工業(yè)CT原理及應(yīng)用

一、試驗(yàn)?zāi)康模?/p>

1.了解CT成像的基本原理；

2.了解最基本的CT教學(xué)試驗(yàn)儀的結(jié)構(gòu)；

3.駕馭運(yùn)用CT教學(xué)試驗(yàn)儀進(jìn)行斷層掃描成像的操作步驟；

4.駕馭初步的圖象處理方法。

二、試驗(yàn)儀器：

2.1主要試驗(yàn)儀器

(DCD-50BG型CT教學(xué)試驗(yàn)儀，包括掃描儀、計(jì)算機(jī)、顯示器；

(2)標(biāo)準(zhǔn)測試工件，包括條測試卡(銅、鋁)、孔測試卡(銅、鋁)、

密度測試卡(大小各一).

(3)少許橡皮泥等，用來將工件粘在工作臺(tái)上。

2.2CD-50BG型CT教學(xué)試驗(yàn)儀總體性能

(1)簡介

CD-50BG型CT教學(xué)試驗(yàn)儀是重慶高校ICT探討中心在十多年從事

CT技術(shù)探討、產(chǎn)品開發(fā)及實(shí)際應(yīng)用的基礎(chǔ)上，為滿意高校物理教學(xué)和試

驗(yàn)須要而開發(fā)的產(chǎn)品。該儀器是一個(gè)最基本的完整的CT系統(tǒng)，除具有

完善的CT功能和高質(zhì)量的CT圖像外，還具有很好的平安性、演示性、

經(jīng)濟(jì)性，能滿意教學(xué)試驗(yàn)須要及其環(huán)境條件要求。系統(tǒng)配有專用多媒體

教學(xué)演示軟件，有助于對(duì)CT工作原理、結(jié)構(gòu)、組成及各部分作用的理

解。

(2)主要特點(diǎn)

?采納單探測器、“旋轉(zhuǎn)十平移”掃描方式，突出CT基本工作原理。

?CT掃描儀采納銀、黑雙色外觀設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡介、層次分明。

?采納透亮外罩，便于視察儀器結(jié)構(gòu)和演示工作過程。

?豐富的圖像重建、處理及分析軟件，高質(zhì)量的CT圖像

?安裝有多媒體教學(xué)軟件，供應(yīng)教學(xué)、試驗(yàn)參考。

?鴇合金源塔，小巧、精致，屏蔽性好，系統(tǒng)平安牢靠。

2.3功能

?CT掃描測試，兩種掃描方式。

?圖像重建、顯示、處理、分析、測量、編輯。

?多媒體教學(xué)演示功能。

?可掃描重建試件橫斷面和縱斷面數(shù)字圖像。

?顯示參考試件3維外觀數(shù)字圖像。

2.4CT掃描參考時(shí)間

不同采樣時(shí)間所對(duì)應(yīng)的大致CT掃描參考時(shí)間如表1所示。

表1CT掃描參考時(shí)間

方式一方式二

采樣時(shí)間

掃描時(shí)間（min）掃描時(shí)間（min）

（S）

64X64128X12864X64128X128

0.12560832

0.2321251560

0.3391602290

0.44518029120

0.55221035140

0.65924042170

0.76626049200

0.87328056230

三、試驗(yàn)原理：

3.1CT技術(shù)理論基礎(chǔ)

CT是一種絕妙的成像技術(shù)，具有支撐它的數(shù)學(xué)、物理和技術(shù)基礎(chǔ)。

早在1917年，丹麥數(shù)學(xué)家雷當(dāng)（J.Radon）的探討工作已為CT技術(shù)

建立了數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)。他從數(shù)學(xué)上證明白某種物理參量的二維分布函數(shù),

可由該函數(shù)在其定義域內(nèi)的全部線積分完全確定。該結(jié)論指出：須要有

無窮多個(gè)且積分路徑互不完全重疊的線積分，才能精確無誤地確定該二

維分布，否則只能是實(shí)際分布的一個(gè)估計(jì)。該探討結(jié)果的意義在于：只

要能知道一個(gè)未知二維分布函數(shù)的全部線積分，即可求得該二維分布函

數(shù)；獲得CT斷層圖像，就是求取能反映斷層內(nèi)部結(jié)構(gòu)和組成的某種物

理參量的二維分布。當(dāng)二維分布函數(shù)已知，要將其轉(zhuǎn)換為圖像，則是一

個(gè)簡潔的顯示問題。因此，首要的問題是如何求取能反映被檢測斷層內(nèi)

部結(jié)構(gòu)組成的物理參量二維分布函數(shù)的線積分。

物理探討指出，一束射線穿過物質(zhì)并與物質(zhì)相互作用后，射線強(qiáng)度

將受到射線路徑上物質(zhì)的汲取或散射而衰減，衰減規(guī)律由比爾定律確定。

可用衰減系數(shù)度量衰減程度?？紤]一般性，設(shè)物質(zhì)系非勻稱的，一個(gè)面

上衰減系數(shù)分布為R（x、y）。當(dāng)射線穿過該物質(zhì)面，入射強(qiáng)度為I。的射

線經(jīng)衰減后以強(qiáng)度I穿出，射線在面內(nèi)的路徑長度為L,如圖lo

由比爾定律確定的I。、I及口（x、y）的關(guān)系如下：

M（x,y）

Io----------------------?----------------------------------------------------------------------------------?I

圖1射線穿過衰減系數(shù)為U（X,y）的物質(zhì)面

/=Zoexp[-fy）dxdy\⑴

由（1）式可得

\L"（x,y）dxdy=In-y-⑵

（2）式表明，射線路徑L上衰減系數(shù)為u（x、y）的線積分等于射線入

射強(qiáng)度I。與出射強(qiáng)度I之比的自然對(duì)數(shù)。I。和I可用探測器測得，則路

徑L上衰減系數(shù)的線積分即可算出。推而廣之，當(dāng)射線以不同方向和位

置穿過該物質(zhì)面，對(duì)應(yīng)的全部路徑上的衰減系數(shù)線積分值，均可照此求

出，從而得到一個(gè)線積分集合。該集合若是無窮大，則可精確無誤地確

定該物質(zhì)面的衰減系數(shù)二維分布，否則，將是具有肯定誤差的估計(jì)。因

為物質(zhì)的衰減系數(shù)與物質(zhì)的質(zhì)量密度干脆相關(guān)（當(dāng)然還與原子序數(shù)有

關(guān)），故衰減系數(shù)的二維分布也可體現(xiàn)為密度的二維分布，由此轉(zhuǎn)換成

的斷面圖像能夠呈現(xiàn)其結(jié)構(gòu)關(guān)系和物質(zhì)組成。實(shí)際的射線束總具有肯定

的截面，只能與具有肯定厚度的切片或斷層物質(zhì)相互作用，故所確定的

衰減系數(shù)或密度的二維分布以及它們的圖像表示，應(yīng)是肯定體積的積分

效應(yīng)，絕不是志向的點(diǎn)、線、面的結(jié)果。

有上述數(shù)學(xué)、物理基礎(chǔ)后，為在工程技術(shù)卜.實(shí)現(xiàn)，避開硬件的技術(shù)

后準(zhǔn)直器

傳電路

傳電路

制單元

輻射源開關(guān)

圖2ICT結(jié)構(gòu)工作原理簡圖

四、工業(yè)CT的組成及其各自特點(diǎn)

4.1工業(yè)CT的組成

一個(gè)工業(yè)CT系統(tǒng)至少應(yīng)當(dāng)包括射線源，輻射探測器，樣品掃描系統(tǒng)，計(jì)算

機(jī)系統(tǒng)（硬件和軟件）等。

4.2射線源的種類

射線源常用X射線機(jī)和直線加速器，統(tǒng)稱電子輻射發(fā)生器。X射線機(jī)的峰值

射線能量和強(qiáng)度都是可調(diào)的，實(shí)際應(yīng)用的峰值射線能量范圍從幾KeV?j450KeV；

直線加速器的峰值射線能量一般不行調(diào)，實(shí)際應(yīng)用的峰值射線能量范圍從1?

16MeV,更高的能量雖可以達(dá)到，主要僅用于試驗(yàn)。電子輻射發(fā)生器的共同優(yōu)點(diǎn)

是切斷電源以后就不再產(chǎn)生射線，這種內(nèi)在的平安性對(duì)于工'也現(xiàn)場運(yùn)用是特別有

益的。電子輻射發(fā)生器的焦點(diǎn)尺寸為幾微米到幾亳米。在高能電子束轉(zhuǎn)換為X

射線的過程中，僅有小部分能量轉(zhuǎn)換為X射線，大部分能量都轉(zhuǎn)換成了熱，焦點(diǎn)

尺寸越小，陽極靶上局部功率密度越大，局部溫度也越高。實(shí)際應(yīng)用的功率是以

陽極靶可以長期工作所能耐受的功率密度確定的。因此，小焦點(diǎn)乃至微焦點(diǎn)的的

射線源的運(yùn)用功率或最大電壓都要比大焦點(diǎn)的射線源低。電子輻射發(fā)生器的共同

缺點(diǎn)是X射線能譜的多色性，這種連續(xù)能譜的X射線會(huì)引起衰減過程中的能譜

硬化，導(dǎo)致各種與硬化相關(guān)的偽像。

同位素輻射源的最大優(yōu)點(diǎn)是它的能譜簡潔，同時(shí)有消耗電能很少，設(shè)備體積

小且相對(duì)簡潔，而日.輸出穩(wěn)定的特點(diǎn)。但是其缺點(diǎn)是輻射源的強(qiáng)度低，為了提高

源的強(qiáng)度必需加大源的體積，導(dǎo)致“焦點(diǎn)”尺寸增大。在工業(yè)CT中較少實(shí)際應(yīng)

用。

同步輻射原來是連續(xù)能譜，經(jīng)過單色器選擇可以得到定向的幾乎單能的高強(qiáng)

度X射線，因此可以做成高空間辨別率的CT系統(tǒng)。但是由于射線能量為20KCV

到30KeV,實(shí)際只能用于檢測1mm左右的小樣品，用于一些特殊的場合。

4.3輻射探測器

(1)分立探測器

工業(yè)CT所用的探測器有兩個(gè)主要的類型一分立探測器和面探測器。而分立

探測器常用的X射線探測器有氣體和閃耀兩大類。

氣體探測器具有自然的準(zhǔn)直特性，限制了散射線的影響；幾乎沒有竄擾；且

器件一樣性好。缺點(diǎn)是探測效率不易提高，高能應(yīng)用有肯定限制；其次探測單元

間隔為數(shù)毫米，對(duì)于有些應(yīng)用顯得太大.

應(yīng)用更為廣泛的還是閃耀探測器。閃耀探測器的光電轉(zhuǎn)換部分可以選用光電

倍增管或光電二極管。前者有極好的信號(hào)噪聲比，但是因?yàn)槠骷叽绱?，難以達(dá)

到很高的集成度，造價(jià)也高。工業(yè)CT中應(yīng)用最廣泛的是閃耀體一光電二極管組

合。

應(yīng)用閃耀體的分立探測器的主要優(yōu)點(diǎn)是：閃耀體在射線方向上的深度可以不

受限制，從而使射入的大部分X光子被俘獲，提高探測效率。尤其在高能條件下，

可以縮短獲得時(shí)間；因?yàn)殚W耀體是獨(dú)立的，所以幾乎沒有光學(xué)的竄擾；同時(shí)閃耀

體之間還有鴇或其他重金屬隔片，降低了X射線的竄擾。分立探測器的讀出速度

很快，在微秒量級(jí)。同時(shí)可以用加速器輸出脈沖來選通數(shù)據(jù)采集，最大限度減小

信號(hào)上疊加的噪聲。分立探測器對(duì)于輻射損傷也是最不敏感的。

分立探測器的主要缺點(diǎn)是像素尺寸不行能做得太小，其相鄰間隔(節(jié)距)一般

大于0.1mm；另外價(jià)格也要貴一些。

(2)面探測器

面探測器主要有三種類型：高辨別半導(dǎo)體芯片、平板探測器和圖像增加器。

半導(dǎo)體芯片又分為CCD和CMOS。CCD對(duì)X射線不敏感，表面還要覆蓋一層閃耀體

將X射線轉(zhuǎn)換成CCD敏感的可見光。

半導(dǎo)體芯片具有最小的像素尺寸和最大的探測單元數(shù)，像素尺寸可小到10

微米左右，探測單元數(shù)量取決于硅單晶的最大尺寸，一般直徑在50mm以上。因

為探測單元很小，信號(hào)幅度也很小，為了增大測量信號(hào)可以將若干探測單元合并。

為了擴(kuò)大有效探測器面積可以用透鏡或光纖將它們光學(xué)耦合到大面積的閃耀體

上。用光纖耦合的方法理論上可以把探測器的有效面積在一個(gè)方向上延長到隨意

須要的長度。運(yùn)用光學(xué)耦合的技術(shù)還可以使這些半導(dǎo)體器件遠(yuǎn)離X射線束的干脆

輻照，避開輻照損傷。

平板探測器通常用表面覆蓋數(shù)百微米的閃耀晶體(如CsI)的非晶態(tài)硅或非

晶態(tài)硒做成。像素尺寸127或200口山，平板尺寸最大約45cm(18in)＜＞讀出速度

大約3?7.5幀/s。優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)用比較簡潔，沒有圖像扭曲。圖像質(zhì)量接近于狡片

照相，基本上可以作為圖像增加器的升級(jí)換代產(chǎn)品。主要缺點(diǎn)是表面覆蓋的閃耀

晶體不能太厚，對(duì)高能X射線探測效率低；難以解決散射和竄擾問題，使動(dòng)態(tài)

范圍減小.在較高能量應(yīng)用時(shí)，必需對(duì)電子電路進(jìn)行射線屏蔽.一般說運(yùn)用在

150kV以下的低能效果較好。

圖像增加器是一種傳統(tǒng)的面探測器，是一種真空器件。名義上的像素尺寸＜

100um,直徑152?457mm(6?18in)。讀出速度可達(dá)15?30幀/s,是讀出速度

最快的面探測器。由于圖像增加過程中的統(tǒng)計(jì)漲落產(chǎn)生的固有噪聲，圖像質(zhì)量比

較差，一般射線照相靈敏度僅7?8%,在應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)疊加的狀況下，射

線照相靈敏度可以提高到2%以上。另外的缺點(diǎn)就是易碎和有圖像扭曲。面探測

器的基本優(yōu)點(diǎn)是不言而喻的一它有著比線探測器高得多的射線利用率。面探測器

也比較適合用于三維干脆成像。全部面探測器由于結(jié)構(gòu)上的緣由都有共同的玦點(diǎn),

即射線探測效率低；無法限制散射和竄擾；動(dòng)態(tài)范圍小等。高能范圍應(yīng)用效果較

差。

4.4樣品掃描系統(tǒng)

樣品掃描系統(tǒng)形式上像一臺(tái)沒有刀具的數(shù)控機(jī)床，從本質(zhì)上說應(yīng)當(dāng)說是一個(gè)

位置數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，從重要性來看，位置數(shù)據(jù)與射線探測器測得的射線強(qiáng)度數(shù)據(jù)

并無什么不同。僅僅將它看成一個(gè)載物臺(tái)是不夠全面的，盡管設(shè)計(jì)掃描系統(tǒng)時(shí)首

先須要考慮的是檢測樣品的外形尺寸和重量，要有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和驅(qū)動(dòng)力來保

證以肯定的機(jī)械精度和運(yùn)動(dòng)速度來完成掃描運(yùn)動(dòng)。同樣還要考慮，選擇最適合的

掃描方式和幾何布置；確定對(duì)機(jī)械精度的要求并對(duì)?各部分的精度要求進(jìn)行平衡;

依據(jù)掃描和調(diào)試的要求選擇合適的傳感器以及在計(jì)算機(jī)軟件中對(duì)掃描的位苴參

數(shù)作必要的插值或修正等等。

工業(yè)CT常用的掃描方式是平移一旋轉(zhuǎn)(TR)方式和只旋轉(zhuǎn)(R0)方式兩種。只

旋轉(zhuǎn)掃描方式無疑具有更高的射線利用效率，可以得到更快的成像速度；然而,

平移一旋轉(zhuǎn)的掃描方式的成像水平遠(yuǎn)低于只旋轉(zhuǎn)舊描方式；可以依據(jù)樣品大小便

利地變更掃描參數(shù)(采樣數(shù)據(jù)密度和掃描范圍)，特殊是檢測大尺寸樣品時(shí)其優(yōu)

越性更加明顯；源一探測器距離可以較小，提高信號(hào)幅度；以及探測器通道少可

以降低系統(tǒng)造價(jià)便于維護(hù)等。

4.5計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)軟件無疑是CT的核心技術(shù)，當(dāng)數(shù)據(jù)采集完成以后，CT圖像的質(zhì)量已

經(jīng)基本確定，不良的計(jì)算機(jī)軟件只能降低CT圖像的質(zhì)量，而良好的計(jì)算機(jī)軟件

能充分利用己有信息，得到盡可能好的結(jié)果。

4.6工業(yè)CT的性能

在無損檢測中，如何選擇一臺(tái)工業(yè)CT機(jī)滿意運(yùn)用要求是特別重要的?，F(xiàn)就

工業(yè)CT應(yīng)具有的基本性能要求分述如下。

(1)檢測范圍

主要說明該ICT機(jī)能檢測的對(duì)象，如：能透射試件材料的最大厚度，試件最

大回轉(zhuǎn)直徑、最大高度長度和最大重量等。

(2)輻射源的運(yùn)用

若是X射線源：能量大小、工作電壓(kV)、工作電流(mA)、出束角度、焦

點(diǎn)大小等。

若是高能直線加速器：能量大小(MeV),出京角度、焦點(diǎn)尺寸。

(3)ICT的掃描方式

有多數(shù)字投影成象或?qū)崟r(shí)成象功能等。

(4)掃描檢測時(shí)間

指掃取一個(gè)斷層花在掃描數(shù)據(jù)采集時(shí)間T,如按256X256掃描時(shí)間T256,

512X512掃描時(shí)間T512O

(5)圖象重建時(shí)間

指重建出如256X256、512X512圖象所需的時(shí)間（s）。

（6）辨別實(shí)力

這對(duì)于ICT來講是關(guān)鍵性的性能指標(biāo)，通常集中在空間（幾何辨別率）辨別

率和密度辨別率兩個(gè)方面。

?空間辨別率,也稱為幾何辨別率，是指從CT圖象中能夠辨別最小物體的

實(shí)力。

?密度辨別率，密度辨別率又稱對(duì)比度辨別率，其表示方法通常以密度（通

過灰度）變更的百分比（%）表示相互變更關(guān)系。

五、試驗(yàn)步驟：

1.用少許橡皮泥將被檢測的工件粘牢在工作臺(tái)上，留意工件與工作臺(tái)之間不

能擔(dān)相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

2.左或右旋工作臺(tái)，調(diào)整工作臺(tái)的凹凸使準(zhǔn)直孔的中心線與檢測斷面位置大

致相同，并努力使樣件不要歪斜。留意被測工件長度不能超過工作臺(tái)面直徑

（50mm）,否則會(huì)引起碰撞和圖象模糊。

3.打開掃描儀電源（在掃描儀黑色限制盒側(cè)面下半部）和計(jì)算機(jī)、顯示器電

源。

4.站在源容器背后（射線出束方向的反方向），手動(dòng)旋轉(zhuǎn)源容器頂部的中心柱,

先逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)使源離開平安位，再向上提升、逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)使源到達(dá)工作位（手感

覺轉(zhuǎn)不動(dòng)為止），使輻射源升至前準(zhǔn)直口處。留意中心柱的支