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(中國(guó)兵器科學(xué)研究院寧波分院，寧波 315103)

工業(yè)CT檢測(cè)中主要工藝參數(shù)定量取值方法

張維國(guó),倪培君,王曉艷,齊子誠(chéng),唐盛明

(中國(guó)兵器科學(xué)研究院寧波分院，寧波 315103)

工業(yè)CT作為一種先進(jìn)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，應(yīng)用范圍已越來(lái)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?yàn)橛布鋫涞牟煌?，工藝參?shù)也有很大差別?，F(xiàn)行的工業(yè)CT標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)主要工藝參數(shù)的取值給出了指導(dǎo)性原則，但沒(méi)有給出定量取值方法而導(dǎo)致操作不便。從檢測(cè)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(cè)工藝的編寫(xiě)，并用實(shí)例給出了操作過(guò)程，并對(duì)方法的正確性進(jìn)行了驗(yàn)證。

工業(yè)CT; 工藝參數(shù);定量

工業(yè)CT作為一種先進(jìn)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，已被廣泛應(yīng)用于航天、航空、兵器、汽車(chē)、考古、地質(zhì)等多個(gè)行業(yè)領(lǐng)域[1-2]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)已安裝的工業(yè)CT系統(tǒng)已超過(guò)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(cè)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(diǎn)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(hào)、使用的探測(cè)器種類(lèi)、掃描裝置及射線源種類(lèi)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(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)于工業(yè)CT參數(shù)的取值都給出了一些指導(dǎo)性原則，但很少給出定量取值方法。筆者從檢測(cè)需求出發(fā)，依據(jù)采樣理論分別給出CT檢測(cè)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(cè)中，CT圖像質(zhì)量與檢測(cè)時(shí)間及系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)是相關(guān)的。因此檢測(cè)過(guò)程必須要以檢測(cè)需求為基礎(chǔ)，制定其他相關(guān)的工藝參數(shù)。

在檢測(cè)前，需要了解以下的信息。

檢測(cè)設(shè)備信息：射線源焦點(diǎn)尺寸a，探測(cè)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(cè)目的，常見(jiàn)的檢測(cè)目的有缺陷檢測(cè)、尺寸測(cè)量、密度表征、結(jié)構(gòu)分析等。對(duì)于缺陷檢測(cè)，要確定需要檢出的最小缺陷尺寸Defmin。

1.2 轉(zhuǎn)臺(tái)位置

對(duì)于轉(zhuǎn)臺(tái)位置可以沿射線平行方向移動(dòng)的系統(tǒng)，源到探測(cè)器距離SDD不變，源到轉(zhuǎn)臺(tái)中心距離SOD是可變的。轉(zhuǎn)臺(tái)位置確定了有效射束寬度，轉(zhuǎn)臺(tái)的位置應(yīng)該在最佳放大倍數(shù)Mopt位置，見(jiàn)式(1)。

從式(1)可以看出，d?a時(shí)，Mopt≈1，此時(shí)轉(zhuǎn)臺(tái)的最佳位置越靠近探測(cè)器越好，其主要受轉(zhuǎn)臺(tái)尺寸限制。d?a時(shí)，Mopt很大，此時(shí)轉(zhuǎn)臺(tái)的位置越靠近射線源，分辨率越高，其主要受轉(zhuǎn)臺(tái)尺寸、試樣尺寸和面板尺寸限制，目前微焦面陣探測(cè)器CT多工作在此模式下。需要注意的是微焦射線源的焦點(diǎn)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(huì)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(cè)時(shí)應(yīng)防止試樣未擺放到轉(zhuǎn)臺(tái)中心，造成CT圖像沒(méi)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(lái)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(xì)，能描述的空間分辨率越高。

像元尺寸p用公式(3)計(jì)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(lái)，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(dá)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(xì)節(jié)的分辨率，而且還需要更多的硬盤(pán)和內(nèi)存開(kāi)銷(xiāo)。

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

1.4 焦點(diǎn)尺寸

對(duì)于焦點(diǎn)尺寸可以選擇的X射線源，小焦點(diǎn)具有更高的空間分辨率，但小焦點(diǎn)因?yàn)樯釂?wèn)題，功率較小，射線強(qiáng)度弱，探測(cè)器采樣需要更長(zhǎng)的積分時(shí)間。對(duì)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(diǎn)同時(shí)也變大。因此應(yīng)在保證穿透性和射線強(qiáng)度的前提下，盡量使用小焦點(diǎn)。

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(qiáng)度占入射射線強(qiáng)度的10%～20%時(shí)，信噪比最好的結(jié)論。當(dāng)穿透射線強(qiáng)度太低，會(huì)造成噪聲增加，信噪比降低；當(dāng)穿透射線強(qiáng)度太高時(shí)，信號(hào)對(duì)比度降低，信噪比也降低。也就是說(shuō)大約穿透2～3個(gè)半值層時(shí)，信噪比最佳。

掃描電流確定射線強(qiáng)度，在探測(cè)器的線形階段，射線強(qiáng)度越高，信噪比越大。因此在保證探測(cè)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(duì)于三代掃描模式，在采樣過(guò)程中，探測(cè)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(wèn)題。

式中：M為放大倍數(shù)。

從公式(5)可推導(dǎo)出公式(6)。

而探測(cè)器通道間隔受到了探測(cè)器硬件成本的限制，因此很多CT系統(tǒng)通過(guò)機(jī)械系統(tǒng)微動(dòng)，增加掃描次數(shù)來(lái)增加徑向采樣頻率，提高空間分辨率。 其是用增加檢測(cè)時(shí)間來(lái)?yè)Q取檢測(cè)精度的方法。

1.7 切片厚度

對(duì)于線陣探測(cè)器，切片厚度h由后準(zhǔn)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(duì)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(shí)間

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

2 實(shí)例分析

2.1 試樣信息

采用小孔試片進(jìn)行實(shí)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(lèi)人工通孔，每類(lèi)沿徑向分布3個(gè)。

2.2 檢測(cè)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(jìn)行檢測(cè)。

設(shè)備的加速器能量為6 MeV；焦點(diǎn)尺寸為標(biāo)稱(chēng)2 mm；探測(cè)器608通道，垂直準(zhǔn)直器開(kāi)口0.3 mm，通道間隔1.3 mm，水平準(zhǔn)直器0.25～5 mm可調(diào)。源到探測(cè)器距離(SDD)為3 421.6 mm；源到轉(zhuǎn)臺(tái)中心距離(SOD)為2 639.4～3 019.4 mm。

2.3 檢測(cè)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(jī)械系統(tǒng)限制，選擇SOD=3 019.4 mm，此時(shí)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(xiàng)為1 024,故重建矩陣選擇1 024×1 024。

(4) 該系統(tǒng)為單焦點(diǎn)，焦點(diǎn)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(dòng)次數(shù)是IPT6110設(shè)備專(zhuān)用工藝參數(shù)，其用掃描時(shí)間補(bǔ)充了探測(cè)器數(shù)量。系統(tǒng)設(shè)置選項(xiàng)為2,5,10次，5次微動(dòng)后可以保證采樣頻率小于0.2 mm[由(1.3-0.3)/5計(jì)算得出],故選擇5次微動(dòng)。

(9) 轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速為IPT6110設(shè)備專(zhuān)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(shí)，采樣幅數(shù)與轉(zhuǎn)臺(tái)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(dāng)前條件，設(shè)置為170 Hz，因此轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速為5 r·min-1。

(10) 掃描部位通過(guò)在DR圖像上的實(shí)測(cè)來(lái)確定，掃描層數(shù)為1層。

2.5 檢測(cè)結(jié)果

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

2.6 討論

CT圖像質(zhì)量通常采用空間分辨率，對(duì)比度靈敏度和偽像3個(gè)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)。文章使用小孔模擬缺陷的討論主要針對(duì)空間分辨率指標(biāo)。

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

實(shí)際上，缺陷尤其是小缺陷能否檢測(cè)出來(lái)，還很大程度地依賴(lài)于系統(tǒng)的對(duì)比度靈敏度。通過(guò)增加采樣幅數(shù)、微動(dòng)次數(shù)、切片厚度、掃描電流等降低噪聲、增加對(duì)比度靈敏度的手段對(duì)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(dòng)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(cè)時(shí)間增加了5倍，可見(jiàn)該檢測(cè)質(zhì)量是靠犧牲檢測(cè)效率來(lái)得到的。

3 結(jié)論

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

[1] 張祥春,張鷺,王俊濤.工業(yè)CT技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)單晶葉片壁厚測(cè)量中的應(yīng)用[J].無(wú)損檢測(cè),2015,37(2):20-22.

[2] 蔣紹青,欒傳彬,滿月娥,等. 工業(yè)CT在大型復(fù)雜機(jī)匣檢測(cè)中的應(yīng)用[J].無(wú)損檢測(cè)2017,39(2):18-21.

[3] ASTM E 1441-2011 Standard guide for computed tomography (CT) imaging[S].

[4] ASTM E 1570-2011 Standard praactice for computed tomography (CT) examination [S].

[5] ISO/DIS 15708-1-2016 Non-destructive testing-radiation methods-computed tomography-part1: principle,equipment and samples[S].

[6] GJB 5312-2004 工業(yè)射線層析成像(CT)檢測(cè)[S].

[7] GB/T 29070-2012 無(wú)損檢測(cè) 工業(yè)CT 檢測(cè)通用要求[S].

[8] GB/T 29071-2012 無(wú)損檢測(cè) 火工裝置的工業(yè)CT 檢測(cè)方法[S].

[9] 何凱，晏磊, 趙紅穎.基于人眼視覺(jué)分辨力的數(shù)字影像質(zhì)量評(píng)價(jià)方法研究[J].北京郵電大學(xué)學(xué)報(bào),2005,28(S1):127-131.

[10] 曾明，張建勛,王湘暉,等.基于視覺(jué)特性和復(fù)雜度加權(quán)處理的圖像增強(qiáng)新算法[J].光電子激光,2005,16(3):363-367.

[11] KARUNSEKERA S A, KINGSBURY N K. A distortion measure for blocking artifacts in image based on human visual sensitivity[J].IEEE Transactions on Image Processing,1995,4(6):173-176.

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(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61471411)；浙江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(LQ15E010003)

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

張維國(guó)，zwg1972@163.com

10.11973/wsjc201712002