工業(yè)計算機斷層掃描技術(shù)（CT技術(shù)）綜述

工業(yè)計算機斷層掃描技術(shù)（CT技術(shù)）綜述

作者：安賽斯（中國）有限公司  

摘要：隨著(zhù)制造業(yè)的迅速發(fā)展，對產(chǎn)品質(zhì)量檢驗的要求越來(lái)越高，需要對越來(lái)越多的關(guān)鍵、復雜零部件甚至產(chǎn)品內部缺陷進(jìn)行嚴格探傷和內部結構尺寸測量,作為先進(jìn)無(wú)損檢測方法的工業(yè)CT技術(shù)也隨著(zhù)被開(kāi)發(fā)并應用于這些領(lǐng)域。本文主要介紹了工業(yè)CT技術(shù)。

關(guān)鍵詞：X射線(xiàn) 工業(yè)CT 無(wú)損檢測 計算機，安賽斯（中國）有限公司

1．引 言

    在1985年倫琴發(fā)現X射線(xiàn)以前想要在不打開(kāi)盒子的情況下看清盒子里放的東西，幾乎是不可能的，除非盒子是用透明材料做成的。如今在車(chē)站或機場(chǎng)，不打開(kāi)旅客行李進(jìn)行安全檢查已是司空見(jiàn)慣了。

    X射線(xiàn)問(wèn)世后，很快便應用到醫學(xué)領(lǐng)域．開(kāi)始有了倫琴攝影． 不用手術(shù)就能初步觀(guān)察到人體內部組織[1]。經(jīng)過(guò)一個(gè)多世紀的努力， 在利用方法上發(fā)生了翻天覆地的變化，呈現出多樣化。隨著(zhù)制造業(yè)的迅速發(fā)展，對產(chǎn)品質(zhì)量檢驗的要求越來(lái)越高，需要對越來(lái)越多的關(guān)鍵、復雜零部件甚至產(chǎn)品內部缺陷進(jìn)行嚴格探傷和內部結構尺寸測量。傳統的無(wú)損檢測方法如超聲波檢測、射線(xiàn)照相檢測等測量方法已不能滿(mǎn)足要求。于是，ICT（Industrial Computed Tomography--簡(jiǎn)稱(chēng)工業(yè)CT）這種先進(jìn)的無(wú)損檢測技術(shù)也被開(kāi)發(fā)應用于這些領(lǐng)域[2]。

    工業(yè)CT（ICT）就是計算機層析照相或稱(chēng)工業(yè)計算機斷層掃描成象。雖然層析成象有關(guān)理論的有關(guān)數學(xué)理論早在1917年由J.Radon提出，但只是在計算機出現后并與放射學(xué)科結合后才成為一門(mén)新的成象技術(shù)。在工業(yè)方面特別是在無(wú)損檢測（NDT）與無(wú)損評價(jià)（NDE）領(lǐng)域更加顯示出其*之處。因此，無(wú)損檢測界把工業(yè)CT稱(chēng)為zuijia的無(wú)損檢測手段。進(jìn)入80年代以來(lái)，上主要的工業(yè)化國家已把X射線(xiàn)或γ射線(xiàn)的ICT用于航天、航空、軍事、冶金、機械、石油、電力、地質(zhì)、考古等部門(mén)的NDT和NDE，檢測對象有Daodan、火箭發(fā)動(dòng)機、軍用密封組件、核廢料、石油巖芯、計算機芯片、精密鑄件與鍛件、汽車(chē)輪胎、陶瓷及復合材料、海關(guān)dupin、考古化石等。我國90年代也已逐步把ICT技術(shù)用于工業(yè)無(wú)損檢測領(lǐng)域[2]。進(jìn)入21世紀ICT更是得到了進(jìn)一步發(fā)展已成為一種重要的先進(jìn)無(wú)損傷檢測技術(shù)。

2.工業(yè)CT的發(fā)展

    按掃描獲取數據方式的不同，CT技術(shù)已發(fā)展經(jīng)歷了五個(gè)階段,如圖1所示。

圖1 五種不同的掃描方式[2]

代CT（見(jiàn)圖1a），使用單源（一條射線(xiàn)）單探測器系統，系統相對于被檢物作平行步進(jìn)式移動(dòng)掃描以獲得N個(gè)投影值（I），被檢物則按M個(gè)分度作旋轉運動(dòng)。這種掃描方式被檢物僅需轉動(dòng)180度即可。代CT機結構簡(jiǎn)單、成本低、圖象清晰，但檢測效率低，在工業(yè)CT中則很少采用。

第二代CT（見(jiàn)圖1b），是在代CT基礎上發(fā)展起來(lái)的。使用單源小角度扇形射線(xiàn)束多探頭。射線(xiàn)扇形束角小、探測器數目少，因此扇束不能全包容被檢物斷層，其掃描運動(dòng)除被檢物需作M個(gè)分度旋轉外，射線(xiàn)扇束與探測器陣列架一道相對于被檢物還需作平移運動(dòng)，直至全部覆蓋被檢物，求得所需的成象數據為止。

第三代CT(見(jiàn)圖1c)，它是單射線(xiàn)源，具有大扇角、寬扇束、全包容被檢斷面的掃描方式。對應寬扇束有N個(gè)探測器，保證一次分度取得N個(gè)投影計數和I值，被檢物僅作M個(gè)分度旋轉運動(dòng)。因此，第三代CT運動(dòng)單一、好控制、效率高，理論上被檢物只需旋轉一周即可檢測一個(gè)斷面。

第四代CT(見(jiàn)圖1d)，也是一種大扇角全包容，只有旋轉運動(dòng)的掃描方式，但它有相當多的探測器形成固定圓環(huán)，僅由輻射源轉動(dòng)實(shí)現掃描。其特點(diǎn)是掃描速度快、成本高。

第五代CT(見(jiàn)圖1e)，是一種多源多探測器，用于實(shí)時(shí)檢測與生產(chǎn)控制系統，圖中是一種鋼管生產(chǎn)在線(xiàn)檢測與控制壁厚的CT系統。源與探測器按120度分布，工件與源到探測器間不作相對轉動(dòng)，僅有管子沿軸向的快速分層運動(dòng)。

    上述五種CT掃描方式，在ICT機中用得普遍的是第二代與第三代掃描，其中尤以第三代掃描方式用得多。這是因為它運動(dòng)單一，易于控制，適合于被檢物回轉直徑不太大的中小型產(chǎn)品的檢測，且具有成本低，檢測效率高等優(yōu)點(diǎn)。

3.工業(yè)CT的基本原理

    工業(yè)CT機一般由射線(xiàn)源、機械掃描系統、探測器系統、計算機系統和屏蔽設施等部分組成。其結構工作原理如圖2所示。

圖2 ICT 結構工作原理簡(jiǎn)圖[2]

    射線(xiàn)源提供CT掃描成象的能量線(xiàn)束用以穿透試件，根據射線(xiàn)在試件內的衰減情況實(shí)現以各點(diǎn)的衰減系數表征的CT圖象重建。與射線(xiàn)源緊密相關(guān)的前直準器用以將射線(xiàn)源發(fā)出的錐形射線(xiàn)束處理成扇形射束。后準直器用以屏蔽散射信號，改進(jìn)接受數據質(zhì)量。機械掃描系統實(shí)現CT掃描時(shí)試件的旋轉或平移，以及射線(xiàn)源——試件——探測器空間位置的調整，它包括機械實(shí)現系統及電器控制系統。探測器系統用來(lái)測量穿過(guò)試件的射線(xiàn)信號，經(jīng)放大和模數轉換后送入計算機進(jìn)行圖象重建。ICT機一般使用數百到上千個(gè)探測器，排列成線(xiàn)狀。探測器數量越多，每次采樣的點(diǎn)數也就越多，有利于縮短掃描時(shí)間、提高圖象分辨率。計算機系統用于掃描過(guò)程控制、參數調整，完成圖象重建、顯示及處理等。屏蔽設施用于射線(xiàn)安全防護，一般小型設備自帶屏蔽設施，大型設備則需在現場(chǎng)安裝屏蔽設施。

4.工業(yè)CT的組成及其各自特點(diǎn)

4.1 工業(yè)CT的組成

    一個(gè)工業(yè)CT系統至少應當包括射線(xiàn)源，輻射探測器，樣品掃描系統，計算機系統（硬件和軟件）等。

4.2 射線(xiàn)源的種類(lèi)

    射線(xiàn)源常用X射線(xiàn)機和直線(xiàn)加速器，統稱(chēng)電子輻射發(fā)生器。X射線(xiàn)機的峰值射線(xiàn)能量和強度都是可調的，實(shí)際應用的峰值射線(xiàn)能量范圍從幾KeV到450KeV；直線(xiàn)加速器的峰值射線(xiàn)能量一般不可調，實(shí)際應用的峰值射線(xiàn)能量范圍從1～16MeV[3]，更高的能量雖可以達到，主要僅用于實(shí)驗。電子輻射發(fā)生器的共同優(yōu)點(diǎn)是切斷電源以后就不再產(chǎn)生射線(xiàn)，這種內在的安全性對于工業(yè)現場(chǎng)使用是非常有益的。電子輻射發(fā)生器的焦點(diǎn)尺寸為幾微米到幾毫米。在高能電子束轉換為X射線(xiàn)的過(guò)程中，僅有小部分能量轉換為X射線(xiàn)，大部分能量都轉換成了熱，焦點(diǎn)尺寸越小，陽(yáng)極靶上局部功率密度越大，局部溫度也越高。實(shí)際應用的功率是以陽(yáng)極靶可以長(cháng)期工作所能耐受的功率密度確定的。因此，小焦點(diǎn)乃至微焦點(diǎn)的的射線(xiàn)源的使用功率或大電壓都要比大焦點(diǎn)的射線(xiàn)源低。電子輻射發(fā)生器的共同缺點(diǎn)是X射線(xiàn)能譜的多色性，這種連續能譜的X 射線(xiàn)會(huì )引起衰減過(guò)程中的能譜硬化，導致各種與硬化相關(guān)的偽像。

    同位素輻射源的Youdian是它的能譜簡(jiǎn)單，同時(shí)有消耗電能很少，設備體積小且相對簡(jiǎn)單，而且輸出穩定的特點(diǎn)。但是其缺點(diǎn)是輻射源的強度低，為了提高源的強度必須加大源的體積，導致“焦點(diǎn)”尺寸增大。在工業(yè)CT中較少實(shí)際應用。

    同步輻射本來(lái)是連續能譜，經(jīng)過(guò)單色器選擇可以得到定向的幾乎單能的高強度X射線(xiàn)，因此可以做成高空間分辨率的CT系統。但是由于射線(xiàn)能量為20KeV到30KeV，實(shí)際只能用于檢測1mm左右的小樣品，用于一些特殊的場(chǎng)合。

4.3 輻射探測器

4.3.1 分立探測器

    工業(yè)CT所用的探測器有兩個(gè)主要的類(lèi)型—分立探測器和面探測器。而分立探測器常用的X射線(xiàn)探測器有氣體和閃爍兩大類(lèi)。

    氣體探測器具有天然的準直特性，限制了散射線(xiàn)的影響；幾乎沒(méi)有竄擾；且器件一致性好。缺點(diǎn)是探測效率不易提高，高能應用有一定限制；其次探測單元間隔為數毫米，對于有些應用顯得太大。

    應用更為廣泛的還是閃爍探測器。閃爍探測器的光電轉換部分可以選用光電倍增管或光電二極管。前者有*的信號噪聲比，但是因為器件尺寸大，難以達到很高的集成度，造價(jià)也高。工業(yè)CT中應用廣泛的是閃爍體—光電二極管組合。

    應用閃爍體的分立探測器的主要優(yōu)點(diǎn)是：閃爍體在射線(xiàn)方向上的深度可以不受限制，從而使射入的大部分X光子被俘獲，提高探測效率。尤其在高能條件下，可以縮短獲取時(shí)間；因為閃爍體是獨立的，所以幾乎沒(méi)有光學(xué)的竄擾；同時(shí)閃爍體之間還有鎢或其他重金屬隔片，降低了X射線(xiàn)的竄擾[3]。分立探測器的讀出速度很快，在微秒量級。同時(shí)可以用加速器輸出脈沖來(lái)選通數據采集，大限度減小信號上疊加的噪聲。分立探測器對于輻射損傷也是不敏感的。

    分立探測器的主要缺點(diǎn)是像素尺寸不可能做得太小，其相鄰間隔(節距)一般大于0.1mm；另外價(jià)格也要貴一些。（資料來(lái)源：安賽斯（中國）有限公司，更多信息，請登陸安賽斯網(wǎng)站獲取。）

4.3.2 面探測器

    面探測器主要有三種類(lèi)型：高分辨半導體芯片、平板探測器和圖像增強器。半導體芯片又分為CCD和CMOS。CCD對X射線(xiàn)不敏感，表面還要覆蓋一層閃爍體將X射線(xiàn)轉換成CCD敏感的可見(jiàn)光。

    半導體芯片具有小的像素尺寸和大的探測單元數，像素尺寸可小到10微米左右，探測單元數量取決于硅單晶的大尺寸，一般直徑在50mm以上。因為探測單元很小，信號幅度也很小，為了增大測量信號可以將若干探測單元合并。為了擴大有效探測器面積可以用透鏡或光纖將它們光學(xué)耦合到大面積的閃爍體上。用光纖耦合的方法理論上可以把探測器的有效面積在一個(gè)方向上延長(cháng)到任意需要的長(cháng)度。使用光學(xué)耦合的技術(shù)還可以使這些半導體器件遠離X射線(xiàn)束的直接輻照，避免輻照損傷。

    平板探測器通常用表面覆蓋數百微米的閃爍晶體（如CsI）的非晶態(tài)硅或非晶態(tài)硒做成。像素尺寸127 或200μm，平板尺寸大約45cm（18in）。讀出速度大約3～7.5幀/s[3]。優(yōu)點(diǎn)是使用比較簡(jiǎn)單，沒(méi)有圖像扭曲。圖像質(zhì)量接近于膠片照相，基本上可以作為圖像增強器的升級換代產(chǎn)品。主要缺點(diǎn)是表面覆蓋的閃爍晶體不能太厚，對高能X 射線(xiàn)探測效率低；難以解決散射和竄擾問(wèn)題，使動(dòng)態(tài)范圍減小。在較高能量應用時(shí)，必須對電子電路進(jìn)行射線(xiàn)屏蔽。一般說(shuō)使用在150kV以下的低能效果較好。

    圖像增強器是一種傳統的面探測器，是一種真空器件。名義上的像素尺寸＜100μm，直徑152～457mm(6～18in)。讀出速度可達15～30 幀/s[3]，是讀出速度快的面探測器。由于圖像增強過(guò)程中的統計漲落產(chǎn)生的固有噪聲，圖像質(zhì)量比較差，一般射線(xiàn)照相靈敏度僅7～8%，在應用計算機進(jìn)行數據疊加的情況下，射線(xiàn)照相靈敏度可以提高到2%以上。另外的缺點(diǎn)就是易碎和有圖像扭曲。面探測器的基本優(yōu)點(diǎn)是不言而喻的—它有著(zhù)比線(xiàn)探測器高得多的射線(xiàn)利用率。面探測器也比較適合用于三維直接成像。所有面探測器由于結構上的原因都有共同的缺點(diǎn)，即射線(xiàn)探測效率低；無(wú)法限制散射和竄擾；動(dòng)態(tài)范圍小等。高能范圍應用效果較差。（資料來(lái)源：安賽斯（中國）有限公司，更多信息，請登陸安賽斯網(wǎng)站獲取。）

4.4 樣品掃描系統

    樣品掃描系統形式上像一臺沒(méi)有刀具的數控機床，從本質(zhì)上說(shuō)應當說(shuō)是一個(gè)位置數據采集系統，從重要性來(lái)看，位置數據與射線(xiàn)探測器測得的射線(xiàn)強度數據并無(wú)什么不同。僅僅將它看成一個(gè)載物臺是不夠全面的，盡管設計掃描系統時(shí)首先需要考慮的是檢測樣品的外形尺寸和重量，要有足夠的機械強度和驅動(dòng)力來(lái)保證以一定的機械精度和運動(dòng)速度來(lái)完成掃描運動(dòng)。同樣還要考慮，選擇適合的掃描方式和幾何布置；確定對機械精度的要求并對各部分的精度要求進(jìn)行平衡；根據掃描和調試的要求選擇合適的傳感器以及在計算機軟件中對掃描的位置參數作必要的插值或修正等等。

    工業(yè)CT常用的掃描方式是平移—旋轉(TR)方式和只旋轉(RO)方式兩種。只旋轉掃描方式無(wú)疑具有更高的射線(xiàn)利用效率，可以得到更快的成像速度；然而，平移—旋轉的掃描方式的偽像水平遠低于只旋轉掃描方式；可以根據樣品大小方便地改變掃描參數（采樣數據密度和掃描范圍），特別是檢測大尺寸樣品時(shí)其*性更加明顯；源—探測器距離可以較小，提高信號幅度；以及探測器通道少可以降低系統造價(jià)便于維護等[4]。

4.5 計算機系統

    計算機軟件無(wú)疑是CT的核心技術(shù)，當數據采集完成以后，CT圖像的質(zhì)量已經(jīng)基本確定，不良的計算機軟件只能降低CT圖像的質(zhì)量，而良好的計算機軟件能充分利用已有信息，得到盡可能好的結果。

5.工業(yè)CT的性能

    在無(wú)損檢測中，如何選擇一臺工業(yè)CT機滿(mǎn)足使用要求是十分重要的?，F就工業(yè)CT應具有的基本性能要求分述如下。

1）檢測范圍

主要說(shuō)明該ICT機能檢測的對象，如：能透射試件材料的大厚度，試件大回轉直徑、大高度長(cháng)度和大重量等。

2）輻射源的使用

若是X射線(xiàn)源：能量大小、工作電壓（kV）、工作電流（mA）、出束角度、焦點(diǎn)大小等。

若是高能直線(xiàn)加速器：能量大?。∕eV）、出束角度、焦點(diǎn)尺寸。

3）ICT的掃描方式

有無(wú)數字投影成象或實(shí)時(shí)成象功能等。

4）掃描檢測時(shí)間

指掃取一個(gè)斷層花在掃描數據采集時(shí)間T掃，如按256X256掃描時(shí)間T256，512X512掃描時(shí)間T512。

5）圖象重建時(shí)間

指重建出如256X256、512X512和1024X1024圖象所需的時(shí)間（s）。

6）分辨能力

這對于ICT來(lái)講是關(guān)鍵性的性能指標，通常集中在空間（幾何分辨率）分辨率和密度分辨率兩個(gè)方面。

a）空間分辨率

也稱(chēng)為幾何分辨率，是指從CT圖象中能夠辨別小物體的能力。

b）密度分辨率

密度分辨率又稱(chēng)對比度分辨率，其表示方法通常以密度（通過(guò)灰度）變化的百分比（%）表示相互變化關(guān)系。

6.工業(yè)CT的應用

    工業(yè)CT在無(wú)損檢測中有著(zhù)不可替代的*性，越來(lái)越廣泛地被應用于各個(gè)領(lǐng)域。缺陷檢測方面成功的范例是固體發(fā)動(dòng)機的檢測，用工業(yè)CT可檢測推進(jìn)劑的孔隙、雜質(zhì)、裂紋以及推進(jìn)劑、絕緣體、襯套和殼體之間的結合情況，每臺發(fā)動(dòng)機的具體檢測時(shí)間為10h或更長(cháng)。通過(guò)工業(yè)CT得到的三維空間信息同樣可以用于復雜結構件內部尺寸的測量及關(guān)鍵件裝配結構的分析，以驗證產(chǎn)品尺寸或裝配情況是否符合設計要求。工業(yè)CT突出的密度分辨能力對控制陶瓷燒結過(guò)程有重要應用價(jià)值，它可及時(shí)了解陶瓷燒結過(guò)程中不同階段的組分及密度變化，便于針對性地改變工藝。采用微焦點(diǎn)X射線(xiàn)工業(yè)CT可檢測小試件內十幾微米的缺陷，這對高彈性模量、對缺陷要求苛刻的陶瓷零件來(lái)說(shuō)，是一種理想的無(wú)損檢測手段。工業(yè)CT掃描成象充分再現了試件材料的組分特性，所以適合于符合材料內多種類(lèi)型的缺陷檢測。美國波音公司在纖維增強復合材料、膠結結構、蜂窩結構件的工業(yè)CT檢測上進(jìn)行了大量的工作，認為工業(yè)CT可檢測纖維分布的均勻性、孔隙、疏松、膠結界面的厚度及變化情況、圖層厚度及變化、材料固化時(shí)的流動(dòng)特性、外來(lái)夾雜物等。但工業(yè)CT的使用目前還存在一定的局限性。工業(yè)CT設備本身造價(jià)遠高于其它無(wú)損檢測設備，檢測成本高，檢測效率較低，例如一個(gè)600mm的試件，每毫米切一層，每層檢測時(shí)間1min，檢測完畢需10h，所以也多用于小體積、高價(jià)值的零件或一些零件關(guān)鍵部位的檢測。另外，工業(yè)CT性較強，隨著(zhù)檢測對象的不同和技術(shù)要求的不同,系統結構和配置可能相差很大。此外，工業(yè)CT對細節特征的分辨能力與試件尺寸有關(guān)，試件大時(shí)分辨能力很低，試件小時(shí)分辨能力高。由此可見(jiàn)，為使工業(yè)CT得到更廣泛地應用，還有大量的工作要做。（資料來(lái)源：安賽斯（中國）有限公司，更多信息，請登陸安賽斯網(wǎng)站獲取。）

7.結 論

    隨著(zhù)制造業(yè)的迅速發(fā)展，對產(chǎn)品的質(zhì)量檢驗的要求越來(lái)越高，在無(wú)損檢測的方法中，雖然X射線(xiàn)實(shí)時(shí)成像系統檢測速度快，但在檢測靈敏度和空間分辨率及對缺陷的定位等方面都存在著(zhù)明顯的不足。

工    業(yè)CT作為一種先進(jìn)的檢測工具，克服了X射線(xiàn)實(shí)時(shí)成像系統的不足，它可以顯示被測工件的斷面圖象，并有著(zhù)較高的檢測靈敏度和空間分辨率，它可對缺陷進(jìn)行定位和測量，動(dòng)態(tài)范圍寬，在無(wú)損檢測中起著(zhù)很重要的作用。雖然它也存在著(zhù)一些不足，但它具備了別種檢測方法所沒(méi)有的特點(diǎn)，因此是不可替代的。

    目前，工業(yè)CT被廣泛地應用于各個(gè)領(lǐng)域，如鑄件、鍛件、焊接件、火箭發(fā)動(dòng)機、石油鉆桿、復合材料、陶瓷及冶金產(chǎn)品的檢測等[5]。具體的應用如：軋鋼產(chǎn)品的質(zhì)量檢查，航空航天關(guān)鍵零部件的檢測，材料的缺陷和密度變化，鋼筋混凝土的孔洞腐蝕和斷裂情況的檢驗等。工業(yè)CT除大量的應用于檢測以上多類(lèi)缺陷之外，還可應用于幾何尺寸的測量?？傊?，工業(yè)CT有著(zhù)良好的應用前景。

致謝：感謝安賽斯（中國）有限公司提供的工業(yè)CT設備及技術(shù)支持。

參考文獻

[1]呂靜賢.x射線(xiàn)成像技術(shù)

[2]王學(xué)軍,張世翔,初學(xué)豐,黃亞宇. 工業(yè)CT技術(shù)及其應用淺談.

[3]張朝宗.工業(yè)CT技術(shù)參數對性能指標的影響.2007

[4]張朝宗,郭志平,張朋,王賢剛.工業(yè)CT技術(shù)和原理。2009