工业计算机断层扫描技术（CT技术）综述

工业计算机断层扫描技术（CT技术）综述

作者：安赛斯（中国）有限公司  

摘要：随着制造业的迅速发展，对产品质量检验的要求越来越高，需要对越来越多的关键、复杂零部件甚至产品内部缺陷进行严格探伤和内部结构尺寸精确测量,作为先进无损检测方法的工业CT技术也随着被开发并应用于这些领域。本文主要介绍了工业CT技术。

关键词：X射线 工业CT 无损检测 计算机，安赛斯（中国）有限公司

1．引 言

    在1985年伦琴发现X射线以前想要在不打开盒子的情况下看清盒子里放的东西，几乎是不可能的，除非盒子是用透明材料做成的。如今在车站或机场，不打开旅客行李进行安全检查已是司空见惯了。

    X射线问世后，很快便应用到医学领域．开始有了伦琴摄影． 不用手术就能初步观察到人体内部组织[1]。经过一个多世纪的努力， 在利用方法上发生了翻天覆地的变化，呈现出多样化。随着制造业的迅速发展，对产品质量检验的要求越来越高，需要对越来越多的关键、复杂零部件甚至产品内部缺陷进行严格探伤和内部结构尺寸精确测量。传统的无损检测方法如超声波检测、射线照相检测等测量方法已不能满足要求。于是，ICT（Industrial Computed Tomography--简称工业CT）这种先进的无损检测技术也被开发应用于这些领域[2]。

    工业CT（ICT）就是计算机层析照相或称工业计算机断层扫描成象。虽然层析成象有关理论的有关数学理论早在1917年由J.Radon提出，但只是在计算机出现后并与放射学科结合后才成为一门新的成象技术。在工业方面特别是在无损检测（NDT）与无损评价（NDE）领域更加显示出其独特之处。因此，国际无损检测界把工业CT称为zuijia的无损检测手段。进入80年代以来，国际上主要的工业化国家已把X射线或γ射线的ICT用于航天、航空、军事、冶金、机械、石油、电力、地质、考古等部门的NDT和NDE，检测对象有Daodan、火箭发动机、军用密封组件、核废料、石油岩芯、计算机芯片、精密铸件与锻件、汽车轮胎、陶瓷及复合材料、海关dupin、考古化石等。我国90年代也已逐步把ICT技术用于工业无损检测领域[2]。进入21世纪ICT更是得到了进一步发展已成为一种重要的先进无损伤检测技术。

2.工业CT的发展

    按扫描获取数据方式的不同，CT技术已发展经历了五个阶段,如图1所示。

图1 五种不同的扫描方式[2]

第一代CT（见图1a），使用单源（一条射线）单探测器系统，系统相对于被检物作平行步进式移动扫描以获得N个投影值（I），被检物则按M个分度作旋转运动。这种扫描方式被检物仅需转动180度即可。第一代CT机结构简单、成本低、图象清晰，但检测效率低，在工业CT中则很少采用。

第二代CT（见图1b），是在第一代CT基础上发展起来的。使用单源小角度扇形射线束多探头。射线扇形束角小、探测器数目少，因此扇束不能全包容被检物断层，其扫描运动除被检物需作M个分度旋转外，射线扇束与探测器阵列架一道相对于被检物还需作平移运动，直至全部覆盖被检物，求得所需的成象数据为止。

第三代CT(见图1c)，它是单射线源，具有大扇角、宽扇束、全包容被检断面的扫描方式。对应宽扇束有N个探测器，保证一次分度取得N个投影计数和I值，被检物仅作M个分度旋转运动。因此，第三代CT运动单一、好控制、效率高，理论上被检物只需旋转一周即可检测一个断面。

第四代CT(见图1d)，也是一种大扇角全包容，只有旋转运动的扫描方式，但它有相当多的探测器形成固定圆环，仅由辐射源转动实现扫描。其特点是扫描速度快、成本高。

第五代CT(见图1e)，是一种多源多探测器，用于实时检测与生产控制系统，图中是一种钢管生产在线检测与控制壁厚的CT系统。源与探测器按120度分布，工件与源到探测器间不作相对转动，仅有管子沿轴向的快速分层运动。

    上述五种CT扫描方式，在ICT机中用得最普遍的是第二代与第三代扫描，其中尤以第三代扫描方式用得最多。这是因为它运动单一，易于控制，适合于被检物回转直径不太大的中小型产品的检测，且具有成本低，检测效率高等优点。

3.工业CT的基本原理

    工业CT机一般由射线源、机械扫描系统、探测器系统、计算机系统和屏蔽设施等部分组成。其结构工作原理如图2所示。

图2 ICT 结构工作原理简图[2]

    射线源提供CT扫描成象的能量线束用以穿透试件，根据射线在试件内的衰减情况实现以各点的衰减系数表征的CT图象重建。与射线源紧密相关的前直准器用以将射线源发出的锥形射线束处理成扇形射束。后准直器用以屏蔽散射信号，改进接受数据质量。机械扫描系统实现CT扫描时试件的旋转或平移，以及射线源——试件——探测器空间位置的调整，它包括机械实现系统及电器控制系统。探测器系统用来测量穿过试件的射线信号，经放大和模数转换后送入计算机进行图象重建。ICT机一般使用数百到上千个探测器，排列成线状。探测器数量越多，每次采样的点数也就越多，有利于缩短扫描时间、提高图象分辨率。计算机系统用于扫描过程控制、参数调整，完成图象重建、显示及处理等。屏蔽设施用于射线安全防护，一般小型设备自带屏蔽设施，大型设备则需在现场安装屏蔽设施。

4.工业CT的组成及其各自特点

4.1 工业CT的组成

    一个工业CT系统至少应当包括射线源，辐射探测器，样品扫描系统，计算机系统（硬件和软件）等。

4.2 射线源的种类

    射线源常用X射线机和直线加速器，统称电子辐射发生器。X射线机的峰值射线能量和强度都是可调的，实际应用的峰值射线能量范围从几KeV到450KeV；直线加速器的峰值射线能量一般不可调，实际应用的峰值射线能量范围从1～16MeV[3]，更高的能量虽可以达到，主要仅用于实验。电子辐射发生器的共同优点是切断电源以后就不再产生射线，这种内在的安全性对于工业现场使用是非常有益的。电子辐射发生器的焦点尺寸为几微米到几毫米。在高能电子束转换为X射线的过程中，仅有小部分能量转换为X射线，大部分能量都转换成了热，焦点尺寸越小，阳极靶上局部功率密度越大，局部温度也越高。实际应用的功率是以阳极靶可以长期工作所能耐受的功率密度确定的。因此，小焦点乃至微焦点的的射线源的使用功率或最大电压都要比大焦点的射线源低。电子辐射发生器的共同缺点是X射线能谱的多色性，这种连续能谱的X 射线会引起衰减过程中的能谱硬化，导致各种与硬化相关的伪像。

    同位素辐射源的Youdian是它的能谱简单，同时有消耗电能很少，设备体积小且相对简单，而且输出稳定的特点。但是其缺点是辐射源的强度低，为了提高源的强度必须加大源的体积，导致“焦点”尺寸增大。在工业CT中较少实际应用。

    同步辐射本来是连续能谱，经过单色器选择可以得到定向的几乎单能的高强度X射线，因此可以做成高空间分辨率的CT系统。但是由于射线能量为20KeV到30KeV，实际只能用于检测1mm左右的小样品，用于一些特殊的场合。

4.3 辐射探测器

4.3.1 分立探测器

    工业CT所用的探测器有两个主要的类型—分立探测器和面探测器。而分立探测器常用的X射线探测器有气体和闪烁两大类。

    气体探测器具有天然的准直特性，限制了散射线的影响；几乎没有窜扰；且器件一致性好。缺点是探测效率不易提高，高能应用有一定限制；其次探测单元间隔为数毫米，对于有些应用显得太大。

    应用更为广泛的还是闪烁探测器。闪烁探测器的光电转换部分可以选用光电倍增管或光电二极管。前者有极好的信号噪声比，但是因为器件尺寸大，难以达到很高的集成度，造价也高。工业CT中应用最广泛的是闪烁体—光电二极管组合。

    应用闪烁体的分立探测器的主要优点是：闪烁体在射线方向上的深度可以不受限制，从而使射入的大部分X光子被俘获，提高探测效率。尤其在高能条件下，可以缩短获取时间；因为闪烁体是独立的，所以几乎没有光学的窜扰；同时闪烁体之间还有钨或其他重金属隔片，降低了X射线的窜扰[3]。分立探测器的读出速度很快，在微秒量级。同时可以用加速器输出脉冲来选通数据采集，最大限度减小信号上叠加的噪声。分立探测器对于辐射损伤也是最不敏感的。

    分立探测器的主要缺点是像素尺寸不可能做得太小，其相邻间隔(节距)一般大于0.1mm；另外价格也要贵一些。（资料来源：安赛斯（中国）有限公司，更多信息，请登陆安赛斯网站获取。）

4.3.2 面探测器

    面探测器主要有三种类型：高分辨半导体芯片、平板探测器和图像增强器。半导体芯片又分为CCD和CMOS。CCD对X射线不敏感，表面还要覆盖一层闪烁体将X射线转换成CCD敏感的可见光。

    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微米左右，探测单元数量取决于硅单晶的最大尺寸，一般直径在50mm以上。因为探测单元很小，信号幅度也很小，为了增大测量信号可以将若干探测单元合并。为了扩大有效探测器面积可以用透镜或光纤将它们光学耦合到大面积的闪烁体上。用光纤耦合的方法理论上可以把探测器的有效面积在一个方向上延长到任意需要的长度。使用光学耦合的技术还可以使这些半导体器件远离X射线束的直接辐照，避免辐照损伤。

    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127 或200μm，平板尺寸最大约45cm（18in）。读出速度大约3～7.5帧/s[3]。优点是使用比较简单，没有图像扭曲。图像质量接近于胶片照相，基本上可以作为图像增强器的升级换代产品。主要缺点是表面覆盖的闪烁晶体不能太厚，对高能X 射线探测效率低；难以解决散射和窜扰问题，使动态范围减小。在较高能量应用时，必须对电子电路进行射线屏蔽。一般说使用在150kV以下的低能效果较好。

    图像增强器是一种传统的面探测器，是一种真空器件。名义上的像素尺寸＜100μm，直径152～457mm(6～18in)。读出速度可达15～30 帧/s[3]，是读出速度最快的面探测器。由于图像增强过程中的统计涨落产生的固有噪声，图像质量比较差，一般射线照相灵敏度仅7～8%，在应用计算机进行数据叠加的情况下，射线照相灵敏度可以提高到2%以上。另外的缺点就是易碎和有图像扭曲。面探测器的基本优点是不言而喻的—它有着比线探测器高得多的射线利用率。面探测器也比较适合用于三维直接成像。所有面探测器由于结构上的原因都有共同的缺点，即射线探测效率低；无法限制散射和窜扰；动态范围小等。高能范围应用效果较差。（资料来源：安赛斯（中国）有限公司，更多信息，请登陆安赛斯网站获取。）

4.4 样品扫描系统

    样品扫描系统形式上像一台没有刀具的数控机床，从本质上说应当说是一个位置数据采集系统，从重要性来看，位置数据与射线探测器测得的射线强度数据并无什么不同。仅仅将它看成一个载物台是不够全面的，尽管设计扫描系统时首先需要考虑的是检测样品的外形尺寸和重量，要有足够的机械强度和驱动力来保证以一定的机械精度和运动速度来完成扫描运动。同样还要考虑，选择最适合的扫描方式和几何布置；确定对机械精度的要求并对各部分的精度要求进行平衡；根据扫描和调试的要求选择合适的传感器以及在计算机软件中对扫描的位置参数作必要的插值或修正等等。

    工业CT常用的扫描方式是平移—旋转(TR)方式和只旋转(RO)方式两种。只旋转扫描方式无疑具有更高的射线利用效率，可以得到更快的成像速度；然而，平移—旋转的扫描方式的伪像水平远低于只旋转扫描方式；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，提高信号幅度；以及探测器通道少可以降低系统造价便于维护等[4]。

4.5 计算机系统

    计算机软件无疑是CT的核心技术，当数据采集完成以后，CT图像的质量已经基本确定，不良的计算机软件只能降低CT图像的质量，而良好的计算机软件能充分利用已有信息，得到尽可能好的结果。

5.工业CT的性能

    在无损检测中，如何选择一台工业CT机满足使用要求是十分重要的。现就工业CT应具有的基本性能要求分述如下。

1）检测范围

主要说明该ICT机能检测的对象，如：能透射试件材料的最大厚度，试件最大回转直径、最大高度长度和最大重量等。

2）辐射源的使用

若是X射线源：能量大小、工作电压（kV）、工作电流（mA）、出束角度、焦点大小等。

若是高能直线加速器：能量大小（MeV）、出束角度、焦点尺寸。

3）ICT的扫描方式

有无数字投影成象或实时成象功能等。

4）扫描检测时间

指扫取一个断层花在扫描数据采集时间T扫，如按256X256扫描时间T256，512X512扫描时间T512。

5）图象重建时间

指重建出如256X256、512X512和1024X1024图象所需的时间（s）。

6）分辨能力

这对于ICT来讲是关键性的性能指标，通常集中在空间（几何分辨率）分辨率和密度分辨率两个方面。

a）空间分辨率

也称为几何分辨率，是指从CT图象中能够辨别最小物体的能力。

b）密度分辨率

密度分辨率又称对比度分辨率，其表示方法通常以密度（通过灰度）变化的百分比（%）表示相互变化关系。

6.工业CT的应用

    工业CT在无损检测中有着不可替代的优越性，越来越广泛地被应用于各个领域。缺陷检测方面最成功的范例是固体发动机的检测，用工业CT可检测推进剂的孔隙、杂质、裂纹以及推进剂、绝缘体、衬套和壳体之间的结合情况，每台发动机的具体检测时间为10h或更长。通过工业CT得到的三维空间信息同样可以用于复杂结构件内部尺寸的测量及关键件装配结构的分析，以验证产品尺寸或装配情况是否符合设计要求。工业CT突出的密度分辨能力对控制陶瓷烧结过程有重要应用价值，它可及时了解陶瓷烧结过程中不同阶段的组分及密度变化，便于针对性地改变工艺。采用微焦点X射线工业CT可检测小试件内十几微米的缺陷，这对高弹性模量、对缺陷要求苛刻的陶瓷零件来说，是一种理想的无损检测手段。工业CT扫描成象充分再现了试件材料的组分特性，所以适合于符合材料内多种类型的缺陷检测。美国波音公司在纤维增强复合材料、胶结结构、蜂窝结构件的工业CT检测上进行了大量的工作，认为工业CT可检测纤维分布的均匀性、孔隙、疏松、胶结界面的厚度及变化情况、图层厚度及变化、材料固化时的流动特性、外来夹杂物等。但工业CT的使用目前还存在一定的局限性。工业CT设备本身造价远高于其它无损检测设备，检测成本高，检测效率较低，例如一个600mm的试件，每毫米切一层，每层检测时间1min，检测完毕需10h，所以也多用于小体积、高价值的零件或一些零件关键部位的检测。另外，工业CT专用性较强，随着检测对象的不同和技术要求的不同,系统结构和配置可能相差很大。此外，工业CT对细节特征的分辨能力与试件尺寸有关，试件大时分辨能力很低，试件小时分辨能力高。由此可见，为使工业CT得到更广泛地应用，还有大量的工作要做。（资料来源：安赛斯（中国）有限公司，更多信息，请登陆安赛斯网站获取。）

7.结 论

    随着制造业的迅速发展，对产品的质量检验的要求越来越高，在无损检测的方法中，虽然X射线实时成像系统检测速度快，但在检测灵敏度和空间分辨率及对缺陷的定位等方面都存在着明显的不足。

工    业CT作为一种先进的检测工具，克服了X射线实时成像系统的不足，它可以显示被测工件的断面图象，并有着较高的检测灵敏度和空间分辨率，它可对缺陷进行定位和测量，动态范围宽，在无损检测中起着很重要的作用。虽然它也存在着一些不足，但它具备了别种检测方法所没有的特点，因此是不可替代的。

    目前，工业CT被广泛地应用于各个领域，如铸件、锻件、焊接件、火箭发动机、石油钻杆、复合材料、陶瓷及冶金产品的检测等[5]。具体的应用如：轧钢产品的质量检查，航空航天关键零部件的检测，材料的缺陷和密度变化，钢筋混凝土的孔洞腐蚀和断裂情况的检验等。工业CT除大量的应用于检测以上多类缺陷之外，还可应用于几何尺寸的测量。总之，工业CT有着良好的应用前景。

致谢：感谢安赛斯（中国）有限公司提供的工业CT设备及技术支持。

参考文献

[1]吕静贤.x射线成像技术

[2]王学军,张世翔,初学丰,黄亚宇. 工业CT技术及其应用浅谈.

[3]张朝宗.工业CT技术参数对性能指标的影响.2007

[4]张朝宗,郭志平,张朋,王贤刚.工业CT技术和原理。2009