工業(yè)CT 技術(shù)在炸藥裝藥質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用

劉艷萍，馬燕，張晶，王青枝

(西安近代化學(xué)研究所 十一部，陜西 西安710065)

0 引言

計(jì)算機(jī)層析X 射線攝影系統(tǒng)(computer Tomography 以下簡(jiǎn)稱工業(yè)CT 系統(tǒng))主要用于對(duì)各種復(fù)雜產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)的無(wú)損檢測(cè)，通過(guò)各種適當(dāng)夾具固定所要探測(cè)的樣品，從各個(gè)方面選取不同截面對(duì)樣品進(jìn)行檢測(cè)，并給出定量結(jié)論?；鹫ㄋ幯b藥質(zhì)量檢測(cè)中工業(yè)CT無(wú)損檢測(cè)技術(shù)起到很重要的作用，通過(guò)該檢測(cè)手段可以了解火炸藥裝藥產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及密度分布，并對(duì)產(chǎn)品的內(nèi)部缺陷起到了定位作用，為科研人員及時(shí)修改試驗(yàn)方案、調(diào)整制作工藝提供科學(xué)的、可靠的依據(jù)。

1 工業(yè)CT 設(shè)備的典型組成、主要技術(shù)指標(biāo)及檢測(cè)的原理

1.1 工業(yè)CT 系統(tǒng)設(shè)備組成及主要技術(shù)指標(biāo)

工業(yè)CT 系統(tǒng)通常由射線源、機(jī)械掃描裝置、探測(cè)器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、圖像存儲(chǔ)顯示系統(tǒng)等組成。典型組成如圖1 所示。

以BT－400 型工業(yè)CT 系統(tǒng)為例，其主要性能指標(biāo)見表1。

1.2 工業(yè)CT 無(wú)損檢測(cè)原理

計(jì)算機(jī)層析成像技術(shù)(CT)技術(shù)是在射線照相(Radiography)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。工業(yè)CT 則是由醫(yī)用CT (MCT)而發(fā)展的，基本原理相類同，但仍有其自身特點(diǎn)。

圖1 設(shè)備結(jié)構(gòu)組成

表1 BT－400 型工業(yè)CT 系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)

計(jì)算機(jī)層析成像技術(shù)使用不同的能量波作為輻射源，其工作原理也不同。在工業(yè)無(wú)損檢測(cè)中廣泛使用的是透射層析成像技術(shù)(ICT)，BT－400 型工業(yè)CT 系統(tǒng)中使用的是X 射線源。

以X 射線作為射線源的工業(yè)CT 工作原理:

當(dāng)射線穿過(guò)均勻物質(zhì)時(shí):

當(dāng)射線穿過(guò)非均勻物質(zhì)時(shí):

式中:l 為射線穿過(guò)被檢測(cè)物各體積元的長(zhǎng)度。I 為射線穿過(guò)被檢測(cè)物以后的強(qiáng)度(即經(jīng)被檢測(cè)物衰減后探測(cè)到的計(jì)數(shù)和);μi為射線穿過(guò)不同物質(zhì)的線衰減系數(shù)(與被檢物質(zhì)的密度和原子序數(shù)以及使用輻射源的能量有關(guān));I0為射線入射端初始強(qiáng)度(射線在空氣中探測(cè)器測(cè)到的原始計(jì)數(shù)和)。

通俗地說(shuō)有一束單能的射線透射過(guò)物質(zhì)，必然產(chǎn)生衰減，其衰減情況遵循比爾定律 (見式 (1)，(2))，檢測(cè)物的密度、厚度不同，其衰減系數(shù)也不同，從而得到不同強(qiáng)度的射線，探測(cè)器上得到的數(shù)據(jù)必然不同，在CT 圖片上則得到相應(yīng)的密度反映，這樣，就形成了反映密度變化的樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。

2 工業(yè)CT 無(wú)損檢測(cè)在火炸藥裝藥質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用

2.1 火炸藥裝藥相對(duì)密度差的測(cè)量

用戶一般在送檢樣品時(shí)需要得到的是樣品內(nèi)部絕對(duì)密度分布情況，而CT 機(jī)檢給出的是密度CT 值和相對(duì)密度誤差。即使是同一檢測(cè)樣品(同一絕對(duì)密度)，對(duì)應(yīng)的密度CT 值也會(huì)隨著CT 機(jī)任何一項(xiàng)掃描參數(shù)的改變而改變(得出不同的CT 值);當(dāng)CT 機(jī)參數(shù)不變時(shí)，密度CT 值又隨著檢測(cè)樣品尺寸大小的變化而變化。這樣，就會(huì)出現(xiàn)同一絕對(duì)密度值對(duì)應(yīng)不同的CT 值的現(xiàn)象。必須采取一定的方法由CT 值得到樣品檢測(cè)斷層的實(shí)際密度才能計(jì)算出所要的密度差。

實(shí)際CT 檢測(cè)中，有一批樣品需要檢測(cè)樣品軸向密度差異，我們采取各層取80%范圍內(nèi)CT 平均值，然后采用(最大值－最小值)/最大值×100%，得到CT檢測(cè)結(jié)果表征的樣品軸向密度差，結(jié)果列于表2，這里的檢測(cè)誤差應(yīng)當(dāng)偏大一些;用戶對(duì)同批樣品在CT 檢測(cè)斷層位置附近取樣采用開殼彈用排水法測(cè)量密度得到的相對(duì)密度差結(jié)果列于表3。

表2 樣品密度CT 值及相對(duì)密度差檢測(cè)結(jié)果

表3 開殼彈排水法測(cè)量絕對(duì)密度得到的密度差

表2、表3 列出的是同一配方、同一批次產(chǎn)品編號(hào)為10 －1，10 －2，10 －3，10 －4 和10 －5 這五發(fā)樣品的裝藥密度差測(cè)量結(jié)果，二者進(jìn)行比較后可以看出BT－400型CT 系統(tǒng)采用的相對(duì)密度測(cè)量方法及測(cè)量結(jié)果覆蓋了排水法測(cè)量結(jié)果，兩種結(jié)果有一定誤差，但還是可采用的，實(shí)際情況是不可能每發(fā)產(chǎn)品都做開殼密度測(cè)量，所以CT 相對(duì)密度測(cè)量結(jié)果還是具有一定實(shí)際使用意義。

情況說(shuō)明:這批樣品軸向裝藥密度差要求控制5%以內(nèi)算合格?？梢?，結(jié)果還是可以采用的。

2.2 火炸藥裝藥內(nèi)部缺陷的檢測(cè)及測(cè)量

2.2.1 火炸藥裝藥內(nèi)部缺陷的檢測(cè)

計(jì)算機(jī)層析掃描(工業(yè)CT)技術(shù)可以提供傳統(tǒng)X射線成像技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的二維切面、或三維立體表現(xiàn)圖。并且，避免了影像重疊、混淆真實(shí)缺陷的現(xiàn)象?？汕宄恼故緝?nèi)部結(jié)構(gòu)，提高識(shí)別內(nèi)部缺陷的能力，更可準(zhǔn)確的識(shí)別內(nèi)部缺陷的位置。如圖2 所示:藥柱的裂紋、氣孔及粘接間隙、夾雜物、樣品內(nèi)部構(gòu)圖、內(nèi)部裝藥分布情況等等。

2.2.2 內(nèi)部缺陷的測(cè)量

得到CT 圖后，利用密度變化曲線對(duì)產(chǎn)品內(nèi)部缺陷進(jìn)行測(cè)量，在密度曲線上選擇不同的測(cè)試點(diǎn)則會(huì)出現(xiàn)不同測(cè)量結(jié)果，那么怎樣將缺陷尺寸的測(cè)量誤差降到最小，這需要將多個(gè)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量、分析、對(duì)比，選出準(zhǔn)確的測(cè)量點(diǎn)，提供較準(zhǔn)確的缺陷尺寸。

缺陷幾何尺寸的測(cè)量有兩種方法:半脈寬法和峰值換算法，半脈寬法適用于測(cè)量大于0.5 mm 缺陷尺寸，而峰值換算法比較適用于小于0.5 mm 缺陷尺寸的測(cè)量。

圖2 典型CT 圖

圖3 密度曲線

1)半脈寬法測(cè)量缺陷尺寸，測(cè)量結(jié)果列于表4，5，6。

對(duì)于一般較大尺寸的測(cè)量，采用基本半脈寬測(cè)量方法，就是對(duì)要進(jìn)行尺寸測(cè)量的部分，穿過(guò)它作一條密度變化曲線，如圖3，由于密度變化在曲線上必然出現(xiàn)相應(yīng)的起伏變化，取密度曲線第一次變化的中心點(diǎn)和第二次變化的中心點(diǎn)，兩個(gè)中心點(diǎn)之間的距離即就是要測(cè)量的尺寸值。

使用Co－1 標(biāo)準(zhǔn)試樣中的“5.0/5.1”插件進(jìn)行尺寸測(cè)量，分別在四種工作方式(四個(gè)工作場(chǎng))下進(jìn)行CT 掃描和測(cè)量。

表4 “5.0/5.1”插件尺寸測(cè)量結(jié)果

表5 大于1.5 mm 缺陷半脈寬法測(cè)量數(shù)據(jù)

表6 小于1.5 mm 缺陷半脈寬法測(cè)量數(shù)據(jù)

半脈寬法測(cè)量結(jié)論:

①?gòu)谋? 可以看出隨著工作場(chǎng)與實(shí)際測(cè)量尺寸(5.1 mm 或5.0 mm)的接近，測(cè)量誤差減小?！?.0/5.1”插件在400 mm 場(chǎng)以內(nèi)，尺寸測(cè)量誤差小于±0.1 mm，達(dá)到給出的技術(shù)指標(biāo)。

②從表5，6 可以看出半脈寬法對(duì)于大于0.5 mm缺陷的測(cè)量結(jié)果是可信的;而小于0.5 mm 的測(cè)量結(jié)果已經(jīng)誤差很大，且0.6，0.5，0.4 mm 氣孔測(cè)量結(jié)果是0.73，0.74，0.74 mm，可見半脈寬測(cè)量法無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量小于0.5 mm 的氣孔。

2)峰值換算法測(cè)量小于0.5 mm 缺陷尺寸，測(cè)量結(jié)果列于表7。

在實(shí)際檢測(cè)工作中的摸索與經(jīng)驗(yàn)積累，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)規(guī)律:就是各種不同的尺寸所對(duì)應(yīng)的密度曲線峰值具有線性關(guān)系，即在相同的檢測(cè)條件下，同一個(gè)檢測(cè)工件，相同密度時(shí)，即一個(gè)是尺寸已知寬度的裂縫，一個(gè)是待測(cè)量的孔或裂縫，若10 mm 寬度尺寸對(duì)應(yīng)的CT 相對(duì)峰值是10000，那么CT 相對(duì)峰值是5000 的，其寬度尺寸一定是5 mm;CT 相對(duì)峰值是2500 的，其寬度尺寸一定是2.5 mm。依據(jù)這樣一個(gè)原理，我們首先對(duì)較大、較明顯的尺寸進(jìn)行了測(cè)量驗(yàn)證，結(jié)論是肯定的。對(duì)應(yīng)的密度曲線示意圖如圖4。

采用上述測(cè)試方法對(duì)0.5 ～1.5 mm 之間缺陷尺寸進(jìn)行測(cè)量。我們稱該方法為峰值換算測(cè)量法。

圖5 顯示了6 個(gè)不同直徑氣孔密度變化曲線，表6中列出小于0.5 mm 氣孔的半脈寬法測(cè)量結(jié)果已經(jīng)不在發(fā)生變化，而圖5 密度曲線上所顯示的峰值卻是不同的，峰值測(cè)量及氣孔直徑換算結(jié)果列于表7。

峰值換算法結(jié)論:

①對(duì)于較小尺寸，其測(cè)量無(wú)法使用半脈寬基本測(cè)量方法，誤差很大。

②表7 中列出了峰值換算法測(cè)量結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)峰值換算法測(cè)量結(jié)果比半脈寬法測(cè)量結(jié)果誤差大大降低，測(cè)量結(jié)果在誤差范圍內(nèi)，但還需要進(jìn)一步進(jìn)行小尺寸測(cè)量的標(biāo)定和探討。

圖4 密度曲線示意圖

圖5 氣孔峰值密度變化曲線

表7 實(shí)際檢測(cè)中的峰值換算法測(cè)量數(shù)據(jù)

［1］BT－400 型工業(yè)CT 機(jī)使用說(shuō)明書［Z］. 莫斯科:莫斯科探傷股份有限公司，1997.

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［3］葉云長(zhǎng). 計(jì)算機(jī)層析成像檢測(cè)［M］. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

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