摘要：本文论述了德国COLLMANN公司2824型轮胎检验X光机成像原理及X-RAY系统维护经验，阐述了X-RAY产生的原理以及数字成像的原理，探讨了X-RAY系统在使用中易发生故障的原因及处理方法。
关键词：X-RAY 高压发生器 数字成像 X-RAY管
0 引言
随着全钢子午线轮胎在载重汽车上的普及，市场对全钢载重子午线轮胎需求也日益增加，因此各大轮胎生产企业也将全钢载重子午线轮胎作为企业的主要产品。依据GB9744-1997《载重汽车轮胎》标准，全钢载重子午线轮胎必须进行逐条X光检验，以保证全钢载重子午线轮胎的产品质量，以及用户使用的安全。我公司引进了两台德国COLLMANN公司生产的2824型轮胎检验X光机。该机可以检验尺寸为15"到24.5"之间的所有规格的轮胎，具备全自动轮胎识别用于优化X光参数的调整，双源/轮胎操作装置用于较高速度和较高的产量，同时观测轮胎胎面和胎侧胎圈到胎圈，轮胎的检测外加图像调出功能进行进一步调查，具有缩放功能。要实现这些功能，X光的发生以及图像的生成是核心问题，现在我就这两个问题简单探讨一下。
1 X-RAY的产生原理及系统组成
X-ray是由德国仑琴教授在1895年所发现。这种由真空管发出能穿透物体的辐射线，在电磁光谱上能量较可见光强，波长较短，频率较高，相类似之辐射线有宇宙射线。X光与可见光线基本相同。两者都是光子携带的波形电磁能，X光与可见光线的不同在于各自光子的能级不同。能级也可以表述为光线的波长。可见光光子和X光光子都是由电子在原子中的运动产生的。电子分布在原子核周围，占据不同的能级或轨道。当电子进入能量较低的轨道时，需要释放一些能量，即以光子的形式释放多余的能量。光子的能级取决于电子落在轨道间的距离。光子与另一个原子碰撞时，原子将一个电子推入能级较高的轨道，这样，就可以吸收光子的能量。为此，光子的能级必须与电子所在的两个位置之间的能差相符。否则，光子便无法使电子在轨道之间移动。构成物体组织的原子对可见光光子的吸收能力极强。光子的能级与电子所在位置之间的不同能差相符。无线电波的能量不足以在较大的原子中将电子在不同的轨道间移动，因此，无线电波可穿过大多数物质。X光光子也可以穿过大多数物质，但原因正好相反：它们的能量过大。这些光子能够将电子完全撞离所属的原子。X光光子的部分能量用于将电子与原子分离，其余能量用于发射电子，使其游离在空间。原子越大，以这种方式吸收X光光子的可能性就越大，因为原子越大，轨道间的能差越大，于是能级就越接近光子的能量。原子越小，分离电子轨道的能量突变相对越低，吸收X光光子的可能性就越小。橡胶由较小的原子组成，因此不能很好地吸收X光光子。钢铁原子则大得多，因此能更好地吸收X光光子。这也是产生X光图像的基础。
工业上产生X-RAY是由X-RAY管产生的，X-RAY管是由阴极灯丝（Cathod）和阳极靶（Anode）组成的高度真空的真空管。当在阳极与阴极之间加入电场，同时在阴极灯丝上有电流通过时，热电子在电场的加速下轰击阳极靶，从而产生X-RAY。德国COLLMANN公司2824型轮胎检验X光机使用的是德国RTW公司生产的MCT 120-6FII型X-RAY管。X-RAY管技术参数如下：
整个X-RAY发光系统是由X-RAY管、高压发生器、MP1控制器以及连接电缆组成。MP1控制器是一个微处理机控制的控制器，它用于连接Gulmay公司生产的X射线高压发生器。可通过面板调整参数，通过开关编码选择不同的位置，以适用于不同类型的X光管和高压发生器。控制器是借助于一个连接电缆线直接与发生器相连接。控制器连接到电源的分配装置，该装置可以与安全联锁，冷却器接口和警告灯相结合。每一台高压发生器与X光管配合在工厂可达到4个预编的加热程序。控制器带有一个RS232接口，它可使MP1状态随时受到监视，实现X光系统的电压、灯丝电流以及开始、结束的自动控制。FL100发生器是一个完全封闭的，单相输入操作独立的高压装置。它利用固态技术和高频技术，使其能够精密地控制并能监视输出参数。控制界面适宜于微处理机控制。FL100发生器用一个能控制的灯丝电压和一个产生的电子高压，给一个单级X-RAY光管提供电源。在480W的条件下产生100Kv的电压。电源供给由2个主要元件组成，一个电子高压缸和一个转换器底盘。电子高压缸包括所有产生电子高压输出所需要的高压电路和有关的灯丝电压。转换器底盘直接安装在电子高压缸上，它包含产生控制480W驱动电子高压和驱动灯丝变压器的电子电路。
2 数字成像原理
COLLMANN公司2824型轮胎检验X光机是运用数字成像原理，在3台电脑上分别显示胎面和左右胎侧的X光图像的。数字成像的原理是X-RAY管产生扇形平面X线来进行扫描投影，轮胎在驱动装置的作用下匀速转动，分别位于胎面和左右胎侧的探测器将X线直接转换为数字信号。具体为X线束对轮胎某部一定厚度的层面进行扫描，由探测器接收透过该层面的X线，转变为可见光后，由光电转换变为电信号，再经模拟/数字转换器（analog/digital converter）转为数字，输入计算机处理。图像形成的处理有如对选定层面分成若干个体积相同的长方体，称之为体素（voxel），见图1-2-1。
扫描所得信息经计算而获得每个体素的X线衰减系数或吸收系数，再排列成矩阵，即数字矩阵（digital matrix），见图1-2-2。经数字/模拟转换器（digital/analog converter）把数字矩阵中的每个数字转为由黑到白不等灰度的小方块，即象素（pixel），并按矩阵排列，即构成轮胎某一部分的X光图像。所以，轮胎某一部分的X光图像是重建图象。每个体素的X线吸收系数可以通过不同的数学方法算出。
轮胎在驱动装置的带动下匀速转动形成连续的轮胎连续的数字矩阵，通过相关的软件处理后得到重建后的连续扫描的轮胎X光图像。该系统的核心部件就是探测器，该机使用的是汤姆逊公司生产的非晶硅探测器，基本的原理是：像素都是由光电二极管和薄膜晶体管组成。光电二极管有非晶态氢化硅制成，它在可见光照射下产生电流。在光电二极管矩阵上覆盖着一层闪烁发光晶体层，X线光子通过闪烁发光晶体层转换为可见光光子，它激发光电二极管产生电流，电流在光电二极管自身电容上积分形成储存电荷，每个像素的储存电荷量与入射的X线光子能量成正比。在控制电路的作用下，按一定规律把各个像素的储存电荷读出，并形成14bit的数字信号输出，由计算机建立图像。
3 2824型轮胎检验X光机X-RAY成像系统的故障与维护
3.1 X-RAY管故障与维护 X光管是该机的核心部件之一，由于构造上的原因，X光管比较脆弱，再加上该件价格昂贵，更是我们日常维护的重中之重。我就结合我的维护经验简单谈一谈。
3.1.1 新光管及长时间储存后的光管安装 新光管一般在安装时储存都超过8周，因此一定要预热，预热的目的是使真空管中的残留气体进一步排出，同时也使靶极在热电子的轰击下更均匀，有利于提高光管的使用寿命，这一过程我们称作“训练”。具体步骤如下：①开始将电压放到光管可以正常使用电压的50%。②在光管预热运行期间，阳极电流的调整必须符合操作电压允许的最大电流，具体见下表。(要注意充分冷却)
“训练”后在MP1控制器面板上进入“100”自动预热程序，执行完毕没有报警，则光管可以正常使用；若执行完后有报警就重复以上工作，直到正常为止。
还有一种比较简单的方法，即只加电压，不加电流，我们称为“加冷高压” 。升压方法如下：
光管在正常电压下稳定运行10分钟以上，说明光管正常，可以使用。该方法虽然简单，但是光管预热不充分，我个人认为不推荐使用。但是在光管的诊断上，是一种比较有效的方法。
以上的操作都是早MP1控制器手动操作方式（“004”程序方式）下进行的。
3.1.2 X光管的诊断方法 X光管在使用中，MP1控制器有时会突然报警不能正常使用，这时就使用“加冷高压”的方法来判断。多数情况下X光管可以恢复正常，但是也有特殊情况。在“加冷高压”时，电流显示超过0.5mA,或者一直上升，这种情况就比较危险，应立即停机，拆下高压插头，检查有无放电现象，若有“爬弧”现象，将高压插头用酒精清洗干净后，重新涂抹绝缘硅脂，安装后“加冷高压”，如果正常，问题解决；如果还是电流一直上升，检查一下光管的陶瓷内锥套是否有裂纹，若有裂纹，则光管漏气报废。
X光管不能发光，造成这种故障的原因，由简入繁的讲，首先MP1控制器和高压发生器电源是否打开，若高压发生器电源未打开，MP1控制器回报“E23”，即“高压接触器在X-RAY ON状态中脱落。”其次检查X光管的电阻，X光管的电阻正常在1Ω左右，计算方法是：R=最大灯丝电压/最大灯丝电流。测量方法是拆下高压发生器侧高压插头用万用表测量，若电阻无穷大，有两种可能，一、X光管灯丝已经断了，X光管报废；二、高压电缆断了，电缆报废。
3.1.3 X光管日常使用中的注意事项 ①冷却循环水量要充足，一般不要少于冷却循环装置水箱容积的80%。②冷却循环水的温度20~25℃，保证光管外侧最高温度不超过50℃。光管的温度太高会使光管损坏，严重的会将光管靶极熔化。③光管运动要平稳柔和，同时在工作时不能有剧烈冲击，防止将灯丝震断，或造成光管漏气。④经常检查X光管和高压发生器间连接电缆两端高压插头，正常的状态是插头不允许在锥套内转动，且插头上的法兰盘与锥套底端的距离为4-5mm。⑤连接X光管的高压电缆及其他附属管、线必须束扎牢固，且不影响光管运动，无死折，无挂扯。⑥检查X光管与撑胎器之间的位置关系，防止撑胎器摩擦X光管。
3.2 成像系统故障与维护 如果说X光管是“手电筒”，那么成像系统就是“看到物体的眼睛”。成像系统包括探测器、图像预处理器（早期设备）、装有图像采集卡的电脑以及电脑中的图像处理软件。
3.2.1 成像系统常见故障及处理方法 ①成像混乱无法识别。这一般是设备长时间不使用，造成预处理器缓存内的黑白对比数据丢失，解决方法很简单，重新按照设备说明书校准一下光管即可。②图像不连续滚动。造成该故障的有以下几方面：a检查预处理器的动作使能是否正常；b检查3#工作站的PROFIBUS网卡是否正常；c检查1#-4#工作站的以太网是否通畅（用PING命令）；d软件问题。③成像不完整。主要是光管与传感器之间的位置关系有问题；另一方面是传感器与预处理器之间的数据线有松动活断线。④成像较黑。是X光强度不够，调整光管发光电流，注意不可大幅度调整。⑤黑屏故障首先是光管没有发光；其次传感器温度太高；再次是成像系统电源故障，检查电源输出的+21VDC和+5VDC是否正常。
3.2.2 成像系统日常维护的注意事项 ①经常检查传感器与光管的位置以及光管的运动精度、位置高低，保证成像质量。②保持传感器的表面温度不超过50℃，主要是要求进入设备的轮胎一定要降温。③经常检查三个传感器的数据电缆和控制电缆是否捆扎牢固且不影响运动。
以上是我对德国COLLMANN公司2824型轮胎检验X光机X-RAY和成像系统原理及故障处理和日常维护的一点粗浅认识，由于我个人的认识是有限的，难免会有这样那样的错误，希望各位同仁批评指正。
参考文献：
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[2]王鸣鹏主编.CT检查技术学.上海复旦大学出版社.2004年7月第一版.
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