桌面型工业CT设备的研制及其在检测方面的应用

刘成勋 郝兵 吕益良 王学义 丁卫良

摘 要：面向精密电子、生命科学、材料应用等科研应用领域，利用新型成像技术，通过进行桌面型CT无损检测控制系统设计、精密机械系统设计、数据采集及图像处理软件研发、锥束三维图像快速重建技术的研发，人们研制出一种体积小、重量轻、便于安放的新型工业CT设备。本文介绍了桌面型工业CT设备的结构组成及功能特点，并展示了其在电缆组件器件检测方面的应用。

关键词：桌面型工业CT;锥束CT;无损检测

中图分类号：TH878文献标识码：A文章编号：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

工业新型成像技术是核物理学、电子学、精密机械设计与制造、应用数学和计算机技术等多学科交叉融合的高新技术，其技术特点是利用锥束CT（Cone-beam CT，CBCT）扫描，能够清晰、准确地再现物体高分辨率和各向同性的三维立体结构，其原理是通过微焦点的锥形束光源、高分辨率的平板探测器和精密机电一体化物理平台获取原始数据，采用新的成像理论支撑的图像算法重建，形成高精度的三维结构信息，为无损快速精确地检测分析物体内部结构情况提供可靠的依据，近些年被广泛应用于精密铸件检测、医疗诊断、航空航天等领域[1-3]。

桌面型工业CT设备是利用新型成像技术，面向精密电子、生命科学、材料应用等科研应用领域，通过进行桌面型CT无损检测控制系统设计、精密机械系统设计、数据采集及图像处理软件研发、锥束三维图像快速重建技术的研发，研制出的一种体积小、重量轻、便于安放的新型工业CT设备，能够满足国内各大高校实验室、科研机构、大型国企及上市公司试验检测需求。

1 桌面型CT设备的结构组成

桌面型CT系统主要由X射线源、探测器采集与数据传输系统、机械系统、控制系统、软件系统等组成，如图1所示。X射线源发出锥束X射线穿过被检测物体，探测器采集投影后的数据并通过数据传输系统进行传输，软件系统在接到傳输数据后进行数据图像校正、图像处理及重建，最终可以得到高分辨率的三维重建图像。

1.1 X射线源

X射线源主要由高压发生器、电子管、靶材料、安全连锁装置等构成，高压发生器通电时产生高压，钨丝在高温加热下产生电子，电子被高压加速，然后加速电子轰击靶材料产生具有连续能谱的X射线[4]。射线源采取多级联锁措施，以保证人员和周围环境的安全。

1.2 探测器采集与数据传输系统

探测器采集与数据传输系统主要由探测器和数据采集两部分组成。探测器是一种换能器，它将包含被测体内部物理信息的辐射转换为电信号，提供给后面的数据采集系统做再处理。数据采集系统用以获取和采集信号，它将探测器获得的信号进行必要的转换、采集、处理和存储，以供图像重建之用。数据采集系统是CT系统的关键组成之一，评估数据采集系统的主要性能参数包括：信噪比、稳定性、动态范围、采集速度以及一致性等。

1.3 机械系统

机械扫描运动系统提供CT系统的基础结构，提供光源、探测器系统及被测物体的安装载体和空间位置，并为CT系统提供所需扫描检测的多自由度、高精度的运动功能。

研制CT系统的机械扫描运动系统主要包括光学平台、电控平移台、电控旋转台以及一些安装辅助零件。光学平台作为整个CT系统的载体，电控平移台实现光源、探测器和被测物体的平移，电控旋转台实现被测物体的转动。

1.4 控制系统

控制系统决定了CT系统的控制功能，它实现了对扫描检测过程中机械运动的精确定位控制、系统的逻辑控制、时序控制以及检测工作流程的顺序控制和系统各部分协调，并担负系统的安全联锁控制。研制CT的控制系统内含控制器和驱动器，可以实现开环控制或闭环控制，同时能够实现细分功能，提供平滑的步进运动。

1.5 软件系统

软件系统的硬件包括系统控制站、图像重建与检查站、VG专用工作站、打印机、网络交换机等硬件设备，各工作站在Windows操作系统下完成扫描数据处理工作。

软件系统實现整个系统的运行操作和被检工件图像重建、图像处理、分析、测量、图像数据的存储和管理功能。其主要包括图像控制软件、图像校正与重建软件、图像检查软件、三维可视化分析软件。其中，图像控制软件主要实现扫描过程控制、数据采集、分系统运行状态与安全联锁状态监控等功能;图像校正与重建软件实现扫描数据校正及DR、CT图像重建功能;图像检查软件主要实现图像多种视窗显示、正反像显示、伪彩色显示、图像整体缩放、分析测量、标记功能等功能。三维可视化分析软件主要实现对CT图像的三维显示及分析等功能。

2 桌面型工业CT设备的功能及特点

研制的桌面型工业CT设备采用简洁、紧凑的设计理念，将射线源、探测器、高精度机械转台、控制系统等进行高度的集成，样机如图2所示。

图2 桌面型工业CT设备

桌面型工业CT设备体积小，重量轻，可以安放在一般的桌面上，自带防辐射安全箱体，可应用于小尺寸样品和原位试验，可以进行图像校正、图像处理、三维图像重建，支持尺寸测量、孔隙度分析、壁厚分析、缺陷检测等真三维检测，可以在最小的空间内实现高性能和高灵活性，具体功能如下。

2.1 DR成像

该扫描方式下，可进行产品的快速高效数字化检测，或利用DR确定缺陷在某一切面的位置，以便在该位置进行CT扫描成像。

2.2 Ⅲ代扫描CT成像

该扫描方式下，被检测产品随夹具在水平方向上只做360°旋转运动，用于对产品整体进行精细快速三维检测，不仅扫描效率高，而且检测效果分辨率且各向同性。

2.3 数据校正

可对几何伪影、硬化伪影、散射伪影等进行校正，提高图像质量。

2.4 三维重建与图像显示

利用扫描的CT投影数据进行三维重建，得到物体内部的真三维图像，可实现任意方向剖切、剥离、旋转、对比度调整、内部结构显示及表面显示等功能。

2.5 图像分析与测量

配套应用分析软件，支持尺寸测量、孔隙度分析、壁厚分析、缺陷检测等真三维检测。

3 桌面型CT设备在检测方面的应用

为保证产品质量，在产品的试制阶段或者生产流程的早期进行缺陷检测是很有必要的。根据某公司的实际需求，本研究运用桌面型工业CT设备对其生产的电缆组件（见图3）进行了DR射线检测，最终发现了电缆组件中存在的缺陷并进行了缺陷特征的说明。具体缺陷包括焊瘤、单个气泡直径超标、气泡面积超标、电缆爬锡长度超标，如图4至图7所示。

结论

本文主要介绍了桌面型工业CT设备的原理、结构组成、功能及特点，并展示了其在电缆组件器件检测方面的实际应用效果。从检测结果可以看出，此桌面型工业CT设备能够在无损状态下准确地显示被检件的缺陷信息，能够为相关器件的无损检测提供可靠的技术支持。

参考文献：

[1]万欣，刘锡明，吴志芳.计算机分层成像技术概述[J].CT理论与应用研究，2014（5）：883-892.

[2]田少军.工业CT在铸件无损检测中的应用[J].现代工业经济和信息化，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，席晓琦，等.锥束CT在铝镁合金铸件检测中的应用[J].河南科学，2019（1）：21-25.