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感應(yīng)器靈敏度 – X射線檢測技術(shù)通過檢測極小污染物

更新時間:2016-02-02點擊次數(shù):681

普遍的理論認為,X 射線系統(tǒng)的感應(yīng)器像素尺寸越小,就越適合檢測食品和其他產(chǎn)品中的細微污染物。 然而事實不是如此簡單。 雖然較小像素尺寸的感應(yīng)器(例如 0.2 或 0.4mm)與較大像素尺寸感應(yīng)器(例如 0.8 或 1.6mm)相比,X 射線圖像的空間分辨率更高,但是還需要考慮許多其他因素,不只是單純考慮感應(yīng)器本身的理論靈敏度。 

X 射線檢測系統(tǒng)包含 X 射線發(fā)射器、檢測機和計算機。 其工作原理如下:當產(chǎn)品以恒定速度通過 X 射線系統(tǒng)時,X 射線檢測機可捕捉產(chǎn)品的“灰度”圖像,該圖像通過測量穿過產(chǎn)品,并且到達檢測機的 X 射線能量生成。 隨后,軟件對該圖像進行分析,并與預(yù)先設(shè)定的驗收標準進行比較;對于那些不符合標準(即檢測到污染物)的產(chǎn)品圖像,予以剔除。 

X 射線檢測機由正方形形狀的像素點組成。 以0.8mm 像素尺寸感應(yīng)器為例,每當產(chǎn)品通過系統(tǒng)(由 0.8mm 像素尺寸的方形像素點組成) 0.8mm 長度時就生成一個線性圖像 將這些 0.8mm 寬的線條逐步累積起來就形成了 X 射線圖像。 因此,理論上,感應(yīng)器像素點數(shù)量越多、尺寸越小,提供的數(shù)據(jù)就越多,因此可得到更加清晰的圖像,檢測到細微污染物的概率也越大。 

但是更多的數(shù)據(jù)并不總是的選擇。 如果所有應(yīng)用都是檢測諸如香袋或手袋那樣輕薄且同質(zhì)的產(chǎn)品,則較小像素尺寸的感應(yīng)器無疑是選擇。 事實上,檢測食品是否含有污染物的應(yīng)用范圍非常廣,而且多種多樣 – 一塊奶酪有著與一袋土豆極為不同的特性,而一包大米又截然不同。 這一事實為污染物檢測問題增加了多重復雜性。 

污染物檢測需滿足 3 個條件: 

1. 相對于周圍的產(chǎn)品,污染物能吸收更多的 X 射線; 
2. X 射線檢測機必須提供足夠的空間分辨率; 
3. X 射線系統(tǒng)的檢測算法必須能夠區(qū)分物理污染物及其周圍的產(chǎn)品。 

因此,污染物檢測的整體靈敏度取決于三個條件:空間分辨率、射線成像對比度以及產(chǎn)品效應(yīng)。 

空間分辨率 

空間分辨率是指構(gòu)建數(shù)字圖像所使用的像素。 更高的空間分辨率意味著更多的像素點,可確保更的圖像質(zhì)量。 較小像素尺寸的感應(yīng)器可產(chǎn)生更高的空間分辨率,但需要更高的 X 射線能量來保持圖像品質(zhì)。 0.8mm 感應(yīng)器的表面積是 0.4mm 感應(yīng)器的四倍,因此,更小尺寸的感應(yīng)器需要四倍的 X 射線能量,才能獲得同樣的信號強度并生成同樣品質(zhì)的圖像。 此外,使用 0.4mm 感應(yīng)器時,如果想讓產(chǎn)品通過系統(tǒng)的速度保持不變,檢測機掃描速度必須增加一倍(與 0.8mm 感應(yīng)器相比)。 同樣,所需劑量是 0.8mm 感應(yīng)器的八倍。 所有這些均意味著需要將成本、速度及圖像品質(zhì)之間的平衡考慮在內(nèi)。 

影響空間分辨率的其他因素是集成和投射效應(yīng)以及污染物在X 射線光路徑上所處的位置。 集成是指掃描期間,每個感應(yīng)器累計的信號。 計算機讀取感應(yīng)器時,讀取的不是瞬間“捕捉”的讀數(shù)。 此集成或“存儲效應(yīng)”允許用戶權(quán)衡掃描速度與傳輸速度,高達 50% 以上,同時還能保持靈敏度水平。 較慢的掃描速度可提供更強、更具穿透力的信號。 其可以根據(jù)不同產(chǎn)品進行優(yōu)化。 

在 X 射線系統(tǒng)中,光束從“聚焦點”發(fā)出,測量尺寸約為 3mm。 污染物相對于聚焦點(或 X 射線源)或檢測機的位置十分重要:如果污染物靠近射線源,則檢測機投射的有效面積將增大,而圖像邊緣的清晰度會降低;如果污染物靠近檢測機,則污染物的圖像會更加清晰,利用放射圖像分析工具就更容易檢測。 為了zui大限度增加 0.8mm 感應(yīng)器的信號強度,需要 0.8 mm 的方形污染物。 現(xiàn)實當中很少有這么湊巧的事情,通常污染物的投射陰影總是落在多個感應(yīng)器的部分位置,甚至在兩個感應(yīng)器之間。 在此情況下,更大的感應(yīng)器能夠捕捉更多關(guān)鍵數(shù)據(jù)。 

射線成像對比度 

污染物與產(chǎn)品之間的射線成像對比度也十分重要,這里的主要影響因素是信噪比。 所有電氣設(shè)備都會產(chǎn)生一定的背景噪音,如果相對于信號強度,噪音水平過大,會對 X 射線圖像質(zhì)量產(chǎn)生不良影響。 不同尺寸的感應(yīng)器有不同的信噪比。 較大的感應(yīng)器可產(chǎn)生更強的信號,降低噪音水平。 

產(chǎn)品效應(yīng) 

產(chǎn)品穿過 X 射線時被檢測機吸收的 X 射線能量與產(chǎn)品(和任何污染物)的厚度、密度和原子質(zhì)量數(shù)有關(guān)。 測量 X 射線在產(chǎn)品和污染物之間衰減差異是污染物檢測的基本依據(jù)。 通常原子質(zhì)量數(shù)與密度相關(guān),食品一般含有低原子質(zhì)量數(shù)的材料,而污染物常常含有高原子質(zhì)量數(shù)的材料且密度較高。相同的污染物(比如一塊石頭),放在低密度產(chǎn)品中(比如一片面包),比放在高密度奶酪中更易檢測到。 穿透高密度材料需要更高的 X 射線能量,這也會影響感應(yīng)器大小尺寸的選擇及相應(yīng)的檢測靈敏度。 

產(chǎn)品及其包裝的質(zhì)地和均勻性也必須考慮。 同質(zhì)包裝可提供恒定的 X 射線信號,因此很容易檢測到 X 射線能量吸收情況的細微變化。 但是,許多食品和藥品包含多種吸收情況,涉及的原因有食品的不同類型(例如沙拉),和/或氣泡以及物品間的間隙(例如一袋土豆或大米)。 考慮到對比度有助于檢測,如果污染物是金屬等高密度材質(zhì),顯然使用 X 射線檢測細微污染物是有所裨益的,而諸如玻璃、石頭和骨頭等較小密度污染物,顆粒較大時才能檢測到。 

因此,如果預(yù)測污染物很可能是金屬,則可以使用較小的感應(yīng)器,因為金屬的射線成像對比度可忽略噪音的影響。 然而,事情并非總是如此。 0.4mm 的金屬球很容易“隱藏”在有多種密度的產(chǎn)品中,如大米或葡萄干。 一般情況下,感應(yīng)器尺寸越大,射線成像對比度越好。 

這是一個權(quán)衡的問題 

我們可以得出結(jié)論,實際檢測微小污染物很大程度上取決于產(chǎn)品本身的特性,而不是檢測機感應(yīng)器的尺寸。 小型感應(yīng)器有較高空間分辨率的優(yōu)勢,是檢測輕薄同質(zhì)緩慢移動物品的理想之選,但需要更多的能量,因此操作成本也比較昂貴。但是,獲得的更的測量可能會受到 X 射線通過量、電子檢測及產(chǎn)品效應(yīng)中增加的固有“噪音”級別的影響。 如果產(chǎn)品包含巨大空隙,高分辨率獲得的優(yōu)勢可能會喪失,這會使感應(yīng)器像素級別的小污染物“隱藏”。 這將喪失使用更小感應(yīng)器帶來的改善。 較大的發(fā)光二極管適合較厚、高密度的產(chǎn)品,其提供的射線成像對比度,同時具有更高的信噪比,即使空間分辨率較低,也可檢測出更多污染物。 根據(jù)不同的應(yīng)用,選擇尺寸的 X 射線感應(yīng)器,就成為所有各種因素之間的權(quán)衡問題。 

作者:梅特勒-托利多 X 射線檢測部門電子產(chǎn)品 Steve Gusterson 

Steve Gusterson 是梅特勒-托利多 X 射線檢測部門的電子產(chǎn)品,在梅特勒-托利多已任職 10 年,自 1987 年便從事 X 射線食品檢測行業(yè)的研究。 Steve 直接參與梅特勒-托利多 X 射線接收器與硬件控制系統(tǒng)的研發(fā)。 

關(guān)于梅特勒-托利多 X 射線檢測系統(tǒng) 

梅特勒-托利多是食品和制藥行業(yè)金屬檢測與 X 射線檢測方案的供應(yīng)商。 Garvens 自動檢重秤、CI-Vision 和 Pharmacontrol Electronic Gmbh (PCE) 共同構(gòu)成了梅特勒-托利多產(chǎn)品檢測部門。 北京富瑞恒創(chuàng)科技有限公司。

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