计算机3，探测器5，转台2，叶片1和x射线管4，叶片1设置在转台2上，x射线管4、转台2和探测器5分别与计算机3连接组成检测系统，请参阅图2，叶片1从上至下依次包括叶身、叶台和叶根，叶片1的结构及厚度分布中，a、b、c、d、e、f为叶片1在该方向下投影厚度的等厚线，a＞b＞c＞d＞e＞f。

本发明提供了一种模型未知的燃气轮机高温叶片数字射线检测分区方法，首先，由平板探测器响应情况随管电流的变化确定平板探测器的线性响应灰度范围；然后，通过建立叶片型面在平板探测器上的投影面积与转台转动角度的关系，确定叶片的最优透照方向；最后，结合平板探测器的成像区域尺寸和线性响应灰度范围对叶片型面进行分区。具体步骤如下：

s1、确定平板探测器的线性响应灰度范围

平板探测器的响应灰度值在一定范围内与x射线强度成线性关系。在实际数字射线检测中，控制平板探测器的响应灰度值在该线性范围内是确保获取高质量透照灰度图像的前提，而此灰度范围是未知的，故需要确定平板探测器的线性响应灰度范围。

s101、设置焦距和曝光时间为定值；

s102、改变管电压从x射线管所允许的最低值，以某一步距，逐渐增大至x射线管所允许的最高值，对平板探测器进行透照；

s103、在各个管电压下分别以x射线管所允许的最低管电流和最高管电流进行透照，获得各个管电压下平板探测器响应灰度值的变化范围；

s104、找出平板探测器响应灰度值变化范围最大时的管电压作为实验管电压(如范围相同，选择最小的管电压)；

s105、在上述实验管电压下，改变管电流从x射线管所允许的最低值，以某一步距，逐渐增大至x射线管所允许的最高值，对平板探测器进行透照；

s106、由平板探测器的响应灰度值随管电流变化的散点图确定平板探测器的线性响应灰度范围。

s2、确定叶片的最优透照方向

本发明以叶片型面在平板探测器上的投影面积最大为确定最优透照方向的基本原则，从而有效减小透照图像中的特征重叠。具体步骤如下：

s201、沿竖直方向将叶片型面进行分割；

s202、建立各个区域在平板探测器上的投影面积与透照方向(转台转动角度)的关系，并将其累加获得整个叶片型面在平板探测器上的投影面积与透照方向(转台转动角度)的关系；

s203、找出使叶片型面在平板探测器上的投影面积取最大时的最优透照方向；

s204、获取最优透照方向下叶台上的基准面与平板探测器在水平面内的夹角，将其作为最优透照方向的定位基准。

s3、确定叶片透照分区

本发明以灰度值在平板探测器线性响应灰度范围中心2/3区域内的透照灰度图像为合格图像，从而保证缺陷位置的灰度值也在平板探测器的线性响应范围内。考虑摆放误差，以平板探测器成像区域尺寸的一定比例的作为分区高度上限，如7/8，具体步骤如下：

s301、设置焦距、曝光时间和管电流为定值；

s302、改变管电压，从x射线管所允许的最低值，以某一步距逐渐增大至x射线管所允许的最高值，将叶片至于转台，使叶片型面上边缘接近平板探测器成像区域上边缘，在最优透照方向下对叶片型面进行透照；

s303、以叶片型面上边缘为基准，从各个透照图像中划分出高度和宽度在平板探测器成像区域尺寸7/8范围内的叶片型面灰度图像；

s304、确定各个叶片型面灰度图像中的合格图像区域；

s305、选择包含叶片左边缘且面积最大的合格区域作为分区1；

s306、选择承接分区1且面积最大的合格图像区域作为分区2，并依次类推，对剩余部分进行分区。

s307、将x射线管和平板探测器高度降低平板探测器成像区域高度7/8，改变管电压，从x射线管所允许的最低值，以某一步距逐渐增大至x射线管所允许的最高值，对叶片型面进行透照。

s308、以已分区部分下边缘为基准，从各个透照图像中划分出高度和宽度在平板探测器成像区域尺寸7/8范围内的叶片型面灰度图像；

s309、重复步骤s304～s306；

s310、重复步骤s307～s309，直至完成整个叶片型面的分割。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

1确定平板探测器线性响应灰度范围

在x射线管和平板探测器均关闭的初始状态下，打开平板探测器，焦距设为1300mm，曝光时间设为1s。具体步骤如下：

(1)、管电压设为x射线管所允许的最低值；

(2)、管电流设为x射线管所允许的最低值，对平板探测器进行透照，求取透照图像的平均灰度值为γ1；

(3)、改变管电流为x射线管所允许的最高值，对平板探测器进行透照，求取透照图像的平均灰度值为γ2，则该管电压下平板探测器的响应灰度范围为[γ1,γ2]；

(4)、将管电压增大5kv，重复步骤(2)、(3)，直至管电压达到x射线管所允许的最高值；

(5)、比较各个管电压下的平板探测器响应灰度范围，获得平板探测器响应灰度范围最大时的管电压nkv；

(6)、管电压设为nkv，管电流从x射线管所允许的最低值，以0.1ma为步距，逐渐增大至x射线管所允许的最高值，对平板探测器进行透照，并求取各个透照图像的灰度均值g；

(7)、制作该nkv下管电流-灰度均值折线图，如图3所示；

(8)、由图可知平板探测器的线性响应(正常响应)灰度范围为[g1，g2]。

2确定透照方向

如图4所示，当转台转动一定角度α时，可以看作平板探测器a1b1绕转台中心沿相反的方向转动相同角度α至a2b2位置，转动前叶片cd与平板探测器a1b1所成角度为∠b1o1d，转动后叶片cd与平板探测器a2b2所成角度如下：

∠b2o2d＝∠b2'o1d＝∠b2'o1b1+∠b1o1d＝α+∠b1o1d

故转台上的叶片也相对于平板探测器转过相同角度α。

如下图5所示，叶片截面在平板探测器上的投影长度与叶片截面处弦长l在平板探测器上投影长度相等，均为lcosθ。

具体步骤如下：

(1)沿竖直方向对叶片型面进行分割，如图6所示。最上和最下两个区域高度分别为h1和h2，中间四个区域高度均为h，分区边界截面弦长分别为l1、l2、l3、l4、l5；

(2)将叶片放置在转台上，叶盆面向x射线源，用带水准泡的数显角度尺，测出五条弦线l1、l2、l3、l4、l5与平板探测器在水平面内所成角度θ1、θ2、θ3、θ4、θ5，则五条弦线在平板探测器上的投影长度分别为l1cosθ1、l2cosθ2、l3cosθ3、l4cosθ4、l5cosθ5；

(3)用带水准泡的数显角度尺，测出叶台基准面与平板探测器在水平面内所成夹角λ；

(4)最上和最下两个区域在平板探测器上的投影可近似看作三角形，则四个区域的面积分别为

当转台逆时针转过角度α时，其面积分别变为

(5)中间四个区域在平板探测器上的投影可近似看作梯形，则四个区域的面积如下：

当转台逆时针转过角度α时，则四个区域的面积分别变为如下：

(6)则当转台逆时针转过角度α时叶片型面在平板探测器上的投影面积如下：

α∈[0°，360°]；

(7)绘制函数s(α)的曲线，如图7所示。正值表示叶盆朝向x射线源，负值表示叶背朝向x射线源。由图可知，函数s(α)在α1处取正向最大值，在α2取负向最大值。选择α1作为叶片最优透照方向，以减小叶片到平板探测器的距离，从而减小数字射线检测的几何不清晰度；

3确定叶片的透照分区

以型面宽度小于平板探测器成像区域宽度7/8，高度大于平板探测器成像区域高度7/8，小于平板探测器成像区域高度7/4的叶片为例，具体步骤如下：

(1)根据平板探测器成像区域的高度h，确定叶片分区的高度上限为

(2)将叶片置于转台，使叶台基准面与平板探测器在水平面内的夹角为β+α1，叶片型面上边缘接近平板探测器成像区域上边缘；

(3)焦距设为1300mm，曝光时间设为1s，管电流设为0.6ma，改变管电压从x射线管所允许的最低值，每次增大5kv，直至达到x射线管所允许的最高值，对叶片型面进行透照；

(4)划分出不同电压下各个透照灰度图像中灰度值在(平板探测器线性响应灰度范围中心2/3区域)内且高度为(以叶片型面左上角为基准)的合格图像区域，如图8中阴影部分所示。

(5)选择如图8(a)、(b)所示，合格图像区域包含叶片左边缘的透照灰度图像，比较合格区域面积大小，选择面积最大的情况作为分区1；

(6)选择合格图像区域包含分区1左边缘的透照灰度图像，比较合格区域面积大小，选择面积最大的情况作为分区2，并以此类推，对剩余部分进行分区，获得分区示意图如图9所示。

(7)将平板探测器和x射线管降低改变管电压从x射线管所允许的最低值，每次增大5kv，直至达到x射线管所允许的最高值，对叶片型面进行透照。

(8)剩余叶片型面高度不足故划分出叶片型面透照灰度图像中的合格图像区域，如图10中阴影部分所示。

(9)选择如图10(a)、(b)所示，合格图像区域包含叶片左边缘的透照灰度图像，比较合格区域面积大小，选择面积最大的情况作为分区4；

(10)选择合格图像区域包含分区4左边缘的透照灰度图像，比较合格区域面积大小，选择面积最大的情况作为分区5，并以此类推，对剩余部分进行分区，获得整个叶片型面分区示意图如图11所示。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。