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Subject:   基于 AutoCAD 的 X 射线检测模拟

Author：Fang feizhong

Date: 2013/9/13

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基于 AutoCAD 的 X 射线检测模拟  X-­‐Ray  Radiographic  Test  Simulate  Based  on  AutoCAD  

方飞忠 Fangfeizhong     HUAN  NDT  Company    

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。This

paper generated a radiographic film with density display by using the AutoCAD VBA function of

the X ray detection and simulation。

关键字： 无损检测 射线检测 计算机模拟

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 𝐼! = 𝐾!𝑍𝑖𝑉!（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度定义为“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射线强度比为  

∆!!= !∆!

!!!   , (𝜇为钢的衰减系数，∆𝑇为缺陷在射线透过方向的尺寸）       （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】

 

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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  

𝑘𝑉 = 6.7 + 2×𝑙𝑜𝑔 !"#!!×!!.!

× ! !×!!!"# !"#

!!×!!.!!!.!"

+ !!!×!×!!

− 15 + 150       （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 求黑度计算公式为二元一次方程如下  

2×𝑌×𝑍! + 7.44×𝑌 +2×𝛿5×𝐴!

+ 150 − 𝑘𝑉 ×Z + (6.7×δ5×A!

+ 6.7×0.37×𝑌 − 0.37×𝑘𝑉 + 150×0.37) = 0  

式中：𝑌 = !!!"×!!

− 15         （式四）  

根据公式（式四）求出变量 Z 的值  

𝐷 = ( !"#!"!×!!

)!!   （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。  

 

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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）        

 

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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   李勍   蔡元虎   陆山