基于AutoCAD的X射线检测模拟

摘要：本文利用AutoCAD的VBA功能对X射线检测进行模拟，生成一张有黑度显示的射线检测底片。

关键字：无损检测 射线检测 计算机模拟

中图分类号：G623 文献标识码： A

Abstract：This paper generated a radiographic film with density display by using the AutoCAD VBA function of the X ray detection and simulation。

Key words：NDT RT Simulate by computer

概述

无损检测是利用物质的声、光、磁和电等特性，在不损害或不影响被检测对象使用性能的前提下，检测被检对象中是否存在缺陷或不均匀性，给出缺陷大小，位置，性质和数量等信息。其中射线检测是工业无损检测的一个重要方法。射线检测主要是探测试件内部的宏观几何缺陷。传统射线照相法使用X射线或γ射线穿透试件，以胶片作为记录信息的器材的无损检测方法。使用射线检测方法在对新工件或复杂工件的检测中，普遍采取查阅曝光曲线作为选择X射线透照条件，然后拍摄多张检测测试底片的基本方法来确定检测工艺。这种方法有两个主要的缺点：1、制定适合的检测工艺需要拍摄多张射线底片，即浪费底片又浪费时间。2、缺陷检测的透照角度，对射线检出率的影响很大，传统方法无法找到一个最优的检测工艺。

原理

工业检测中使用的X射线都为连续X射线，其总强度IT与管电流i（mA）、管电压V（kV）、靶原子序数Z的关系如公式

（Ki为比例常数，Ki≈（1.1～1.4）×10-6） （式一）

射线穿透物体过程中会与物质发生相互作用，因吸收和散射而使其强度减弱。强度衰减程度取决于物质的衰减系数和射线在物质中穿越的厚度。如果被透照物体（试件）的局部存在缺陷，且构成缺陷的物质的衰减系数又不同于试件，该局部区域的透过射线强度就会与周围产生差异。把胶片放在适当的位置使其在透过射线的作用下感光，经暗室处理后得到底片。底片上各点的黑化程度取决于射线照射量（曝光量，等于射线强度与照射时间的乘积），由于缺陷部位和完好部位的透照强度不同，底片上的相应部位就会出现黑度差异。底片上相邻区域的黑度差定义为“射线照相对比度”。把底片放在观片灯上借助透过光线观察，可以看到由射线照相对比度构成的不同形状的影像，评片人员据此判断缺陷情况并评价试件质量。

以钢中含有气孔为例，缺陷部位与完好部位的主因对比度可以表达为

（式二）

因此对单一材质构成的试件而言，由射线照射方向上厚度差异引起的射线强度差异是底片产生对比度的根本原因。

数学模型

在工业射线检测中，普遍采取查阅曝光曲线作为选择X射线透照条件的基本方法。本文使用参考文献【1】中由大量实验曝光曲线的数据整理后进行曲线拟合、推广、修正，并以理论检验后确定的通用曝光曲线函数关系。其近似公式如下

（式三）

式中：kV为管电压、mAt为曝光量、r为焦距（m）、D为底片黑度、δ为射线方向上的试

件厚度。

AS、BS为射线机的系数―气绝缘X射线机BS≈16，恒压X射线机AS≈0.26～0.28

将上式变换为已知kV求黑度计算公式为一元二次方程（Z为中间变量 ）如下

式中：根据公式（式四）求出中间变量Z的值，在两个值中取正值。

（式五）

根据公式（式五）计算在特定曝光参数下的底片黑度。（以上公式仅适用于对钢制产品的X射线检测黑度计算，增感屏为Pb 0.02～0.03）

软件开发环境

AutoCAD是AutoCAD（Auto Computer Aided Design）是美国Autodesk公司首次于1982年开发的自动计算机辅助设计软件，用于二维绘图、详细绘制、设计文档和基本三维设计。具有完善的图形绘制功能。有强大的图形编辑功能。可以采用多种方式进行二次开发或用户定制。

在AutoCAD三维模型环境下，利用VBA二次开发程序计算射线在模型中穿越的长度，如图一。用公式法（式五）计算试件在给定曝光条件下的底片黑度，然后将底片黑度转换为显示器灰度（RGB）进行显示，如图二（r=530，kV=225，mAt=15，H=30，扫描精度（X×Y）=0.25mm×0.5mm）。

图一 射线检测计算机模拟原理仿真图

图二 扫描结果显示

软件实现（如图一）：

1、在试件上方指定一个射线源位置JD （x， y， z）用于模拟实际检测中的X射线机。

2、在试件另一侧设定一个扫查平面用于模拟实际检测中的胶片。

3、将X射线模拟为一个直径0.1mm圆柱体A。

4、取得圆柱体A与试件模型的交集模型B。

5、用含有X射线的截面剖切模型B，得到面域C。

6、计算面域C的周长D。

7、周长D的二分之一长度（D/2）即为射线在试件中穿越的长度。

8、通过公式计算该扫描点的黑度。

9、在扫描点下方用根据黑度转换过来的RGB数画线，线长0.1mm。

扫描工件案例

1、带气孔的焊缝

带气孔焊缝三维模型图

带气孔焊缝剖面图及尺寸

带气孔焊缝软件扫描底片图（r=530，kV=225，mAt=15，H=30，扫描精度（X×Y）=0.25mm×0.5mm）

2、表面放有阶梯试块的焊缝

焊缝上表面放置对比试块（JB/T4730.2 附录H Ⅱ型）

焊缝上表面放置对比试块软件扫描图（参数同上）

软件开发现实意义

通过本软件的应用，可以用多个不同的检测参数模拟检测同一个工件，通过对模拟底片的分析，找出一个最佳的检测参数，以此为依据制定一个最优的检测方案，提高缺陷的检出率，增加工件的使用安全度。可以对真实检测底片的影像进行模拟，分析缺陷的形状以及在工件中的分布，进而可以分析缺陷形成的原因及过程。可以用于学校射线检测课程的教学，通过对具体缺陷特征进行模拟检测，使学生能够更直观的掌握缺陷投影成像的原理，对特征缺陷形成的底片影像有个感观上的认识。

参考文献

【1】X射线曝光条件的计算 上海探伤机厂 涂世栋

【2】射线检测 中国特种设备检验协会组织编写 强天鹏

【3】Visual Basic与AutoCAD二次开发 清华大学出版社 张晋西

【4】AutoCAD2002三维造型技术 机械工业出版社 李 蔡元虎 陆山