2.7 射線檢測的像質計與線對卡
2.7.1 像質計概述
像質計（像質指示器，透度計）是測定射線檢測圖像質量的器件。像質計與工件同時透照，依據在檢測圖像上顯示的像質計的細節影像，判定檢測圖像的質量。從而評定射線檢測技術及其缺陷檢測能力等。
在工業射線檢測技術中，目前最廣泛使用的像質計主要是：絲型像質計、階梯孔型像質計、平板孔型像質計、雙絲型像質計。前面三種用于測定檢測圖像的射線檢測靈敏度，主要是測定檢測圖像的厚度（或密度）對比度，一般稱為常規像質計。雙絲型像質計用于測定檢測圖像的不清晰度（空間分辨力），是一種特殊類型的像質計。
像質計的核心結構是設計的特定細節形式，如絲、孔、槽等。制作常規像質計（絲型像質計、階梯孔型像質計、平板孔型像質計）的材料，應與被檢驗工件相同或相似。即對射線吸收具有相同或相似的性能。制作雙絲型像質計應采用規定的、具有高吸收系數的材料。像質計的特定細節尺寸有嚴格限定要求。
2.7.2 常規像質計
1.絲型像質計
絲型像質計是國內外使用最多的像質計。它結構簡單、易于制作，已被世界各國廣泛采用，國際標準化組織也將絲型像質計納入其制訂的標準中。絲型像質計的形式、規格已基本統一。絲型像質計主要應用在金屬材料。
絲型像質計的基本設計樣式如圖2-28所示。它的細節形式是絲，基本結構是平行排列的金屬絲封裝在射線吸收系數很低的透明材料中。每個像質計中封裝7根金屬絲，金屬絲的材料應與被透照工件材料相同或相近，金屬絲的直徑和長度應符合規定要求。絲的直徑，多數國家采用的都是公比為
（近似為1.25）的等比數列中的一個優選數列。
圖2-28 絲型像質計樣式
多數國家標準規定絲型像質計的基本材料為鋼（Fe）、銅（Cu）、鈦（Ti）、鋁（Al），絲型像質計分為以下四組。
1）W1：由1～7號絲構成。
2）W6：由6～12號絲構成。
3）W10：由10～16號絲構成。
4）W13：由13～19號絲構成。
在像質計的上方配備一定的標志。標志由數字和說明字母組成。數字為該像質計7根金屬絲中直徑最大絲的編號，說明字母給出金屬絲的材料和像質計的標準代號。例如，標志為“10FEJB”表示的是：
1）絲型像質計的材料為鋼（Fe）。
2）該絲型像質計中封裝的是編號為10～16號金屬絲。
3）最粗金屬絲的編號為10（直徑為0.40mm）。
4）其是我國機械行業標準的絲型像質計。
絲型像質計以可識別的直徑最小的絲判定達到的靈敏度值，或稱為像質值（圖像質量值）。
絲型像質計的具體設計見GB/T 23901.1（ISO 19232-1）標準。
應注意的是，美國材料試驗學會標準（ASTM E747）關于絲型像質計的結構、材料分組給出了不同的設計。
2.階梯孔型像質計
階梯孔型像質計的基本結構是在階梯塊上鉆直徑等于階梯厚度的通孔，孔應垂直于階梯表面、不做倒角。典型的設計如圖2-29所示。為了克服小孔識別的不確定性，常在薄的階梯上鉆上兩個孔。
圖2-29 階梯孔型像質計設計樣式
與絲型像質計一樣，階梯孔型像質計的材料應與被檢工件的材料相同或相近。關于階梯厚度、寬度、孔徑等尺寸可參考歐洲有關標準的規定。目前階梯孔型像質計也分為四組，即H1、H5、H9、H13。
階梯孔型像質計以可識別的直徑最小的孔判定達到的靈敏度值，或稱為像質值（圖像質量值）。
階梯孔型像質計的具體設計見GB/T 23901.2（ISO 19232-2）標準。
3.平板孔型像質計
在美國廣泛使用一種特殊形式的像質計（也稱為透度計），這就是平板孔型像質計。可以認為它是一種特殊的階梯孔型像質計。
平板孔型像質計是在均勻厚度的平板上鉆上三個通孔，如果板的厚度為T，則三個孔的直徑分別為1T、2T、4T，1T孔位于中間。板厚應選為透照厚度的1%、2%或4%，板的材料應與被透照工件的材料相同或相近。平板孔型像質計的典型樣式如圖2-30所示。圖中矩形設計適于較小透照厚度，圓形設計適于較大透照厚度。圖2-31是部分平板孔型像質計的實物圖。
圖2-30 平板孔型像質計的樣式
圖2-31 部分平板孔型像質計的實物圖
像質計標準中規定，對于小厚度范圍，即編號不大于10的平板孔型像質計（厚度不大于0.254mm），無論平板孔型像質計的板厚為多少，像質計上面的孔直徑一律為：1T孔直徑為0.254mm（0.010in）；2T孔直徑為0.508mm（0.020in）；4T孔直徑為1.016mm（0.040in）。
可見，對于小厚度的平板孔型像質計，其孔徑不遵守一般的設計要求。
對于平板孔型像質計，以“n1-n2T”方式規定靈敏度級別，其中n1是以透照物體厚度的百分數表示的像質計板厚，n2是應識別的最小孔徑為像質計板厚T的倍數。一般說（不考慮很小厚度情況），對于平板孔型像質計，n1、n2都只取1、2或4。
對于平板孔型像質計，還定義了一個特殊的射線照相靈敏度，即等價像質計靈敏度，一般簡稱為EPS靈敏度。該靈敏度的定義是：在與“n1-n2T”質量級別相同的透照技術下，2T孔為可識別的最小孔時的平板孔型像質計板厚與透照工件厚度的百分比。按EPS靈敏度定義，對任意“n1-n2T”靈敏度級別，則應有
式中 T——平板孔型像質計板厚（mm）；
H——識別的平板孔型像質計上的孔徑（mm）。
部分不同靈敏度級別的等價像質計靈敏度值見表2-3。
表2-3 部分靈敏度級別的等價像質計靈敏度值
2.7.3 雙絲型像質計（*）
雙絲型像質計是一種特殊的像質計，它只用于測定射線檢測圖像的不清晰度（測定檢測圖像的空間分辨力）。
1.雙絲型像質計的樣式和結構
雙絲型像質計的結構如圖2-32所示，圖2-33是雙絲型像質計的實物圖片，它的基本結構是以一定間距平行放置的13個絲對（或更多絲對）。像質計中的絲對由直徑相等、絲的間距等于絲的直徑的兩根絲組成。這樣的一系列不同直徑的絲對按一定間距封裝起來，并加上適當的標記構成了雙絲型像質計。絲的材料應是鉑、鎢等對射線具有高吸收特性的物質，絲徑的值和允許的偏差都有嚴格的規定。表2-4列出的是有關標準中對雙絲型像質計的尺寸和對應的不清晰度值的規定。
圖2-32 雙絲型像質計結構（圓形截面）
圖2-33 雙絲型像質計實物圖片
表2-4 雙絲型像質計的絲對和不清晰度（單位：mm）
注：不同的標準中，關于絲徑、間距、對應的不清晰度的值等規定與表中相同，但對單元號的規定可能不同。
關于雙絲型像質計的具體設計見GB/T 23901.5（ISO 19232-5）標準。
在ASTM E2002：2015中，對需要高清晰度測定時給出了15個絲對的雙絲型像質計設計（基本是增加兩個更細直徑絲對），也允許采用更多絲對設計的雙絲型像質計。新擴展出的絲對基本要求見表2-5。
表2-5 雙絲型像質計新的絲對和不清晰度
2.雙絲型像質計的使用
采用雙絲型像質計測定射線檢測的不清晰度時，由于不同方向不清晰度可能不同（特別是數字射線檢測技術中），透照時應考慮雙絲型像質計的放置方向。透照后，從獲得的圖像確定射線檢測不清晰度。
簡單時，采用目視直接觀察，以不能清晰區分的各絲對中直徑最大的絲對判定不清晰度。這時候有
U=2d （2-7）
式中 d——該絲對中絲的直徑（mm）。
因為
所以測定的線對值R（Lp/mm）與測定的不清晰度值U（mm）的關系為
圖2-34是一檢測圖像的雙絲型像質計圖像，按上面的規定，從圖中可見剛剛不可分辨絲對的編號為D8，對應的不清晰度為
圖2-34 檢測圖像上的雙絲型像質計圖像
U=2d=2×0.16mm=0.32mm
比較準確時，則以測定得到的雙絲型像質計灰度輪廓圖確定不清晰度。這時，通過軟件可得到如圖2-35a所示的雙絲型像質計灰度輪廓圖，從圖中找到第一個調制深度（雙絲中間谷深幅度降低與兩側峰高幅度比）小于20%的絲對，確定射線檢測的不清晰度，在該圖中為D8（圖2-35b）。
圖2-35 雙絲型像質計測定圖
更準確時以調制深度為20%的絲對確定（目前標準中一般規定如此測定）。為此，常常需要依據圖中雙絲調制深度第一個大于20%的絲對和第一個小于20%的絲對，采用（線性）插值計算方法確定不清晰度。例如，從圖2-35b有
U=2d=0.364mm
對計算結果，標準中常規定了進一步的取舍要求。
對插值計算方法，在ASTM E2002-15等標準中規定采用多項式曲線近似處理，確定調制深度為20%的絲對。在多項式曲線近似處理中，關鍵數據仍是線性插值處理的數據，這使實際結果與線性插值差別不大，特別是考慮對插值計算結果的取舍要求后。
采用雙絲型像質計測定射線檢測不清晰度，依據的是不清晰度對細節圖像的影響。近似分析指出，僅考慮不清晰度影響時，絲對不可分辨時對應的不清晰度為該絲對直徑的2倍。由于吸收對比度的降低將影響測定時絲對不可分辨性的判斷，所以雙絲型像質計的絲對必須用高吸收材料制作，以減少吸收對比度降低對測定的影響。
在ASTM E2002-15標準中給出，雙絲型像質計有效測定不清晰度的射線能量為600kV以下。但該標準的前面版本一直給出雙絲型像質計有效測定不清晰度的X射線管電壓不高于400kV，在ASTM E2007-00標準中認為，滿意測定的X射線管電壓不超過250kV。
*3.瑞利判據
數字射線檢測技術中，采用雙絲型像質計測定圖像空間分辨力依據的是不清晰度對細節圖像對比度和投影寬度的影響，準確測定所使用的判據應該是瑞利判據。如圖2-36所示，瑞利判據指出，對于兩等強度的孤立線的圖像，如果中心馬鞍點的灰度小于峰值灰度的0.81（通常簡單地用0.8），則認為此二線可以區分；對于兩等強度的孤立點的圖像，如果中心馬鞍點的灰度小于峰值灰度的0.735，則認為此二點可以區分。
圖2-36 瑞利判據
依據瑞利判據確定的圖像空間分辨力，給出的實際是兩個細節處于可分辨與不可分辨的臨界情況。
*2.7.4 線對卡
在數字射線檢測技術中，空間分辨力也可采用線對（測試）卡測定，但其適用的僅是測定檢測系統的空間分辨力。也就是，僅適用不存在被檢測工件時的空間分辨力測定。
線對卡的基本結構為兩部分，高密度材料制作的柵條和低密度材料的（支持）底板。高密度材料常用鉛箔，底板常用透明塑料薄板。柵條和間距的占空比為1∶1，柵條密封在底板上。底板厚度約1mm，鉛箔厚度常為0.05mm。
線對卡的兩種典型樣式如圖2-37所示。圖2-37a為楔形線對卡，其柵條和間距的寬度由寬到窄變化，但各處的占空比總是1∶1。圖2-37b是矩形線對卡，其由一組組不同寬度（占空比總是1∶1）的柵條和間距的線對構成。我國標準GB/T 23903—2009規定了類似的兩種樣式線對卡。
圖2-37 線對測試卡的兩種樣式
采用線對卡測定時，以剛剛不能區分條和空隙的線對確定空間分辨力線對值或對應的不清晰度值。
對于楔形線對卡，可直接讀出線對值，使用方便，但測定值不精確。對于矩形線對卡，應按線對上方的方塊標記數出剛剛不能區分線對的順序位置，然后查表2-6得到相應的分辨力值，測定值比較精確。我國標準GB/T 23903—2009規定的矩形線對卡可直接讀出線對值，但僅有15個線對值：2.0Lp/mm、2.24Lp/mm、2.5Lp/mm、2.8Lp/mm、3.15Lp/mm、3.55Lp/mm、4.0Lp/mm、4.5Lp/mm、5.0Lp/mm、5.6Lp/mm、6.3Lp/mm、7.1Lp/mm、8.0Lp/mm、9.0Lp/mm、10.0Lp/mm。從得到的線對值，可按U=1/R給出對應的不清晰度值。
表2-6 矩形線對卡的分辨力值（單位：Lp/mm）
①標記為線對測試卡中線對上方的方塊，標記號按圖2-37b從左向右順序為1、2、…6。