工業CT

工業CT(industrial computerized tomography)是指應用于工業中的核成像技術。其基本原理是依據輻射在被檢測物體中的減弱和吸收特性。同物質對輻射的吸收本領與物質性質有關。所以,利用放射性核素或其他輻射源發射出的、具有一定能量和強度的X射線或γ射線,在被檢測物體中的衰減規律及分布情況,就有可能由探測器陳列獲得物體內部的詳細信息,最后用計算機信息處理和圖像重建技術,以圖像形式顯示出來。

概念說明

工業CT是工業用計算機斷層成像技術的簡稱,它能在對檢測物體無損傷條件下,以二維斷層圖像或三維立體圖像的形式,清晰、準確、直觀地展示被檢測物體的內部結構、組成、材質及缺損狀況,被譽為當今最佳無損檢測和無損評估技術。工業CT技術涉及了核物理學、微電子學、光電子技術、儀器儀表、精密機械與控制、計算機圖像處理與模式識別等多學科領域,是一個技術密集型的高科技產品。

工業CT廣泛應用在汽車、材料、鐵路、航天、航空、軍工、國防等產業領域,為航天運載火箭及飛船與太空飛行器的成功發射、航空發動機的研制、大型武器系統檢驗與試驗、地質結構分析、鐵道車輛提速重載安全、石油儲量預測、機械產品質量判定等提供了的重要技術手段。


技術原理

工業CT是在射線檢測的基礎上發展起來的,其基本原理是當經過準直且能量I0的射線束穿過被檢物時,根據各個透射方向上各體積元的衰減系數從不同,探測器接收到的透射能量I也不同。按照一定的圖像重建算法,即可獲得被檢工件截面一薄層無影像重疊的斷層掃描圖像(圖1),重復上述過程又可獲得一個新的斷層圖像,當測得足夠多的二維斷層圖像就可重建出三維圖像。當單能射線束穿過非均勻物質后,其衰減遵從比爾定律:  即 

式中  、  為已知量,未知量為μ。一幅M×N個像素組成的圖像,必須有M×N個獨立的方程才能解出衰減系數矩陣內每一點的μ值。當射線從各個方向透射被檢物體,通過掃描探測器可得到MXN個射線計數和值,按照一定的圖像重建算法,即可重建出MXN個μ值組成的二維CT灰度圖像。


性能指標

檢測范圍:主要說明該CT系統的檢測對象。如能透射鋼的最大厚度,檢測工件的最大回轉直徑,檢測工件的最大高度或長度,檢測工件的最大重量等。

使用的射線源:射線能量大小、工作電壓、工作電流及焦點尺寸。射線能量是穿透等效鋼厚度的能力的主要影響因素。

掃描模式:常用的CT掃描模式有II代掃描、III代掃描。III代掃描具有更高的效率,但是容易由于校正方法不佳而導致環狀偽影(所以減弱或消除環狀偽影是體現CT系統制造商技術水平的主要內容之一);II代掃描效率大約是III代掃描的1/10—1/5,但其對大回轉直徑工件檢測有益。此外CT系統通常會具備數字射線檢測成像(DR)功能。

掃描檢測時間:指掃描一個典型斷層數據(如圖像矩陣1024×1024)所需要的時間。

圖像重建時間:指重建圖像所需的時間。由于現代計算機的運行速度較快,所以掃描結束后,幾乎是立即就能把重建圖像顯示出來,一般不超過3s。

分辨能力:工業CT系統的核心性能指標包括:

①空間分辨率:從CT圖像中能夠辨別最小結構細節的能力。

②密度分辨率:從CT圖像中能夠分辨出最小密度差異的能力(通常跟特征區域大小結合在一起評定)。

空間分辨率與密度分辨率的關系。在輻射劑量一定的情況下,空間分辨率與密度分辨率是相互矛盾的兩個指標。提高空間分辨率會降低密度分辨率,反之亦然。

對于普通的工業CT系統,其核心性能指標只有空間分辨率和密度分辨率;而對于一臺高精度測量工業CT系統而言,除了上述兩個核心性能指標外,還有另外兩個核心性能指標:

①幾何測量精度:在CT圖像上測得某對象的幾何尺寸與該對象真實尺寸之間的絕對誤差。

②密度測量精度:在CT圖像上測得某對象的密度值與該對象真實密度值之間的相對誤差。


工業應用

工業CT現有X射線斷層掃描(XCT)、康普頓散射斷層掃描(CST)、穆斯堡爾效應斷層掃描(MCT)等。主要應用于工業在線過程的實時檢測和大型工業部件的探查。工業CT與傳統的X射線探傷和超聲波探傷相比,具有空間分辨率高、無損檢測、速度快等特點,因而在工業產品的檢測中具有其他方法無可取代的作用。在實時檢測方面,可用于在線檢測熱軋無縫鋼管中的氣孔、劃痕、裂縫、分層等各種缺陷,同時給出鋼管的壁厚、同心度、單位長度的重量等;亦可用于發電設備的實時檢測。在大型部件檢測方面,特別適用于火箭、核燃料元件、彈藥、飛機發動機等的無損檢測。大型工業CT的主要技術指標大約為待測物體直徑1—2.5米,有效掃描高度2—8米,最大承重可達數十噸,空間分辨率為1線對/毫米,密度分辨率0.5%,裂紋分辨0.05毫米×15毫米,掃描時間每層3分鐘,圖像重建時間6秒,工作臺平移空位精度0.02毫米,工作臺旋轉空位精度10角秒。所用的輻射裝置可用X射線機、加速器,亦可用60Co、137Cs或192Ir的γ射線源。

工業CT部件的發展現狀

輻射源

射線源常用X射線機和直線加速器。X射線機的峰值能量范圍從數十到450 keV,且射線能量和強度都是可調的;直線加速器的射線能量一般不可調,常用的峰值射線能量范圍在1一16 MeV。其共同優點是切斷電源以后就不再產生射線,焦點尺寸可做到微米量級。[2] 

探測器

目前常用的探測器主要有高分辨CMOS半導體芯片、平板探測器和閃爍探測器三種類型。半導體芯片具有最小的像素尺寸和最大的探測單元數,像素尺寸可小到10 μm左右。平板探測器通常用表面覆蓋數百微米的閃爍晶體(如CsI)的非晶態硅或非晶態硒做成,像素尺寸約127 μm,其圖像質量接近于膠片照相。閃爍探測器的優點是探測效率高,尤其在高能條件下,它可以達到16 ~ 20 bit的動態范圍,且讀出速度在微秒量級。其主要缺點是像素尺寸較大,其相鄰間隔(節距)一般≥0. 1 mm。[2] 

樣品掃描系統

樣品掃描系統從本質上說是一個位置數據采集系統。工業CT常用的掃描方式是平移一旋轉((TR)方式和只旋轉(RO)方式兩種。RO掃描方式射線利用效率較高,成像速度較快。但TR掃描方式的偽像水平遠低于RO掃描方式,且可以根據樣品大小方便地改變掃描參數(采樣數據密度和掃描范圍)。特別是檢測大尺寸樣品時其優越性更加明顯,源探測器距離可以較小,以提高信號幅度等。