錐束CT在復合材料缺陷檢測中的應用

吳彥舉 郝 兵 呂益良 鄭詩楊

（洛陽中信成像智能科技有限公司，河南 洛陽 471000）

傳統的復合材料檢測方法中，超聲波檢測是通過缺陷和基體之間的不同特征引起的波長吸收/反射差異來判定被測物的。由于檢測原理導致檢測精度不是很高、誤差較大。滲透檢測多用于檢測物體表面的缺陷，不能直觀的反應物體內部的缺陷情況。X射線檢測通過X射線的照射，根據不同材質物體對射線的吸收特性的不同，會在成像板或者膠片上顯示二維圖像。而錐束CT是通過發出錐束的X射線，照射工件，記錄工件不同角度的投影數據，最終通過重建算法得到三維數字模型，根據數字模型使用專用軟件對工件進行缺陷分析。

1 錐束C T工作原理及重要指標

錐束CT相比傳統的斷層CT具有成像速度快、檢測精度高的特點。斷層掃描又稱線陣掃描，射線源發出扇形X光照射工件，每次只能檢測工件的某一截面，通過疊加截面的方式呈現三維模型，層與層之間的間隙直接影響掃描的時間和成像的精度。錐束CT采用面陣探測器，射線源發出錐束X光照射工件，探測器上可以采集到整個工件的照片，通過這種方式得到的三維數據沒有信息缺失，檢測精度更高。

錐束CT系統主要由探測器系統、機械系統、錐束X射線源系統等組成，如圖1所示。主要工作原理是X射線源在錐角范圍內發出的X射線穿過被檢測物體，被檢測物體在機械系統上進行360°旋轉，同時探測器會接收到被掃描物體不同角度的投影數據，最后把所有的投影數據傳回計算機，利用三維圖像重建算法對投影數據進行重建，得到被檢測物體的三維重建數據，為分析檢測物體內部的三維結構信息提供了可靠依據。

圖1 錐束CT系統結構示意圖

影響錐束CT系統檢測精度的主要因素包括電壓、電流、幾何放大倍數、焦點尺寸以及平板探測器的像素尺寸等。

1.1 電壓電流

電壓電流主要指的是射線機的管電壓和管電流，電壓主要影響的是射線的穿透能力（等效鋼厚度），電壓越高穿透能力越強，檢測的工件也越大。電流主要影響系統的對比度，電流越高對比度越強，材質的分辨才更清晰。在穿透金屬物體時，金屬會出現衍射、反射、散射的現象，會產生金屬偽影，影響檢測的精度，所以在檢測金屬物體時，在保證工件能穿透的情況下，電壓電流設置不宜太高。在檢測復合材料時，偽影現象基本可以忽略，在保證工件能穿透的情況下，電流可以適當高一點，使系統對比度更高，缺陷識別更清楚。

1.2 幾何放大倍數

F—射線源出束位置到探測器表面的距離。f—射線源出束位置到工件表面的距離。T—工件的厚度。b—工件表面到探測器表面的距離。

圖2 放大比關系示意圖

放大倍數M=F/f，放大倍數影響著設備的檢測精度。放大比越大，系統的檢測精度越高，即工件離射線源越近，檢測精度越高。但是由于射線源發出的是錐束光，工件離射線源越近，檢測的有效面積就越小。所以應綜合考慮檢測精度和檢測效率，選擇合適的放大比[1]。

1.3 焦點尺寸大小

d—射線管焦點尺寸。幾何放大倍數M=F/f。

幾何不清晰度：Ug=d（M-1），焦點尺寸是射線管的重要參數，在幾何放大倍數的作用下，焦點在檢測圖像上會產生幾何不清晰度，由圖3可以發現當放大比一定的情況下，焦點尺寸越大，幾何不清晰度就越大，檢測精度越低，精度反而越高。為了提高設備的檢測精度，一般在能穿透工件的情況下會選擇焦點尺寸更小的CT系統進行檢測[2]。

圖3 焦點尺寸影響幾何不清晰度示意圖

1.4 平板探測器的像素尺寸

平板探測器是由一個個小的分區構成的，這些小區被稱為像素。

像素尺寸（p）：指敏感區域長度與所包含的像素數目之比，也可以表示為圖像的行或者列中相鄰2個像素中心的距離，如圖4所示。單位為mm或者μm。

圖4 平板探測器結構示意圖

平板探測器的像素寬度與高度相等。像素尺寸作為成像精度的關鍵因素，直接影響著成像精度，為了保證檢測精度，像素尺寸越小越好。

2 錐束C T在復合材料缺陷檢測方面的應用

結合某公司的復合材料特性和上述影響系統檢測精度的指標，該次檢測主要選用的是300 kV微焦點射線源和像素尺寸為200 μm的高分辨率面陣探測器系統，放大倍數選擇為10的情況下，對工件進行錐束CT無損檢測，最終得到高質量的三維數據。并使用專用CT數據處理軟件分析其內部缺陷類型及分布情況。主要分析復合材料的裂紋走向、裂紋三維模型分布及提取、孔洞的孔隙率分析幾個方面。

由于工件尺寸較大，超過了平板探測器的有效成像面積，所以對工件進行了偏置分區掃描，將工件分為圖5所示共6個區，每個有效區域的尺寸為250 mm×250 mm，下面主要針對D區錐束CT掃描檢測結果進行分析。

圖5所示上效果是通過CT專用分析軟件VGStudio Max對掃描后的三維數據進行分析。通過移動活動面對掃描數據的每一層進行分析，進而發現該復合材料在不同位置上的不同缺陷。圖6是通過3個截面圖和1個實物圖的方式顯示出了該段復合材料一個截面的缺陷。可以測量缺陷的尺寸及走向，還可以通過三維成像視圖判斷出缺陷的具體位置。

圖5 某公司復合材料實物照片

拆分功能主要是把有缺陷的地方通過拆分、提取及渲染的方式在三維數據上直觀地顯示出來，是根據密度的不同來識別缺陷，通過改變閾值來選擇缺陷的大小，如圖7所示，再使用布爾運算把需要提取的缺陷拆分開來單獨顯示，并可以根據需要渲染出不同的顏色。目的是更清晰更直觀的看到缺陷的分布情況。

圖6 某復合材料檢測缺陷效果圖

孔隙率分析可以根據孔洞的體積大小對工件的孔洞缺陷進行篩選，并通過不同的顏色進行標注，不同的顏色對應的體積大小不同，通過渲染可以直觀地發現孔洞在工件內部的分布情況，如圖8所示。孔隙率分析可以通過設置孔洞尺寸的大小，根據需求過濾掉不影響工件質量的孔洞，只保留影響工件質量的孔洞進行分析[3]。

圖7 某復合材料缺陷提取效果圖

圖8 某復合材料孔隙率分析效果圖

3 結語

該文主要介紹了錐束CT系統的工作原理，以及影響系統檢測精度的主要指標，對某復合材料缺陷檢測結果進行分析。通過上述介紹發現，要想得到一個好的檢測結果，不但對硬件設備提出了更高的要求，還對掃描的數據處理提出了更高的要求，只有在兩者配合的情況下才能得到高精度的檢測結果。根據以往的檢測經驗可以發現，在檢測復合材料工件時，保證工件能穿透的情況下，多以微焦點工業CT檢測為主。

通過對某復合材料的錐束CT檢測結果進行分析，了解到錐束CT在復合材料無損檢測方面的應用，通過錐束CT掃描，不但可以得到工件三維結構信息，還可以檢測到工件內部的缺陷并對缺陷進行量化分析。