工业CT技术

工业CT指标的含义
检测范围:主要说明该CT系统的检测对象。如能透射钢的最大厚度,检测工件的最大回转直径,检测工件的最大高度或长度,检测工件的最大重量等。
使用的射线源:射线能量大小、工作电压、工作电流及焦点尺寸。射线能量的大小决定了穿透等效钢厚度的能力。
扫描模式:常用的CT扫描模式有II代扫描、III代扫描。III代扫描具有更高的效率,所扫描物体尺寸受探测器大小限制;II代扫描效率大约是III代扫描的1/10~1/5,但其对大回转直径工件检测有益。此外CT系统通常会具备数字射线检测成像(DR)功能。
扫描检测时间:指扫描一个典型断层数据(如图像矩阵1024×1024)所需要的时间。
图像重建时间:指重建图像所需的时间。由于现代计算机的运行速度较快,所以扫描结束后,几乎是立即就能把重建图像显示出来,一般不超过3s。
分辨能力:是一套工业CT系统的核心性能指标,包括:
* 空间分辨率:是指从CT图像中能够辨别最小结构细节的能力。
* 密度分辨率:是指从CT图像中能够分辨出最小密度差异的能力(通常跟特征区域大小结合在一起评定)。
* 空间分辨率与密度分辨率的关系。在辐射剂量一定的情况下,空间分辨率与密度分辨率是相互矛盾的两个指标。提高空间分辨率会降低密度分辨率,反之亦然。
对于一套普通的工业CT系统,其核心性能指标只有空间分辨率和密度分辨率;而对于一台高精度测量工业CT系统而言,除了上述两个核心性能指标外,还有另外两个核心性能指标:
* 几何测量精度:是指在CT图像上测得某对象的几何尺寸与该对象真实尺寸之间的绝对误差。
* 密度测量精度:是指在CT图像上测得某对象的密度值与该对象真实密度值之间的相对误差。
什么是工业CT
工业CT是工业用计算机断层成像技术的简称,它能在对检测物体无损伤条件下,以二维断层图像或三维立体图像的形式,清晰、准确、直观地展示被检测物体内部的结构、组成、材质及缺损状况,被誉为当今最佳无损检测和无损评估技术。工业CT技术涉及了核物理学、微电子学、光电子技术、仪器仪表、精密机械与控制、计算机图像处理与模式识别等多学科领域,是一个技术密集型的高科技产品。

工业CT广泛应用在汽车、材料、铁路、航天、航空、军工、国防等产业领域,为航天运载火箭及飞船与太空飞行器的成功发射、航空发动机的研制、武器系统检验与试验、地质结构分析、铁道车辆提速重载安全、石油储量预测、机械产品质量判定等提供了的重要技术手段。
工业CT的射线源的选择
射线源常用有X光机和电子直线加速器,统称电子辐射发生器。电子辐射发生器的共同优点是切断电源以后不再产生射线,这种内在的安全性对于工业现场使用非常有益。

同位素辐射源的最大优点是它的能谱简单,同时消耗电能很小,设备体积小且相对简单;其缺点是辐射源的强度低,为了提高源的强度必须加大源的体积,导致“焦点”尺寸增大,导致分辨率指标不理想,故在工业CT中较少实际应用。

X光机
射线能量可调,能量≤450kV,

电子直线加速器
射线源能量不可调,实际使用的峰值能量范围1~16MeV,更高的能量虽可以达到,主要仅用于实验。
实际应用中,射线源的选择主要取决于被检工件的壁厚,同时也要考虑费用问题。表1列出了几种材料对于一些特征能量下执行加速器X射线的半值层厚度。

照相:可穿透等效钢厚度通常为10个半值层
CT:可穿透等效钢厚度通常为7个半值层
工业CT探测器的选择
工业CT常用的探测器主要有两种:线阵探测器和面阵探测器。

线阵探测器
主要优点:闪烁体在射线方向上的深度可以不受限制,从而使入射的大部分X光子被俘获,提高探测效率。尤其在高能条件下,可以缩短光子获取时间;由于闪烁体是独立的,并且同时闪烁体之间还有钨或者其它重金属隔片,降低了X射线窜扰。
主要缺点是:像素尺寸不可能做得太小,其相邻间隔(节距)一般大于0.1mm。价格也较高。
通常,高能、低能情况下均可配线阵探测器。

面阵探测器
相比线阵探测器,面阵探测器有较高的射线利用率,适合于DR成像,可以达到实时或准实时的动态成像;另外,面阵探测器也比较适合于三维直接成像。所有面阵探测器由于结构上的原因,有共同的缺点,即射线探测效率低,无法限制散射和窜扰问题;动态范围小等,高能范围应用效果较差。

通常4MeV以下,系统可以配面阵探测器;但如果在高能情况下,只检测工件内部结构,不检测缺陷时,也可以配面阵,只是图像精度不高。
工业CT的选择
在选购工业CT产品时,购买者首先需要考虑的是使用上的技术要求,同时在预算和支出费用之间做平衡,其次是考虑如何考核所购产品的技术指标,最后也要考虑产品供应者的信誉和售后服务能力。

用户的使用技术要求是整个工业CT产品的基点,主要有以下几个方面:

检测对象的大小、形状、重量和材料组成;
基本功能:CT、DR、实时成像、胶片照相;
主要检测目标:缺陷(气孔、夹杂、疏松、裂纹、脱粘等)、内部结构、装配情况、工件测量、三维重构;
针对检测目标,提出技术指标要求,如检测材料内部缺陷,还应提出各种缺陷的检测灵敏度;如检测零件内部尺寸,应提出检测灵敏度和精度。
检测工件数量或检测速度要求:检测速度可以进一步考虑扫描时间、图像重建时间、调整切片位置时间、更换检测样品时间;
专门要求:如防爆、必要工装,对接触检测对象有无特殊要求,如生物样品或者工件某些位置要避免接触或夹持等;
设备运行和检测结果,包括用户界面、检测结果的提供方式和格式、专门的图像显示及图像后处理要求或专用数据处理软件、资料文档管理和检测报告形式。
放射性剂量和其它安全问题,应当符合国家或行业的有关标准或法规;
预期寿命、维护周期:应当关注射线源寿命或某些零部件的辐射损伤;
设备使用条件:场地、环境温湿度要求,电源负荷及稳定性要求等。