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工业CT如何选择及主要部件对系统性能的影响

2019-06-26 14:31:37 点击: 来自:

   本文描述了工业CT的主要部件对最终系统性能的影响,旨在帮助不具备CT专业知识的使用者理解其工作原理与方式,使用户在选择工业CT系统时,能够基于实际使用要求在性能与价格之间合理地进行选择。

  工业计算机断层扫描(工业CT)使用X射线来对工件的内外部结构进行三维扫描与再现。工业CT扫描已经越来越多地应用到零件的内外部检测中,典型的应用如材料缺陷检测、失效形式分析、几何与形位公差测量、装配分析与逆向工程等。[1][2]

  市场上现有的工业CT系统其设计理念不尽相同,造成其性能也有所差异。使用者应该着眼于自身的使用要求,对被测工件和测量任务加以分析,才能选择一款合适的工业CT系统。在选择过程中,使用者应把握一些CT系统的关键要素,这能帮助使用者更好地找到一款性价比出色的CT设备。

  蔡司工业CT


  当选择工业CT系统时,使用者容易对一些概念有所误解,由此对工业CT的性能产生了某些不切实际的期望。工业CT是一个非常复杂的系统,有很多系统参数对性能的影响是互相关联与制约的。

  在所有的参数中,最为典型的一对互相制约因素是工件尺寸与空间像素分辨率。人们总是期望即使是扫描大零件的时候也能获得高分辨率,但如前所述,这一对参数相互制约的特性,使之无法同时达到最佳值。

  

 

  图2. 空间像素点大小与数据量大小的关系

  空间像素又称为体素,表征了一个CT系统能够重现的最小空间单元。如图2所示,当空间像素尺寸减小一半时,其体积缩小到仅为原来的1/8。换句话说,对于同一零件,如果将200µm的体素分辨率提高到100µm ,会导致数据量变为原来的8倍。

  因此,较大的零件尺寸与较高的分辨率之间的矛盾就在于此,两者同时满足的情况下会产生过大的数据量导致无法处理。

  在谈及分辨率时,用户非常容易会被产品手册或是CT生产厂家所谓的“最高分辨率”误导。这个概念仅仅是一个理论上能够达到的数字,但对于绝大多数的应用是不切实际的。要达到这一理论数字,工件必须被置于离X射线管非常近的地方,以获得非常大的几何放大倍数。在这一情况下,零件的尺寸被大大限制,通常情况下仅为1~2 mm (如图3所示)。随着零件尺寸的增加,几何放大倍数与分辨率也会随之迅速下降。

  因此,基于工件本身以及具体的测量要求来进行合理选择显得尤为重要。出于不同的设计理念,工业CT系统最终会有许多不同之处,例如机型尺寸、有无放大轴、闭合管/开放管、探测器像素尺寸等等。所有这些系统参数都会对CT系统的性能产生非常大的影响。

  1. X射线利用率

  首先,CT系统的设计是否紧凑是一个至关重要的因素。[3] 这不仅仅影响机型的大小,更重要的是它决定了X射线的利用率。众所周知,X射线(光子)会随着传播距离的增加而衰减,并且基本上遵循衰减与距离的平方成反比的规律,如图4所示。[4] 换言之,X射线源与探测器之间的距离越长,X射线的利用率就越低。因此,将CT系统设计得越紧凑越好是首要的原则之一。

  2. 高功率

  X射线管有两个关键参数:电压与功率。一般来说,人们会比较多地关注电压,而忽略了高功率所带来的好处。诚然,更高的电压能够产生更高能量的X射线,从而从一个方面提高了射线的品味。实际上,从X射线管发出的射线具有连续的能量谱,同时包含了高能和低能的射线。[5]

  低能射线部分其实并不能很好地穿透材料,或是根本不能。反而,低能射线会引起“射线硬化”而极大地损害图像质量。[3] 这一现象在扫描较“重”或是厚度较大的材料是尤为严重。为了除去射线中的低能部分,会在工件之前放置射线过滤片。过滤片的作用是阻挡低能射线,但同时会降低图像的亮度。如果X射线管不能提供足够的功率,那就不得不牺牲图像的亮度或是忍受较高的图像噪声,从而降低扫描质量。这样的话高功率射线管带来的好处就显而易见了,高品味的X射线可以通过过滤来获得,同时又不降低图像亮度,从而保证了能够得到较高的扫描质量。

  3. X射线管类型

  “众所周知,轰击阳极金属靶的电子束99%以上的动能最终都会以热量的形式而损失掉。”[6] 举例来说,一个功率50W的X射线管会在能量转换的过程中散发约49.8W的热。众所周知,材料会随着温度的上升而产生膨胀。如果要获得高精度和高重复性的检测结果,温度变化是最大的负面因素,尤其是对于尺寸与形位公差测量。因此,如何处理/传导X射线管产生的热量是一个很重要的议题。

  X射线管的设计有两种形式:开放管和闭合管。当选择X射线管形式时,要注意几个方面的因素,第一个是射线管的热量传导。开放管顾名思义是开放式的,“这种技术要求在射线管内建立一定的真空度,利用两级真空泵不间断地运行来维持真空。”[7] 在这个过程中,大量的热量从射线管被转移到工作舱内。在某型情况下,工作舱内的温度甚至可高达60~70℃。而在闭合管上,热量由于被封闭在管内,不容易转移到工作舱内。而进一步配以合适的冷却系统(根据功率高低采用空冷或液冷),这一问题会得到较好的解决。

  第二个问题在于,由于开放管内真空度不够,会容易导致灯丝的过早失效。“在某些系统上,甚至每100小时就需要更换一次灯丝,以防止其失效。”[7] 由于射线管的维护是一个复杂的过程,需要花费较长时间且存在多个潜在的问题。“首先,射线管内部必须保证绝对干净,来防止在X射线发生的过程中高电压可能产生的电弧。其次,维护工作必须由一个有经验的工程师来进行,且维护后需花费一定时间来重建管内的真空度。如果维护不当,容易损坏灯丝或其它部件,由此造成进一步的维护工作及可能产生的损坏。”“由于必须24/7维持真空度,防止外来微尘被吸入射线管内,任何断电或是关机操作都会造成一定问题。最好的状况是花费一定时间来重建管内真空环境;而最坏的状况是管壁被污染。”[7] 相比开放管,闭合管能够一直工作在较高的真空度状态下,因此其工作寿命要长许多,且无需对射线管进行过多维护。但是,闭合管一旦损坏,一般来说需要进行更换。

  1. 分辨率

  当谈到工业CT时,“分辨率”是最多被提及的一个概念。实际上,分辨率要进一步细分为空间分辨率和密度分辨率。

  空间分辨率 - 毫无疑问,空间分辨率是最为重要的系统参数之一,它表征了系统能够分辨细小物体的能力。实际上,空间分辨率是由X射线管和探测器两者相结合所决定的。下图显示了一个CT系统的简化模型:

  密度分辨率 - 探测器的密度分辨率,或成为动态特性,是除了像素尺寸以外的另一个十分重要的参数,尤其是对于材料缺陷检测这类应用。[3] 它决定了一款探测器能够探测材料内部密度微小变化的能力。相比14位探测器(214阶灰度),一款16位(216阶灰度)探测器能够分辨4倍之多的不同灰度变化。换言之,高位数的探测器能够更好地将图像中的噪声和有用信息加以区分。

  2. 工件尺寸与系统设计

  由于系统设计应尽可能紧凑,来获取更高的射线利用率和更佳的图像质量,因此必须结合不同的工件尺寸来考虑机器的尺寸。零件尺寸不外乎三种情形:小、大或是两者兼有。

  在另一方面,X射线管是一个CT系统中最为最为重要,同时也最为昂贵的部件之一。对于检测小尺寸工件来说,高能量射线管和大尺寸机器既不实用也不经济。

  3. 软件功能

  最后也是非常重要的一点,软件对于工业CT系统的最终性能也起到了非常重要的作用。从图像获取、探测器数据读出、A/D转换、三维重建到数据评价,每一步都包含了复杂的算法和大量的计算。好的软件能够使系统各个部件很好地协同工作,并发挥出系统的最佳性能。工业CT的硬件决定了这个系统理论上的性能极限,而软件则决定了系统最终达到的实际性能。由于工业CT系统越来越多地用于几何尺寸与形位公差测量,测量软件的选择也成为了一个关键因素。对于几何尺寸与形位公差测量,其要求不同于其它检测,只有经过专业机构认证的测量软件才能保证可靠的测量结果。

  总而言之,工业CT系统的选择必须从实际需求触发,系统各部件的合理搭配才能保证良好的系统性能,以及合理的价格和使用成本。

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