工業(yè)CT檢測中主要工藝參數(shù)定量取值方法

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(中國兵器科學研究院寧波分院，寧波 315103)

工業(yè)CT檢測中主要工藝參數(shù)定量取值方法

張維國,倪培君,王曉艷,齊子誠,唐盛明

(中國兵器科學研究院寧波分院，寧波 315103)

工業(yè)CT作為一種先進的無損檢測技術(shù)，應(yīng)用范圍已越來越廣泛。目前在用的工業(yè)CT系統(tǒng)已有數(shù)百套，這些工業(yè)CT因為硬件配備的不同，工藝參數(shù)也有很大差別?，F(xiàn)行的工業(yè)CT標準中對主要工藝參數(shù)的取值給出了指導性原則，但沒有給出定量取值方法而導致操作不便。從檢測需求出發(fā)，依據(jù)采樣理論分別給出了主要參數(shù)的取值公式，方便了CT檢測工藝的編寫，并用實例給出了操作過程，并對方法的正確性進行了驗證。

工業(yè)CT; 工藝參數(shù);定量

工業(yè)CT作為一種先進的無損檢測技術(shù)，已被廣泛應(yīng)用于航天、航空、兵器、汽車、考古、地質(zhì)等多個行業(yè)領(lǐng)域[1-2]。據(jù)不完全統(tǒng)計，國內(nèi)已安裝的工業(yè)CT系統(tǒng)已超過200多套，而且在以每年5～10套的速度增加。目前安裝的系統(tǒng)中，從探測器和掃描裝置的不同可以分為：線陣三代、線陣二代以及三維錐束面陣。從射線焦點及能量的不同可以分為：納米CT、微焦CT、常規(guī)X射線源CT以及加速器工業(yè)CT系統(tǒng)。上述系統(tǒng)的生產(chǎn)廠家、型號、使用的探測器種類、掃描裝置及射線源種類各不相同，其系統(tǒng)的工藝參數(shù)差別也就很大?，F(xiàn)行的通用CT標準中，對于工業(yè)CT參數(shù)的取值都給出了一些指導性原則，但很少給出定量取值方法。筆者從檢測需求出發(fā)，依據(jù)采樣理論分別給出CT檢測中常用工藝參數(shù)的定量取值方法，為工藝卡的制定提供幫助[3-8]。

1 工業(yè)CT掃描工藝參數(shù)取值分析

1.1 基本原則

工業(yè)CT檢測中，CT圖像質(zhì)量與檢測時間及系統(tǒng)開銷是相關(guān)的。因此檢測過程必須要以檢測需求為基礎(chǔ)，制定其他相關(guān)的工藝參數(shù)。

在檢測前，需要了解以下的信息。

檢測設(shè)備信息：射線源焦點尺寸a，探測器通道尺寸d，以及系統(tǒng)的最佳空間分辨率L。

試樣信息：試樣的材料，試樣的最大直徑D，試樣的重量。

另外需要確定檢測目的，常見的檢測目的有缺陷檢測、尺寸測量、密度表征、結(jié)構(gòu)分析等。對于缺陷檢測，要確定需要檢出的最小缺陷尺寸Defmin。

1.2 轉(zhuǎn)臺位置

對于轉(zhuǎn)臺位置可以沿射線平行方向移動的系統(tǒng)，源到探測器距離SDD不變，源到轉(zhuǎn)臺中心距離SOD是可變的。轉(zhuǎn)臺位置確定了有效射束寬度，轉(zhuǎn)臺的位置應(yīng)該在最佳放大倍數(shù)Mopt位置，見式(1)。

從式(1)可以看出，d?a時，Mopt≈1，此時轉(zhuǎn)臺的最佳位置越靠近探測器越好，其主要受轉(zhuǎn)臺尺寸限制。d?a時，Mopt很大，此時轉(zhuǎn)臺的位置越靠近射線源，分辨率越高，其主要受轉(zhuǎn)臺尺寸、試樣尺寸和面板尺寸限制，目前微焦面陣探測器CT多工作在此模式下。需要注意的是微焦射線源的焦點尺寸通常隨射線源能量的增加而增大，隨著射線源能量的增加，最佳放大倍數(shù)會減小。

1.3 重建矩陣和重建范圍

重建范圍(Re)受到試樣外形尺寸的影響，通常重建范圍可以用式(2)確定。

其即為試樣外形最大尺寸的1.5倍。檢測時應(yīng)防止試樣未擺放到轉(zhuǎn)臺中心，造成CT圖像沒有完全包含產(chǎn)品。

圖1 三代模式下掃描示意

重建矩陣(H×H)用于以一定的精度來量化重建范圍，如圖1所示(圖中圓形區(qū)域是重建范圍，圓形區(qū)域中的小方格表示重建矩陣)，重建范圍固定后，重建矩陣越大，分割試樣空間越精細，能描述的空間分辨率越高。

像元尺寸p用公式(3)計算，重建矩陣的取值滿足式(4)的最接近值。

根據(jù)采樣定理，通常要求像元尺寸p小于要求檢出最小缺陷Defmin的1/2，以保證最小缺陷可以正常地顯示。缺陷是否能顯示出來，還取決于系統(tǒng)的空間分辨率是否能夠優(yōu)于最小缺陷。

重建矩陣的大小決定了CT圖像文件的規(guī)模，在達到系統(tǒng)極限空間分辨率圖像可正常顯示的條件后，即使再增加圖像矩陣，也不能再增加細節(jié)的分辨率，而且還需要更多的硬盤和內(nèi)存開銷。

另外顯示器的物理分辨率也在一定程度上限制了圖像細節(jié)的顯示，當原始圖像像元尺寸小于顯示器的物理分辨率時，圖像顯示時會被放大，小的噪聲信號也可能被放大到人眼可識別的程度，造成CT圖像背景噪聲增大，而干擾小缺陷的識別[9-11]；當顯示器完全顯示所有圖像信息時，像素的大小被顯示器的物理分辨率替代，細節(jié)特征可能會被丟失。

1.4 焦點尺寸

對于焦點尺寸可以選擇的X射線源，小焦點具有更高的空間分辨率，但小焦點因為散熱問題，功率較小，射線強度弱，探測器采樣需要更長的積分時間。對于微焦射線源，為了保證試樣的穿透性，需要提高掃描電壓，焦點同時也變大。因此應(yīng)在保證穿透性和射線強度的前提下，盡量使用小焦點。

1.5 掃描電壓和掃描電流

掃描電壓決定射線的能量，ISO/DIS 15708-1Non-destructiveTesting-RadiationMethods-ComputedTomography-Part1:Principle,EquipmentandSamples中從信噪比的角度給出了穿透試樣的射線強度占入射射線強度的10%～20%時，信噪比最好的結(jié)論。當穿透射線強度太低，會造成噪聲增加，信噪比降低；當穿透射線強度太高時，信號對比度降低，信噪比也降低。也就是說大約穿透2～3個半值層時，信噪比最佳。

掃描電流確定射線強度，在探測器的線形階段，射線強度越高，信噪比越大。因此在保證探測器不飽和狀態(tài)下，掃描電流應(yīng)盡可能大一些。

1.6 采樣幅數(shù)

對于三代掃描模式，在采樣過程中，探測器通道間隔代表了試樣空間上的徑向采樣頻率，而采樣幅數(shù)n表示了圓周方向的采樣頻率。按照采樣定理，n應(yīng)滿足式(5)，以避免最大圓周方向上因采樣不足造成噪聲增大的問題。

式中：M為放大倍數(shù)。

從公式(5)可推導出公式(6)。

而探測器通道間隔受到了探測器硬件成本的限制，因此很多CT系統(tǒng)通過機械系統(tǒng)微動，增加掃描次數(shù)來增加徑向采樣頻率，提高空間分辨率。 其是用增加檢測時間來換取檢測精度的方法。

1.7 切片厚度

對于線陣探測器，切片厚度h由后準直器水平寬度確定。切片厚度決定了z軸方向的分辨率，也影響密度分辨率，切片厚度越小，信噪比越小，圖像噪聲增大，但對薄型缺陷更容易檢出，z方向分辨率越高。從缺陷定量角度分析，切片厚度h滿足公式(7)。

1.8 積分時間

積分時間的設(shè)置主要與射線掃描電流(射線強度)以及掃描時間相關(guān)，積分時間的設(shè)置要保證探測器采樣信號不飽和。適當增加積分時間可以提高信噪比，但在射線強度嚴重不足時，僅增加積分時間會導致噪聲的增加。因此積分時間的確定要綜合考慮探測器響應(yīng)參數(shù)、射線強度等因素。

2 實例分析

2.1 試樣信息

采用小孔試片進行實例分析。其材料為不銹鋼；試樣的規(guī)格為：外徑50 mm，厚度1.2 mm，其上加工有直徑分別為0.1，0.3，0.5，0.7，0.9，1.1 mm的6類人工通孔，每類沿徑向分布3個。

2.2 檢測設(shè)備

采用固鴻科技生產(chǎn)的IPT6110 6 MeV高能工業(yè)CT系統(tǒng)進行檢測。

設(shè)備的加速器能量為6 MeV；焦點尺寸為標稱2 mm；探測器608通道，垂直準直器開口0.3 mm，通道間隔1.3 mm，水平準直器0.25～5 mm可調(diào)。源到探測器距離(SDD)為3 421.6 mm；源到轉(zhuǎn)臺中心距離(SOD)為2 639.4～3 019.4 mm。

2.3 檢測要求

可發(fā)現(xiàn)0.5 mm以上人工孔。

2.4 工藝參數(shù)確定

(1) 將參數(shù)代入式(1)，得到Mopt=1.03；受機械系統(tǒng)限制，選擇SOD=3 019.4 mm，此時M=1.13。

(2) 將參數(shù)代入式(2)，重建范圍Re=75 mm。

(3) 將參數(shù)代入式(4)，重建矩陣H>320，因系統(tǒng)中最小選項為1 024,故重建矩陣選擇1 024×1 024。

(4) 該系統(tǒng)為單焦點，焦點尺寸為2.0 mm。

(5) 掃描電壓及掃描電流：該系統(tǒng)射線源為6 MeV加速器系統(tǒng)，因此射線能量只能為6 MeV。

(6) 將參數(shù)代入式(6)，得到采樣幅數(shù)n>1 135.4，因此采樣幅數(shù)選擇滿足要求的最小值2 048。

(7) 按式(7)，切片厚度h設(shè)置為0.5 mm。

(8) 微動次數(shù)是IPT6110設(shè)備專用工藝參數(shù)，其用掃描時間補充了探測器數(shù)量。系統(tǒng)設(shè)置選項為2,5,10次，5次微動后可以保證采樣頻率小于0.2 mm[由(1.3-0.3)/5計算得出],故選擇5次微動。

(9) 轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速為IPT6110設(shè)備專用工藝參數(shù)，其與采樣幅數(shù)及加速器觸發(fā)頻率有關(guān)，在加速器觸發(fā)頻率固定時，采樣幅數(shù)與轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速成反比。此次掃描加速器觸發(fā)頻率依據(jù)設(shè)備當前條件，設(shè)置為170 Hz，因此轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速為5 r·min-1。

(10) 掃描部位通過在DR圖像上的實測來確定，掃描層數(shù)為1層。

2.5 檢測結(jié)果

按以上工藝參數(shù)，使用IPT6110設(shè)備對試樣進行三代CT掃描，檢測結(jié)果如圖2(a)所示，在其上可清晰發(fā)現(xiàn)3個0.5 mm孔。

2.6 討論

CT圖像質(zhì)量通常采用空間分辨率，對比度靈敏度和偽像3個指標來評價。文章使用小孔模擬缺陷的討論主要針對空間分辨率指標。

圖2 試樣CT掃描圖像及其增加采樣幅數(shù)和微動次數(shù)后的CT圖像

實際上，缺陷尤其是小缺陷能否檢測出來，還很大程度地依賴于系統(tǒng)的對比度靈敏度。通過增加采樣幅數(shù)、微動次數(shù)、切片厚度、掃描電流等降低噪聲、增加對比度靈敏度的手段對小缺陷的檢出是比較有利的。圖2(b)是增加采樣幅數(shù)和微動次數(shù)后的CT圖像，在其上可清晰發(fā)現(xiàn)0.3 mm人工孔，但檢測時間增加了5倍，可見該檢測質(zhì)量是靠犧牲檢測效率來得到的。

3 結(jié)論

從檢測結(jié)果圖像可以清晰地發(fā)現(xiàn)0.5 mm人工模擬缺陷，驗證了檢測工藝的正確性，證明了基于采樣理論推導出的工藝參數(shù)取值公式是可行的。

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QuantitativeMethodofMainProcessParametersinIndustrialCTDetection

ZHANG Weiguo, NI Peijun, WANG Xiaoyan, QI Zicheng, TANG Shengmin

(The Ningbo Branch of Ordnance Science Institute of China, Ningbo 315103, China)

As an advanced nondestructive testing technology, the application of industrial CT has become increasingly widespread. There are hundreds of industrial CT systems currently in use. If the industrial CT hardware equipment is different, the corresponding process parameters are also very different. Although the current industrial CT standards in the main process parameters provide guide lines for selection principles, they do not give a quantitative selection method and hence the operation is inconvenient. Based on the sampling theory, this paper gives the formula of the main parameters, which greatly facilitates the preparation of the CT detection process. The operation procedure is given by examples and the correctness of the method is verified.

ICT; process parameter; quantitative

TG115.28

A

1000-6656(2017)12-0007-03

2017-06-01

國家自然科學基金資助項目(61471411)；浙江省自然科學基金資助項目(LQ15E010003)

張維國(1972-)，男，研究員，主要從事工業(yè)CT等無損檢測方法和研究工作

張維國，zwg1972@163.com

10.11973/wsjc201712002