左 欣，喬日東，倪培君，付 康，徐向群，齊子誠(chéng)

(中國(guó)兵器科學(xué)研究院寧波分院，寧波 315103)

在高溫高壓環(huán)境下工作的航空發(fā)動(dòng)機(jī)空心葉片對(duì)強(qiáng)度有很高的要求，因此葉片壁厚是航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的一個(gè)重要指標(biāo)，需要對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確地測(cè)量[1]。目前，葉片壁厚的測(cè)量方法主要有超聲測(cè)厚法、渦流掃描測(cè)量法、電磁霍爾效應(yīng)法等。葉片的復(fù)雜外形導(dǎo)致以上測(cè)量方法在實(shí)際應(yīng)用中均存在一定的局限性[2]。工業(yè)CT(電子計(jì)算機(jī)斷層掃描)為葉片壁厚的精確測(cè)量提供了一種很好的方法。線陣CT通過(guò)獲取葉片的截面，然后通過(guò)半高寬或半自動(dòng)測(cè)量法進(jìn)行測(cè)量，但一次只能實(shí)現(xiàn)對(duì)一個(gè)截面的測(cè)量，測(cè)量效率較低[3-4]。葉片的三維面陣CT檢測(cè)已有開(kāi)展，可以多方位表征葉片內(nèi)部的裂紋、殘芯等缺陷[5-6]，但應(yīng)用三維面陣CT對(duì)葉片壁厚進(jìn)行快速準(zhǔn)確測(cè)量的案例則較少。

對(duì)某葉片在不同電壓下進(jìn)行三維錐束掃描，接著對(duì)獲取的葉片三維體數(shù)據(jù)采用VG軟件提取邊界，研究了不同電壓對(duì)葉片三維成像后數(shù)據(jù)邊界提取的影響，并獲取了散射線校正前后的葉片邊界。找到了可提取清晰完整葉片邊界的合適工藝參數(shù)和方法，為葉片壁厚的自動(dòng)化測(cè)量創(chuàng)造了條件。

圖2 不同掃描電壓下的葉片截面成像(散射線未校正)

1 試驗(yàn)裝置

對(duì)某葉片的葉身部位進(jìn)行截?cái)?，加入校?zhǔn)過(guò)的量塊，量塊尺寸(厚度)分別為1.0，1.2，1.8 mm，然后重新黏合葉片，量塊加入位置如圖1所示。試驗(yàn)采用GE公司的小焦點(diǎn)、最大電壓為450 kV的Phoenix v|tome|x c型設(shè)備，對(duì)黏合后的葉片進(jìn)行CT檢測(cè)，考慮到較低的電壓無(wú)法穿透葉片，因此設(shè)置最低掃描電壓為300 kV，同時(shí)受到設(shè)備功率的限制，將電流設(shè)置為1 400 μA。掃描張數(shù)越多，圖像質(zhì)量越精細(xì)，為保證圖像的精細(xì)度，排除因掃描張數(shù)過(guò)少而造成圖像質(zhì)量下降的情況，將掃描張數(shù)設(shè)置為1 600。此外，三維面陣CT的整個(gè)面板都能接收到來(lái)自被照射物體及其周邊產(chǎn)生的大量散射線，這樣會(huì)極大地降低圖像質(zhì)量，整個(gè)背景噪聲會(huì)被提高很多，過(guò)多的散射線使重建的圖像偏離實(shí)際，導(dǎo)致葉片壁厚較薄部位與空氣背景的邊界識(shí)別出現(xiàn)較大偏差，因此，文章將散射線校正作為重要因素予以考慮。具體掃描參數(shù)如下：掃描電壓分別設(shè)置為300 kV,350 kV,400 kV,430 kV;掃描電流為1 400 μA;曝光時(shí)間為500 ms;平均次數(shù)為2次;圖像像素尺寸為86.3 μm;掃描張數(shù)為1 600張，檢測(cè)參數(shù)見(jiàn)表1。選取電壓為400 kV和430 kV的2組數(shù)據(jù)進(jìn)行了散射線校正。通過(guò)2次掃描，其中一次正常掃描，另一次將鉛球擋板放置在探測(cè)器前進(jìn)行掃描，然后通過(guò)軟件計(jì)算各個(gè)鉛球位置的散射值，再把2次數(shù)據(jù)相減得到校正值，最后生成散射線校正后的數(shù)據(jù)。對(duì)獲取的圖像數(shù)據(jù)，采用軟件VGStudio MAX2.2提取其邊界，首先識(shí)別灰度直方圖中的空氣背景和材料的灰度峰值，然后取兩者的平均值作為等值面，確定邊界。

圖1 量塊加入位置示意

表1 葉片檢測(cè)參數(shù)

2 結(jié)果與分析

2.1 電壓對(duì)邊界提取的影響

對(duì)于復(fù)雜形狀的葉片，提高CT檢測(cè)電壓，可以抑制成像過(guò)程中的噪聲以及校正射線束的硬化，提高成像信噪比，進(jìn)而獲得高質(zhì)量的圖像[7-8]。不同掃描電壓下的葉片截面成像(散射線未校正)如圖2所示，不同掃描電壓下的葉片邊界提取結(jié)果(散射線未校正)如圖3所示。

對(duì)比圖2和圖3可知，4種不同電壓下均有部分邊界無(wú)法完全識(shí)別，但隨著電壓的升高，提取邊界與葉片實(shí)際邊界的一致性逐漸提高。在較低電壓下，提取的邊界彎曲，不光滑，存在畸變，與葉片實(shí)際邊界存在較大的偏差；提高電壓后，提取的邊界與實(shí)際邊界的一致性也得到提高。

圖3 不同掃描電壓下的葉片邊界提取結(jié)果(散射線未校正)

2.2 散射線校正對(duì)邊界提取的影響

三維錐束成像中散射線對(duì)圖像的質(zhì)量影響很大，散射線不僅與周圍的環(huán)境有關(guān)，還與被檢物體的形狀結(jié)構(gòu)有關(guān)[9-15]，散射線對(duì)復(fù)雜形狀的葉片成像影響特別嚴(yán)重。康普頓效應(yīng)和光電效應(yīng)均會(huì)造成X射線的散射，散射線使探測(cè)器探測(cè)到的信號(hào)值偏離射線強(qiáng)度的真實(shí)值，從而導(dǎo)致圖像的對(duì)比度降低，嚴(yán)重的散射會(huì)在圖像上產(chǎn)生陰影，影響圖像邊界的識(shí)別。為了驗(yàn)證散射線對(duì)葉片掃描圖像的影響，進(jìn)行了散射線校正前后的圖像對(duì)比試驗(yàn)。

400 kV掃描電壓下散射線校正前后的邊界提取圖像如圖4所示。與散射線校正后的邊界提取圖像對(duì)比，未經(jīng)散射線校正的圖像，邊界提取不完整，葉盆較薄部位的邊界無(wú)法識(shí)別，邊界發(fā)生中斷；而經(jīng)過(guò)散射線校正后的圖像，其背景清晰，可以識(shí)別完整清晰的邊界，圖像質(zhì)量較校正前得到明顯提高。

圖4 400 kV掃描電壓下散射線校正前后的邊界提取圖像

圖5 430 kV掃描電壓下散射線校正前后的邊界提取圖像

430 kV掃描電壓下散射線校正前后的邊界提取圖像如圖5所示，與400 kV的掃描電壓圖像對(duì)比，未經(jīng)散射線校正的提取邊界仍存在斷續(xù)，但斷續(xù)部分有所減少，提高電壓對(duì)邊界提取情況有所改善，但改善較小;經(jīng)過(guò)校正后的圖像提取的邊界完整清晰，即相對(duì)于電壓而言，散射線對(duì)圖像質(zhì)量的影響更大，在保證電壓能夠穿透物體的情況下，校正散射線更為重要。經(jīng)過(guò)散射線校正的圖像質(zhì)量明顯變好，可以一次提取完整的邊界，滿足自動(dòng)測(cè)量的條件。

2.3 邊界提取尺寸測(cè)量結(jié)果驗(yàn)證

在經(jīng)過(guò)散射線校正，可以完整地提取葉片邊界后，對(duì)葉片中加入的3種尺寸的量塊提取邊界后進(jìn)行多次測(cè)量，驗(yàn)證依據(jù)邊界測(cè)量的數(shù)據(jù)與實(shí)際尺寸的一致性，掃描電壓為400 kV與430 kV的測(cè)量數(shù)據(jù)分別如表2，3所示，量塊尺寸測(cè)量方法如圖6所示。

表2 400 kV掃描電壓下量塊的測(cè)量數(shù)據(jù) mm

表3 430 kV掃描電壓下量塊的測(cè)量數(shù)據(jù) mm

圖6 2組電壓下量塊尺寸測(cè)量方法示意

觀察測(cè)量結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，多次重復(fù)測(cè)量的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)很好的穩(wěn)定性，其中400 kV下1.2 mm量塊3次測(cè)量結(jié)果的最大偏差為0.02 mm，可能是選點(diǎn)的偏差造成的。3種量塊的測(cè)量結(jié)果顯示，其中1.0 mm量塊與實(shí)際校正值最為接近，1.8 mm量塊與實(shí)際校正值偏差0.08 mm，1.2 mm量塊與實(shí)際校正值偏差較其他兩個(gè)量塊的偏差值稍大，最大偏差為0.14 mm。

由表3可知，1.0 mm量塊與實(shí)際校正值偏差0.02 mm；1.2 mm量塊與實(shí)際校正值偏差0.13 mm，1.8 mm量塊與實(shí)際校正值偏差0.07 mm，1.2 mm量塊與實(shí)際校正值偏差較其他兩個(gè)量塊的偏差值稍大。比較400 kV和430 kV的測(cè)量結(jié)果，2組不同實(shí)驗(yàn)參數(shù)下的3個(gè)不同量塊的測(cè)量值均很接近。偏差值較大的為1.2 mm量塊，可能因?yàn)槿~片形狀導(dǎo)致不同位置的射線衰減不同，最終影響測(cè)量結(jié)果。試驗(yàn)中選擇將3個(gè)量塊放置在葉盆與葉背的不同部位，模擬了實(shí)際檢測(cè)中葉片各部位的衰減情況，驗(yàn)證了不同位置的衰減不同，可能會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)偏差的結(jié)論。

3 結(jié)論

(1) 在300 kV，350 kV，400 kV，430 kV等4組不同電壓下對(duì)葉片進(jìn)行掃描，較低電壓下葉片提取的邊界有少量變形，與實(shí)際邊界不符，隨著電壓的逐步提高，葉片的邊緣清晰度逐漸提高，與實(shí)際邊界的吻合度也得到提高。

(2) 對(duì)比了400 kV和430 kV掃描電壓下散射線校正前后的圖像，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)散射線校正的圖像質(zhì)量大為提高，可以提取完整清晰的邊界，可以為葉片壁厚的自動(dòng)測(cè)量創(chuàng)造條件。

(3) 對(duì)經(jīng)過(guò)散射線校正后可以提取完整清晰邊界的葉片中的量塊進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果與實(shí)際校準(zhǔn)值能較好吻合。