工业CT的发展及应用

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2021/3/13,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2021/3/13,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,工业CT的发展及应用,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,2,、航空、航天等工业中精细工件内部构造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：,3,5,、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,4,一、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,、构造上的差异,工业CT中被测工件亦作扫描运动,、检测范围的差异,5,、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.各部件相对位置确实定,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,6,射线穿透物体强度衰减遵从比尔定律：,I=I,0,e,l,其中,I,射线穿透物体后的强度；,I,0,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根本原理,7,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、比照度很高的清晰图像。,工业,CT,工作原理,二、工业CT根本原理,8,工业,CT,工作原理图,二、工业CT根本原理,9,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根本原理,10,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,180,o,11,CT,的五种方式扫描,第二代扫描,旋转,12,o,/,次,源,样品,探测器,平移,平移,同步,图,3,二代扫描,12,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,13,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,14,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,15,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系统构造,三、工业,CT,系统的主要部件,16,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,17,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,18,伽玛射线源,：常用,60,Co,、,137,Cs,。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,19,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,20,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,21,制造探测器所用管子,三、工业,CT,系统的主要部件,22,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。这局部电路十分复杂，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,23,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,24,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,25,数字伺服放大器、同步伺服电机,三、工业,CT,系统的主要部件,26,转台及平移系统,三、工业,CT,系统的主要部件,27,5,图像重建、分析系统,该局部硬件由系统主板、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,28,工业,CT,图像重建运算方法,卷积滤波反投影法：,(r,)=,o,P(x,Q)*(x,)dQ,离散形式为：,(r,)=,P(K,a,Q,i,),(,xcosQ,i,+ysinQ,i,-Ka),任意像素的衰减系数,:,P(x,ij,Q,i,)=,k,ij,P,k+l,+,k+1,ij,P,k,其中,K,射线束编号,k,ij,k+1,ij,内插系数,投影线,29,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展插值。,30,四、工业,CT,的评价参数,空间分辨率 指图像中能够区分最小物体的能力。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。,31,ICT-X01,线对检测图像上方是的图,32,四、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异程度。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。,33,四、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，而辐射剂量那么要增加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正确值。,34,四、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。,35,四、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。,36,四、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。,37,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,60,Co,、,192,Ir,、,137,Cs,，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,38,1.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,构造分析,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,39,1.工业CT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:图像密度分辨率可到达0.1%甚至更高。,五、工业,CT,在无损检测中的应用,40,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,41,2.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，图中可以清楚地看到在轴与叶片之间有缝隙及裂纹，该件已报废。,42,气孔和夹杂的测量,五、工业,CT,在无损检测中的应用,43,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。检测时先用实时成像功能完成主要缺陷检测，而后在特定区域进展扫描成像，准确验证叶片尺寸。,五、工业,CT,在无损检测中的应用,44,飞机发动机空心叶片的壁厚检测,45,构造分析,五、工业,CT,在无损检测中的应用,对于体积小、价值高的复杂构造件，要在不解剖构件的情况下了解其内部构造，工业是一理想的手段。这一技术普遍被应用于逆向工程中。,46,五、工业,CT,在无损检测中的应用,构造分析,图例为某燃烧器部件实物及透视图和多层图,47,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、夹杂物等进展无损检测外，还要求测量装药密度、弹底间隙，以保证弹药使用的平安可靠。,五、工业,CT,在无损检测中的应用,48,五、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。,49,ICTDY01,密度测量结果,材料,标准密度,测量值,误差,1,有机玻璃,1.1797,1.1836,3.3,2,胶木,1.3641,1.3613,2.1,3,聚氯乙稀,1.5195,1.5150,2.97,50,五、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。选择适宜的扫描层厚,对弹体的底部进展断层扫描，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,51,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,22,值于弹药密度的关系曲线,52,底隙测量曲线,五、工业,CT,在无损检测中的应用,53,五、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,54,五、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不可破损情况下，移动式,CT,有相当的潜力。,55,五、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。,56,五、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,57,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，就必须进展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,58,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到达完备，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,59,五、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展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。,60,五、工业,CT,在无损检测中的应用,目前三维成像中以外表显示法常用最常用。外表显示法有三角网法、有限差分法、动态弹性外表插入法等，根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外表。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。,61,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。,62,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开展趋势，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开展机遇。,63,北京优联思特公司已研制的几种机型,ICT,B01,伽玛射线,ICT,DY01,伽玛射线弹药检测机,ICT,X01 X,射线小型工业,CT,机,ICT,X02 X,射线通用型,64,ICT,B01,工业,CT,设备,65,ICT,X01 X,射线工业,CT,设备,66,弹药检测工业CTICTDY01,67,X射线工业CTICTX02,68,现场测量、控制,69,ICT,X02,扫描图像,70,航天推进器动作筒,71,叶片的,DR,透视图,72,叶片的陶瓷型芯和蜡模的图像,73,石油岩芯的断层图像,74,电机的断层图,75,汽车发动机曲轴的断面,76,导弹药芯断面,77,电缆断层图像,78,谢谢观赏！,2020/11/5,79,