工业CT知识大全

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  工业CT*概述

  CT即计算机断层成像技术(Computed Tomography),它是与一般辐射成像完全不同的成像方法。而工业CT,简称ICT(Industrial Computed Tomography),号称“工业神医”,其工作原理类似医用CT,能对工件进行断层扫描,并进行数字处理,给出真实反映工件内部结构的断层二维图象,再经图象处,给出三维立体透析图象,从而直观地反映出工件内部的结构,有无缺陷及损伤缺陷的准确位置。

  通常,一般辐射成像是将三维物体投影到二维平面成像,各层面影像重叠,造成相互干扰,不仅图像模糊,而且损失了深度信息,不能满足分析评价要求。CT是把被测体所检测断层孤立出来成像,避免了其余部分的干扰和影响,图像质量高,能清晰、准确地展示所测部位内部的结构关系、物质组成及缺陷状况,检测效果是其它传统的无损检测方法所不及的。

  CT技术首先应用于医学领域,形成了医学CT(MCT)技术,其重要作用被评价为是医学诊断上的**。CT技术成功应用于医学领域后,美国率先将其引入到航天及其它工业部门,另一些发达国家相继跟上,经过一段不长的时间,形成了CT技术的又一个分支—工业CT(Industrial Computed Tomography, ICT),其重要作用被评价是无损检则领域的重大技术突破。

  CT技术(MCT和ICT)应用十分广泛,医用CT已为人们所熟知。工业CT的应用几乎遍及所有产业领域,对航天、航空、兵工、部队等显得更为迫切。我国于 1993 年研制成功首台可供实 用的工业 CT 机, 并于 1996 年为航天部门设计生产了主要用于航天商品检测的首台商用工业 CT 机, 现已开发出系列产品,其应用领域迅速扩大。

  因同出于CT技术,医学CT和工业CT在基本原理和功能组成上是相同的,但因检测对象不同,技术指标及系统结构就有较大差别。前者检测对象是人体,单一而确定,性能指标及设备结构较规范,适于批量生产。工业CT检测对象是工业产品,形状、组成、尺寸及重量等千差万别,而且测量要求不一,由此带来技术上的复杂性及结构的多样化,专用性较强。

  随着制造业的迅速发展,对产品质量检验的要求越来越高,需要对越来越多的饿、关键、复杂部件甚至产品内部缺陷进行严格探伤和内部结构尺寸精确测量。传统的检测方法如超声波检测、射线照相检测等测量方法已不能满足要求。于是,许多先进的无损检测技术被开发应用于检测领域。工业CT技术便是其中的一种。

  工业CT(ICT)就是计算机层析照相或称计算机断层扫描成象。虽然层析成象有关理论的有关数学理论早在1971年由J.Radon提出,但只是在计算机出现后并与放射学科结合后才成为一门新的成象技术。在工业方面特别是无损检测(NDT)与无损评价(NDE)领域更加显示出其独特之处。因此,国际无损检测界把工业CT称为最佳为检测手段。进入80年代以来,国际上主要工业化国家已经把射线的ICT用于航空、航天、军事、冶金、机械、石油、电力、地质、考古等部门的NDT和NDE,检测对象有导弹、火箭发动机、军用密封组件、核废料、石油岩心、计算机芯片、精密铸件与锻件、汽车轮胎、陶瓷及高、复合材料、海关毒品、考古化石等。我国90年代也已逐步把ICT技术用于工业无损检测领域。

  工业CT*工作原理

  电子计算机体层摄影(Computed tomography,简称CT)是近十年来发展迅速的电子计算机和X线相结合的一项新颖的诊断新技术。其原理是基于从多个投影数据应用计算机重建图像的一种方法,现代断层成像过程中仅仅采集通过特定剖面(被检测对象的薄层,或称为切片)的投影数据,用来重建该剖面的图像,因此也就从根本上消除了传统断层成像的“焦平面”以外其他结构对感兴趣剖面的干扰,“焦平面”内结构的对比度得到了明显的增强;同时断层图像中图像强度(灰度)数值能真正与被检对象材料的辐射密度产生对应的关系,发现被检对象内部辐射密度的微小变化。工业CT机一般由射线源、机械扫描系统、探测器系统、计算机系统和屏蔽设施等部分组成。其结构工作原理如图1所示。 射线源提供CT扫描成象的能量线束用以穿透试件,根据射线在试件内的衰减情况实现以各点的衰减系数表征的CT图象重建。与射线源紧密相关的前直准器用以将射线源发出的锥形射线束处理成扇形射束。后直准器用以屏蔽散射信号,改进接受数据质量。射线源常用X 射线机和直线加速器,统称电子辐射发生器。

  电子回旋加速器从原则上说可以作CT 的射线源,但是因为强度低,几乎没有得到实际的应用。X 射线机的峰值射线能量和强度都是可调的,实际应用的峰值射线能量范围从几KeV 到450KeV;直线加速器的峰值射线能量一般不可调,实际应用的峰值射线能量范围从1 ~16MeV,更高的能量虽可以达到,主要仅用于实验。电子辐射发生器的共同优点是切断电源以后就不再产生射线,这种内在的安全性对于工业现场使用是非常有益的。电子辐射发生器的焦点尺寸为几微米到几毫米。在高能电子束转换为X 射线的过程中,仅有小部分能量转换为X 射线,大部分能量都转换成了热,焦点尺寸越小,阳极靶上局部功率密度越大,局部温度也越高。实际应用的功率是以阳极靶可以长期工作所能耐受的功率密度确定的。因此,小焦点乃至微焦点的的射线源的使用功率或最大电压都要比大焦点的射线源低。电子辐射发生器的共同缺点是X 射线能谱的多色性,这种连续能谱的X 射线会引起衰减过程中的能谱硬化,导致各种与硬化相关的伪像。

  机械扫描系统实现CT扫描时试件的旋转或平移,以及射线源——试件——探测器空间位置的调整,它包括机械实现部分及电器控制系统。 探测器系统用来测量穿过试件的射线信号,经放大和模数转换后送进计算机进行图象重建。ICT机一般使用数百个到上千个探测器,排列成线状。探测器数量越多,每次采样的点数也就越多,有利于缩短扫描时间、提高图象分辨率。 计算机系统用于扫描过程控制、参数调整,完成图象重建、显示及处理等。 屏蔽设施用于射线安全防护,一般小型设备自带屏蔽设施,大型设备则需在现场安装屏蔽设施。

  工业CT*系统结构


  工业CT*组成及介绍

  工业CT系统的主要组成:

  1. 源系统 (X射线、伽玛射线、加速器)

  伽玛射线源:常用60Co、137Cs。能量特定 伽玛射线源 但强度小,扫描时间长。 X光机射线源 光机射线源:包含X光管、高压电源、 射线源 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、 直线加速器 冷却系统等。适用于高密度、大工件的检 测。

  2. 探测器系统

  闪烁体光电倍增管探测器:输出信号大, 闪烁体光电倍增管探测器 适用于γ射线源。 闪烁体光电二级管探测器:探测器组合密 闪烁体光电二级管探测器 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, 气体电离探测器 适用于三代扫描,但效率较低。

  3. 数据采传系统

  数据采传系统是探测器和计算机 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A/D转换。

  4. 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)。

  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: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。

  工业CT*技术指标

  1、 扫描方式

  单束平移-旋转方式;窄扇形束平移-旋转方式;宽扇形束旋转-旋转方式;宽扇形束静止-旋转方式;螺旋扫描方式;动态空间扫描方式;电子束扫描方式。

  2、 机架孔径

  机架孔径越大越好。它影响着机架的倾角,一般CT机的机架孔径在600—720mm范围。

  3、 准直器

  准直器位于X线管的前方,由一些铜片、铝片组成,可以大幅度地减少散射线的干扰,在计算机的控制下,控制准直器开口的宽度,从而决定扫描层的厚度。因此,准直器既可减少患者的放射剂量,又可提高图像质量,还决定切层的厚度。

  在CT扫描机中准直器分为2种;一种是X线管侧准直器,另一种是探测器侧准直器,这两个准直器必须精确地对准。

  X线管侧准直器的设计很重要。因为X线管焦点的几何投影有一个半影的作用,焦点越大,半影越大;焦点大时准直器的设计复杂,常采用多层准直器。探测器侧准直器位于探测器的前方,用于减少散射线并限制切层厚度。

  准直器孔径的尺寸决定了被检体的切层厚度,常见CT机扫描所得厚度为2、3、5、8、10和13mm。准直器决定像素的厚度,但不能决定像素的长和宽。像素的长和宽同扫描野的尺寸、采样间隔及计算软件有关。

  4、 硬磁盘容量

  磁盘容量大小决定着对图像数据的存储量。一般在100到数百个兆比特(Mb)。

  5、 高对比分辨率

  它表示CT机在高对比情况下,对物体空间大小(几何尺寸)的鉴别能力。该指标有两种表示方式。即线对/厘米(LP/cm)和线径/毫米(mm/mm)。

  6、 探测器数目

  总的来讲,探测器的数目越多,扫描时间就越短,且收集的数据也越多,它直接影响着图像质量的高低。

  7、 球管热容量

  X线球管的热容量大,表示承受的工作时间电流大,连续工作时间可延长,所以CT机所用X线球管的热容量越大越好。标示单位有KHU和MHC。

  8、 球管焦点

  在CT扫描成像过程中,焦点小可提高图像质量。CT所用X线球管有单焦点和双焦点两种。

  9、 扫描时间和扫描周期

  扫描周期通常包括扫描时间、数据采集系统的数据处理和恢复时间、扫描装置重新定位时间等。

  除上述例举的指标外,还有机架倾角、管电压、管电流、探测器种类。机器功率、安装面积、机房温度要求等指标。掌握了这些技术指标,有利于对每台CT机的性能进行比较评估或选购。

  工业CT*评价参数

  1、空间分辨率

  指CT图像中能够辨别最小物体 的能力。以分辨黑白相间条形带的对数,即每 毫米线对数(lp/mm)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γ源活性区 的大小、图像数据校正与图像重建算法等。

  2、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。

  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。

  3、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。

  4、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CT大小的 标志。

  5、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。

  6、图像重建时间

  指重建图像所需时间。

  7、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。

  γ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: 这些参数都直接影响CT的检测能力与检测效率。 能量大小、出束角度、焦点尺寸等。

  工业CT*扫描方式

  按扫描获取数据方式的不同,CT技术已发展经历了五个阶段,如图1所示。

  第一代CT(见图1a),使用单源(一条射线)单探测器系统,系统相对于被检物作平行步进式移动扫描以获得N个投影值(I),被检物则按M个分度作旋转运动。这种扫描方式被检物仅需转动180度即可。第一代CT机结构简单、成本低、图象清晰,但检测效率低,在工业CT中则很少采用。

  第二代CT(见图1b),是在��一代CT基础上发展起来的。使用单源小角度扇形射线束多探头。射线扇形束角小、探测器数目少,因此扇束不能全包容被检物断层,其扫描运动除被检物需作M个分度旋转外,射线扇束与探测器阵列架一道相对于被检物还需作平移运动,直至全部覆盖被检物,求得所需的成象数据为止。

  第三代CT(见图1c),它是单射线源,具有大扇角、宽扇束、全包容被检断面的扫描方式。对应宽扇束有N个探测器,保证一次分度取得N个投影计数和I值,被检物仅作M个分度旋转运动。因此,第三代CT运动单一、好控制、效率高,理论上被检物只需旋转一周即可检测一个断面。

  第四代CT(见图1d),也是一种大扇角全包容,只有旋转运动的扫描方式,但它有相当多的探测器形成固定圆环,仅由辐射源转动实现扫描。其特点是扫描速度快、成本高。

  第五代CT(见图1e),是一种多源多探测器,用于实时检测与生产控制系统,图中是一种钢管生产在线检测与控制壁厚的CT系统。源与探测器按120度分布,工件与源到探测器间不作相对转动,仅有管子沿轴向的快速分层运动。

  上述五种CT扫描方式,在ICT机中用得最普遍的是第二代与第三代扫描,其中尤以第三代扫描方式用得最多。这是因为它运动单一,易于控制,适合于被检物回转直径不太大的中小型产品的检测,且具有成本低,检测效率高等优点。

  工业CT*与医用CT的比较

  1、 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

  2、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

  3、结构上的差异

  工业CT中被测工件亦作扫描运动

  4、检测范围的差异

  工业CT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CT仅能完成其中1).2).两项检测

  工业CT*应用领域

  1、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;

  2、 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;

  3、汽车工业中对关键零件的无损检测;

  4、钢铁工业中产品的在线监控和质量检测;

  5、钢铁工业中产品的在线监控和质量检测;

  6、油钻探中对岩芯的评估,钻杆和管道的探伤;

  7、地质、考古中对样品的评估;

  8、海关对违禁、走私物品的检查。