工业CT扫描检测

CT技术自诞生以来，首先被用于医疗诊断与材料检测，随着CT技术进步及测量精度提高，其应用范围扩展到工业产品测量领域并逐渐崭露头角。

对于传统接触式或光学非接触式三坐标测量设备，物体内部结构尺寸的无损测量是生产实践中的难题之一，工业CT技术为解决这类难题提供了一种有效的途径。

在工业测量领域工业CT技术可以无损地对产品的内外结构尺寸进行整体测量：一次工业CT扫描可同时完成产品尺寸测量与材料缺陷评定过程；工业CT测量过程不受工件的表面状况(粗糙度、颜色、曲率)影响；工业CT测量获得的高密度点云可以用于被扫工件体模型内外尺寸的整体评估；工业CT技术可以在装配的状况下对物体进行测量，可以用来进行装配件失效分析，跟踪工业产品制造环节的质量控制及公差评定等。

一、工业工业CT成像原理

工业工业CT成像过程包括:射线源产生X射线并穿透被检样品，样品对射线吸收或散射而发生衰减，其衰减量由透照样品厚度及组分决定；射线衰减后入射到探测器形成二维灰度投影图像；探测器采集到不同角度的二维投影图像；对投影图像重建后获得样品工业CT断层图像多幅连续断层图像三维重构后获得样品三维体素模型；三维体数据经过阈值分割、边缘检测完成后续工业CT数据的分析与可视化过程。

综上所述，一个完整的工业工业CT扫描及数据处理过程包括：投影采集-数据重建-边缘检测-数据分析。

下面我们从工业CT成像过程及基本组成出发，对可能影响工业CT性能的因素进行分类分析，并对可能的改进工业CT测量精度的措施进行了总结。

二、工业CT测量精度影响因素分析

影响工业CT测量精度因素众多，可以归结为:系统硬件相关(射线源、运动系统、探测器)、软件和数据处理相关(数据重建、阚值分刻、轮魔提取、数据校准)、被测物体(几何结构、材料)、实验环境温度条件以及操作者。

2.1射线源

与射线源相关的影响因素一方面来自于设备本身，像靶材、射线能谱、稳定性等，另一方面来自于设备操作者。射线源关键技术指标包括电压、电流及焦点尺寸。

通常操作者凭借自身经验在一定范围之内选择实验采用的电压、电流条件，这就导致测量结果的主观性以及测量并非在最佳条件下进行。一般来说，电压越高，射线穿透能力越强；电流越高，射线强度越大，电流加倍仅对射线强度产生影响，电压加倍同时影响射线能量与射线强度。

与射线源相关另一个重要影响因素是射线源焦点尺寸，根据射线源焦点尺寸可将射线源分为纳焦点(S1pm)、微焦点(1~200pm)、常规焦点(2200pm)射线源。焦点尺寸越小，成像图像边缘越锐利，射线源焦点尺寸变大会由于半影效应导致成像图像模糊。相同倍数下，焦点尺寸越小，成像效果越锐利，但是小焦点带来的局部热量集中会导致靶材过热甚至被击穿，这就限制了微焦点射线源能量在较低范围，目前的微焦点X光机的射线能量一般低于225kv。

射线源、样品、探测器之间的位置关系对工业CT测量精度有重大影响。样品位置越靠近射线源意味着放大倍数越大，相应的在探测器上更多的像素被使用，从理论上会提高空间分辨率。但是与此同时半影效应带来成像图像边缘模糊抵消了这一效果。在锥束工业CT重建对射线源、样品与探测器之间水平偏移极其敏感，水平偏移可以通过“细琴弦方法”加以校正”。

2.2软件与数据处理相关因素

对工业CT数据图像处理包括两个主要过程:

(1)采集投影图像，从二维投影数据重建生成三维体素模型:

(2)对三维模型经过边缘检测、阈值化分割完成后续测量过程。

目前工业工业CT数据的重建目前多采用经典FDK方法进行，对于图像边缘检测、结构分制多来用基于阙值的方法进行。其中最主要的影响因素来自于射线硬化及射线散射带来的。这些伪影如果不经过适当的校正，会导致测量数据的可靠性降低。

三、工业工业CT测量精度提高途径

前面我们简单总结了影响工业CT性能的主要因素。在本节中我们将针对这些因素，从系统硬件和软件处理两方面给出相应的改进措施来提高工业CT测量精度。

3.1改进工业CT系统硬件性能

硬件性能的提高主要取决于设备制造商对系统的持续改进。对于设备操作者来说，实验过程中需要对工业CT系统配备的射线源和探测器的指标参数进行关注，像探测器的探元尺寸、信噪比、动态范围:射线源的焦点尺寸、最大电压、最大电流及功率等:转台系统的运动精度及运动方式(步进或连续)等。其他诸如系统是否选用花岗岩基座、空气轴承、伺服电机作为系统部件，也是为确保工业CT系统拥有高运动精度及稳定性而采取的硬件改进措施。

3.2提高工业CT软件及数据后处理能力

工业CT数据后处理指重建后的三维体数据经过软件处理，由灰度图像数据转化为点云数据，在这一过程之中，主要的误差来源是1、边界阙值的选择；2、校准标尺的确定。

工业CT重建之后获得物体三维体模型，在对这一数据进行后续测量之前，首先需要选择适当的阙值来分割材料与空气或不同材料之间的边界，也就是所谓的阙值分割。传统的阙值分割算法使用IS050%方法确定材料边缘，即在图像灰度直方图上选择空气与材料峰值之间中间位置作为物质边缘，但这种方法易受图像质量影响而误差较大。因此通过改进边缘检测算法，使用基于实际表面的边缘检测算法，通过搜索图像法向方向像素变化，被证明确实可以提高边缘检测的精度。

前面我们介绍过对重建过程不利影响的两个主要因素:射线硬化和散射辐射:减弱射线硬化影响可以通过在数据采集时放置前置滤波板来调节，也可以通过后续硬化校正算法来改善。采用多项式拟合方法来校正硬化伪影，校正后硬化伪影得到有效控制。

3.3优化工业CT扫描参数选择

工业工业CT扫描时，参数的选择和设定直接影响到X射线的成像质量和检测结果。在实际X射线检测过程中，从实验准备到获得实验结果一般需要较长的时间，当研究某一参数对成像质量的影响时，往往需要反复调整参数，整个调整过程耗时、耗力。特别是在对结构复杂、笨重的产品检测时尤为突出。同时操作者往往凭借自身经验选择实验参数组合，获得的实验结果往往是主观的和非最优的。可以通过X射线仿真工具模拟参数变化对工业CT成像的影响，模拟真实检测过程，调整参数设置以获得最佳的检测效果，从而得到优化的检测方案，大大缩短检测周期。

通过X射线仿真工具模拟真实检测过程，通过读取被检样品CAD文件获取工件的三维结构信息，在不需要真实工件的情况下，仿真模拟X射线检测工件过程，获得工件的X射线仿真图像。

通过仿真程序可以快速获得不同参数条件下可检测的最小缺陷尺寸。改变扫描电压、电流组合，工件内部暗色缺陷从无到有，可以清晰直观的对投影图像的缺陷检出能力进行判断，进而优化采集参数设置。

3.4通过使用标准模体降低测量系统误差

通过使用特定结构及材质的标准模体，一方面可以用来研究工业工业CT测量特性:也可以通过对已知尺寸模体的测量将工业CT图像测量结果(像素)转换为国际标准计量单位(m)，建立工业工业CT量值源流程也可以作为公认模体实现不同设备之间测量精度的比较，或CT系统与传统CMM设备测量精度的比较，建立工业测试不确定度，推动工业CT测量的标准化进程。

3.5通过与传统测量方法的配合使用提高工业CT测量精度

传统工业测量方法像接触式三坐标测量仪只能够测量复杂曲面上有限的点，不能完整反映出曲面的形状，虽然其单点测量精度较高但用有限的点去描述复杂曲面反而导致整体精度降低。而工业工业CT等光学测量法恰恰相反，非常适合于需要大规模测量点的自由曲面和复杂曲面的数字化。

通过使用精度更高的光学扫描仪对样品进行外部尺寸测量，利用传统CMM设备测量外部尺寸精度更高的优势。来校正工业CT测量结果。这一方法结合了工业CT无损测量物体内部结构与传统手段测量外部精度更高的优势，在实际应用中确实提高了工业CT测量精度。

通过在工业CT系统上集成了其他测量装置(像光学)，使得在一台工业CT设备上可以同时完成工业CT测量和光学测最，将工业CT真正变为一种专用的非接触工业测量设备这一系统优势。通过融合光学测量和工业CT测量数据可以增强系统测量精度2可以方便将工业CT扫描与传统光学扫描数据直接比较进行测量误差分析。

结果与讨论

本文首先列举了影响工业CT测量精度的因素，对工业CT测量中出现的问题进行归类分析，并针对这些影响因素提出了相应的改进措施，分别从硬件、软件、参数选择方面进行了优化。综上所述一台高精度的工业CT测量系统应有以下特点:

(1)更高的射线管电压和功率、更小的焦点。

(2)重大的动本范围和探测器像素尺寸。

(3)更高的机械系统精度和运动稳定性(运动伪影及承载力)。

(4)具有工业CT系统几何参数校正及测量精度验证模体。

(5)具有滤波降噪、伪影校正功能的数据重建软件。

(6)具有专用工业CT尺寸测量软件。