工業CT知識大全

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  工業CT*概述

  CT即計算機斷層成像技術(Computed Tomography),它是與一般輻射成像完全不同的成像方法。而工業CT,簡稱ICT(Industrial Computed Tomography),號稱“工業神醫”,其工作原理類似醫用CT,能對工件進行斷層掃描,并進行數字處理,給出真實反映工件內部結構的斷層二維圖象,再經圖象處,給出三維立體透析圖象,從而直觀地反映出工件內部的結構,有無缺陷及損傷缺陷的準確位置。

  通常,一般輻射成像是將三維物體投影到二維平面成像,各層面影像重疊,造成相互干擾,不僅圖像模糊,而且損失了深度信息,不能滿足分析評價要求。CT是把被測體所檢測斷層孤立出來成像,避免了其余部分的干擾和影響,圖像質量高,能清晰、準確地展示所測部位內部的結構關系、物質組成及缺陷狀況,檢測效果是其它傳統的無損檢測方法所不及的。

  CT技術首先應用于醫學領域,形成了醫學CT(MCT)技術,其重要作用被評價為是醫學診斷上的**。CT技術成功應用于醫學領域后,美國率先將其引入到航天及其它工業部門,另一些發達國家相繼跟上,經過一段不長的時間,形成了CT技術的又一個分支—工業CT(Industrial Computed Tomography, ICT),其重要作用被評價是無損檢則領域的重大技術突破。

  CT技術(MCT和ICT)應用十分廣泛,醫用CT已為人們所熟知。工業CT的應用幾乎遍及所有產業領域,對航天、航空、兵工、部隊等顯得更為迫切。我國于 1993 年研制成功首臺可供實 用的工業 CT 機, 并于 1996 年為航天部門設計生產了主要用于航天商品檢測的首臺商用工業 CT 機, 現已開發出系列產品,其應用領域迅速擴大。

  因同出于CT技術,醫學CT和工業CT在基本原理和功能組成上是相同的,但因檢測對象不同,技術指標及系統結構就有較大差別。前者檢測對象是人體,單一而確定,性能指標及設備結構較規范,適于批量生產。工業CT檢測對象是工業產品,形狀、組成、尺寸及重量等千差萬別,而且測量要求不一,由此帶來技術上的復雜性及結構的多樣化,專用性較強。

  隨著制造業的迅速發展,對產品質量檢驗的要求越來越高,需要對越來越多的餓、關鍵、復雜部件甚至產品內部缺陷進行嚴格探傷和內部結構尺寸精確測量。傳統的檢測方法如超聲波檢測、射線照相檢測等測量方法已不能滿足要求。于是,許多先進的無損檢測技術被開發應用于檢測領域。工業CT技術便是其中的一種。

  工業CT(ICT)就是計算機層析照相或稱計算機斷層掃描成象。雖然層析成象有關理論的有關數學理論早在1971年由J.Radon提出,但只是在計算機出現后并與放射學科結合后才成為一門新的成象技術。在工業方面特別是無損檢測(NDT)與無損評價(NDE)領域更加顯示出其獨特之處。因此,國際無損檢測界把工業CT稱為*佳為檢測手段。進入80年代以來,國際上主要工業化國家已經把射線的ICT用于航空、航天、軍事、冶金、機械、石油、電力、地質、考古等部門的NDT和NDE,檢測對象有導彈、火箭發動機、軍用密封組件、核廢料、石油巖心、計算機芯片、精密鑄件與鍛件、汽車輪胎、陶瓷及高、復合材料、海關毒品、考古化石等。我國90年代也已逐步把ICT技術用于工業無損檢測領域。

  工業CT*工作原理

  電子計算機體層攝影(Computed tomography,簡稱CT)是近十年來發展迅速的電子計算機和X線相結合的一項新穎的診斷新技術。其原理是基于從多個投影數據應用計算機重建圖像的一種方法,現代斷層成像過程中僅僅采集通過特定剖面(被檢測對象的薄層,或稱為切片)的投影數據,用來重建該剖面的圖像,因此也就從根本上消除了傳統斷層成像的“焦平面”以外其他結構對感興趣剖面的干擾,“焦平面”內結構的對比度得到了明顯的增強;同時斷層圖像中圖像強度(灰度)數值能真正與被檢對象材料的輻射密度產生對應的關系,發現被檢對象內部輻射密度的微小變化。工業CT機一般由射線源、機械掃描系統、探測器系統、計算機系統和屏蔽設施等部分組成。其結構工作原理如圖1所示。 射線源提供CT掃描成象的能量線束用以穿透試件,根據射線在試件內的衰減情況實現以各點的衰減系數表征的CT圖象重建。與射線源緊密相關的前直準器用以將射線源發出的錐形射線束處理成扇形射束。后直準器用以屏蔽散射信號,改進接受數據質量。射線源常用X 射線機和直線加速器,統稱電子輻射發生器。

  電子回旋加速器從原則上說可以作CT 的射線源,但是因為強度低,幾乎沒有得到實際的應用。X 射線機的峰值射線能量和強度都是可調的,實際應用的峰值射線能量范圍從幾KeV 到450KeV;直線加速器的峰值射線能量一般不可調,實際應用的峰值射線能量范圍從1 ~16MeV,更高的能量雖可以達到,主要僅用于實驗。電子輻射發生器的共同優點是切斷電源以后就不再產生射線,這種內在的安全性對于工業現場使用是非常有益的。電子輻射發生器的焦點尺寸為幾微米到幾毫米。在高能電子束轉換為X 射線的過程中,僅有小部分能量轉換為X 射線,大部分能量都轉換成了熱,焦點尺寸越小,陽極靶上局部功率密度越大,局部溫度也越高。實際應用的功率是以陽極靶可以長期工作所能耐受的功率密度確定的。因此,小焦點乃至微焦點的的射線源的使用功率或*大電壓都要比大焦點的射線源低。電子輻射發生器的共同缺點是X 射線能譜的多色性,這種連續能譜的X 射線會引起衰減過程中的能譜硬化,導致各種與硬化相關的偽像。

  機械掃描系統實現CT掃描時試件的旋轉或平移,以及射線源——試件——探測器空間位置的調整,它包括機械實現部分及電器控制系統。 探測器系統用來測量穿過試件的射線信號,經放大和模數轉換后送進計算機進行圖象重建。ICT機一般使用數百個到上千個探測器,排列成線狀。探測器數量越多,每次采樣的點數也就越多,有利于縮短掃描時間、提高圖象分辨率。 計算機系統用于掃描過程控制、參數調整,完成圖象重建、顯示及處理等。 屏蔽設施用于射線安全防護,一般小型設備自帶屏蔽設施,大型設備則需在現場安裝屏蔽設施。

  工業CT*系統結構


  工業CT*組成及介紹

  工業CT系統的主要組成:

  1. 源系統 (X射線、伽瑪射線、加速器)

  伽瑪射線源:常用60Co、137Cs。能量特定 伽瑪射線源 但強度小,掃描時間長。 X光機射線源 光機射線源:包含X光管、高壓電源、 射線源 高壓控制系統、冷卻系統。檢測時間短、 圖象質量高。 直線加速器:包含加速管、高壓控制系統、 直線加速器 冷卻系統等。適用于高密度、大工件的檢 測。

  2. 探測器系統

  閃爍體光電倍增管探測器:輸出信號大, 閃爍體光電倍增管探測器 適用于γ射線源。 閃爍體光電二級管探測器:探測器組合密 閃爍體光電二級管探測器 度高、幾何效率高,目前*為常用。 氣體電離探測器:探測器之間一致性好, 氣體電離探測器 適用于三代掃描,但效率較低。

  3. 數據采傳系統

  數據采傳系統是探測器和計算機 之間的電路接口。這部分電路十分復 雜,構成了工業CT電子設備的主體。 其中關鍵技術之一是A/D轉換。

  4. 機械掃描、運動系統

  機械掃描系統包括:機械驅動軸、 試件轉臺、各種支架、底座、移動控 制系統(電機、編碼器、伺服放大器、 移位控制板等)。

  5. 圖像重建、分析系統

  該部分硬件由系統主板、專用控制板、 陣列處理器、顯示器、拷貝機等組成。 軟件包括系統軟件和應用軟件。應用 軟件應當完成三個功能:設置和校正CT重 建參數、控制掃描過程及實現CT數據同步 采集、完成圖像重建。

  工業CT*技術指標

  1、 掃描方式

  單束平移-旋轉方式;窄扇形束平移-旋轉方式;寬扇形束旋轉-旋轉方式;寬扇形束靜止-旋轉方式;螺旋掃描方式;動態空間掃描方式;電子束掃描方式。

  2、 機架孔徑

  機架孔徑越大越好。它影響著機架的傾角,一般CT機的機架孔徑在600—720mm范圍。

  3、 準直器

  準直器位于X線管的前方,由一些銅片、鋁片組成,可以大幅度地減少散射線的干擾,在計算機的控制下,控制準直器開口的寬度,從而決定掃描層的厚度。因此,準直器既可減少患者的放射劑量,又可提高圖像質量,還決定切層的厚度。

  在CT掃描機中準直器分為2種;一種是X線管側準直器,另一種是探測器側準直器,這兩個準直器必須精確地對準。

  X線管側準直器的設計很重要。因為X線管焦點的幾何投影有一個半影的作用,焦點越大,半影越大;焦點大時準直器的設計復雜,常采用多層準直器。探測器側準直器位于探測器的前方,用于減少散射線并限制切層厚度。

  準直器孔徑的尺寸決定了被檢體的切層厚度,常見CT機掃描所得厚度為2、3、5、8、10和13mm。準直器決定像素的厚度,但不能決定像素的長和寬。像素的長和寬同掃描野的尺寸、采樣間隔及計算軟件有關。

  4、 硬磁盤容量

  磁盤容量大小決定著對圖像數據的存儲量。一般在100到數百個兆比特(Mb)。

  5、 高對比分辨率

  它表示CT機在高對比情況下,對物體空間大小(幾何尺寸)的鑒別能力。該指標有兩種表示方式。即線對/厘米(LP/cm)和線徑/毫米(mm/mm)。

  6、 探測器數目

  總的來講,探測器的數目越多,掃描時間就越短,且收集的數據也越多,它直接影響著圖像質量的高低。

  7、 球管熱容量

  X線球管的熱容量大,表示承受的工作時間電流大,連續工作時間可延長,所以CT機所用X線球管的熱容量越大越好。標示單位有KHU和MHC。

  8、 球管焦點

  在CT掃描成像過程中,焦點小可提高圖像質量。CT所用X線球管有單焦點和雙焦點兩種。

  9、 掃描時間和掃描周期

  掃描周期通常包括掃描時間、數據采集系統的數據處理和恢復時間、掃描裝置重新定位時間等。

  除上述例舉的指標外,還有機架傾角、管電壓、管電流、探測器種類。機器功率、安裝面積、機房溫度要求等指標。掌握了這些技術指標,有利于對每臺CT機的性能進行比較評估或選購。

  工業CT*評價參數

  1、空間分辨率

  指CT圖像中能夠辨別*小物體 的能力。以分辨黑白相間條形帶的對數,即每 毫米線對數(lp/mm)表示。 影響該參數的因素有掃描像素數目大小、 探測器準直孔的寬度、采樣點間距、重建算法、 機械系統精度、X射線管焦點大小或γ源活性區 的大小、圖像數據校正與圖像重建算法等。

  2、密度分辨率

  密度分辨率又稱為系統靈 敏度,它表示能夠區分開的密度差別程度。 利用圖像的灰度去分辨被檢測物的材質, 通常以密度變化的百分比(%)表示相互 變化的關系。 提高密度分辨率的方法主要是合理選 擇源的能量,增加源的劑量,降低噪聲。

  密度分辨率與空間分辨率之間的關系

  在輻 射劑量一定的情況下,空間分辨率與密度分辨 率是矛盾的。密度分辨率越高,空間分辨率就 越低,兩者之積為一常數。在同一密度分辨率 的情況下,提高一倍空間分辨率就要減少1/2掃 描像素寬度,而輻射劑量則要增加8倍。所以, *高空間分辨率與*高密度分辨率均是分別測 到的,不可能在同一測試條件下兩者均得到*佳值。

  3、斷層厚度

  與空間分辨率密切相關,即 斷層厚度愈薄時,得到的空間分辨率愈 高。 影響斷層厚度的主要因素有準直器 寬度、探測器孔的寬度、采樣點間距和 重建算法等。

  4、檢測范圍

  說明能檢測的對象。如透射鋼的*大厚度、檢測工件的*大回轉直經, 檢測工件的*大高度或長度,能檢測工件 的*大重量等。它是區分工業CT大小的 標志。

  5、掃描檢測時間

  指掃取一個斷層花在掃描、數據采集上的時間,它決定了掃描的速度。

  6、圖像重建時間

  指重建圖像所需時間。

  7、輻射源的使用

  X射線源: 能量大小、工作電壓、工作電流、出束角度、焦點大小等。

  γ源:種類如60Co 、192Ir、137Cs,源強、活性區尺寸、直徑、長度。

  高能直線加速器: 這些參數都直接影響CT的檢測能力與檢測效率。 能量大小、出束角度、焦點尺寸等。

  工業CT*掃描方式

  按掃描獲取數據方式的不同,CT技術已發展經歷了五個階段,如圖1所示。

  **代CT(見圖1a),使用單源(一條射線)單探測器系統,系統相對于被檢物作平行步進式移動掃描以獲得N個投影值(I),被檢物則按M個分度作旋轉運動。這種掃描方式被檢物僅需轉動180度即可。**代CT機結構簡單、成本低、圖象清晰,但檢測效率低,在工業CT中則很少采用。

  第二代CT(見圖1b),是在**代CT基礎上發展起來的。使用單源小角度扇形射線束多探頭。射線扇形束角小、探測器數目少,因此扇束不能全包容被檢物斷層,其掃描運動除被檢物需作M個分度旋轉外,射線扇束與探測器陣列架一道相對于被檢物還需作平移運動,直至全部覆蓋被檢物,求得所需的成象數據為止。

  第三代CT(見圖1c),它是單射線源,具有大扇角、寬扇束、全包容被檢斷面的掃描方式。對應寬扇束有N個探測器,保證一次分度取得N個投影計數和I值,被檢物僅作M個分度旋轉運動。因此,第三代CT運動單一、好控制、效率高,理論上被檢物只需旋轉一周即可檢測一個斷面。

  第四代CT(見圖1d),也是一種大扇角全包容,只有旋轉運動的掃描方式,但它有相當多的探測器形成固定圓環,僅由輻射源轉動實現掃描。其特點是掃描速度快、成本高。

  第五代CT(見圖1e),是一種多源多探測器,用于實時檢測與生產控制系統,圖中是一種鋼管生產在線檢測與控制壁厚的CT系統。源與探測器按120度分布,工件與源到探測器間不作相對轉動,僅有管子沿軸向的快速分層運動。

  上述五種CT掃描方式,在ICT機中用得*普遍的是第二代與第三代掃描,其中尤以第三代掃描方式用得*多。這是因為它運動單一,易于控制,適合于被檢物回轉直徑不太大的中小型產品的檢測,且具有成本低,檢測效率高等優點。

  工業CT*與醫用CT的比較

  1、 技術指標側重的差異

  工業CT更強調空間分辨率、密度分辨率

  2、射線能量范圍的差異

  工業CT中射線的能量從十至數百千伏

  3、結構上的差異

  工業CT中被測工件亦作掃描運動

  4、檢測范圍的差異

  工業CT可完成:

  1). 缺陷檢測、定位與特性描述

  2). 各部件相對位置的確定

  3). 確定物體的密度梯度,評價均勻性

  4). 定量分析

  5). 動態在線檢測

  而醫學CT僅能完成其中1).2).兩項檢測

  工業CT*應用領域

  1、航空、航天等工業中精密工件內部結構的測量及其缺陷的檢測;

  2、 兵器工業中對**填充密度的檢測和武器關鍵部件的質量檢查;

  3、汽車工業中對關鍵零件的無損檢測;

  4、鋼鐵工業中產品的在線監控和質量檢測;

  5、鋼鐵工業中產品的在線監控和質量檢測;

  6、油鉆探中對巖芯的評估,鉆桿和管道的探傷;

  7、地質、考古中對樣品的評估;

  8、海關對違禁、走私物品的檢查。

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