工業(yè)CT技術(shù)進(jìn)展及應(yīng)用

王增勇,湯光平,李建文,孫朝明

(中國工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所,綿陽 621900)

工業(yè)CT技術(shù)是工業(yè)計(jì)算機(jī)斷層掃描成像(Industrial Computed T omography)技術(shù)的簡稱,1917年由Randon J提出,但直到1970年中后期才開始大量應(yīng)用于無損檢測。近年來,隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的進(jìn)步及探測器技術(shù)的發(fā)展,工業(yè)CT的性能逐年提高,目前工業(yè)CT作為一種實(shí)用化的無損檢測手段,正逐漸從滿足一般工業(yè)應(yīng)用的低能工業(yè)CT,向滿足大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件檢測需求的高能工業(yè)CT技術(shù)發(fā)展。廣泛應(yīng)用于航空航天、核能、軍事等多種領(lǐng)域,以及在制造業(yè)的無損測繪與分層設(shè)計(jì)制造等方面。

1 工業(yè)CT技術(shù)原理及特點(diǎn)

1.1 工業(yè)CT技術(shù)原理

工業(yè)CT是在射線檢測的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,其基本原理是當(dāng)經(jīng)過準(zhǔn)直且能量為I0的射線束穿過被檢物時(shí),根據(jù)各個(gè)透射方向上各體積元的衰減系數(shù)μi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(fù)上述過程又可獲得一個(gè)新的斷層圖像,當(dāng)測得足夠多的二維斷層圖像就可重建出三維圖像。

當(dāng)單能射線束穿過非均勻物質(zhì)后,其衰減遵從比爾定律[1]:

圖1 工業(yè)CT結(jié)構(gòu)工作原理

式中I,I0為已知量,未知量為 μi。一幅M×N個(gè)像素組成的圖像,必須有M×N個(gè)獨(dú)立的方程才能解出衰減系數(shù)矩陣內(nèi)每一點(diǎn)的μi值。當(dāng)射線從各個(gè)方向透射被檢物體,通過掃描探測器可得到M×N個(gè)射線計(jì)數(shù)和I值,按照一定的圖像重建算法,即可重建出M×N個(gè)μ值組成的二維CT灰度圖像。

1.2 工業(yè)CT技術(shù)特點(diǎn)

從本質(zhì)上講,工業(yè)CT是一種射線檢測技術(shù),與常規(guī)射線檢測技術(shù)相比,主要優(yōu)點(diǎn)有[2]:

(1)工業(yè)CT圖像目標(biāo)不受周圍細(xì)節(jié)特征的遮擋,可直接獲得目標(biāo)特征的空間位置、形狀及尺寸信息。

(2)工業(yè)CT具有突出的密度分辨能力,高質(zhì)量的CT圖像密度分辨力可達(dá)0.1%甚至更高。

(3)工業(yè)CT圖像是數(shù)字化的結(jié)果,圖像便于存儲(chǔ)、傳輸、分析和處理。

2 工業(yè)CT部件的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 輻射源[3]

射線源常用X射線機(jī)和直線加速器。X射線機(jī)的峰值能量范圍從數(shù)十到450 keV,且射線能量和強(qiáng)度都是可調(diào)的;直線加速器的射線能量一般不可調(diào),常用的峰值射線能量范圍在1～16 MeV。其共同優(yōu)點(diǎn)是切斷電源以后就不再產(chǎn)生射線,焦點(diǎn)尺寸可做到微米量級(jí)。

2.2 探測器[3]

目前常用的探測器主要有高分辨CMOS半導(dǎo)體芯片、平板探測器和閃爍探測器三種類型。半導(dǎo)體芯片具有最小的像素尺寸和最大的探測單元數(shù),像素尺寸可小到10 μ m左右。平板探測器通常用表面覆蓋數(shù)百微米的閃爍晶體(如CsI)的非晶態(tài)硅或非晶態(tài)硒做成,像素尺寸約127 μ m,其圖像質(zhì)量接近于膠片照相。閃爍探測器的優(yōu)點(diǎn)是探測效率高,尤其在高能條件下,它可以達(dá)到16～20 bit的動(dòng)態(tài)范圍,且讀出速度在微秒量級(jí)。其主要缺點(diǎn)是像素尺寸較大,其相鄰間隔(節(jié)距)一般≥0.1 mm。

2.3 樣品掃描系統(tǒng)[3]

樣品掃描系統(tǒng)從本質(zhì)上說是一個(gè)位置數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。工業(yè)CT常用的掃描方式是平移-旋轉(zhuǎn)(TR)方式和只旋轉(zhuǎn)(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(yuǎn)低于RO掃描方式,且可以根據(jù)樣品大小方便地改變掃描參數(shù)(采樣數(shù)據(jù)密度和掃描范圍)。特別是檢測大尺寸樣品時(shí)其優(yōu)越性更加明顯,源-探測器距離可以較小,以提高信號(hào)幅度等。

2.4 重建算法

計(jì)算機(jī)軟件無疑是CT的核心技術(shù),當(dāng)數(shù)據(jù)采集完成以后,CT圖像的質(zhì)量已經(jīng)基本確定,計(jì)算機(jī)軟件的好壞就直接影響到圖像的重建質(zhì)量。CT圖像重建通常采用卷積反投影法,其優(yōu)點(diǎn)是圖像質(zhì)量高,易于用硬件設(shè)計(jì)為專用圖像處理機(jī),缺點(diǎn)是只能形成某一斷面上的二維灰度信息,不能得到被檢測物的整體描述。為提高缺陷判別的準(zhǔn)確性,Kudo H研究了Smith和Grangeat的三維投影重建算法的優(yōu)點(diǎn),提出了Smith-Grangeat方法,該方法得到的圖像依然會(huì)有明顯的衰減和失真。馬存寶通過增加窗函數(shù)和平滑濾波的方法,對(duì)Smith-Grangeat方法進(jìn)行修正,得到了較好的重建圖像[4]。

在大尺寸構(gòu)件檢測方面,針對(duì)RO掃描只能檢測小尺寸構(gòu)件,而TR掃描大尺寸構(gòu)件耗時(shí)較長的難題,魏東波[5]提出了一種通過檢臺(tái)二次偏置擴(kuò)大掃描視場的工業(yè)CT成像方法,并基于三代工業(yè)CT投影數(shù)據(jù)存在的冗余特征,推導(dǎo)了它的投影數(shù)據(jù)重排預(yù)處理方法和濾波反投影(FilterBack Projection,FBP)重建算法,實(shí)現(xiàn)了在增加一次360°回轉(zhuǎn)掃描情況下,其有效掃描視野達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)三代工業(yè)CT方法的2.8倍左右。且該方法僅需CT掃描臺(tái)具備平移和旋轉(zhuǎn)自由度,易于與現(xiàn)有三代工業(yè)CT兼容,工程實(shí)現(xiàn)方便。

針對(duì)CT成像系統(tǒng)中,面陣探測器成像過程相對(duì)線陣探測器而言系統(tǒng)散射影響大,動(dòng)態(tài)范圍小,成像指標(biāo)遠(yuǎn)低于線陣探測器的問題,王黎明[6]研究采用大探測器方法重組像元,用亞像素高分辨率方法重組和補(bǔ)償數(shù)據(jù),同時(shí)改變數(shù)據(jù)獲取方法,通過機(jī)械系統(tǒng)的精確移動(dòng),在大探測器數(shù)據(jù)間進(jìn)行精確插值,彌補(bǔ)了面陣探測器在動(dòng)態(tài)范圍的不足,得到了較好的CT重建結(jié)果,見圖2。

圖2 實(shí)際重建結(jié)果對(duì)比

在算法的具體應(yīng)用上,楊莞[7]針對(duì)球形封閉體內(nèi)外球面輪廓度的檢測,提出了一種精確測量方法,即在獲得球體樣件CT斷層圖像的基礎(chǔ)上,利用CT插值方式提取球體樣件的輪廓線邊界系列CT值,再根據(jù)二次曲線逐次逼近擬合法獲得其圓心坐標(biāo)及平均半徑,其測量精度達(dá)到0.05 mm。王玨[8]針對(duì)較小的同批、同型號(hào)工件進(jìn)行檢測,提出了一種基于弧半徑投影的多目標(biāo)圖像搜索方法,即將多個(gè)小型工件放在轉(zhuǎn)臺(tái)同一圓環(huán)帶上一起掃描,在目標(biāo)區(qū)域利用Zernike矩進(jìn)行精確識(shí)別,在減少識(shí)別耗時(shí)的同時(shí),提高了CT圖像識(shí)別方法的有效性和實(shí)用性,見圖3。

圖3 基于弧半徑投影的多目標(biāo)圖像識(shí)別

3 高能工業(yè)CT研究

3.1 國外現(xiàn)狀

美國是工業(yè)CT技術(shù)研究及設(shè)備研制最先進(jìn)的國家。1995年ARACOR公司生產(chǎn)的15 MeV直線加速器ICT2500型CT系統(tǒng),能夠?qū)χ睆?.5 m的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行CT重建,圖4是對(duì)2 m直徑固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)重建的CT切片[9]。

3.2 國內(nèi)現(xiàn)狀

國內(nèi)方面,北京自動(dòng)化所、華北工學(xué)院等機(jī)構(gòu)均開展過高能CT研究[9],目前清華大學(xué)已經(jīng)將高能CT產(chǎn)品系列化,包括2/4/6/9/15 MeV工業(yè)CT系統(tǒng),技術(shù)達(dá)到國際先進(jìn)水平[10]。湖北三江航天集團(tuán)[11]采用9 MeV高能工業(yè)CT,對(duì)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品中檢測到的最小裂紋為0.1 mm×5 mm×10 mm,檢測到的最小氣孔為φ 2 mm,如圖5所示。

中國工程物理研究院中物儀器公司從1994年就開始了工業(yè)CT的研制工作,目前已成功研制出420 keV X光機(jī)和2/9MeV加速器工業(yè)CT系統(tǒng),該系統(tǒng)采用獨(dú)有的亞像元成像技術(shù)和小間隙測量技術(shù),成像時(shí)間短,參數(shù)調(diào)整方便。在高能射線源的使用上,采用了自主研發(fā)、擁有國家發(fā)明專利的新型結(jié)構(gòu)駐波加速管(專利號(hào)03135490.4),在縮短了加速管結(jié)構(gòu)長度的同時(shí),可獲得1.4 mm的小焦點(diǎn)。其主要技術(shù)指標(biāo)對(duì)比見表1[12]。

4 典型應(yīng)用

4.1 精密焊接結(jié)構(gòu)件的焊接缺陷工業(yè)CT檢測

圖6 試樣工業(yè)CT結(jié)果圖

表1 國內(nèi)外典型公司同類產(chǎn)品性能指標(biāo)比較

對(duì)某尺寸約φ 85 mm×3.5 mm的圓環(huán)電子束焊縫,采用420 kV工業(yè)CT系統(tǒng),檢測結(jié)果見圖6,圖中小至φ 0.1mm的孔以及0.1mm寬的裂紋皆清晰可辨。圖6(a)中心部分為對(duì)φ 0.1 mm孔作局部掃描的CT圖像,圖6(b)為焊后試樣的CT檢測結(jié)果,焊縫中預(yù)置的鎢絲影像清晰可辨,左下角為焊縫中的鎢絲已局部熔化,局部密度高于周圍物質(zhì)密度,右下角凹陷處為焊縫表面一肉眼可見的氣孔。

4.2 密度分布表征

邵思杰[13]研究發(fā)現(xiàn),采用空間分辨率 10～25 μ m 、密度 分辨率 0.1%～ 0.05%、穿透厚 度150 mm鋼的工業(yè)CT系統(tǒng),即可滿足一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜,信息量大的非常規(guī)靈巧彈藥質(zhì)量檢測的需求。許州[14]針對(duì)空間分辨率要求較高的復(fù)合材料、微機(jī)電(MEMS)器件、石油巖芯檢測等領(lǐng)域,研制了高空間分辨率的顯微工業(yè)CT技術(shù),該系統(tǒng)采用225 kV微焦點(diǎn)射線源,非晶硅光電二極管X射線數(shù)字探測器,實(shí)現(xiàn)了20～50 Lp/mm的空間分辨率。圖7是微焦點(diǎn)工業(yè)CT的典型圖像。

圖7 微焦點(diǎn)工業(yè)CT的典型應(yīng)用

4.3 內(nèi)部結(jié)構(gòu)逆向工程及裝配情況檢測

傳統(tǒng)的產(chǎn)品生產(chǎn)過程是從設(shè)計(jì)圖紙到加工、組裝成成品的過程,而逆向工程是針對(duì)一個(gè)結(jié)構(gòu)未知的產(chǎn)品,通過用工業(yè)CT對(duì)其進(jìn)行一系列的斷層掃描,然后將其還原成生產(chǎn)用圖紙或產(chǎn)品的過程。對(duì)封閉物體進(jìn)行CT檢測,不但可以獲得物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成,還可以得到偏心、變形和間隙等信息,對(duì)判斷裝配質(zhì)量有重要價(jià)值。

陳慧能[15]針對(duì)某外部殼體為金屬材質(zhì),內(nèi)部有非金屬、藥劑等各種材料的準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)火工品,先用工業(yè)CT進(jìn)行結(jié)構(gòu)縱向斷層掃描,判斷結(jié)構(gòu)的內(nèi)部裝配關(guān)系和產(chǎn)品的工作機(jī)理,并測量縱向結(jié)構(gòu)尺寸;再根據(jù)不同需要,選擇作結(jié)構(gòu)的橫向斷層掃描,進(jìn)一步了解內(nèi)部結(jié)構(gòu)狀況細(xì)節(jié),并測量內(nèi)、外徑等橫向尺寸,從而精確判斷出了內(nèi)部裝配關(guān)系和產(chǎn)品的工作機(jī)理,進(jìn)而作出該結(jié)構(gòu)的測繪圖紙,見圖8。

圖8 某產(chǎn)品的縱向工業(yè)CT斷層掃描圖

目前工業(yè)CT逆向工程技術(shù)為各行業(yè)研制新產(chǎn)品開辟了新的途徑,已成為各行業(yè)都在研究的新方向。

5 工業(yè)CT的可能應(yīng)用方向及展望

隨著國家對(duì)大型構(gòu)件可靠性和安全性要求的不斷提高,構(gòu)件的裝配質(zhì)量變化監(jiān)測已成為保障安全性的關(guān)鍵技術(shù)。上述問題的解決,必須依靠工業(yè)CT,尤其是高能工業(yè)CT方可很好地實(shí)現(xiàn)。因此,采用工業(yè)CT,尤其是高能工業(yè)CT技術(shù),可望解決以下幾個(gè)方面的技術(shù)難題:

(1)特種構(gòu)件焊接質(zhì)量的精密檢測。

(2)大型構(gòu)件的裝配質(zhì)量(如部件姿態(tài)、裝配間隙和位置變化等)監(jiān)測和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的精密檢測。

(3)結(jié)構(gòu)仿真和其它材料和構(gòu)件的工業(yè)CT檢測等。

[1] 中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)無損檢測分會(huì)編.射線檢測[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1997,4.

[2] 孫靈霞,葉云長.工業(yè)CT技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用實(shí)例[J].核電子學(xué)與探測技術(shù),2006,26(4):486-488,453.

[3] 張朝宗.工業(yè)CT技術(shù)參數(shù)對(duì)性能指標(biāo)的影響——兼談如何選擇工業(yè)CT產(chǎn)品[J].無損檢測,2007,29(1):48-52.

[4] 馬存寶,李海皓,張瀟.基于改進(jìn)圖像重建算法的工業(yè)CT系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)測量與控制,2007,15(11):1494-1496,1555.

[5] 魏東波,傅健,龔磊,等.大尺寸構(gòu)件工業(yè)CT成像方法[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào),2006,32(12):1477-1480.

[6] 王黎明,張超,趙英亮,等.基于平面成像器件的高分辨率工業(yè)CT技術(shù)研究[J].中北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007,28(6):541-545.

[7] 楊莞,葉云長,孫靈霞,等.球形樣件輪廓度工業(yè)CT精確測量方法研究[J].核電子學(xué)與探測技術(shù),2007,27(5):879-881.

[8] 王玨,張偉,孫小惟.基于弧半徑投影的多目標(biāo)工業(yè)CT圖像識(shí)別[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2008,44(17):222-223,227.

[9] 王召巴,金永.高能X射線工業(yè)CT技術(shù)的研究進(jìn)展[J].測試技術(shù)學(xué)報(bào),2002,16(2):79-82.

[10] 陳志強(qiáng),李亮,馮建春.高能射線工業(yè) CT最新進(jìn)展[J].CT理論與應(yīng)用研究,2005,14(4):1-4.

[11] 丁國富.大型高能工業(yè)CT在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)檢測方面的應(yīng)用[J].CT理論與應(yīng)用研究,2005,14(3):35-39.

[12] 重慶大學(xué)重大高科網(wǎng)頁[EB/OL].http://www.cuhitech.com/4-1.htm.

[13] 邵思杰,曹勇,王磊.無損檢測技術(shù)在彈藥質(zhì)量檢測中的應(yīng)用[J].火力與指揮控制,2006,31(增):39-41.

[14] 許州,李保磊,陳浩,等.基于225 kV射線源的顯微CT成像系統(tǒng)研發(fā)[C]//2008年全國射線數(shù)字成像與CT新技術(shù)研討會(huì)論文集.四川綿陽:《CT理論與應(yīng)用研究》編輯部,2008:224-237.

[15] 陳慧能,楊樹彬,崔衛(wèi)東.工業(yè)CT在火工品逆向工程的應(yīng)用研究[J].火工品,2006(3):36-38.