一种微焦点X射线探伤机专用的现场校准装置及方法

技术领域

本申请涉及无损检测计量校准技术领域，特别地，涉及一种微焦点X射线探伤机专用的现场校准装置及方法。

背景技术

无损检测是在无损害或者基本无损害材料或构件的情况下，采用物理或者化学等方法和手段，探测被测对象内部或表面各种缺陷及其某些物理性能。无损检测对于控制和改进产品质量、保证材料、关键零部件和产生工艺的可靠性起着重要的作用，是发展现代工业和科学技术必不可少的重要措施之一。国内可用于X射线探伤机现场检定的标准装置(JC-IIIA型X射线探伤机检定装置，中国测试技术研究院研制)不适用于航机生产现场的微焦斑X射线探伤机的检定。由于航空科学技术对无损检测技术的要求越来越高，各类特殊结构的航空发动机零件工艺复杂，对微焦斑X射线探伤工艺需求也就越来越多，需要精确的X射线探伤机现场校准装置，实现对微焦点X射线探伤机实时校准，对探伤机的空气比释动能输出量、辐射角和泄漏辐射进行检定，以保证X射线探伤工艺检测中材料、零件及设备的可靠性。为保证其量值传递的准确可靠，需要研究一套适用于微焦点X探伤设备现场校准技术，及配套工装、软件，以解决此类无损检测设备的定期检定问题。

发明内容

本申请首先提供了一种微焦点X射线探伤机专用的现场校准装置，以解决现有X射线探伤机检定装置不适用于航机生产现场的微焦斑X射线探伤机的检定的技术问题。

本申请采用的技术方案如下：

一种微焦点X射线探伤机专用的现场校准装置，包括走行机构、测控箱、工业平板，其中：

所述走行机构包括纵向丝杆滑台、周向电动转台，所述纵向丝杆滑台设置在周向电动转台的水平滑块上，保持丝杆竖直，纵向丝杆滑台由步进电机驱动且可随着周向电动转台作360°转动，所述纵向丝杆滑台的纵向滑块上设置有定位系统和电离室，所述走行机构通过航空插头与测控箱电路连接；

所述测控箱包括数据采集主板及配套电子仪器；所述数据采集通过千兆以太网传输数据，由协议UDP完成，进行数据采集及记录，并对探测部分进行精确定位；所述配套电子仪器用于实现系统的自动测量；所述测控箱与所述工业平板间通过线路连接，测控箱自身由220V电源线供电；

所述工业平板分别与走行机构、测控箱电路连接，用于控制走行机构动作、根据测控箱测量和采集的数据对微焦斑X射线探伤机辐射强度均匀性及辐射角偏差和阳极电流稳定性进行诊断分析。

进一步地，所述工业平板包括24VDC电源、英特尔N2600处理器，1.6GHz，双核，64位，1MB二级高速缓存CPU，2个RJ-4510/100/1000BaseT的以太网络、1个RJ45 100Mbit/s的支持EtherCAT的IEEE1588分布式时钟、2个USB 2.0主机类型，以及相关操作系统和软件。

进一步地，所述数据采集主板包括电路连接的FPGA、RAM和ADC AD9238，通过千兆以太网传输，由协议UDP完成，用于进行数据采集及记录，并对探测部分进行精确定位。

进一步地，所述配套电子仪器包括电路连接的静电计、数字多用表、数字源表、计时/频率计、标准电容、直流高压电源、温湿度气压表和工控机，所述工控机完成对系统内各仪表远程控制，实现系统的自动测量。

进一步地，所述电离室采用磨砂0.6cc指型电离室，所述磨砂0.6cc指型电离室随着走行机构360°旋转，并沿着纵向丝杆滑台上下移动，所述磨砂0.6cc指型电离室通过BNC口连接线与所述测控箱电路连接，在X射线照射下形成电流信号，由所述的配套电子仪器放大并积分处理后记录下来。

进一步地，所述定位系统包括激光辅助定位系统，所述激光辅助定位系统搭载设置在所述走行机构的纵向丝杆滑台上，用于实现对探测位置的精确定位。

本申请另一方面还提供了一种微焦点X射线探伤机专用的现场校准方法，基于所述的现场校准装置，包括步骤：

将探伤机定位放置于圆形工作台面上，辐射窗口置于下端，朝向走行机构的纵向丝杆滑台方向；用窗口中心定位件将探伤机辐射窗口调整到与纵向丝杆滑台呈垂直状态，并使管头中心轴线与工作台中心重合，此时周向电动转台的旋转中心轴线与辐射窗口中垂线垂直并相交，各定位中心的高度与窗口中心高度相等；

卸下定位系统，在纵向丝杆滑台的纵向滑块上安装电离室，接通步进电机驱动电源，调整电离室灵敏几何中心至纵向丝杆滑台的移动中心位置，设定为测量中心点，然后纵向移动纵向滑块，使电离室灵敏几何距离管头中心轴线300mm处；

将电离室接入标准剂量仪，通电预热，选择合适的量程；

开启探伤机，驱动走行机构，使电离室水平向左、向右，或垂直向上、向下扫描移动，用标准剂量仪测量各移动位置的剂量值D

根据剂量分布曲线或定点扫描法对探伤机的输出照射量、辐射角、辐射场均匀性和对称性进行诊断分析；

将电离室移至最大剂量点处，测量探伤机规定条件下的输出剂量、重复性以及一段时间的稳定性；

进一步地，开启探伤机之前，还包括步骤：

按要求设置探伤机曝光电压和合适的曝光时间。

进一步地，所述根据剂量分布曲线对探伤机的输出照射量、辐射角、辐射场均匀性和对称性进行诊断分析，具体包括步骤：

设测量中心点剂量值为D

于剂量分布曲线上，测量出测量中心点至最大剂量点的距离，即为辐射中心偏移S

于剂量分布曲线上，测量出相对辐射窗口中心(测量点中心)的辐射对称性和均匀性。

进一步地，所述根据定点扫描法对探伤机的输出照射量、辐射角、辐射场均匀性和对称性进行诊断分析，具体包括步骤：

采用定点扫描法，搜寻查找射束中心点和最大剂量点，以及50％最大剂量点剂量对应的位置作为辐射边沿，测量出辐射中心偏移S

相比现有技术，本申请具有以下有益效果：

本申请提供了微焦点X射线探伤机专用的现场校准装置及方法，所述现场校准装置及方法可实现对微焦点X射线探伤机实时校准、对探伤机的空气比释动能输出量、辐射角和泄漏辐射进行检定，以保证X射线探伤工艺检测中材料、零件及设备的可靠性，因此不但可进行探伤机的输出照射量、重复性、辐射角指标进行检测，还可用于对辐射场分布(均匀场)、阳极电流稳定性等指标进行检测，从而满足航空科学技术中各类特殊结构且工艺复杂的航空发动机零件对无损检测技术的要求。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本申请还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本申请作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请优选实施例的微焦点X射线探伤机专用的现场校准装置组成示意图。

图2为本申请优选实施例的走行机构组成示意图。

图3为本申请优选实施例的数据采集主板组成示意图。

图4为本申请优选实施例的微焦点X射线探伤机专用的现场校准方法流程示意图。

图5为本申请优选实施例的微焦点X射线探伤机辐射角偏移结果示意图(135°)。

图6为本申请另一优选实施例的微焦点X射线探伤机辐射角偏移结果示意图(45°)。

图7为本申请另一优选实施例的微焦点X射线探伤机辐射角偏移结果示意图(-45°)。

图8为本申请另一优选实施例的微焦点X射线探伤机辐射角偏移结果示意图(-135°)。

图中所示：1、走行机构；11、步进电机；12、纵向滑块；13、纵向丝杆滑台；14、水平滑块；15、周向电动转台；2、测控箱；3、工业平板。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

X射线探伤机的穿透能力取决于X射线探伤机的辐射剂量、透照时间等因素，而探伤机的管电压，管电压愈高，X射线愈硬，能量愈大，穿透能力就愈强，穿透能力与管电压平方成正比。

X射线检测属无损检测范畴，是众多射线(X射线，γ射线和中子射线)检测中比较常见的一种。广泛应用于冶金、机械、石油、化工、航空、航天、医疗各个领域。适宜的工业检测对象是各种熔化焊接方法(电弧焊、气体保护焊、电渣焊、气焊等)的对接接头，也适宜检测铸件，特殊情况下也可用于检测角焊缝或其他特殊结构试件。

探伤机是X射线无损检测系统中非常重要的检测设备。X射线探伤机的穿透能力取决于X射线探伤机的容量，既X射线探伤机的管电压，管电压愈高，X射线愈硬，能量愈大，穿透能力就愈强，穿透能力与管电压平方成正比。探伤机分定向辐射、周向和微焦点辐射三种。定向辐射是固定的，射线束辐射圆锥角一般在40°～45°范围。周向辐射射线束是在与X射线管轴线成垂直方向的360°外圆周上同时辐射X射线，射线束辐射圆锥角一般在35°～50°范围。微焦点辐射射线束是在与X射线管轴线成垂直方向的360°内圆周上同时辐射X射线，射线束辐射圆锥角一般在20°～45°范围。这对于检测大口径管件和球形容器内环的环形焊缝，通过一次曝光可以完成整个焊缝的探伤照相工作，因而可以大大地提高检测效率。

由于航空科学技术对无损检测技术的要求越来越高，需要精确的X射线探伤机现场校准装置，实现对微焦点X射线探伤机实时校准，对探伤机的空气比释动能输出量、辐射角和泄漏辐射进行检定，以保证X射线探伤工艺检测中材料、零件及设备的可靠性。

参照图1，本申请的优选实施例提供了一种微焦点X射线探伤机专用的现场校准装置，作为(50～250)kV微焦点X射线探伤机的现场检测的标准装置，用于(50～250)kV工作范围，射线束辐射圆锥角在20°～45°的微焦点X射线探伤机的空气比释动能率、辐射角和泄漏辐射的检定/校准，包括走行机构1、测控箱2、工业平板3，其中：

如图2所示，所述走行机构1包括纵向丝杆滑台13、周向电动转台15，所述纵向丝杆滑台13设置在周向电动转台15的水平滑块14上，保持丝杆竖直，纵向丝杆滑台13由步进电机11驱动且可随着周向电动转台15作360°转动，所述纵向丝杆滑台13的纵向滑块12上设置有定位系统和电离室，所述走行机构1通过航空插头与测控箱2电路连接；

所述测控箱2包括数据采集主板及配套电子仪器；所述数据采集通过千兆以太网传输数据，由协议UDP完成，进行数据采集及记录，并对探测部分进行精确定位；所述配套电子仪器用于实现系统的自动测量；所述测控箱2与所述工业平板3间通过两条线连接，一条是串口线，通过D型插口连接，另一条是USB线，所述工业平板3一端为USB-A接口，测控箱2一端为USB-B接口，测控箱2自身由220V电源线供电；

所述工业平板3分别与走行机构1、测控箱2电路连接，用于控制走行机构1动作、根据测控箱2测量和采集的数据对微焦斑X射线探伤机辐射强度均匀性及辐射角偏差和阳极电流稳定性进行诊断分析。

本实施例提供了一种微焦点X射线探伤机专用的现场校准装置，所述现场校准装置可实现对微焦点X射线探伤机实时校准、对探伤机的空气比释动能输出量、辐射角和泄漏辐射进行检定，以保证X射线探伤工艺检测中材料、零件及设备的可靠性，因此不但可进行探伤机的输出照射量、重复性、辐射角指标进行检测，还可用于对辐射场分布(均匀场)、阳极电流稳定性等指标进行检测，从而满足航空科学技术中各类特殊结构且工艺复杂的航空发动机零件对无损检测技术的要求。

优选地，所述工业平板3包括24VDC电源、英特尔N2600处理器，1.6GHz，双核，64位，1MB二级高速缓存CPU，2个RJ-4510/100/1000BaseT的以太网络、1个RJ45 100Mbit/s的支持EtherCAT的IEEE1588分布式时钟、2个USB 2.0主机类型，以及相关操作系统和软件。

优选地，如图3所示，所述数据采集主板包括电路连接的FPGA、RAM和ADC AD9238，通过千兆以太网传输，由协议UDP完成，用于进行数据采集及记录，并对探测部分进行精确定位。

优选地，所述配套电子仪器包括电路连接的静电计、数字多用表、数字源表、计时/频率计、标准电容、直流高压电源、温湿度气压表和工控机，所述工控机完成对系统内各仪表远程控制，实现系统的自动测量。

优选地，所述电离室采用磨砂0.6cc指型电离室，所述磨砂0.6cc指型电离室固定夹持在走行机构上，可随着走行机构360°旋转，并沿着纵向丝杆滑台上下移动，所述磨砂0.6cc指型电离室通过BNC口连接线与所述测控箱2电路连接，在X射线照射下形成电流信号，由所述的配套电子仪器放大并积分处理后记录下来。

优选地，所述定位系统包括激光辅助定位系统，所述激光辅助定位系统搭载设置在所述走行机构1的纵向丝杆滑台13上，用于实现对探测位置的精确定位。

如图4所示，本申请另一优选实施例还提供了一种微焦点X射线探伤机专用的现场校准方法，基于所述的现场校准装置，包括步骤：

S1、将探伤机定位放置于圆形工作台面上，辐射窗口置于下端，朝向走行机构1的纵向丝杆滑台13方向；用窗口中心定位件将探伤机辐射窗口调整到与纵向丝杆滑台13呈垂直状态，并使管头中心轴线与工作台中心重合，此时周向电动转台15的旋转中心轴线与辐射窗口中垂线垂直并相交，各定位中心的高度与窗口中心高度相等；

S2、卸下定位系统，在纵向丝杆滑台13的纵向滑块12上安装电离室，接通步进电机11驱动电源，调整电离室灵敏几何中心至纵向丝杆滑台13的移动中心位置，设定为测量中心点，然后纵向移动纵向滑块12，使电离室灵敏几何距离管头中心轴线300mm处；

S3、将电离室接入标准剂量仪，通电预热，选择合适的量程；

S4、开启探伤机，驱动走行机构1，使电离室水平向左、向右，或垂直向上、向下扫描移动，用标准剂量仪测量各移动位置的剂量值D

S5、根据剂量分布曲线或定点扫描法对探伤机的输出照射量、辐射角、辐射场均匀性和对称性进行诊断分析；

S6、将电离室移至最大剂量点处，测量探伤机规定条件下的输出剂量、重复性以及一段时间的稳定性。

优选地，开启探伤机之前，还包括步骤：

按要求设置探伤机曝光电压和合适的曝光时间。

优选地，所述根据剂量分布曲线对探伤机的输出照射量、辐射角、辐射场均匀性和对称性进行诊断分析，具体包括步骤：

S501、设测量中心点剂量值为D

S502、于剂量分布曲线上，测量出测量中心点至最大剂量点的距离，即为辐射中心偏移S

S503、于剂量分布曲线上，测量出相对辐射窗口中心(测量点中心)的辐射对称性和均匀性。

优选地，所述根据定点扫描法对探伤机的输出照射量、辐射角、辐射场均匀性和对称性进行诊断分析，具体包括步骤：

S511、采用定点扫描法，搜寻查找射束中心点和最大剂量点，以及50％最大剂量点剂量对应的位置作为辐射边沿，测量出辐射中心偏移S

上述实施例提供的现场校准装置具体满足：

检定的能量范围和能量响应特性：(50～250)kV，响应变化≤±4％；空气比释动能率：(0.01～10.00)Gy/min，相对扩展不确定度U

测量不确定度：≤4％(k＝2)；

年稳定性：优于±1％/年；

中心定位：±0.5mm；

扫描定位准确度：±0.5mm；

周向可扫描范围：360°×30°。

按所述步骤对微焦点X射线探伤机进行校准，在不同方向，进行上下扫描，可以得到辐射强度结果，记录上下移动及不同角度扫描所测得的探伤机辐射值，并计算其辐射角，辐射角偏移量，结果参考表1～表4和图5～图8。

表1微焦点X射线探伤机辐射角偏离测试记录(135°)

表2微焦点X射线探伤机辐射角偏离测试记录(45°)

表3微焦点X射线探伤机辐射角偏离测试记录(-45°)

表4微焦点X射线探伤机辐射角偏离测试记录(-135°)

不确定度分析验证对象为80kV工作电压的微焦点X射线探伤机，具体验证情况如下：

1)重复性

重复测量的分散性u(M)

2)稳定性

剂量计稳定性为0.1％，其概率服从均匀分布，包含因子

3)剂量计引入的不确定度

剂量计非线性为0.2％，其概率服从均匀分布，包含因子k，于是：

u(M)由以上3项构成，且不相关：

u(M)＝[u

4)环境温度引入的不确定度

u(t)精密水银温度计在0℃～50℃范围内的测量结果的最大允差为±0.2％，其概率服从均匀分布，包含因子

5)大气压引入的不确定度u(P)

空盒气压表在(80～120)kPa范围内的测量结果的最大允差为±0.3％，其概率服从均匀分布，包含因子

6)校准因子引入的不确定度

u(N

7)水平旋转造成的竖直波动引入的不确定度

在剂量校准过程中，剂量采集是在工装水平旋转停止后约2s的时间进行，因此波动对校准参数的准确与否不产生影响，固不考虑波动产生的不确定度影响量。

表5标准不确定度一览表

8)合成标准不确定度的评定因为各输入量彼此独立，所以合成不确定度为：

u

9)扩展不确定度的评定，取置信概率p＝95％，包含因子k＝2，则扩展不确定度为：

U＝ku

10)因此微焦斑X射线探伤机空气比释动能率的测量结果扩展不确定度为：

U

根据测试结果，该装置已经达到规定的技术指标要求和功能要求。测试原理正确，测试方法合理，测试数据可靠。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。