錐束CT在復(fù)合材料缺陷檢測中的應(yīng)用

吳彥舉 郝 兵 呂益良 鄭詩楊

（洛陽中信成像智能科技有限公司，河南 洛陽 471000）

傳統(tǒng)的復(fù)合材料檢測方法中，超聲波檢測是通過缺陷和基體之間的不同特征引起的波長吸收/反射差異來判定被測物的。由于檢測原理導(dǎo)致檢測精度不是很高、誤差較大。滲透檢測多用于檢測物體表面的缺陷，不能直觀的反應(yīng)物體內(nèi)部的缺陷情況。X射線檢測通過X射線的照射，根據(jù)不同材質(zhì)物體對射線的吸收特性的不同，會在成像板或者膠片上顯示二維圖像。而錐束CT是通過發(fā)出錐束的X射線，照射工件，記錄工件不同角度的投影數(shù)據(jù)，最終通過重建算法得到三維數(shù)字模型，根據(jù)數(shù)字模型使用專用軟件對工件進(jìn)行缺陷分析。

1 錐束C T工作原理及重要指標(biāo)

錐束CT相比傳統(tǒng)的斷層CT具有成像速度快、檢測精度高的特點。斷層掃描又稱線陣掃描，射線源發(fā)出扇形X光照射工件，每次只能檢測工件的某一截面，通過疊加截面的方式呈現(xiàn)三維模型，層與層之間的間隙直接影響掃描的時間和成像的精度。錐束CT采用面陣探測器，射線源發(fā)出錐束X光照射工件，探測器上可以采集到整個工件的照片，通過這種方式得到的三維數(shù)據(jù)沒有信息缺失，檢測精度更高。

錐束CT系統(tǒng)主要由探測器系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、錐束X射線源系統(tǒng)等組成，如圖1所示。主要工作原理是X射線源在錐角范圍內(nèi)發(fā)出的X射線穿過被檢測物體，被檢測物體在機(jī)械系統(tǒng)上進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)，同時探測器會接收到被掃描物體不同角度的投影數(shù)據(jù)，最后把所有的投影數(shù)據(jù)傳回計算機(jī)，利用三維圖像重建算法對投影數(shù)據(jù)進(jìn)行重建，得到被檢測物體的三維重建數(shù)據(jù)，為分析檢測物體內(nèi)部的三維結(jié)構(gòu)信息提供了可靠依據(jù)。

圖1 錐束CT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

影響錐束CT系統(tǒng)檢測精度的主要因素包括電壓、電流、幾何放大倍數(shù)、焦點尺寸以及平板探測器的像素尺寸等。

1.1 電壓電流

電壓電流主要指的是射線機(jī)的管電壓和管電流，電壓主要影響的是射線的穿透能力（等效鋼厚度），電壓越高穿透能力越強(qiáng)，檢測的工件也越大。電流主要影響系統(tǒng)的對比度，電流越高對比度越強(qiáng)，材質(zhì)的分辨才更清晰。在穿透金屬物體時，金屬會出現(xiàn)衍射、反射、散射的現(xiàn)象，會產(chǎn)生金屬偽影，影響檢測的精度，所以在檢測金屬物體時，在保證工件能穿透的情況下，電壓電流設(shè)置不宜太高。在檢測復(fù)合材料時，偽影現(xiàn)象基本可以忽略，在保證工件能穿透的情況下，電流可以適當(dāng)高一點，使系統(tǒng)對比度更高，缺陷識別更清楚。

1.2 幾何放大倍數(shù)

F—射線源出束位置到探測器表面的距離。f—射線源出束位置到工件表面的距離。T—工件的厚度。b—工件表面到探測器表面的距離。

圖2 放大比關(guān)系示意圖

放大倍數(shù)M=F/f，放大倍數(shù)影響著設(shè)備的檢測精度。放大比越大，系統(tǒng)的檢測精度越高，即工件離射線源越近，檢測精度越高。但是由于射線源發(fā)出的是錐束光，工件離射線源越近，檢測的有效面積就越小。所以應(yīng)綜合考慮檢測精度和檢測效率，選擇合適的放大比[1]。

1.3 焦點尺寸大小

d—射線管焦點尺寸。幾何放大倍數(shù)M=F/f。

幾何不清晰度：Ug=d（M-1），焦點尺寸是射線管的重要參數(shù)，在幾何放大倍數(shù)的作用下，焦點在檢測圖像上會產(chǎn)生幾何不清晰度，由圖3可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)放大比一定的情況下，焦點尺寸越大，幾何不清晰度就越大，檢測精度越低，精度反而越高。為了提高設(shè)備的檢測精度，一般在能穿透工件的情況下會選擇焦點尺寸更小的CT系統(tǒng)進(jìn)行檢測[2]。

圖3 焦點尺寸影響幾何不清晰度示意圖

1.4 平板探測器的像素尺寸

平板探測器是由一個個小的分區(qū)構(gòu)成的，這些小區(qū)被稱為像素。

像素尺寸（p）：指敏感區(qū)域長度與所包含的像素數(shù)目之比，也可以表示為圖像的行或者列中相鄰2個像素中心的距離，如圖4所示。單位為mm或者μm。

圖4 平板探測器結(jié)構(gòu)示意圖

平板探測器的像素寬度與高度相等。像素尺寸作為成像精度的關(guān)鍵因素，直接影響著成像精度，為了保證檢測精度，像素尺寸越小越好。

2 錐束C T在復(fù)合材料缺陷檢測方面的應(yīng)用

結(jié)合某公司的復(fù)合材料特性和上述影響系統(tǒng)檢測精度的指標(biāo)，該次檢測主要選用的是300 kV微焦點射線源和像素尺寸為200 μm的高分辨率面陣探測器系統(tǒng)，放大倍數(shù)選擇為10的情況下，對工件進(jìn)行錐束CT無損檢測，最終得到高質(zhì)量的三維數(shù)據(jù)。并使用專用CT數(shù)據(jù)處理軟件分析其內(nèi)部缺陷類型及分布情況。主要分析復(fù)合材料的裂紋走向、裂紋三維模型分布及提取、孔洞的孔隙率分析幾個方面。

由于工件尺寸較大，超過了平板探測器的有效成像面積，所以對工件進(jìn)行了偏置分區(qū)掃描，將工件分為圖5所示共6個區(qū)，每個有效區(qū)域的尺寸為250 mm×250 mm，下面主要針對D區(qū)錐束CT掃描檢測結(jié)果進(jìn)行分析。

圖5所示上效果是通過CT專用分析軟件VGStudio Max對掃描后的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。通過移動活動面對掃描數(shù)據(jù)的每一層進(jìn)行分析，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)該復(fù)合材料在不同位置上的不同缺陷。圖6是通過3個截面圖和1個實物圖的方式顯示出了該段復(fù)合材料一個截面的缺陷?？梢詼y量缺陷的尺寸及走向，還可以通過三維成像視圖判斷出缺陷的具體位置。

圖5 某公司復(fù)合材料實物照片

拆分功能主要是把有缺陷的地方通過拆分、提取及渲染的方式在三維數(shù)據(jù)上直觀地顯示出來，是根據(jù)密度的不同來識別缺陷，通過改變閾值來選擇缺陷的大小，如圖7所示，再使用布爾運算把需要提取的缺陷拆分開來單獨顯示，并可以根據(jù)需要渲染出不同的顏色。目的是更清晰更直觀的看到缺陷的分布情況。

圖6 某復(fù)合材料檢測缺陷效果圖

孔隙率分析可以根據(jù)孔洞的體積大小對工件的孔洞缺陷進(jìn)行篩選，并通過不同的顏色進(jìn)行標(biāo)注，不同的顏色對應(yīng)的體積大小不同，通過渲染可以直觀地發(fā)現(xiàn)孔洞在工件內(nèi)部的分布情況，如圖8所示?？紫堵史治隹梢酝ㄟ^設(shè)置孔洞尺寸的大小，根據(jù)需求過濾掉不影響工件質(zhì)量的孔洞，只保留影響工件質(zhì)量的孔洞進(jìn)行分析[3]。

圖7 某復(fù)合材料缺陷提取效果圖

圖8 某復(fù)合材料孔隙率分析效果圖

3 結(jié)語

該文主要介紹了錐束CT系統(tǒng)的工作原理，以及影響系統(tǒng)檢測精度的主要指標(biāo)，對某復(fù)合材料缺陷檢測結(jié)果進(jìn)行分析。通過上述介紹發(fā)現(xiàn)，要想得到一個好的檢測結(jié)果，不但對硬件設(shè)備提出了更高的要求，還對掃描的數(shù)據(jù)處理提出了更高的要求，只有在兩者配合的情況下才能得到高精度的檢測結(jié)果。根據(jù)以往的檢測經(jīng)驗可以發(fā)現(xiàn)，在檢測復(fù)合材料工件時，保證工件能穿透的情況下，多以微焦點工業(yè)CT檢測為主。

通過對某復(fù)合材料的錐束CT檢測結(jié)果進(jìn)行分析，了解到錐束CT在復(fù)合材料無損檢測方面的應(yīng)用，通過錐束CT掃描，不但可以得到工件三維結(jié)構(gòu)信息，還可以檢測到工件內(nèi)部的缺陷并對缺陷進(jìn)行量化分析。