工业CT发展及应用课件.ppt

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1、工业CT的发展及应用,、航空、航天等工业中精密工件内部结构的测量及其缺陷的检测；、兵器工业中对弹药填充密度的检测和武器关键部件的质量检查；、汽车工业中对关键零件的无损检测；、钢铁工业中产品的在线监控和质量检测；,工业CT技术广泛应用于以下领域：,5、钢铁工业中产品的在线监控和质量检 测；、油钻探中对岩芯的评估，钻杆和管道的探伤；、地质、考古中对样品的评估；、海关对违禁、走私物品的检查。,工业CT技术广泛应用于以下领域,一、工业CT与医用CT的比较,、技术指标侧重的差异工业CT更强调空间分辨率、密度分辨率、射线能量范围的差异工业CT中射线的能量从十至数百千伏、结构上的差异工业CT中被测工件亦作扫

2、描运动、检测范围的差异,、检测范围的差异,工业可完成：1.缺陷检测、定位与特性描述 2.各部件相对位置的确定 3.确定物体的密度梯度，评价均匀性 4.定量分析 5.动态在线检测 而医学仅能完成其中两项检测,一、工业CT与医用CT的比较,射线穿透物体强度衰减遵从比尔定律：I=I0el其中I射线穿透物体后的强度；I0 射线入射端初始强度；射线穿过不同物质的衰减系数l穿透物体的长度,二、工业CT基本原理,首先探测器测量射线透过物体的强度变化（即探测器计数和的变化），然后输入计算机，通过CT图像重建运算，重组出被检测部位的横断面图像，即获得该层上下无重叠、对比度很高的清晰图像。,工业CT工作原理,二、

3、工业CT基本原理,工业CT工作原理图,二、工业CT基本原理,图像不存在重叠与模糊，灵敏度比透视高出一、两个数量级之多。,CT与一般透视照相比较,叶片陶瓷型芯腊模断层图,叶片透视图,二、工业CT基本原理,CT的五种扫描方式,第一代扫描,CT的五种方式扫描,第二代扫描,CT的五种方式扫描,CT的五种扫描方式,第四代扫描,CT的五种扫描方式,工业CT系统结构,三、工业CT系统的主要部件,工业CT系统的主要组成：源系统(X射线、伽玛射线、加速器)探测器系统数据采传系统机械扫描、运动系统 5图像重建、分析系统,三、工业CT系统的主要部件,X光机,转台,平移系统,探测器,北京优联思特公司,X光机CT整机图

4、示,伽玛射线源：常用60Co、137Cs。能量特定但强度小，扫描时间长。光机射线源：包含光管、高压电源、高压控制系统、冷却系统。检测时间短、图象质量高。直线加速器：包含加速管、高压控制系统、冷却系统等。适用于高密度、大工件的检测。,源系统,三、工业CT系统的主要部件,三、工业CT系统的主要部件,探测器系统,闪烁体光电倍增管探测器：输出信号大，适用于射线源。闪烁体光电二级管探测器：探测器组合密度高、几何效率高，目前最为常用。气体电离探测器：探测器之间一致性好，适用于三代扫描，但效率较低。,三、工业CT系统的主要部件,制造探测器所用管子,三、工业CT系统的主要部件,数据采传系统,数据采传系统是探测

5、器和计算机之间的电路接口。这部分电路十分复杂，构成了工业CT电子设备的主体。其中关键技术之一是转换。,三、工业CT系统的主要部件,机械扫描、运动系统,机械扫描系统包括：机械驱动轴、试件转台、各种支架、底座、移动控制系统（电机、编码器、伺服放大器、移位控制板等）。,三、工业CT系统的主要部件,德国NEFF公司高精度直线转动单元,三、工业CT系统的主要部件,数字伺服放大器、同步伺服电机,三、工业CT系统的主要部件,转台及平移系统,三、工业CT系统的主要部件,5图像重建、分析系统,该部分硬件由系统主板、专用控制板、阵列处理器、显示器、拷贝机等组成。软件包括系统软件和应用软件。应用软件应当完成三个功能

6、：设置和校正CT重建参数、控制扫描过程及实现CT数据同步采集、完成图像重建。,三、工业CT系统的主要部件,工业CT图像重建运算方法,卷积滤波反投影法：(r,)=oP(x,Q)*(x)dQ离散形式为：(r,)=P(Ka,Qi)(xcosQi+ysinQi-Ka)任意像素的衰减系数:P(xij,Qi)=kijPk+l+k+1ijPk其中K射线束编号kij k+1ij内插系数 投影线,重建图像原理示意图,由图可见通过像素中心的所有投影线不一定正好落在像中心上，为了求取任意一个像素的衰减系数，必须对投影线坐标进行插值。,四、工业CT的评价参数,空间分辨率 指图像中能够辨别最小物体的能力。以分辨黑白相间

7、条形带的对数，即每毫米线对数（）表示。影响该参数的因素有扫描像素数目大小、探测器准直孔的宽度、采样点间距、重建算法、机械系统精度、X射线管焦点大小或源活性区的大小、图像数据校正与图像重建算法等。,ICT-X01线对检测图像上方是2.5LP/mm的图,四、工业CT的评价参数,密度分辨率密度分辨率又称为系统灵敏度，它表示能够区分开的密度差别程度。利用图像的灰度去分辨被检测物的材质，通常以密度变化的百分比（）表示相互变化的关系。提高密度分辨率的方法主要是合理选择源的能量，增加源的剂量，降低噪声。,四、工业CT的评价参数,密度分辨率与空间分辨率之间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

8、矛盾的。密度分辨率越高，空间分辨率就越低，两者之积为一常数。在同一密度分辨率的情况下，提高一倍空间分辨率就要减少1/2扫描像素宽度，而辐射剂量则要增加8倍。所以，最高空间分辨率与最高密度分辨率均是分别测到的，不可能在同一测试条件下两者均得到最佳值。,四、工业CT的评价参数,断层厚度与空间分辨率密切相关，即断层厚度愈薄时，得到的空间分辨率愈高。影响断层厚度的主要因素有准直器宽度、探测器孔的宽度、采样点间距和重建算法等。,四、工业CT的评价参数,检测范围 说明能检测的对象。如透射钢的最大厚度、检测工件的最大回转直经，检测工件的最大高度或长度，能检测工件的最大重量等。它是区分工业大小的标志。,四、工

9、业CT的评价参数,扫描检测时间指扫取一个断层花在扫描、数据采集上的时间，它决定了扫描的速度。图像重建时间指重建图像所需时间。,辐射源的使用X射线源：能量大小、工作电压、工作电流、出束角度、焦点大小等。源：种类如60Co、192Ir、137Cs，源强、活性区尺寸、直径、长度。高能直线加速器：能量大小、出束角度、焦点尺寸等。这些参数都直接影响CT的检测能力与检测效率。,四、工业CT的评价参数,1.工业CT在无损检测应用中的特点2.工业应用实例）缺陷检测）尺寸测量）结构分析）密度分布、底隙测量 3.工业目前的主要研究课题）工业CT硬件系统的研究）软件技术,五、工业CT在无损检测中的应用,1.工业CT

10、在无损检测应用中的特点）定量、定位检测:给出被测工件的断层扫描图像，可以直观的看到目标细节的空间位置、形状、大小，图像容易识别和理解。）高的密度分辨力:图像密度分辨率可达到0.1%甚至更高。,五、工业CT在无损检测中的应用,）探测信号动态范围高:探测信号的动态范围可达106 以上，远远高于胶片和图像增像器。）数字化显示:直接给出像素值、尺寸等物理信息；数字化图像便于存储、传输、分析和处理等。,五、工业CT在无损检测中的应用,2.工业应用实例）缺陷检测:,五、工业CT在无损检测中的应用,缺陷检测方面最成功的应用例证是固体火箭发动机的检测。左图是某设备上推进器叶片的四个不同位置的断层图像，图中可以

11、清楚地看到在轴与叶片之间有缝隙及裂纹，该件已报废。,气孔和夹杂的测量,五、工业CT在无损检测中的应用,）尺寸测量：利用工业得到的三维空间信息，同样可用于验证产品尺寸或装配情况是否符合设计要求。,例如飞机发动机叶片壁面尺寸的误差不得超过0.1。检测时先用实时成像功能完成主要缺陷检测，而后在特定区域进行扫描成像，准确验证叶片尺寸。,五、工业CT在无损检测中的应用,飞机发动机空心叶片的壁厚检测,）结构分析,五、工业CT在无损检测中的应用,对于体积小、价值高的复杂结构件，要在不解剖构件的情况下了解其内部结构，工业是一理想的手段。这一技术普遍被应用于逆向工程中。,五、工业CT在无损检测中的应用,）结构分

12、析,图例为某燃烧器部件实物及透视图和多层图,）密度分布、底隙测量,弹箭武器对装药质量要求很高，除了要求对装药裂纹、缩孔、夹杂物等进行无损检测外，还要求测量装药密度、弹底间隙，以保证弹药使用的安全可靠。,五、工业CT在无损检测中的应用,五、工业CT在无损检测中的应用,密度分布图示为某导弹药芯的断层图像，以检测药的均匀性。,ICTDY01密度测量结果,五、工业CT在无损检测中的应用,利用工业CT密度分辨率高的特点，可间接测量底隙。选择合适的扫描层厚,对弹体的底部进行断层扫描，在断层图像中间药的区域测量其密度的CT值，根据这一值变化的情况，来判断是否有底隙并定量测量底隙的大小。,底隙测量,弹药检测的

13、密度精度低于5。图为CT值与弹药密度的关系曲线。,五、工业CT在无损检测中的应用,图22值于弹药密度的关系曲线,底隙测量曲线,五、工业CT在无损检测中的应用,五、工业CT在无损检测中的应用,3.工业目前的主要研究课题）工业CT硬件系统的研究高性能探测器的研制高能射线CT、同步辐射源的CT移动式CT）软件技术算法与物理有关的数学问题,五、工业CT在无损检测中的应用,）工业CT硬件系统的研究,高性能探测器的研制：适应10KeV-15MeV射线能量范围，高的密度分辨率及空间分辨率。高能射线CT、同步辐射源的CT：主要用于大型或较重元素的材料检测，需要高能射线来完成。移动式CT：在检测对象既不能移动也

14、不可破损情况下，移动式CT有相当的潜力。,五、工业CT在无损检测中的应用,）软件技术算法 代数重建方法直接富里叶变换法linogras和Hankel变换法,近年来，三维直接重建问题已成为算法研究的主要课题。,五、工业CT在无损检测中的应用,与物理有关的数学问题,有限角度不完全数据成像技术三维成像技术,由于射线在某些方向不能透过样品或不能得到该方向的投影数据，就必须进行有限角度不完全数据的重建运算。目前常用方法：Clark-Plamer-Lawrence插值法Reeds-Shepp仿射变换法凸面投影法,有限角度不完全数据成像技术,五、工业CT在无损检测中的应用,前两种技术主要都是寻求一种坐标变换

15、，使不完备的投影数据在变换后的坐标中达到完备，它们无需事先了解被检样品的性能。而凸面投影法是目前最常用的方法，其要点是通过已知数据，如样品的尺寸和衰减系数范围等，提出样品性能的约束条件，用这些约束条件来修正人为假设的投影数据，通过反复迭代直到获得满意的图像。,五、工业CT在无损检测中的应用,五、工业CT在无损检测中的应用,三维成像技术,自广泛应用以来，三维成像一直是人们研究的课题，总体上可分为两类：一类为直接研究从投影数据进行三维重建称为真三维重建技术。另一类是将多幅二维图像叠堆出样品的三维图像，这实际上是一种显示技术。,五、工业CT在无损检测中的应用,目前三维成像中以表面显示法常用最常用。表

16、面显示法有三角网法、有限差分法、动态弹性表面插入法等，基本都是利用有限的断层数据得到更加接近实际的光滑物体表面。近年来出现的滑行环连续螺旋线扫描方式，可得到无间隙的螺旋状扫描数据，这对三维显示技术无疑提供了十分有利的条件。,从技术上说，随着计算机计算速度进一步提高和存储量的扩大，图像的处理技术会更加先进；除探测器技术的不断改进对性能的提高起关键性的作用外，选用更有效的射线源、扫描方式是解决空间分辨率、密度分辨率与扫描时间三因素相互制约问题的根本方法。,工业的历史虽然仅有二十来年，但各种类型的商品化产品及实验室设备已达相当数量。做为一种先进的无损检测技术，工业近年在我国的需求量已呈逐年递增的发展趋势，尤其在国防、军工行业，需求急剧增加。这为工业的研究、开发提供了一个大好的发展机遇。,北京优联思特公司已研制的几种机型,ICTB01 伽玛射线ICTDY01 伽玛射线弹药检测机ICTX01 X射线小型工业CT机ICTX02 X射线通用型,ICTB01工业CT设备,ICTX01 X射线工业CT设备,弹药检测工业CT（ICTDY01）,X射线工业CT（ICTX02）,现场测量、控制,ICTX02扫描图像,航天推进器动作筒,叶片的DR透视图,叶片的陶瓷型芯和蜡模的图像,石油岩芯的断层图像,电机的断层图,汽车发动机曲轴的断面,导弹药芯断面,电缆断层图像,