工業(yè)CT的發(fā)展及應(yīng)用

1、工業(yè)工業(yè)CTCT的發(fā)展及應(yīng)用的發(fā)展及應(yīng)用一、一、 工業(yè)CT與醫(yī)用CT的比較二、工業(yè)CT基本原理三、工業(yè)CT系統(tǒng)的主要部件四、工業(yè)CT的評價(jià)參數(shù)五、工業(yè)CT在無損檢測中的應(yīng)用工業(yè)工業(yè)CTCT的發(fā)展及應(yīng)用的發(fā)展及應(yīng)用、航空、航天等工業(yè)中精密工件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的測量及其缺陷的檢測；、 兵器工業(yè)中對彈藥填充密度的檢測和武器關(guān)鍵部件的質(zhì)量檢查；、汽車工業(yè)中對關(guān)鍵零件的無損檢測；、鋼鐵工業(yè)中產(chǎn)品的在線監(jiān)控和質(zhì)量檢測； 工業(yè)CT技術(shù)廣泛應(yīng)用于以下領(lǐng)域： 5、鋼鐵工業(yè)中產(chǎn)品的在線監(jiān)控和質(zhì)量檢 測； 、油鉆探中對巖芯的評估，鉆桿和管道的探傷； 、地質(zhì)、考古中對樣品的評估； 、海關(guān)對違禁、走私物品的檢查。 工業(yè)CT技術(shù)

2、廣泛應(yīng)用于以下領(lǐng)域一、一、工業(yè)CT與醫(yī)用CT的比較 、技術(shù)指標(biāo)側(cè)重的差異工業(yè)CT更強(qiáng)調(diào)空間分辨率、密度分辨率、射線能量范圍的差異工業(yè)CT中射線的能量從十至數(shù)百千伏、結(jié)構(gòu)上的差異工業(yè)CT中被測工件亦作掃描運(yùn)動、檢測范圍的差異、檢測范圍的差異 工業(yè)可完成： 1. 缺陷檢測、定位與特性描述 2. 各部件相對位置的確定 3. 確定物體的密度梯度，評價(jià)均勻性 4. 定量分析 5. 動態(tài)在線檢測 而醫(yī)學(xué)僅能完成其中兩項(xiàng)檢測一、一、工業(yè)CT與醫(yī)用CT的比較射線穿透物體強(qiáng)度衰減遵從比爾定律： I=I0el其中I射線穿透物體后的強(qiáng)度；I0 射線入射端初始強(qiáng)度； 射線穿過不同物質(zhì)的衰減系數(shù)l穿透物體的長度二、工業(yè)

3、CT基本原理首先探測器測量射線透過物體的強(qiáng)度變化（即探測器計(jì)數(shù)和的變化），然后輸入計(jì)算機(jī)，通過CT圖像重建運(yùn)算，重組出被檢測部位的橫斷面圖像，即獲得該層上下無重疊、對比度很高的清晰圖像。 工業(yè)CT工作原理二、工業(yè)CT基本原理工業(yè)CT工作原理圖二、工業(yè)CT基本原理 圖像不存在重疊與模糊，靈敏度比透視高出一、兩個(gè)數(shù)量級之多。 CT與一般透視照相比較葉片陶瓷型芯臘模斷層圖 葉片透視圖二、工業(yè)CT基本原理CT的五種掃描方式第一代掃描 樣品樣品源源平移平移平移平移同步平移同步平移探測器探測器圖2一代CT掃描旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)180180o oCT的五種方式掃描第二代掃描 旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)1212o o / /次次源源樣品

4、樣品探探測測器器平移平移平移平移同步同步圖3 二代掃描CT的五種方式掃描第三代掃描圖4 三代掃描源源樣品探測器探測器旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)樣品樣品CT的五種掃描方式第四代掃描 固定環(huán)行固定環(huán)行探測器探測器樣品樣品放射源放射源圖5 四代掃描旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)CT的五種掃描方式第五代掃描圖6 鋼管在線檢測系統(tǒng)鋼管在線檢測系統(tǒng)輻射源輻射源探測器探測器管道管道圖像顯示圖像顯示圖像輸出圖像輸出圖像存儲圖像存儲源系統(tǒng)源系統(tǒng)數(shù)據(jù)采傳電路數(shù)據(jù)采傳電路總控制單元總控制單元主計(jì)算機(jī)主計(jì)算機(jī)管理控制管理控制數(shù)據(jù)校正數(shù)據(jù)校正圖像重建圖像重建處理分析處理分析探測器系探測器系統(tǒng)統(tǒng)源系統(tǒng)開關(guān)源系統(tǒng)開關(guān)被被測測工工件件機(jī)械掃描運(yùn)機(jī)械掃描運(yùn)動

5、系統(tǒng)動系統(tǒng)工業(yè)CT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)三、工業(yè)CT系統(tǒng)的主要部件工業(yè)CT系統(tǒng)的主要組成：源系統(tǒng)(X射線、伽瑪射線、加速器)探測器系統(tǒng)數(shù)據(jù)采傳系統(tǒng)機(jī)械掃描、運(yùn)動系統(tǒng) 5圖像重建、分析系統(tǒng) 三、工業(yè)CT系統(tǒng)的主要部件X光機(jī)轉(zhuǎn)臺平移系統(tǒng)探測器北京優(yōu)聯(lián)思特公司X光機(jī)CT整機(jī)圖示伽瑪射線源伽瑪射線源：常用60Co、137Cs。能量特定但強(qiáng)度小，掃描時(shí)間長。光機(jī)光機(jī)射線源射線源：包含光管、高壓電源、 高壓控制系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)。檢測時(shí)間短、圖象質(zhì)量高。直線加速器直線加速器：包含加速管、高壓控制系統(tǒng)、 冷卻系統(tǒng)等。適用于高密度、大工件的檢測。源系統(tǒng)三、工業(yè)CT系統(tǒng)的主要部件型號： MG452生產(chǎn)商：YXLON公司 X光機(jī)高

6、壓X光機(jī)高壓控制器三、工業(yè)CT系統(tǒng)的主要部件探測器系統(tǒng)閃爍體光電倍增管探測器閃爍體光電倍增管探測器：輸出信號大，適用于射線源。 閃爍體光電二級管探測器閃爍體光電二級管探測器：探測器組合密度高、幾何效率高，目前最為常用。 氣體電離探測器氣體電離探測器：探測器之間一致性好，適用于三代掃描，但效率較低。三、工業(yè)CT系統(tǒng)的主要部件制造探測器所用管子三、工業(yè)CT系統(tǒng)的主要部件數(shù)據(jù)采傳系統(tǒng) 數(shù)據(jù)采傳系統(tǒng)是探測器和計(jì)算機(jī)之間的電路接口。這部分電路十分復(fù)雜，構(gòu)成了工業(yè)CT電子設(shè)備的主體。其中關(guān)鍵技術(shù)之一是轉(zhuǎn)換。三、工業(yè)CT系統(tǒng)的主要部件機(jī)械掃描、運(yùn)動系統(tǒng) 機(jī)械掃描系統(tǒng)包括：機(jī)械驅(qū)動軸、試件轉(zhuǎn)臺、各種支架、底座

7、、移動控制系統(tǒng)（電機(jī)、編碼器、伺服放大器、移位控制板等）。 三、工業(yè)CT系統(tǒng)的主要部件德國NEFF公司高精度直線轉(zhuǎn)動單元三、工業(yè)CT系統(tǒng)的主要部件數(shù)字伺服放大器、同步伺服電機(jī)三、工業(yè)CT系統(tǒng)的主要部件轉(zhuǎn)臺及平移系統(tǒng)三、工業(yè)CT系統(tǒng)的主要部件 5圖像重建、分析系統(tǒng) 該部分硬件由系統(tǒng)主板、專用控制板、陣列處理器、顯示器、拷貝機(jī)等組成。 軟件包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。應(yīng)用軟件應(yīng)當(dāng)完成三個(gè)功能：設(shè)置和校正CT重建參數(shù)、控制掃描過程及實(shí)現(xiàn)CT數(shù)據(jù)同步采集、完成圖像重建。三、工業(yè)CT系統(tǒng)的主要部件工業(yè)CT圖像重建運(yùn)算方法卷積濾波反投影法：(r,)=oP(x,Q)*(x)dQ離散形式為：(r,)=P(Ka,Q

8、i)( (xcosQi+ysinQi-Ka)任意像素的衰減系數(shù): P(xij,Qi)=kijPk+l+k+1ijPk其中K射線束編號kij k+1ij內(nèi)插系數(shù) 投影線 重建圖像原理示意圖 由圖可見通過像素中心的所有投影線不一定正好落在像中心上，為了求取任意一個(gè)像素的衰減系數(shù)，必須對投影線坐標(biāo)進(jìn)行插值。四、工業(yè)CT的評價(jià)參數(shù) 空間分辨率 指圖像中能夠辨別最小物體的能力。以分辨黑白相間條形帶的對數(shù)，即每毫米線對數(shù)（）表示。 影響該參數(shù)的因素有掃描像素?cái)?shù)目大小、探測器準(zhǔn)直孔的寬度、采樣點(diǎn)間距、重建算法、機(jī)械系統(tǒng)精度、X射線管焦點(diǎn)大小或源活性區(qū)的大小、圖像數(shù)據(jù)校正與圖像重建算法等。ICT-X01線對檢

9、測圖像上方是2.5LP/mm的圖四、工業(yè)CT的評價(jià)參數(shù)密度分辨率密度分辨率又稱為系統(tǒng)靈敏度，它表示能夠區(qū)分開的密度差別程度。利用圖像的灰度去分辨被檢測物的材質(zhì)，通常以密度變化的百分比（）表示相互變化的關(guān)系。 提高密度分辨率的方法主要是合理選擇源的能量，增加源的劑量，降低噪聲。 四、工業(yè)CT的評價(jià)參數(shù)密度分辨率與空間分辨率之間的關(guān)系在輻射劑量一定的情況下，空間分辨率與密度分辨率是矛盾的。密度分辨率越高，空間分辨率就越低，兩者之積為一常數(shù)。在同一密度分辨率的情況下，提高一倍空間分辨率就要減少1/2掃描像素寬度，而輻射劑量則要增加8倍。所以，最高空間分辨率與最高密度分辨率均是分別測到的，不可能在同一

10、測試條件下兩者均得到最佳值。四、工業(yè)CT的評價(jià)參數(shù)斷層厚度與空間分辨率密切相關(guān)，即斷層厚度愈薄時(shí)，得到的空間分辨率愈高。 影響斷層厚度的主要因素有準(zhǔn)直器寬度、探測器孔的寬度、采樣點(diǎn)間距和重建算法等。 四、工業(yè)CT的評價(jià)參數(shù)檢測范圍 說明能檢測的對象。如透射鋼的最大厚度、檢測工件的最大回轉(zhuǎn)直經(jīng)，檢測工件的最大高度或長度，能檢測工件的最大重量等。它是區(qū)分工業(yè)大小的標(biāo)志。四、工業(yè)CT的評價(jià)參數(shù)掃描檢測時(shí)間指掃取一個(gè)斷層花在掃描、數(shù)據(jù)采集上的時(shí)間，它決定了掃描的速度。圖像重建時(shí)間指重建圖像所需時(shí)間。 輻射源的使用X射線源： 能量大小、工作電壓、工作電流、出束角度、焦點(diǎn)大小等。源： 種類如60Co 、1

11、92Ir、 137Cs，源強(qiáng)、活性區(qū)尺寸、直徑、長度。高能直線加速器：能量大小、出束角度、焦點(diǎn)尺寸等。這些參數(shù)都直接影響CT的檢測能力與檢測效率。四、工業(yè)CT的評價(jià)參數(shù)1.工業(yè)CT在無損檢測應(yīng)用中的特點(diǎn)2.工業(yè)應(yīng)用實(shí)例）缺陷檢測）尺寸測量）結(jié)構(gòu)分析）密度分布、底隙測量 3.工業(yè)目前的主要研究課題）工業(yè)CT硬件系統(tǒng)的研究）軟件技術(shù) 五、工業(yè)CT在無損檢測中的應(yīng)用1.工業(yè)CT在無損檢測應(yīng)用中的特點(diǎn)）定量、定位檢測:給出被測工件的斷層掃描圖像，可以直觀的看到目標(biāo)細(xì)節(jié)的空間位置、形狀、大小，圖像容易識別和理解。）高的密度分辨力:圖像密度分辨率可達(dá)到0.1%甚至更高。五、工業(yè)CT在無損檢測中的應(yīng)用）探測

12、信號動態(tài)范圍高:探測信號的動態(tài)范圍可達(dá)106 以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于膠片和圖像增像器。）數(shù)字化顯示:直接給出像素值、尺寸等物理信息；數(shù)字化圖像便于存儲、傳輸、分析和處理等。 五、工業(yè)CT在無損檢測中的應(yīng)用2.工業(yè)應(yīng)用實(shí)例）缺陷檢測: 五、工業(yè)CT在無損檢測中的應(yīng)用缺陷檢測方面最成功的應(yīng)用例證是固體火箭發(fā)動機(jī)的檢測。左圖是某設(shè)備上推進(jìn)器葉片的四個(gè)不同位置的斷層圖像，圖中可以清楚地看到在軸與葉片之間有縫隙及裂紋，該件已報(bào)廢。氣孔和夾雜的測量五、工業(yè)CT在無損檢測中的應(yīng)用）尺寸測量：利用工業(yè)得到的三維空間信息，同樣可用于驗(yàn)證產(chǎn)品尺寸或裝配情況是否符合設(shè)計(jì)要求。 例如飛機(jī)發(fā)動機(jī)葉片壁面尺寸的誤差不得超過0.1

13、。檢測時(shí)先用實(shí)時(shí)成像功能完成主要缺陷檢測，而后在特定區(qū)域進(jìn)行掃描成像，準(zhǔn)確驗(yàn)證葉片尺寸。 五、工業(yè)CT在無損檢測中的應(yīng)用飛機(jī)發(fā)動機(jī)空心葉片的壁厚檢測）結(jié)構(gòu)分析五、工業(yè)CT在無損檢測中的應(yīng)用對于體積小、價(jià)值高的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，要在不解剖構(gòu)件的情況下了解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，工業(yè)是一理想的手段。這一技術(shù)普遍被應(yīng)用于逆向工程中。 五、工業(yè)CT在無損檢測中的應(yīng)用）結(jié)構(gòu)分析圖例為某燃燒器部件實(shí)物及透視圖和多層圖 ）密度分布、底隙測量彈箭武器對裝藥質(zhì)量要求很高，除了要求對裝藥裂紋、縮孔、夾雜物等進(jìn)行無損檢測外，還要求測量裝藥密度、彈底間隙，以保證彈藥使用的安全可靠。 五、工業(yè)CT在無損檢測中的應(yīng)用五、工業(yè)CT在無損檢測

14、中的應(yīng)用密度分布圖示為某導(dǎo)彈藥芯的斷層圖像，以檢測藥的均勻性。ICTDY01密度測量結(jié)果 材料標(biāo)準(zhǔn)密度測量值誤差1有機(jī)玻璃1.17971.18363.32膠木1.36411.36132.13聚氯乙稀1.51951.51502.97五、工業(yè)CT在無損檢測中的應(yīng)用利用工業(yè)CT密度分辨率高的特點(diǎn)，可間接測量底隙。選擇合適的掃描層厚,對彈體的底部進(jìn)行斷層掃描，在斷層圖像中間藥的區(qū)域測量其密度的CT值，根據(jù)這一值變化的情況，來判斷是否有底隙并定量測量底隙的大小。底隙測量彈藥檢測的密度精度低于5。圖為CT值與彈藥密度的關(guān)系曲線。五、工業(yè)CT在無損檢測中的應(yīng)用圖22值于彈藥密度的關(guān)系曲線底隙測量曲線五、工業(yè)

15、CT在無損檢測中的應(yīng)用五、工業(yè)CT在無損檢測中的應(yīng)用3.工業(yè)目前的主要研究課題）工業(yè)CT硬件系統(tǒng)的研究高性能探測器的研制高能射線CT、同步輻射源的CT移動式CT）軟件技術(shù)算法與物理有關(guān)的數(shù)學(xué)問題 五、工業(yè)CT在無損檢測中的應(yīng)用）工業(yè)CT硬件系統(tǒng)的研究高性能探測器的研制：適應(yīng)10KeV-15MeV射線能量范圍，高的密度分辨率及空間分辨率。高能射線CT、同步輻射源的CT：主要用于大型或較重元素的材料檢測，需要高能射線來完成。移動式CT ：在檢測對象既不能移動也不可破損情況下，移動式CT有相當(dāng)?shù)臐摿ΑＮ?、工業(yè)CT在無損檢測中的應(yīng)用）軟件技術(shù)算法 代數(shù)重建方法直接富里葉變換法linogras和Hank

16、el變換法近年來，三維直接重建問題已成為算法研究的主要課題。五、工業(yè)CT在無損檢測中的應(yīng)用與物理有關(guān)的數(shù)學(xué)問題與物理有關(guān)的數(shù)學(xué)問題 有限角度不完全數(shù)據(jù)成像技術(shù)三維成像技術(shù) 由于射線在某些方向不能透過樣品或不能得到該方向的投影數(shù)據(jù)，就必須進(jìn)行有限角度不完全數(shù)據(jù)的重建運(yùn)算。目前常用方法：Clark-Plamer-Lawrence插值法Reeds-Shepp仿射變換法凸面投影法有限角度不完全數(shù)據(jù)成像技術(shù)五、工業(yè)CT在無損檢測中的應(yīng)用前兩種技術(shù)主要都是尋求一種坐標(biāo)變換，使不完備的投影數(shù)據(jù)在變換后的坐標(biāo)中達(dá)到完備，它們無需事先了解被檢樣品的性能。而凸面投影法是目前最常用的方法，其要點(diǎn)是通過已知數(shù)據(jù)，如樣

17、品的尺寸和衰減系數(shù)范圍等，提出樣品性能的約束條件，用這些約束條件來修正人為假設(shè)的投影數(shù)據(jù)，通過反復(fù)迭代直到獲得滿意的圖像。五、工業(yè)CT在無損檢測中的應(yīng)用五、工業(yè)CT在無損檢測中的應(yīng)用三維成像技術(shù) 自廣泛應(yīng)用以來，三維成像一直是人們研究的課題，總體上可分為兩類：一類為直接研究從投影數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建稱為真三維重建技術(shù)。另一類是將多幅二維圖像疊堆出樣品的三維圖像，這實(shí)際上是一種顯示技術(shù)。五、工業(yè)CT在無損檢測中的應(yīng)用目前三維成像中以表面顯示法常用最常用。表面顯示法有三角網(wǎng)法、有限差分法、動態(tài)彈性表面插入法等，基本都是利用有限的斷層數(shù)據(jù)得到更加接近實(shí)際的光滑物體表面。近年來出現(xiàn)的滑行環(huán)連續(xù)螺旋線掃描方

18、式，可得到無間隙的螺旋狀掃描數(shù)據(jù)，這對三維顯示技術(shù)無疑提供了十分有利的條件。從技術(shù)上說，隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算速度進(jìn)一步提高和存儲量的擴(kuò)大，圖像的處理技術(shù)會更加先進(jìn)；除探測器技術(shù)的不斷改進(jìn)對性能的提高起關(guān)鍵性的作用外，選用更有效的射線源、掃描方式是解決空間分辨率、密度分辨率與掃描時(shí)間三因素相互制約問題的根本方法。 工業(yè)的歷史雖然僅有二十來年，但各種類型的商品化產(chǎn)品及實(shí)驗(yàn)室設(shè)備已達(dá)相當(dāng)數(shù)量。做為一種先進(jìn)的無損檢測技術(shù)，工業(yè)近年在我國的需求量已呈逐年遞增的發(fā)展趨勢，尤其在國防、軍工行業(yè)，需求急劇增加。這為工業(yè)的研究、開發(fā)提供了一個(gè)大好的發(fā)展機(jī)遇。 北京優(yōu)聯(lián)思特公司已研制的幾種機(jī)型北京優(yōu)聯(lián)思特公司已研制的幾

19、種機(jī)型ICTB01 伽瑪射線ICTDY01 伽瑪射線彈藥檢測機(jī)ICTX01 X射線小型工業(yè)CT機(jī)ICTX02 X射線通用型ICTICTB01B01工業(yè)工業(yè)CTCT設(shè)備設(shè)備ICTICTX01 XX01 X射線工業(yè)射線工業(yè)CTCT設(shè)備設(shè)備彈藥檢測工業(yè)彈藥檢測工業(yè)CTCT（ICTICTDY01DY01）X X射線工業(yè)射線工業(yè)CTCT（ICTICTX02X02）現(xiàn)場測量、控制ICTX02掃描圖像航天推進(jìn)器動作筒葉片的DRDR透視圖 葉片的陶瓷型芯和蠟?zāi)５膱D像 石油巖芯的斷層圖像電機(jī)的斷層圖汽車發(fā)動機(jī)曲軸的斷面導(dǎo)彈藥芯斷面電纜斷層圖像、航空、航天等工業(yè)中精密工件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的測量及其缺陷的檢測；、 兵器工業(yè)中對彈藥填充密度的檢測和武器關(guān)鍵部件的質(zhì)量檢查；、汽車工業(yè)中對關(guān)鍵零件的無損檢測；、鋼鐵工業(yè)中產(chǎn)品的在線監(jiān)控和質(zhì)量檢測； 工業(yè)CT技術(shù)廣泛應(yīng)用于以下領(lǐng)域：伽瑪射線源伽瑪射線源：常用60Co、137Cs。能量特定但強(qiáng)度小，掃描時(shí)間長。光機(jī)光機(jī)射線源射線源：包含光管、高壓電源、 高壓控制系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)。檢測時(shí)間短、圖象質(zhì)量高。直線加速器直線加速器：包含加速管、高壓控制