工业CT的概念和定义

2017-11-25
工业CT(industrial computerized tomography)是指应用于工业中的核成像技术。其基本原理是依据辐射在被检测物体中的减弱和吸收特性。同物质对辐射的吸收本领与物质性质有关。所以,利用放射性核素或其他辐射源发射出的、具有一定能量强度X射线γ射线,在被检测物体中的衰减规律及分布情况,就有可能由探测器陈列获得物体内部的详细信息,最后用计算机信息处理图像重建技术,以图像形式显示出来。[1]
中文名
工业CT
外文名
industrial computerized tomography
全    称
工业用计算机断层成像技术
应    用
汽车、材料、铁路、航天等
检测范围
主要说明该CT系统的检测对象

概念说明

工业CT工业计算机断层成像技术简称,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形式,清晰、准确、直观地展示被检测物体的内部结构组成材质缺损状况,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、精密机械控制计算机图像处理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,为航天运载火箭船与太空飞行器的成功发射航空发动机研制、大型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

技术原理

工业CT是在射线检测的基础上发展起来的,其基本原理是当经过准直且能量I0的射线束穿过被检物时,根据各个透射方向上各体积元的衰减系数从不同,探测器接收到的透射能量I也不同。按照一定的图像重建算法,即可获得被检工件截面一薄层无影像重叠的断层扫描图像(图1),重复上述过程又可获得一个新的断层图像,当测得足够多的二维断层图像就可重建出三维图像。当单能射线束穿过非均匀物质后,其衰减遵从比尔定律:
式中
为已知量,未知量为μ。一幅M×N个像素组成的图像,必须有M×N个独立的方程才能解出衰减系数矩阵内每一点的μ值。当射线从各个方向透射被检物体,通过扫描探测器可得到MXN个射线计数和值,按照一定的图像重建算法,即可重建出MXN个μ值组成的二维CT灰度图像。[2]
工业CT结构原理图工业CT结构原理图

性能指标

检测范围:主要说明该CT系统检测对象。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、工作电流焦点尺寸。射线能量是穿透等效钢厚度能力的主要影响因素
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,但是容易由于校正方法不佳而导致环状伪影(所以减弱或消除环状伪影是体现CT系统制造商技术水平的主要内容之一);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。
分辨能力工业CT系统的核心性能指标包括:
空间分辨率:从CT图像中能够辨别最小结构细节的能力
密度分辨率: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: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: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

工业应用

工业CT现有X射线断层扫描(XCT)、康普顿散射断层扫描(CST)、穆斯堡尔效应断层扫描(MCT)等。主要应用于工业在线过程的实时检测和大型工业部件探查。工业CT与传统的X射线探伤超声波探伤相比,具有空间分辨率高、无损检测速度快等特点,因而在工业产品检测中具有其他方法无可取代的作用。在实时检测方面,可用于在线检测热轧无缝钢管中的气孔划痕裂缝分层等各种缺陷,同时给出钢管的壁厚、同心度单位长度重量等;亦可用于发电设备的实时检测。在大型部件检测方面,特别适用于火箭核燃料元件、弹药、飞机发动机等的无损检测。大型工业CT的主要技术指标大约为待测物体直径1—2.5米,有效扫描高度2—8米,最大承重可达数十吨,空间分辨率为1线对/毫米,密度分辨率0.5%,裂纹分辨0.05毫米×15毫米,扫描时间每层3分钟,图像重建时间6秒,工作台平移空位精度0.02毫米,工作台旋转空位精度10角秒。所用的辐射装置可用X射线机加速器,亦可用60Co、137Cs或192Ir的γ射线源[1]

工业CT部件的发展现状

辐射源

射线源常用X射线机和直线加速器。X射线机的峰值能量范围从数十到450 keV,且射线能量和强度都是可调的;直线加速器的射线能量一般不可调,常用的峰值射线能量范围在1一16 MeV。其共同优点是切断电源以后就不再产生射线,焦点尺寸可做到微米量级。[2]

探测器

目前常用的探测器主要有高分辨CMOS半导体芯片、平板探测器和闪烁探测器三种类型。半导体芯片具有最小的像素尺寸和最大的探测单元数,像素尺寸可小到10 μm左右。平板探测器通常用表面覆盖数百微米的闪烁晶体(如CsI)的非晶态硅或非晶态硒做成,像素尺寸约127 μm,其图像质量接近于胶片照相。闪烁探测器的优点是探测效率高,尤其在高能条件下,它可以达到16 ~ 20 bit的动态范围,且读出速度在微秒量级。其主要缺点是像素尺寸较大,其相邻间隔(节距)一般≥0. 1 mm。[2]

样品扫描系统

样品扫描系统从本质上说是一个位置数据采集系统。工业CT常用的扫描方式是平移一旋转((TR)方式和只旋转(RO)方式两种。RO扫描方式射线利用效率较高,成像速度较快。但TR扫描方式的伪像水平远低于RO扫描方式,且可以根据样品大小方便地改变扫描参数(采样数据密度和扫描范围)。特别是检测大尺寸样品时其优越性更加明显,源探测器距离可以较小,以提高信号幅度等。[2]
参考资料
  • 1.  词条作者:欧阳钟灿.《中国大百科全书》74卷(第二版)物理学 词条:工业CT:中国大百科全书出版社,2009-07:174页

  • 2.  工业CT技术进展及应用 .中国知网.2010年[引用日期2015-01-29]


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