工业CT技术及应用摘要：本文简要介绍了工业CT技术的原理，工业CT机的组成原理和主要技术 指标，最后给出了 CT技术在无损检测领域的广泛应用关键词：工业CT；原理；应用0 引言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，许多先进的无损检测技术被开发应用于这些领域， ICT（Industrial Computed Tomography--简称工业CT）技术便是其中的一种工业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 称为最佳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Y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，检测对象有导弹、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、海关毒品、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［1］1 CT 技术基本原理1.1 概述CT的基本思想是：让一束X射线投射在物体上，通过物体对X射线的吸收 （多次投影）便可获得物体内部的物质分布信息当强度为10的一个窄束X射线穿过吸收系数为卩的物体时，其强度满足指数 衰减关系I = I e - ut ⑴0式中t为X射线所穿过物质层厚度在实际情况中，所研究的物体往往不是 由单一成分组成的，当物体由若干个不同成分组成时，物体内部各处的卩也将可能不同在这样的物质中， X 射线穿过整个物件后的强度为(2)I 、I(L) = I Exp -f u(r)dtL丿式中u(r)为r处的吸收率CT系统通过改变一组射线路径L，记录下对应出 射强度I(L)的变化来分析物体内部u(r)的分布在实际操作中，总是假定物体中的吸收系数u(r)是一个连续函数，通过射线 测量方法和图像处理技术，将数学物理方程通过计算机解出函数u(r)在计算机 屏幕上，可用颜色或灰度来表示u(r)的大小，从而被扫描的物体的切面图像即可 显示出来［2］1.2 投影定理图 1 坐标转换及射线位置示意图图1 所示为坐标转换及射线位置示意图，图中虚线代表射线经过的路线；黑 点代表我们感兴趣的一个点。
我们需要求那里的吸收系数投影定理或中心切片定理是图像重建算法的基础设在角度0 ,位置x上的 r 射线吸收大小为p (x )，即0r(3)p (x )三1* u(r)dt = In I 100 r JI (L)L其中 L 表示延图 1 所示的虚线积分再设物体的一个二维平面内吸收率分布为f (x, y )那么投影定理在非衍射源情况下，其内容为：p (x )按照x的一维傅立叶变换P(p,0)是f (x,y)的二维傅立叶变换 0 r rF , ®)= F (p, o)的一个(过原点的)切片即1 2(4)p (p,0)= F (p ,0)2工业CT系统2・1工业CT机工作原理图工业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［3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，以及射线源一一试件一一 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 现场安装屏蔽设施后准宜器被检工件苗准直器辐射源'调整主•计算机 管理控制 —数据校正 一"图象聲建 二摊理分协後电路探测器阵列图2工业CT机结构工作原理图2.2CT机的主要技术指标2・2・1扫描方式单束平移一旋转方式，窄扇形束平移一旋转方式，宽扇形束旋转一旋转方式, 宽扇形束静止一旋转方式，螺旋扫描方式，动态空间扫描方式，电子束扫描方式2.2.2 机架孔径机架孔径越大越好它影响着机架的倾角，一般 CT 机的机架孔径在 600— 720mm 范围2.2.3 准直器准直器位于X线管的前方，由一些铜片、铝片组成，可以大幅度地减少散射 线的干扰，在计算机的控制下，控制准直器开口的宽度，从而决定扫描层的厚度 因此，准直器既可减少患者的放射剂量，又可提高图像质量，还决定切层的厚度。
在CT扫描机中准直器分为2种；一种是X线管侧准直器，另一种是探测器 侧准直器，这两个准直器必须精确地对准X 线管侧准直器的设计很重要因为 X 线管焦点的几何投影有一个半影的作 用，焦点越大，半影越大；焦点大时准直器的设计复杂，常采用多层准直器探 测器侧准直器位于探测器的前方，用于减少散射线并限制切层厚度准直器孔径的尺寸决定了被检体的切层厚度，常见CT机扫描所得厚度为2、 3、5、8、10和13mm准直器决定像素的厚度，但不能决定像素的长和宽像 素的长和宽同扫描野的尺寸、采样间隔及计算软件有关2.2.4 硬磁盘容量磁盘容量大小决定着对图像数据的存储量一般在 100 到数百个兆比特 （Mb）2.2.5 高对比分辨率它表示 CT 机在高对比情况下，对物体空间大小（几何尺寸）的鉴别能力， 该指标有两种表示方式，即线对/厘米（LP/cm ）和线径/毫米（mm/mm）2.2.6探测器数目总的来讲，探测器的数目越多，扫描时间就越短，且收集的数据也越多， 它直接影响着图像质量的高低2.2.7 球管热容量X 线球管的热容量大，表示承受的工作时间电流大，连续工作时间可延长， 所以CT机所用X线球管的热容量越大越好。
标示单位有KHU和MHC2.2.8 球管焦点在CT扫描成像过程中，焦点小可提高图像质量，CT所用X线球管有单焦点 和双焦点两种2.2.9 扫描时间和扫描周期扫描周期通常包括扫描时间、数据采集系统的数据处理和恢复时间、扫描装 置重新定位时间等除上述例举的指标外，还有机架倾角、管电压、管电流、探测器种类机器 功率、安装面积、机房温度要求等指标掌握了这些技术指标，有利于对每台 CT 机的性能进行比较评估或选购3 工业 CT 技术的应用3.1无损测试3.1.1 孔径测量各种铝质铸件的检测成为工业 CT 的新兴市场，铸件上出现的孔会严重影响 铸件本身的完整性和结构强度CT层析扫描数据可以显示铸件关键部位的孔质 缺陷体积CT数据组可以输入到高端的软件分析系统中，例如：Graphics® VG Studio Max™,便于产品设计者和工程人员生成详细的铸件孔缺陷报告用户可以 对扫描数据进行体积透视图、彩色孔洞标识等特殊设置，便于识别和量化孔径特 性工业CT扫描仪广泛应于评估发动机组、汽缸盖、燃料泵机箱以及其他各种 铸件的质量水平，这些铸件均具有复杂的内部结构特征，采用其他的检测技术都 达不到有效的检测目的。
3.1.2 分层许多航空部件都采用轻型的分层结构组合在一起，提高机体的强度的同时增 加整个系统的灵活性如果这些结构一旦产生分裂，则会对飞机、飞行员、工作 人员产生严重的危害，进而将所有乘客置于危险境地在生产阶段对这些部件进 行基准鉴定或对需要维护的部件进行定期的检查是一种控制产品质量和提高产 品安全性的有效方法全方位的CT横断面解剖扫描图像为用户提供了一种简便、 精细、呈现物体所有细节的观测层级部件的独特工具3.1.3 裂纹CT 扫描数据在热量和应力为决定性因素的产品研发阶段中是一个很重要 的工具在每个生产阶段中的产品的模型状况都可以帮助设计者了解热量对最终 产品的影响，比如说壁很薄的陶瓷件先进的CT扫描图像可以在早期阶段识别 产品缺陷，可以在产品批量生产之前最大程度的强化其性能，确保其高质量3.1.4 空隙和内含物各种铸件体上的孔隙缺陷扫描是 CT 应用的典型例子之一，还有一个例子就 是组合结构中气泡或空隙的检测，例如髋关节植入物检测CT横断面扫描图可 以清晰显示结构组合表面状况，显示出可能会影响结构完整性和牢固性的孔隙或 缝隙的存在角度CT可以通过三维定位木头中的木节，因此在木材工业中得到了广泛的 应用。
木头缺陷信息可以用于确定最有效的锯木方式，以达到最大的有效表面积 上等原木的昂贵价格会很快弥补CT机的投资成本此外，CT扫描仪可以检测原 木中的包含物，这些包含物都是一些为了扰乱正常木材工业运作的外界激进环境 行为而产生的在温哥华，不列颠哥仑比亚省，加拿大，就曾经安装了一台3 MV CT/DR扫描机，专门用于检测直径1米高5.0米的原木材料3.1.5 结构喷气发动机的螺旋叶片检测是工业CT铸件扫描的一大应用弯曲范围、孔 径的集中性和其他的特征测量信息都可以在单层扫描中获得铸件结构的复杂性 和设计生产成本的耗费性，使得X光断层扫描无损检测技术具有更大的吸引性CT 全体积扫描数据可以输入到高端的表面和固体铸模软件系统中，便于产 品模型与CAD模型相对比，发现缺陷3.1.6 人体组织结构各种各样的先进的人体整形移植设备都是从小哺乳动物身上开始研制并仿 制出来的为了评估某项给定技术的效用性，其验证的过程都采用严格的标准规 定进行全程考核和监控 CT 扫描仪可以进行全程扫描，有效验证某种特定设备 和技术的有效性微型聚焦CT以其低能耗高分辨率的卓越性能在该应用领域独 领风骚3.1.7 科学研究CT扫描图像可以专业用于地质学样品和各种化石的科学研究，其固有的无损 特性在检测样品复杂内部特征的同时保护了样品的完整性。
Texas 大学（美国德 克萨斯大学）一直都在使用 BIR 的 ACTIS 系列 CT 扫描设备进行地质学和古生物 学研究在NASA （美国国家航空和宇宙航行局）SBIR任务第二阶段，局里的科 学家们就开始和BIR合作开发一款微型CT扫描设备，专门用于在火星上检测岩 石样品，以期从化石中发现任何生命形式的存在3.2 计量3.2.1 最初物品检测CT 计量技术越来越多的被应用于首部件检测领域只对最终部件检测已经 不再符合产品质量验收的标准需求通过将首件与 CAD 模型对比，设计者可以 对产品整体设计进行优化，包括原材料使用量、整体结构强度，产品特定应用领 域的匹配性等等如果在产品生产的各个阶段中对其进行持续的检测修正，产品 质量就会大幅度提高，与此同时消耗也会随之减少3.2.2 快速成型CT 体积扫描数据组可以转化成 STL 文件直接输入立体平版印刷系统，快速 创建具有复杂内部结构的产品模型这对于制造成本高的产品和运用平面扫描技 术无法获取其精细内部结构特征的试件检测具有尤其重要的意义CT扫描是完 全无损检测试件的快速扫描成型可以在最早阶段无需花费任何生产成本及时发 现其结构缺陷。