桌面型工業(yè)CT設(shè)備的研制及其在檢測(cè)方面的應(yīng)用

劉成勛 郝兵 呂益良 王學(xué)義 丁衛(wèi)良

摘 要：面向精密電子、生命科學(xué)、材料應(yīng)用等科研應(yīng)用領(lǐng)域，利用新型成像技術(shù)，通過進(jìn)行桌面型CT無損檢測(cè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、精密機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集及圖像處理軟件研發(fā)、錐束三維圖像快速重建技術(shù)的研發(fā)，人們研制出一種體積小、重量輕、便于安放的新型工業(yè)CT設(shè)備。本文介紹了桌面型工業(yè)CT設(shè)備的結(jié)構(gòu)組成及功能特點(diǎn)，并展示了其在電纜組件器件檢測(cè)方面的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：桌面型工業(yè)CT;錐束CT;無損檢測(cè)

中圖分類號(hào)：TH878文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）17-0050-03

Development and Application in Detection of Desktop Industrial

CT Equipment

LIU Chengxun HAO Bing LYU Yiliang WANG Xueyi DING Weiliang

（Luoyang CITIC Imaging Intelligent Technology Co.， Ltd.，Luoyang Henan 471000）

Abstract： Facing scientific research and application fields such as precision electronics， life sciences， materials applications， etc.， using new imaging technology， through desktop CT nondestructive testing control system design， precision mechanical system design， data acquisition and image processing software development， cone beam 3D image rapid reconstruction technology R & D， people have developed a new type of industrial CT equipment that is small， light and easy to place. This paper introduced the structure and functional characteristics of desktop industrial CT equipment， and showed its application in the detection of cable assembly devices.

Keywords： desktop industrial CT;cone-beam CT;nondestructive testing

工業(yè)新型成像技術(shù)是核物理學(xué)、電子學(xué)、精密機(jī)械設(shè)計(jì)與制造、應(yīng)用數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等多學(xué)科交叉融合的高新技術(shù)，其技術(shù)特點(diǎn)是利用錐束CT（Cone-beam CT，CBCT）掃描，能夠清晰、準(zhǔn)確地再現(xiàn)物體高分辨率和各向同性的三維立體結(jié)構(gòu)，其原理是通過微焦點(diǎn)的錐形束光源、高分辨率的平板探測(cè)器和精密機(jī)電一體化物理平臺(tái)獲取原始數(shù)據(jù)，采用新的成像理論支撐的圖像算法重建，形成高精度的三維結(jié)構(gòu)信息，為無損快速精確地檢測(cè)分析物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)情況提供可靠的依據(jù)，近些年被廣泛應(yīng)用于精密鑄件檢測(cè)、醫(yī)療診斷、航空航天等領(lǐng)域[1-3]。

桌面型工業(yè)CT設(shè)備是利用新型成像技術(shù)，面向精密電子、生命科學(xué)、材料應(yīng)用等科研應(yīng)用領(lǐng)域，通過進(jìn)行桌面型CT無損檢測(cè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、精密機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集及圖像處理軟件研發(fā)、錐束三維圖像快速重建技術(shù)的研發(fā)，研制出的一種體積小、重量輕、便于安放的新型工業(yè)CT設(shè)備，能夠滿足國內(nèi)各大高校實(shí)驗(yàn)室、科研機(jī)構(gòu)、大型國企及上市公司試驗(yàn)檢測(cè)需求。

1 桌面型CT設(shè)備的結(jié)構(gòu)組成

桌面型CT系統(tǒng)主要由X射線源、探測(cè)器采集與數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)等組成，如圖1所示。X射線源發(fā)出錐束X射線穿過被檢測(cè)物體，探測(cè)器采集投影后的數(shù)據(jù)并通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)進(jìn)行傳輸，軟件系統(tǒng)在接到傳輸數(shù)據(jù)后進(jìn)行數(shù)據(jù)圖像校正、圖像處理及重建，最終可以得到高分辨率的三維重建圖像。

1.1 X射線源

X射線源主要由高壓發(fā)生器、電子管、靶材料、安全連鎖裝置等構(gòu)成，高壓發(fā)生器通電時(shí)產(chǎn)生高壓，鎢絲在高溫加熱下產(chǎn)生電子，電子被高壓加速，然后加速電子轟擊靶材料產(chǎn)生具有連續(xù)能譜的X射線[4]。射線源采取多級(jí)聯(lián)鎖措施，以保證人員和周圍環(huán)境的安全。

1.2 探測(cè)器采集與數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

探測(cè)器采集與數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)主要由探測(cè)器和數(shù)據(jù)采集兩部分組成。探測(cè)器是一種換能器，它將包含被測(cè)體內(nèi)部物理信息的輻射轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，提供給后面的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)做再處理。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用以獲取和采集信號(hào)，它將探測(cè)器獲得的信號(hào)進(jìn)行必要的轉(zhuǎn)換、采集、處理和存儲(chǔ)，以供圖像重建之用。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是CT系統(tǒng)的關(guān)鍵組成之一，評(píng)估數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要性能參數(shù)包括：信噪比、穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)范圍、采集速度以及一致性等。

1.3 機(jī)械系統(tǒng)

機(jī)械掃描運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)提供CT系統(tǒng)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，提供光源、探測(cè)器系統(tǒng)及被測(cè)物體的安裝載體和空間位置，并為CT系統(tǒng)提供所需掃描檢測(cè)的多自由度、高精度的運(yùn)動(dòng)功能。

研制CT系統(tǒng)的機(jī)械掃描運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)主要包括光學(xué)平臺(tái)、電控平移臺(tái)、電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)以及一些安裝輔助零件。光學(xué)平臺(tái)作為整個(gè)CT系統(tǒng)的載體，電控平移臺(tái)實(shí)現(xiàn)光源、探測(cè)器和被測(cè)物體的平移，電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)被測(cè)物體的轉(zhuǎn)動(dòng)。

1.4 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)決定了CT系統(tǒng)的控制功能，它實(shí)現(xiàn)了對(duì)掃描檢測(cè)過程中機(jī)械運(yùn)動(dòng)的精確定位控制、系統(tǒng)的邏輯控制、時(shí)序控制以及檢測(cè)工作流程的順序控制和系統(tǒng)各部分協(xié)調(diào)，并擔(dān)負(fù)系統(tǒng)的安全聯(lián)鎖控制。研制CT的控制系統(tǒng)內(nèi)含控制器和驅(qū)動(dòng)器，可以實(shí)現(xiàn)開環(huán)控制或閉環(huán)控制，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)細(xì)分功能，提供平滑的步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。

1.5 軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)的硬件包括系統(tǒng)控制站、圖像重建與檢查站、VG專用工作站、打印機(jī)、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等硬件設(shè)備，各工作站在Windows操作系統(tǒng)下完成掃描數(shù)據(jù)處理工作。

軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行操作和被檢工件圖像重建、圖像處理、分析、測(cè)量、圖像數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理功能。其主要包括圖像控制軟件、圖像校正與重建軟件、圖像檢查軟件、三維可視化分析軟件。其中，圖像控制軟件主要實(shí)現(xiàn)掃描過程控制、數(shù)據(jù)采集、分系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)與安全聯(lián)鎖狀態(tài)監(jiān)控等功能;圖像校正與重建軟件實(shí)現(xiàn)掃描數(shù)據(jù)校正及DR、CT圖像重建功能;圖像檢查軟件主要實(shí)現(xiàn)圖像多種視窗顯示、正反像顯示、偽彩色顯示、圖像整體縮放、分析測(cè)量、標(biāo)記功能等功能。三維可視化分析軟件主要實(shí)現(xiàn)對(duì)CT圖像的三維顯示及分析等功能。

2 桌面型工業(yè)CT設(shè)備的功能及特點(diǎn)

研制的桌面型工業(yè)CT設(shè)備采用簡潔、緊湊的設(shè)計(jì)理念，將射線源、探測(cè)器、高精度機(jī)械轉(zhuǎn)臺(tái)、控制系統(tǒng)等進(jìn)行高度的集成，樣機(jī)如圖2所示。

圖2 桌面型工業(yè)CT設(shè)備

桌面型工業(yè)CT設(shè)備體積小，重量輕，可以安放在一般的桌面上，自帶防輻射安全箱體，可應(yīng)用于小尺寸樣品和原位試驗(yàn)，可以進(jìn)行圖像校正、圖像處理、三維圖像重建，支持尺寸測(cè)量、孔隙度分析、壁厚分析、缺陷檢測(cè)等真三維檢測(cè)，可以在最小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)高性能和高靈活性，具體功能如下。

2.1 DR成像

該掃描方式下，可進(jìn)行產(chǎn)品的快速高效數(shù)字化檢測(cè)，或利用DR確定缺陷在某一切面的位置，以便在該位置進(jìn)行CT掃描成像。

2.2 Ⅲ代掃描CT成像

該掃描方式下，被檢測(cè)產(chǎn)品隨夾具在水平方向上只做360°旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，用于對(duì)產(chǎn)品整體進(jìn)行精細(xì)快速三維檢測(cè)，不僅掃描效率高，而且檢測(cè)效果分辨率且各向同性。

2.3 數(shù)據(jù)校正

可對(duì)幾何偽影、硬化偽影、散射偽影等進(jìn)行校正，提高圖像質(zhì)量。

2.4 三維重建與圖像顯示

利用掃描的CT投影數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建，得到物體內(nèi)部的真三維圖像，可實(shí)現(xiàn)任意方向剖切、剝離、旋轉(zhuǎn)、對(duì)比度調(diào)整、內(nèi)部結(jié)構(gòu)顯示及表面顯示等功能。

2.5 圖像分析與測(cè)量

配套應(yīng)用分析軟件，支持尺寸測(cè)量、孔隙度分析、壁厚分析、缺陷檢測(cè)等真三維檢測(cè)。

3 桌面型CT設(shè)備在檢測(cè)方面的應(yīng)用

為保證產(chǎn)品質(zhì)量，在產(chǎn)品的試制階段或者生產(chǎn)流程的早期進(jìn)行缺陷檢測(cè)是很有必要的。根據(jù)某公司的實(shí)際需求，本研究運(yùn)用桌面型工業(yè)CT設(shè)備對(duì)其生產(chǎn)的電纜組件（見圖3）進(jìn)行了DR射線檢測(cè)，最終發(fā)現(xiàn)了電纜組件中存在的缺陷并進(jìn)行了缺陷特征的說明。具體缺陷包括焊瘤、單個(gè)氣泡直徑超標(biāo)、氣泡面積超標(biāo)、電纜爬錫長度超標(biāo)，如圖4至圖7所示。

結(jié)論

本文主要介紹了桌面型工業(yè)CT設(shè)備的原理、結(jié)構(gòu)組成、功能及特點(diǎn)，并展示了其在電纜組件器件檢測(cè)方面的實(shí)際應(yīng)用效果。從檢測(cè)結(jié)果可以看出，此桌面型工業(yè)CT設(shè)備能夠在無損狀態(tài)下準(zhǔn)確地顯示被檢件的缺陷信息，能夠?yàn)橄嚓P(guān)器件的無損檢測(cè)提供可靠的技術(shù)支持。

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