工业CT发展及应用

工业CT发展及应用第一页，编辑于星期六：十七点二十二分。第1页，共79页。一、工业CT与医用CT的比较二、工业CT基本原理三、工业CT系统的主要部件四、工业CT的评价参数五、工业CT在无损检测中的应用工业CT的发展及应用第二页，编辑于星期六：十七点二十二分。第2页，共79页。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；工业CT技术广泛应用于以下领域：第三页，编辑于星期六：十七点二十二分。第3页，共79页。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。

工业CT技术广泛应用于以下领域第四页，编辑于星期六：十七点二十二分。第4页，共79页。一、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、检测范围的差异第五页，编辑于星期六：十七点二十二分。第5页，共79页。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１．２．两项检测一、工业CT与医用CT的比较第六页，编辑于星期六：十七点二十二分。第6页，共79页。射线穿透物体强度衰减遵从比尔定律：I=I0e－μl其中I――射线穿透物体后的强度；I0

――射线入射端初始强度；μ――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基本原理第七页，编辑于星期六：十七点二十二分。第7页，共79页。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、工业CT基本原理第八页，编辑于星期六：十七点二十二分。第8页，共79页。工业CT工作原理图二、工业CT基本原理第九页，编辑于星期六：十七点二十二分。第9页，共79页。ＣＴ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基本原理第十页，编辑于星期六：十七点二十二分。第10页，共79页。CT的五种扫描方式第一代扫描

样品源平移平移同步平移探测器图2一代CT扫描旋转180o第十一页，编辑于星期六：十七点二十二分。第11页，共79页。CT的五种方式扫描第二代扫描

旋转12o/次源

样品探测器平移平移同步图3二代扫描第十二页，编辑于星期六：十七点二十二分。第12页，共79页。CT的五种方式扫描第三代扫描图4三代扫描源样品探测器旋转旋转样品第十三页，编辑于星期六：十七点二十二分。第13页，共79页。CT的五种扫描方式第四代扫描

固定环行探测器样品放射源图5四代扫描旋转第十四页，编辑于星期六：十七点二十二分。第14页，共79页。CT的五种扫描方式第五代扫描图6钢管在线检测系统辐射源探测器管道第十五页，编辑于星期六：十七点二十二分。第15页，共79页。图像显示图像输出图像存储源系统数据采传电路总控制单元主计算机管理控制数据校正图像重建处理分析探测器系统源系统开关被测工件机械扫描运动系统工业CT系统结构三、工业CT系统的主要部件第十六页，编辑于星期六：十七点二十二分。第16页，共79页。工业CT系统的主要组成：１．源系统(X射线、伽玛射线、加速器)２．探测器系统３．数据采传系统４．机械扫描、运动系统5．图像重建、分析系统三、工业CT系统的主要部件第十七页，编辑于星期六：十七点二十二分。第17页，共79页。X光机转台平移系统探测器北京优联思特公司X光机CT整机图示第十八页，编辑于星期六：十七点二十二分。第18页，共79页。伽玛射线源：常用60Co、137Cs。能量特定但强度小，扫描时间长。Ｘ光机射线源：包含Ｘ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。１．源系统三、工业CT系统的主要部件第十九页，编辑于星期六：十七点二十二分。第19页，共79页。型号：MG452生产商：YXLON公司

X光机高压X光机高压控制器三、工业CT系统的主要部件第二十页，编辑于星期六：十七点二十二分。第20页，共79页。２．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系统的主要部件第二十一页，编辑于星期六：十七点二十二分。第21页，共79页。制造探测器所用管子三、工业CT系统的主要部件第二十二页，编辑于星期六：十七点二十二分。第22页，共79页。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。

三、工业CT系统的主要部件第二十三页，编辑于星期六：十七点二十二分。第23页，共79页。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）。三、工业CT系统的主要部件第二十四页，编辑于星期六：十七点二十二分。第24页，共79页。德国NEFF公司高精度直线转动单元三、工业CT系统的主要部件第二十五页，编辑于星期六：十七点二十二分。第25页，共79页。数字伺服放大器、同步伺服电机三、工业CT系统的主要部件第二十六页，编辑于星期六：十七点二十二分。第26页，共79页。转台及平移系统三、工业CT系统的主要部件第二十七页，编辑于星期六：十七点二十二分。第27页，共79页。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。三、工业CT系统的主要部件第二十八页，编辑于星期六：十七点二十二分。第28页，共79页。工业CT图像重建运算方法卷积滤波反投影法：μ(r,Φ)=∫oπ[P(x’,Q)*(x’)]dQ离散形式为：μ(r,Φ)=ΣP(Ka,Qi)δ(xcosQi+ysinQi-Ka)任意像素的衰减系数:

P(xij,Qi)=δkijPk+l+δk+1ijPk其中K－－射线束编号δkij

δk+1ij－－内插系数Ｐ－－投影线

第二十九页，编辑于星期六：十七点二十二分。第29页，共79页。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。第三十页，编辑于星期六：十七点二十二分。第30页，共79页。四、工业CT的评价参数

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。第三十一页，编辑于星期六：十七点二十二分。第31页，共79页。ICT-X01线对检测图像

上方是2.5LP/mm的图第三十二页，编辑于星期六：十七点二十二分。第32页，共79页。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。

第三十三页，编辑于星期六：十七点二十二分。第33页，共79页。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。第三十四页，编辑于星期六：十七点二十二分。第34页，共79页。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。第三十五页，编辑于星期六：十七点二十二分。第35页，共79页。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ＣＴ大小的标志。第三十六页，编辑于星期六：十七点二十二分。第36页，共79页。四、工业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。

第三十七页，编辑于星期六：十七点二十二分。第37页，共79页。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：

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的评价参数第三十八页，编辑于星期六：十七点二十二分。第38页，共79页。1.工业CT在无损检测应用中的特点2.工业ＣＴ应用实例Ａ）缺陷检测Ｂ）尺寸测量Ｃ）结构分析Ｄ）密度分布、底隙测量3.工业ＣＴ目前的主要研究课题Ａ）工业CT硬件系统的研究Ｂ）软件技术五、工业CT在无损检测中的应用第三十九页，编辑于星期六：十七点二十二分。第39页，共79页。1.工业CT在无损检测应用中的特点Ａ）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。Ｂ）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第四十页，编辑于星期六：十七点二十二分。第40页，共79页。Ｃ）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。Ｄ）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第四十一页，编辑于星期六：十七点二十二分。第41页，共79页。2.工业ＣＴ应用实例Ａ）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，图中可以清楚地看到在轴与叶片之间有缝隙及裂纹，该件已报废。第四十二页，编辑于星期六：十七点二十二分。第42页，共79页。气孔和夹杂的测量五、工业CT在无损检测中的应用第四十三页，编辑于星期六：十七点二十二分。第43页，共79页。Ｂ）尺寸测量：利用工业ＣＴ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0.1ｍｍ。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ＣＴ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第四十四页，编辑于星期六：十七点二十二分。第44页，共79页。

飞机发动机空心叶片的壁厚检测

第四十五页，编辑于星期六：十七点二十二分。第45页，共79页。Ｃ）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ＣＴ是一理想的手段。这一技术普遍被应用于逆向工程中。第四十六页，编辑于星期六：十七点二十二分。第46页，共79页。五、工业CT在无损检测中的应用Ｃ）结构分析图例为某燃烧器部件实物及透视图和多层ＣＴ图

第四十七页，编辑于星期六：十七点二十二分。第47页，共79页。Ｄ）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第四十八页，编辑于星期六：十七点二十二分。第48页，共79页。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。第四十九页，编辑于星期六：十七点二十二分。第49页，共79页。ICT—DY01密度测量结果

材料标准密度测量值误差1有机玻璃1.17971.18363.3‰2胶木1.36411.36132.1‰3聚氯乙稀1.51951.51502.97‰第五十页，编辑于星期六：十七点二十二分。第50页，共79页。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。底隙测量第五十一页，编辑于星期六：十七点二十二分。第51页，共79页。弹药检测的密度精度低于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22ＣＴ值于弹药密度的关系曲线第五十二页，编辑于星期六：十七点二十二分。第52页，共79页。底隙测量曲线五、工业CT在无损检测中的应用第五十三页，编辑于星期六：十七点二十二分。第53页，共79页。五、工业CT在无损检测中的应用3.工业ＣＴ目前的主要研究课题Ａ）工业CT硬件系统的研究ａ高性能探测器的研制ｂ高能Ｘ射线CT、同步辐射源的CTｃ移动式CTＢ）软件技术ａ算法ｂ与物理有关的数学问题第五十四页，编辑于星期六：十七点二十二分。第54页，共79页。五、工业CT在无损检测中的应用Ａ）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Ｘ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Ｘ射线来完成。移动式CT

：在检测对象既不能移动也不可破损情况下，移动式CT有相当的潜力。第五十五页，编辑于星期六：十七点二十二分。第55页，共79页。五、工业CT在无损检测中的应用Ｂ）软件技术ａ．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。第五十六页，编辑于星期六：十七点二十二分。第56页，共79页。五、工业CT在无损检测中的应用ｂ．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

第五十七页，编辑于星期六：十七点二十二分。第57页，共79页。由于Ｘ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第五十八页，编辑于星期六：十七点二十二分。第58页，共79页。前两种技术主要都是寻求一种坐标变换，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ＣＴ图像。五、工业CT在无损检测中的应用第五十九页，编辑于星期六：十七点二十二分。第59页，共79页。五、工业CT在无损检测中的应用三维成像技术

自ＣＴ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ＣＴ图像叠堆出样品的三维图像，这实际上是一种显示技术。第六十页，编辑于星期六：十七点二十二分。第60页，共79页。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。第六十一页，编辑于星期六：十七点二十二分。第61页，共79页。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，ＣＴ图像的处理技术会更加先进；除探测器技术的不断改进对ＣＴ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。

第六十二页，编辑于星期六：十七点二十二分。第62页，共79页。工业ＣＴ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ＣＴ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