桌面型工業(yè)CT設備的研制及其在檢測方面的應用

劉成勛 郝兵 呂益良 王學義 丁衛(wèi)良

摘 要：面向精密電子、生命科學、材料應用等科研應用領域，利用新型成像技術，通過進行桌面型CT無損檢測控制系統(tǒng)設計、精密機械系統(tǒng)設計、數(shù)據(jù)采集及圖像處理軟件研發(fā)、錐束三維圖像快速重建技術的研發(fā)，人們研制出一種體積小、重量輕、便于安放的新型工業(yè)CT設備。本文介紹了桌面型工業(yè)CT設備的結構組成及功能特點，并展示了其在電纜組件器件檢測方面的應用。

關鍵詞：桌面型工業(yè)CT;錐束CT;無損檢測

中圖分類號：TH878文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）17-0050-03

Development and Application in Detection of Desktop Industrial

CT Equipment

LIU Chengxun HAO Bing LYU Yiliang WANG Xueyi DING Weiliang

（Luoyang CITIC Imaging Intelligent Technology Co.， Ltd.，Luoyang Henan 471000）

Abstract： Facing scientific research and application fields such as precision electronics， life sciences， materials applications， etc.， using new imaging technology， through desktop CT nondestructive testing control system design， precision mechanical system design， data acquisition and image processing software development， cone beam 3D image rapid reconstruction technology R & D， people have developed a new type of industrial CT equipment that is small， light and easy to place. This paper introduced the structure and functional characteristics of desktop industrial CT equipment， and showed its application in the detection of cable assembly devices.

Keywords： desktop industrial CT;cone-beam CT;nondestructive testing

工業(yè)新型成像技術是核物理學、電子學、精密機械設計與制造、應用數(shù)學和計算機技術等多學科交叉融合的高新技術，其技術特點是利用錐束CT（Cone-beam CT，CBCT）掃描，能夠清晰、準確地再現(xiàn)物體高分辨率和各向同性的三維立體結構，其原理是通過微焦點的錐形束光源、高分辨率的平板探測器和精密機電一體化物理平臺獲取原始數(shù)據(jù)，采用新的成像理論支撐的圖像算法重建，形成高精度的三維結構信息，為無損快速精確地檢測分析物體內部結構情況提供可靠的依據(jù)，近些年被廣泛應用于精密鑄件檢測、醫(yī)療診斷、航空航天等領域[1-3]。

桌面型工業(yè)CT設備是利用新型成像技術，面向精密電子、生命科學、材料應用等科研應用領域，通過進行桌面型CT無損檢測控制系統(tǒng)設計、精密機械系統(tǒng)設計、數(shù)據(jù)采集及圖像處理軟件研發(fā)、錐束三維圖像快速重建技術的研發(fā)，研制出的一種體積小、重量輕、便于安放的新型工業(yè)CT設備，能夠滿足國內各大高校實驗室、科研機構、大型國企及上市公司試驗檢測需求。

1 桌面型CT設備的結構組成

桌面型CT系統(tǒng)主要由X射線源、探測器采集與數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、機械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)等組成，如圖1所示。X射線源發(fā)出錐束X射線穿過被檢測物體，探測器采集投影后的數(shù)據(jù)并通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)進行傳輸，軟件系統(tǒng)在接到傳輸數(shù)據(jù)后進行數(shù)據(jù)圖像校正、圖像處理及重建，最終可以得到高分辨率的三維重建圖像。

1.1 X射線源

X射線源主要由高壓發(fā)生器、電子管、靶材料、安全連鎖裝置等構成，高壓發(fā)生器通電時產(chǎn)生高壓，鎢絲在高溫加熱下產(chǎn)生電子，電子被高壓加速，然后加速電子轟擊靶材料產(chǎn)生具有連續(xù)能譜的X射線[4]。射線源采取多級聯(lián)鎖措施，以保證人員和周圍環(huán)境的安全。

1.2 探測器采集與數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

探測器采集與數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)主要由探測器和數(shù)據(jù)采集兩部分組成。探測器是一種換能器，它將包含被測體內部物理信息的輻射轉換為電信號，提供給后面的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)做再處理。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用以獲取和采集信號，它將探測器獲得的信號進行必要的轉換、采集、處理和存儲，以供圖像重建之用。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是CT系統(tǒng)的關鍵組成之一，評估數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要性能參數(shù)包括：信噪比、穩(wěn)定性、動態(tài)范圍、采集速度以及一致性等。

1.3 機械系統(tǒng)

機械掃描運動系統(tǒng)提供CT系統(tǒng)的基礎結構，提供光源、探測器系統(tǒng)及被測物體的安裝載體和空間位置，并為CT系統(tǒng)提供所需掃描檢測的多自由度、高精度的運動功能。

研制CT系統(tǒng)的機械掃描運動系統(tǒng)主要包括光學平臺、電控平移臺、電控旋轉臺以及一些安裝輔助零件。光學平臺作為整個CT系統(tǒng)的載體，電控平移臺實現(xiàn)光源、探測器和被測物體的平移，電控旋轉臺實現(xiàn)被測物體的轉動。

1.4 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)決定了CT系統(tǒng)的控制功能，它實現(xiàn)了對掃描檢測過程中機械運動的精確定位控制、系統(tǒng)的邏輯控制、時序控制以及檢測工作流程的順序控制和系統(tǒng)各部分協(xié)調，并擔負系統(tǒng)的安全聯(lián)鎖控制。研制CT的控制系統(tǒng)內含控制器和驅動器，可以實現(xiàn)開環(huán)控制或閉環(huán)控制，同時能夠實現(xiàn)細分功能，提供平滑的步進運動。

1.5 軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)的硬件包括系統(tǒng)控制站、圖像重建與檢查站、VG專用工作站、打印機、網(wǎng)絡交換機等硬件設備，各工作站在Windows操作系統(tǒng)下完成掃描數(shù)據(jù)處理工作。

軟件系統(tǒng)實現(xiàn)整個系統(tǒng)的運行操作和被檢工件圖像重建、圖像處理、分析、測量、圖像數(shù)據(jù)的存儲和管理功能。其主要包括圖像控制軟件、圖像校正與重建軟件、圖像檢查軟件、三維可視化分析軟件。其中，圖像控制軟件主要實現(xiàn)掃描過程控制、數(shù)據(jù)采集、分系統(tǒng)運行狀態(tài)與安全聯(lián)鎖狀態(tài)監(jiān)控等功能;圖像校正與重建軟件實現(xiàn)掃描數(shù)據(jù)校正及DR、CT圖像重建功能;圖像檢查軟件主要實現(xiàn)圖像多種視窗顯示、正反像顯示、偽彩色顯示、圖像整體縮放、分析測量、標記功能等功能。三維可視化分析軟件主要實現(xiàn)對CT圖像的三維顯示及分析等功能。

2 桌面型工業(yè)CT設備的功能及特點

研制的桌面型工業(yè)CT設備采用簡潔、緊湊的設計理念，將射線源、探測器、高精度機械轉臺、控制系統(tǒng)等進行高度的集成，樣機如圖2所示。

圖2 桌面型工業(yè)CT設備

桌面型工業(yè)CT設備體積小，重量輕，可以安放在一般的桌面上，自帶防輻射安全箱體，可應用于小尺寸樣品和原位試驗，可以進行圖像校正、圖像處理、三維圖像重建，支持尺寸測量、孔隙度分析、壁厚分析、缺陷檢測等真三維檢測，可以在最小的空間內實現(xiàn)高性能和高靈活性，具體功能如下。

2.1 DR成像

該掃描方式下，可進行產(chǎn)品的快速高效數(shù)字化檢測，或利用DR確定缺陷在某一切面的位置，以便在該位置進行CT掃描成像。

2.2 Ⅲ代掃描CT成像

該掃描方式下，被檢測產(chǎn)品隨夾具在水平方向上只做360°旋轉運動，用于對產(chǎn)品整體進行精細快速三維檢測，不僅掃描效率高，而且檢測效果分辨率且各向同性。

2.3 數(shù)據(jù)校正

可對幾何偽影、硬化偽影、散射偽影等進行校正，提高圖像質量。

2.4 三維重建與圖像顯示

利用掃描的CT投影數(shù)據(jù)進行三維重建，得到物體內部的真三維圖像，可實現(xiàn)任意方向剖切、剝離、旋轉、對比度調整、內部結構顯示及表面顯示等功能。

2.5 圖像分析與測量

配套應用分析軟件，支持尺寸測量、孔隙度分析、壁厚分析、缺陷檢測等真三維檢測。

3 桌面型CT設備在檢測方面的應用

為保證產(chǎn)品質量，在產(chǎn)品的試制階段或者生產(chǎn)流程的早期進行缺陷檢測是很有必要的。根據(jù)某公司的實際需求，本研究運用桌面型工業(yè)CT設備對其生產(chǎn)的電纜組件（見圖3）進行了DR射線檢測，最終發(fā)現(xiàn)了電纜組件中存在的缺陷并進行了缺陷特征的說明。具體缺陷包括焊瘤、單個氣泡直徑超標、氣泡面積超標、電纜爬錫長度超標，如圖4至圖7所示。

結論

本文主要介紹了桌面型工業(yè)CT設備的原理、結構組成、功能及特點，并展示了其在電纜組件器件檢測方面的實際應用效果。從檢測結果可以看出，此桌面型工業(yè)CT設備能夠在無損狀態(tài)下準確地顯示被檢件的缺陷信息，能夠為相關器件的無損檢測提供可靠的技術支持。

參考文獻：

[1]萬欣，劉錫明，吳志芳.計算機分層成像技術概述[J].CT理論與應用研究，2014（5）：883-892.

[2]田少軍.工業(yè)CT在鑄件無損檢測中的應用[J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟和信息化，2017（22）：27-28.

[3]Kappes W，Rockstroh B，Bhr W，et al.Application of new front-end electronics for non-destructive testing of railroad wheel sets[J].Insight-Non-Destructive Testing and Condition Monitoring，2007（6）：345-349.

[4]李磊，王敬雨，席曉琦，等.錐束CT在鋁鎂合金鑄件檢測中的應用[J].河南科學，2019（1）：21-25.