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工业CT技术参数对性能指标的影响(续)——兼谈如何选择工业CT产品

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维普资讯 http://www.cqvip.com 练 进 工业CT技术参数对性能指标的影响(续) 兼谈如何选择工业CT产品 张朝宗 (清华大学,北京100084) 摘要:叙述了工业CT技术参数对性能指标的影响,以便读者在选择和购买工业CT设备 时,能恰如其分地提出技术要求,合理地在性能和价格之间取得折中。 关键词:工业CT;技术参数;性能指标 中图分类号:TGll5.28 文献标识码:A 文章编号:1000-6656(2007)03—0142-04 Effect of Technical Data of an Industrial CT on its Performance(Continuation): a Guide for Industrial CT System Selection ZHANG Chao-zong (Tsinghua University,Beijing 100084,China) Abstract:The influence of technical specifications of industrial computed tomography(ICT)equipment on its application performance is discussed.So that the readers are able to put forward their technical requirement appropriately and make a reasonable trade-off between the performance and price,when they prepare to select or purchase a ICT equipment. Keywords:Industrial computed tomography;Specification;Performance 3如何选择订购工业CT产品 (3)主要检测目标,包括材料内部缺陷(还应区 分缺陷类型,如气孔、夹杂、疏松、裂纹和脱粘等)、材 前面简单的论述基本上还没有涉及图像重建等 料内部结构(如分析生物材料孔隙率或分布)、零件 过程,但已可以看出CT系统的性能指标涉及许多 内部尺寸(如涡轮发动机叶片)和整机或部件内部装 技术领域,是一个相当复杂的问题。这使许多使用 配情况。 者在选择工业CT产品时感到困惑。然而购买者并 (4)对这些主要检测目标的要求是,如检测材 不需要考虑那么多设计制造者需要面对的问题。购 料内部缺陷,还应提出各种缺陷的检测灵敏度;如检 买者首先需要考虑的是使用上的技术要求,同时在 测零件内部尺寸,应提出检测灵敏度和精确度。 预算和支出费用之间作平衡,其次是考虑如何考核 (5)检测工件数量或检测速度要求,检测速度 最后送到自己手上产品的技术指标,最后当然也要 可以进一步考虑扫描时间、图像重建时间、调整切片 考虑产品供应者的信誉和售后服务能力。 位置时间和更换检测样品时间。 用户的使用技术要求显然是整个订购工业CT (6)专门要求。如防爆、必要工装或样品检测 产品的基点。属于使用技术要求的内容大致有以下 姿态,对接触检测对象有无特殊要求(如生物样品或 方面: 者工件某些位置要避免接触或夹持等)。 (1)检测对象的大小、形状、重量和材料组成。 (7)设备运行和检测的结果,包括用户界面、检 (2)基本功能,包括断层成像(CT)、数字成像 测结果的提供方式和格式、专门的图像显示及图像 (DR)、实时成像(RTR)和传统胶片照相(FR)。 后处理要求或专用数据处理软件、资料文档管理和 收稿日期:2006—04—28 检测报告形式。 作者简介:张朝宗(1938--),男,研究员,从事无损检测科研工作。 (8)放射性剂量和其它安全问题应符合国家或 142 2OO7年第29卷第3期 维普资讯 http://www.cqvip.com 张朝宗:工业cT技术参数对性能指标的影响(续)——兼谈如何选择工业 行业的有关标准或法规。 验系统的能力,也可以肯定地说这是最好的检验方 法,在可能时应尽量采用接近实际的试样检测实际 (9)预期寿命和维护周期等,尤其应关注射线 源寿命或某些成像器件的辐射损伤。 的缺陷。然而完全与实际缺陷一致的标准样品往往 很难制作,很多情况下制作的带有缺陷的标准样品 与实际情况相差甚远,检测结果仅有参考意义。另 一(10)设备使用条件,如场地、环境温/湿度要 求,电源负荷及稳定性要求等。 以上都是购买者的基本要求。不过一台工业 CT显然还有很多重要的问题,如射线源(加速器还 是X射线机、最大能量、束流强度甚至生产厂家 等)、辐射探测器(类型、闪烁体材料、尺寸和探测单 元数量等)、准直器(材料、式样和尺寸等)、电子电路 (如A/D变换位数、数量和型号等)、机械扫描系统 方面,相对说来被典型化的技术指标——如空间 分辨率和密度分辨率还更加能够比较客观地反映 CT系统的真实性能,更容易比较出工业CT产品性 能的优劣。虽然国内外关于工业CT的空间分辨率 和密度分辨率的测定方法都还没有强制性的标准, 但有一些已被业内普遍认可的方法应当优先选用, 这些方法有的被列为企业内部标准,有的被列为标 (加工精度、丝杠导轨技术参数等)、扫描电控系统 (采用驱动电机或位置传感器的种类或技术参数)、 计算机硬件(CPU数量、速度、型号和内存大小等) 和计算机软件(重建算法和通讯方式等)。 可能还有许多购买者关心的其它重要问题。这 一准推荐的方法。例如,测定CT的空间分辨率采用 均匀圆盘或线对测试卡的MTF方法,测定CT的 密度分辨率采用均匀圆盘的CDF函数法、固体或液 体密度差试件和利用部分体积效应的空气隙试块法 等。上述方法虽然可能没有简单的对应关系,测试 结果也不一定完全一致,但不是相互排斥的。可以 在合同中选定一种或几种验收方法,同时应当规定 具体测试条件,使得供求双方对产品技术指标达成 真正的共识。 类主要是涉及设计制造者为满足购买者使用要求 应当考虑或选择的技术方案的问题,购买者的任务 只是审查设计制造者所选用的技术方案能否满足希 望达到的目标。但是有时购买者为了保证最终产品 的质量,事先对上述这一类内容作了许多限定,替制 造者完成了不少具体设计,可是这样做的结果很可 能事与愿违,甚至对系统设计带来负面影响。应当 还有一些经验方法可以参考[1 。例如,检测主 要目标在于发现夹杂等细小(如四个像素)的高对比 度缺陷,在背景均匀的情况下,其图像对比度只要高 于单个像素平均噪声5~6倍就可以被识别。如果 感兴趣区内图像噪声水平是2 ,小的缺陷至少要 有大约1O 的对比度才能被识别。再假定检测主 说一般的购买者并不具备设计CT系统的能力,其 设计往往是东拼西凑某些厂商的技术方案而成的, 并不一定是最适合于实际检测任务要求的技术方 案。在这些问题上应当留给设计制造者一些空间, 发挥他们的创造性,而不要让设计者的工作仅仅变 成一个简单的加工过程。购买者如果特别关注某些 部件,完全有可能把这些关注转化成对于产品性能 要目标在于鉴别大面积(如400个像素)的微小辐射 密度变化,在背景均匀的情况下,可以识别的密度变 化等于3倍单个像素平均噪声除以像素数的平方 根。如果感兴趣区内图像噪声水平还是2 ,上述 面积内0.3 (一3×2 /、//4O0)的密度变化可以被 识别。从上面的实例可以更进一步了解到一台工业 CT的检测能力与系统噪声的关系是多么密切。作 为参考,有人这样来评价CT系统的优劣,图像噪声 水平低于1 的为优,图像噪声水平等于2 9/6.-v4 的为好,图像噪声水平等于5 的算中等,图像噪声 水平大于1O 的为差。 因为CT是一种包含复杂技术的产品,而且大 体上是非标准产品。所以选购CT与普通商品有一 个较大的区别就是要在性能~价格的平衡问题上给 予更多关注。购买者首先应在以下几个选择中确定 自己的目标,即性能最好的、价格最贵的、最适合使 2o07年第29卷第3期 143 的要求,合理地向制造者提出。归根到底购买的是 台设备,而不是某一公司的某种零件或部件,即便 是这些部件何等关键或重要,也一定能在总体性能 一上体现出来。购买者应该更多地关注设计制造者是 怎样通过具体技术方案来满足用户对产品性能的要 求,如果达到这些要求的道路不止一条,下面的任务 就是全面地判断它们的优劣,决定取舍。 验收工作也是非常复杂的,这是因为CT产品 的各项技术指标的测定本身比较复杂。应当在购买 者和提供者最初签订合同时给予足够细致的考虑才 能减少最后的麻烦。 作为使用者显然最希望用实际的缺陷(假定用 户的CT系统主要检测目标是材料内部缺陷)来检 维普资讯 http://www.cqvip.com 张朝宗:工业CT技术参数对性能指标的影响(续)——兼谈如何选择工业 一s一面sinR—R号 【f sin号 jJ l6 l 12 4 9 图5射线源到探测器的最小距离与样品半径的关系 射线源到探测器的距离基本上随样品尺寸线性 增加。前面已经分析过,射线源到探测器的距离的 增加将导致系统优良度下降。如果采用二代扫描方 式,有可能不增加射线源到探测器的距离,但也要改 变系统几何条件,一般会引起空间分辨率的降低,在 此不再详细分析。 “求高”的一种倾向是追求高的技术指标。且不 说很多过高的指标目前国内外的技术根本达不到, 就算可以做到,也必然带来成本的增加。例如机械  ̄n-r_的精度提高到一定程度后,再继续提高将带来 成本大幅度增加。订购CT产品时一定要事前在性 能和费用之间考虑折中,这里包括各部件之间性能 144 2OO7年第29卷ma期 费用的折中,一般情况下某一部件费用的提升必然 带来其它部件费用的紧缩。 另一种倾向是脱离实际需要,片面追求个别的 高指标。这种倾向更为有害,最典型的就是片面追 求高空间分辨率。前面已经分析过,空间分辨率、密 度分辨率和一个断层图像的平均产生时间这三项技 术指标是互相制约的 项指标的提高可能带来其 它指标的降低。对于空间分辨率也有一个认识上的 误区。有人以为探测器越小,空间分辨率就一定更 高,探测器数量越多系统越先进。这就使有些本来 不适合使用面探测器,尤其是半导体芯片探测器的 场合使用了这些探测器,不仅影响了总体性能,空间 分辨率也没有达到预想的结果。看起来上面的说法 似乎不合逻辑,在这里值得注意的是理论空间分辨 率的极限与实际系统在特定条件下的空间分辨率并 不永远有良好的对应关系。如前所述,决定系统理 论空间分辨率的因素并不仅是探测器宽度一项,还 有别的因素;同时任何实际的测量都是在系统噪声 存在的条件下进行的,探测器越小通常信噪比低,可 以想象湮没在噪声中的图像如何分辨细节呢?这样 上面的结论在很多实际情况下就合乎逻辑了。为了 帮助理解该问题,还可以数码相机为例,一般说来相 机好坏主要看镜头质量和芯片尺寸大小,并不简单 地是像素越多相机就越好;一般情况下在像素数目 相同时,芯片尺寸越大,相机越贵,也就是单个成像 单元尺寸越大越好。毫无疑问,最后照片的清晰度 是照相机的价格和质量的最基本因素。 第二个误区在于对现有工业CT能力的了解不 够。虽然工业CT与医用CT的历史相差不多,但 由于工业CT实际应用的多样性和复杂性,加上两 种CT投入的研究力量和资金总量对比悬殊,工业 CT还远没有医用CT成熟。目前工业CT的应用 还比较有限,只是在某些领域取得了很成功的应用, 在一些有潜力而其它检测方法为力的领域则还 要不断努力才能取得新的突破。 另外要意识到对于工业CT设备,不可能在一 次检测中或一种工作条件下,使空间分辨率、密度分 辨率和断层图像产生时间这三项技术指标同时达到 该设备的最高指标。由于工业CT的很多技术指标 是随测试条件变化的,设备说明书给出的技术指标 都是在特定的测试条件或买卖双方协商的条件下得 到的,并不是任何条件下一成不变的。比起设备说 明书给出的指标,样品实际指标有的会高一些,有的 维普资讯 http://www.cqvip.com 张朝宗:工业cT技术参数对性能指标的影响(续)——兼谈如何选择工业 会低一些;甚至对于同一样品,选用不同测试参数结 果也不尽相同。例如,同一设备检测较大样品得到 的“绝对”技术指标就会比检测较小的样品时低一 些,用检测小样品的要求检测大样品是不现实的,这 是由物理学或数学等客观存在的自然规律所决定 因为工业CT的检测比较费时,在实际操作中 往往不可能做到无遗漏检测。而数字化照相即DR 的检测速度快得多,于是出现了一种说法,先用DR 检测样品,发现缺陷或可疑处再用CT检测。这种 说法不够确切。用DR发现缺陷或可疑后再用CT 的。从使用的角度考虑人们更应关心的是接近于实 际使用时的技术指标;同时也应优先接受公认的一 检测,固然可以更进一步精确地测定缺陷的位置和 性质。但是DR并不能发现全部CT可能发现的缺 陷,也不能给出辐射密度的精确数值从而发现材料 些标准测试条件,便于对不同设备进行性能比较。 要避免简单地从孤立的个别数字上判断系统的优 劣。总的说来,在考察生产厂家提供的CT图像时, 应当特别注意测试设备型号和技术条件。在这里特 别希望提醒用户们注意近年来国内许多厂家,也包 括一些国外公司提出的技术指标已经远远高于技术 上在国际领先的某些美国著名企业的事实。如果确 实如此当然是好事,但用户还是应从技术上考察一 下支持这些指标的技术基础。至于有的厂商把不是 同一种工作条件下,甚至不是同一台设备测得的技 术指标或图像放在一起,不加说明,则是属于商业利 益驱动有意误导用户的行为,应提高警惕。 还有一个对于三维图像的认识问题。应当说 CT从二维图像向三维发展是一个方向。在螺旋和 多层CT出现以后,尤其是医学领域,无论在三维图 像数据获取还是三维图像的利用方面都取得很大成 就。近年来工业CT对三维的关注显然也大大增 加,也取得了明显的进展。不少地方提出“反向工 程”技术或“先进制造”等概念,如能实现绝对是意 义重大的。然而分析一下医学领域和工业应用的特 点就会发现一些问题。医学诊断关心的尺度在毫米 量级,而工业应用往往要求到0.01 mm量级,甚至 微米量级;从医学诊断的目标来说最大的就是人体, 而工业应用的对象一般都是100 mm量级或者更 大。仅数据量这一点就可以看出两者相差好几个量 级,工业领域的难度可想而知。所以说“反向工程” 等问题在目前还只有演示意义。在三维领域已取得 的成就有对较轻材料用面探测器进行三维直接重 建,可以大大缩短成像平均时间;或者进行三维图像 的各种立体演示,或某种程度的内部缺陷检测,虽然 由于面探测器固有的缺点,图像质量可能受到某些 ;也可进行部件的内部装配情况显示等。目前 还有模仿医用螺旋CT原理研制安检应用的三维 CT的工作,希望未来在查毒和危险品方面得到应 用等。综上所述,三维工业CT仍处在发展阶段,用 户应当考虑本身实际需要提出适当的要求。 中密度的微小变化。如果不是这样,CT存在的价 值就值得怀疑了。 最后一个问题就是扫描方式的选择,前面已经 对平移一旋转(TR)和只旋转(RO)扫描方式作了一 些分析。应当指出,认为RO方式要比TR方式先 进的看法可能也是认识上的一个误区。暂且不说 TR方式能从根本上消除RO方式难以避免的年轮 状伪像,比较适合于圆对称的回转体的检测,也不说 探测器数量显著减少带来的成本降低和容易维护, 就是对一般认为属于RO方式优点的射线利用率高 也要作具体分析。对于一个样品尺寸变化范围大的 CT系统,在检测小样品时,大部分探测器获取的数 据是无用的,射线利用率大打折扣。同时由于只利 用了少量探测器,有可能引起正弦图上位移方向数 据量不足。虽然可以用探测器微动的方法插值作一 些补救,但是RO扫描方式检测速度快的优势就要 大打折扣。此外,为了控制探测器的数量并保证最 佳的几何条件,RO方式的射线源到旋转中心的距 离要比TR方式大,又使CT系统的优良度有所降 低。综上所述,孰优孰劣还是要具体问题具体分析。 4结论 选购工业CT产品时一定要从实际需要出发, 尽可能加深对工业CT的理解,了解各个组成部分 的作用以及具体怎样影响到CT产品的性能指标。 这样才可以减少盲目性,加强科学性,促使我国工业 CT的开发应用更加健康顺利地发展。 参考文献: Eli 康克军.实验工业CT系统及其图像重建方法研究 [D1].北京:清华大学,1988. [2]张朝宗,郭志平,吕军震.检测陶瓷零件的微焦点)(_CT 实验研究EJ].科学技术研究成果公报,1993(11):29. [3]张朝宗,郭志平,吕军震,等.用于检测陶瓷零件的微焦 点x_cT实验系统EJ].CT理论与应用研究,1991(2): 5--9. (下转第172页) 2007年第29卷第3期 145 维普资讯 http://www.cqvip.com 1 w.K8QiaoND c0m t京有色食嘱研窭总院 pHILlPS WINGSPAN NDT譬Jlj党源 央国SONATEST(Asia)CO,Ltd 无损检测中・心 晕家 华东地区总代理,专门经销英国 声纳集团公司各成员单位的产品, 拥有强大的开发和研制涡 如DAKOTA,SONATEST的超声 流 超声和漏磁等无损检测设 探伤仪和测厚仪。B EAU的 备的技术力量。 射线机,NDT SOLL,TION的快 与俄罗斯动力诊断公司合 速扫描仪以及HAFANG公司的 作推广金属磁记忆检测技术, 便携式超声相控阵等。 设立联合研发培训中心。 传电话:‘睨1)凹69 ̄80/g/69 2015/64i3 653i l 真:(o2DsTs9 ̄6413 6772 l E-MAIL:sonatestshgerip.sinm keqlaondt唑 !!:! :竺 c I l 无损检测常用标准汇编 出版发行 为满足广大无损检测责任单位和无损检测人员对常用标准和新标准的需求 同时也为无损检测委托单位和监督(监理)单位及其有关人员提供应用无损检 http://www,chinandt.org.cn 测的基础知识和标准,从而有助于有关各方了解和正确使用无损检测方法和标 ..准,推进我国各行业无损检测技术水平的提高,使无损检测工作实现全面规范 由SAC/TC56全国无损检测 化,中国标准出版社和全国无损检测标准化技术委员会共同选编并出版了《无 标准化技术委员会主办的无损检测 损检测常用标准汇编》。该标准汇编收集了无损检测现行标准69个,其中国家 标准化专业网站,可方便查询国内 标准49个,行业标准20个,适用于冶金、机械、电力、航空、造船、建筑、 外无损检测标准化动态和信息。 化工及教学等部门涉及到无损检测的各类工程技术人员。 A Website of China NDT Slandardization 该标准汇编内页775页,约136万字,定价200元,数超有限,欲购者请 (上接第145页) [43 Zhiping Guo,Qing 一Ye,Ji一一emo 一Tian,e一一与上海材料研究所科技期刊发行部王敏先生联系,电话\传真:021t a1一.Hi一~gh- —65527634。 (上接第168页) reso— (6)观察 观察时应选用较亮的安全行灯, lution CT tests cramic parts[J ̄.American Ceramic So— 60 W以上安全灯上应装有反光板防止光线直对人 ciety Bulletin,2000,79(1):59. 的眼睛,必要时将防护网拆除以免产生阴影。在釜 [53陈志强,李亮,冯建春.高能射线工业CT最新进展 [J].CT理论与应用研究,2005,14(4):1—4. 圈上观察显示时应采用放大镜。 [6]Chaozong Zhang,Zhiping Guo,Xiangang Wang,et (7)记录 焊缝上缺陷以丁字焊处为坐标原 a1.3-D computed tomography for testing ceramic parts 点,纵缝为X轴,环缝为y轴,在釜圈上作缺陷记录 [J].American Ceramic Society Bulletin,2002,81(7): 时,应以门圈驱动装置处为起点,顺时针方向,以每 57. 个门齿编号记录缺陷位置。缺陷影像应用数码照相 [7]倪培君,王存龙,李旭东.工业CT系统的结构及配置 记录后存入电脑以便今后对比。 [J].无损检测,1996,18(3):84—87. [83 Ji ̄ng Hsieh,著.计算机断层成像——原理、设计、伪像 4安全防护 和进展[M].张朝宗,郭志平,王贤刚,等,译.北京:科 (1)使用时应配齐耐酸手套和防酸围裙等 学出版社,2006. [9]GJB 5312--2004工业射线层析成像(CT)检测[s]. 防护用品(使用前应检漏)。 [10]GJB 5311--2004工业CT系统性能测试方法[s]. (2)探伤操作中应注意通风和防火。 [11] ASTM Standard E-1672-95 Standard Guide for (3)选用220 V电源设备时应使用安全隔离变 Computed Tomography(CT)System Selection[s]. 压器,从变压器到用电设备电线长度应<2 m。 (全文完) (4)因是不锈钢容器要防止碳钢污染,包括要 检查检验人员的鞋掌。 172 2oo7 ̄第29卷第3期 

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