工業(yè)CT檢測工藝參數(shù)對復合材料檢測圖像質(zhì)量的影響

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(中國兵器工業(yè)集團第五三研究所，濟南 250031)

工業(yè)CT檢測工藝參數(shù)對復合材料檢測圖像質(zhì)量的影響

董方旭，王從科，趙付寶，凡麗梅，張霞，鄭素萍

(中國兵器工業(yè)集團第五三研究所，濟南 250031)

工業(yè)CT檢測工藝參數(shù)影響著復合材料的檢測圖像質(zhì)量，復合材料在最佳的檢測工藝參數(shù)下可以獲得高的清晰度、對比度和缺陷尺寸測量精度，從而有助于檢測質(zhì)量的評判。以碳纖維復合材料為試驗對象，研究了工業(yè)CT檢測工藝參數(shù)對其檢測圖像質(zhì)量的影響，獲得了最佳的檢測工藝參數(shù)。

工業(yè)CT；檢測工藝參數(shù)；復合材料；檢測圖像質(zhì)量

工業(yè)CT作為當今應(yīng)用最為廣泛的無損檢測方法之一[1]，在航空航天、核電、兵器、新材料研究等多個領(lǐng)域中都顯示出重要的地位[2]。其作為一種檢測手段，多用于檢測缺陷、測量尺寸、表征密度、分析結(jié)構(gòu)等方面[3-4]。

復合材料具有優(yōu)良的性能，在兵器、航空航天、汽車等領(lǐng)域發(fā)揮了巨大的作用，現(xiàn)代高科技的發(fā)展離不開復合材料[5]。復合材料結(jié)構(gòu)復雜且特殊，其內(nèi)部由于加工工藝或環(huán)境因素的影響會存在一些缺陷，其中分層缺陷最為常見且嚴重[6]，會影響復合材料的應(yīng)用，因此對其進行工業(yè)CT檢測顯得尤為重要[7]。

高的復合材料檢測圖像質(zhì)量有助于增加復合材料檢測評定的準確性、降低檢測成本以及提高檢測效率[8]，而工業(yè)CT的檢測工藝參數(shù)是影響復合材料檢測圖像質(zhì)量的關(guān)鍵因素[9]，筆者以碳纖維復合材料為試驗對象，從檢測圖像的清晰度、對比度和預制缺陷尺寸測量精度三方面分析工業(yè)CT檢測工藝參數(shù)對其檢測圖像質(zhì)量的影響，來確定最佳的檢測工藝參數(shù)。

1 試驗過程

1.1 試驗設(shè)備

試驗設(shè)備為德國依科視朗國際射線有限公司(YXLON)的X射線成像檢測系統(tǒng)。射線源采用Y.XST225小焦點射線源，最高管電壓為225 kV，焦點尺寸為0.8 mm；線陣探測器采用SEZ T3線陣探測器，密度分辨率≤0.3%，空間分辨率≤3 lp·mm-1。

1.2 試驗試樣

試驗試樣為由3個120°碳纖維扇形體拼接成的圓柱體結(jié)構(gòu)，外徑130 mm，內(nèi)徑20 mm，高75 mm。在其中一個扇形體表面精確機械加工三個溝槽模擬分層缺陷，尺寸(長×寬×高)分別為40 mm×1 mm×1 mm,20 mm×1 mm×3 mm和30 mm×1 mm×2 mm(分別命名為缺陷1,缺陷2和缺陷3)，缺陷底端與工件底端的距離分別為74，72，73 mm。

1.3 試驗條件

采用控制變量法對檢測工藝參數(shù)逐一進行確定，采用三代掃描方式，對距離工件底端74.5 mm的位置進行工業(yè)CT檢測。

1.4 射線源工藝參數(shù)對檢測圖像質(zhì)量的影響

射線源工藝參數(shù)包括檢測電壓和檢測電流。

1.4.1 檢測電壓對檢測圖像質(zhì)量的影響

進行檢測電壓與檢測圖像質(zhì)量的關(guān)系研究時，采用的檢測工藝參數(shù)見表1(表中SOD為射線源與被測工件之間的距離;SDD為射線源與探測器之間的距離)。

在如表1所示的檢測工藝參數(shù)下，對試樣進行工業(yè)CT檢測，得到不同檢測電壓下的二維斷層圖像,如圖1所示。

表1 檢測電壓與檢測圖像質(zhì)量關(guān)系研究時的檢測工藝參數(shù)

從圖1可看出,不同檢測電壓下均能檢測出試樣中的分層缺陷。通過觀察發(fā)現(xiàn)，隨著檢測電壓的增大(即放大倍數(shù)的減小)，檢測圖像分層缺陷的清晰度和對比度呈現(xiàn)先升高后降低的特點，說明檢測電壓大于一定值時，檢測圖像的對比度會有所下降。

分別測量不同檢測電壓下缺陷1的寬度尺寸(任取3個位置測量并取其結(jié)果的平均值)，與缺陷1的實際寬度尺寸進行比較并計算測量誤差，結(jié)果見表2。

圖1 不同檢測電壓下的試樣二維斷層圖像

檢測電壓/kV測量次數(shù)123平均值/mm實際值/mm測量誤差/%901.0351.0341.0361.0353.51001.0281.0311.0301.02912.91101.0311.0341.0311.0323.2

從表2可看出:檢測電壓為90 kV時，缺陷1寬度尺寸的測量誤差最大；檢測電壓為100 kV時，缺陷1寬度尺寸的測量誤差最小。

綜合分析可知：隨著檢測電壓的增大，檢測圖像缺陷的清晰度和對比度先升高后降低，缺陷尺寸測量精度也是先升高后降低；檢測電壓為100 kV時，檢測圖像質(zhì)量最好。

1.4.2 檢測電流對檢測圖像質(zhì)量的影響

前期試驗表明，當檢測電流大于2.7 mA時，探測器過度曝光。進行檢測電流與檢測圖像質(zhì)量的關(guān)系研究時，采用的檢測工藝參數(shù)見表3。

在如表3所示的檢測工藝參數(shù)下對試樣進行工業(yè)CT檢測，得到不同檢測電壓下的二維斷層圖像(見圖2)。

表3 檢測電流與檢測圖像質(zhì)量關(guān)系研究時的檢測工藝參數(shù)

從圖2可看出，不同檢測電流下均能檢測出試樣中的分層缺陷。通過觀察發(fā)現(xiàn)，隨著檢測電流的增大，檢測圖像分層缺陷的對比度越來越高。

分別測量不同檢測電流下缺陷2的寬度尺寸(任取3個位置測量并取其結(jié)果的平均值)，與缺陷2的實際寬度尺寸進行比較并計算測量誤差，結(jié)果見表4。

從表4可看出：檢測電流為2.3 mA時，缺陷2的寬度尺寸的測量誤差最大；檢測電流為2.7 mA時，缺陷2的寬度尺寸的測量誤差最小。

綜合分析可知，檢測電流越大，檢測圖像對比度越高，缺陷尺寸測量精度越高，檢測圖像質(zhì)量越好。

圖2 不同檢測電流下的試樣二維斷層圖像

檢測電流/mA測量次數(shù)123平均值/mm實際值/mm測量誤差/%2.31.0261.0231.0351.0282.82.51.0251.0281.0251.02612.62.71.0221.0261.0271.0252.5

1.5 機械系統(tǒng)工藝參數(shù)對檢測圖像質(zhì)量的影響

進行機械系統(tǒng)工藝參數(shù)與檢測圖像質(zhì)量的關(guān)系研究時，采用的檢測工藝參數(shù)見表5。

表5 機械系統(tǒng)工藝參數(shù)與檢測圖像質(zhì)量關(guān)系研究時的檢測工藝參數(shù)

在如表5所示的檢測工藝參數(shù)下，對試樣進行工業(yè)CT檢測，得到不同SOD下的二維斷層圖像(見圖3)。

從圖3可看出，不同機械系統(tǒng)工藝參數(shù)下均能檢測出試樣中的分層缺陷。通過觀察發(fā)現(xiàn)，隨著SOD的增大(即放大倍數(shù)的減小)，檢測圖像分層缺陷的清晰度和對比度越來越高。

分別測量不同SOD下缺陷3的寬度尺寸(任取3個位置測量并對其結(jié)果取平均值)，與缺陷3的實際寬度尺寸進行比較并計算測量誤差，結(jié)果見表6。

從表6可以看出，SOD為1 285 mm時，缺陷3寬度的測量誤差最大；SOD為1 335 mm時，缺陷3寬度的測量誤差最小。

圖3 不同SOD下的試樣二維斷層圖像

SOD/mm測量次數(shù)123平均值/mm實際值/mm測量誤差/%12851.0321.0281.0301.0303.013101.0251.0291.0311.02812.813351.0281.0261.0241.0262.6

圖4 不同探測器工藝參數(shù)組合下的試樣二維斷層圖像

綜合分析可知，SOD越大，即機械系統(tǒng)放大倍數(shù)越小，檢測圖像缺陷的清晰度和對比度越高，缺陷尺寸測量精度越高，檢測圖像質(zhì)量越好。

1.6 探測器工藝參數(shù)對檢測圖像質(zhì)量的影響

為使探測器不過度曝光，選擇積分時間為68 ms為最佳。進行探測器工藝參數(shù)與檢測圖像質(zhì)量的關(guān)系研究時，采用的檢測工藝參數(shù)見表7。

表7 探測器工藝參數(shù)與檢測圖像質(zhì)量關(guān)系研究時的檢測工藝參數(shù)

在如表7所示的檢測工藝參數(shù)下，對試樣進行工業(yè)CT檢測，得到不同探測器工藝參數(shù)組合下的二維斷層圖像(見圖4)。

從圖4可看出，不同探測器工藝參數(shù)下均能檢測出試樣中的分層缺陷。通過觀察發(fā)現(xiàn)，組合3下所得檢測圖像分層缺陷對比度最高，組合1下所得檢測圖像分層缺陷對比度最低，即探測器行合并數(shù)越大，檢測圖像缺陷對比度越高。

分別測量不同探測器工藝參數(shù)組合下缺陷2的寬度尺寸(任取3個斷層位置測量并取其結(jié)果的平均值)，與缺陷2實際寬度尺寸進行比較并計算測量誤差，結(jié)果見表8。

從表8可看出，組合1時缺陷2的寬度尺寸測量精度最低，組合3時缺陷2的寬度尺寸測量精度最高。

綜合分析可知，探測器行合并數(shù)越大，檢測圖像缺陷對比度越高，缺陷尺寸測量精度越高，檢測圖像質(zhì)量越好。但探測器行合并數(shù)越大，工業(yè)CT掃描時間越長，出于檢測成本與檢測效率的考慮，宜選擇探測器行合并數(shù)為6。

表8 不同探測器工藝參數(shù)組合下,缺陷2的寬度尺寸的測量結(jié)果和測量誤差

綜上所述，可得到最佳檢測工藝參數(shù)見表9。在該檢測工藝參數(shù)下可以獲得最高質(zhì)量的檢測圖像，從而有利于檢測結(jié)果的評判。

表9 最佳檢測工藝參數(shù)

2 結(jié)論

通過研究檢測工藝參數(shù)對檢測圖像質(zhì)量的影響，優(yōu)化了工業(yè)CT檢測系統(tǒng)檢測碳纖維復合材料試樣時的工藝參數(shù)，在該檢測工藝參數(shù)下可以獲得最佳的檢測圖像質(zhì)量，有利于提高檢測結(jié)果的評判準確性。

需要注意的是，在實際檢測試驗當中，考慮到檢測成本及檢測效率的問題，一般會在滿足檢測要求的情況下盡量減少檢測時間。文章目的在于探究檢測工藝參數(shù)對檢測圖像質(zhì)量的影響，從而獲取最佳的檢測工藝參數(shù)，平時檢測試驗時的檢測工藝參數(shù)可以以此為參考進行微調(diào)來滿足實際需求。

上述方法對其他復合材料工件最佳檢測工藝參數(shù)的獲取同樣具有指導作用。

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EffectofDetectionProcessParametersofICTtotheDetectionImageQualityofCompositeMaterial

DONG Fangxu, WANG Congke, ZHAO Fubao, FAN Limei, ZHANG Xia, ZHENG Suping

(CNGC Institute 53, Jinan 250031, China)

The detection process parameters of ICT affect the image quality of composite material. The detection result of the composite material under the optimal process parameters can be of high resolution, contrast and measurement accuracy of defect size. In this way, it can contribute to the evaluation of the detection quality. In this study, by taking the carbon fiber composite material as an example, the affection of detection process parameters of ICT to the detection image quality was investigated. The optimal detection process parameters have been obtained.

ICT; detection process parameter; composite material; detection image quality

TG115.28

A

1000-6656(2017)12-0015-05

2017-06-02

董方旭(1990-),男，碩士，研究方向為復合材料的X射線無損檢測

董方旭，anthony_0412@126.com

10.11973/wsjc201712004