X射线工业CT运动平台控制设计基础知识

X射线工业CT运动平台控制设计基础知识本文介绍了当今无损检测领域的技术发展现状，分析了工业 CT 控制系统的特点和系统设计的一般方法。利用伺服电机对运动平台进行控制，为了实现精确的位置控制，以及控制参数的最优化，我们编写有效地程序，从而达到精确、快速。最后，通过实际实验室平台上的测试，从而验证论文里所设计的X射线工业 CT 多轴运动控制系统在控制精度、反应时间和稳定性等方面达到现行的控制系统较优水准，可以使用在更多的工业 CT 系统领域中。绪论1.1 课题的研究背景1.1.1 CT与工业CT技术利用精确的x射线、射线、超声波等进行电子计算机断层扫描叫做CT，它具有图像清晰，扫描时间快等优点，是用一个灵敏度极高的探测器对某一人或物品做不间断的断层扫描。工业CT，则是将CT技术用于工业上的核成像技术，是世界上目前认可度最高的无损检测技术之一，在被测工件无损的情况下，从多个方向，已二维或者三维的立体图像形式，透射被测物件的某断层，通过专用的探测器，准确、直观的展示被测物的内部结构和衰减后的信息，从而达到判断物体的内部结构、有无损伤和材质。1.1.2 工业CT的系统组成与原理在工业CT系统中，包含着多个子系统，有运动控制、数据采集系统，图像的处理和重建系统、电源的控制系统等等多个子系统。工业CT系统的核心是运动控制系统，通常用伺服电机来实现。伺服电机，是一种间接变速的补助马达装置，也是在系统中，控制机械元件如何运转的一种发动机。伺服电机，可以控制位置、速度的精度，它的转子会受到输入的信号控制，把电信号转化成为转速以及转矩，从而去控制和驱动对象，它在信号的控制指导下，用很短的时间会做出反应。伺服电机分为两大类，分别是直流伺服电机和交流伺服电机。整个工业CT系统的性能好与坏对CT的扫描运动控制，位置同步及精确性是否优良和对数据的采集时间都有着很高的要求，所以每一环节都决定着最终采集图像的好与坏。1.2 课题的发展和研究现状因为工业CT机是一种高精度和高精密的光机电一体化机器，必须负责对于整个机械系统及运动系统提出很高的精密度要求，在对整个工业CT机系统中，调节和控制机构都起着非常高的作用需求。现如今，根据控制器核心的不同大致可以分为三大类别：“运动控制卡和PC”的模式，即在PC总线凭借DSP作为核心的处理器的基础上，是一种开放式的运动控制器，其中，美国某公司的 MCX系列和PMAC运动控制卡的专用的四轴运动运动控制内芯。此种运动核心，上位机具有多种功能，比如说发送指令、故障诊断及预处理等功能，为了避免占用过多的PC机空间和资源，我们将速度控制、位置的控制等可以通过插在PC总线上的DSP芯片来得以实现。核心的运动控制器可以用单片机或者微处理器，将电动器的控制器用微处理器来替代模拟电路，为了让控制逻辑用软件来实现，从而达到所构成的系统的电路比原来简单。但是由于此种控制器核心的精度有限，利用其成本较低的优势，可以在一些要求不高的轮廓运动控制场合来使用。还有一种是用专门的控制芯片来作为核心的运动控制系统，就比如NOVA公司的MCX314等等，这类运动控制器的结构相对来说都比较简单，但是凭借它响应时间短、系统的集成度较高等优点也占有很大的市场与实用性。但是，它的缺点也是很明显的，它不具备系统的升级和扩展能力等。图1-1 运动控制卡与PC的控制方式1.3 课题的研究意义我国在工业CT系统的研究领域一直有着持续的发展，在一些高精端领域，比如兵器、航空与航天等，都为其零件的精密度提供了无损的测量技术支持，在内部的力学、物理、结构都提供了精确的保障。工业CT机是对一些精密仪器进行无损的检测仪器，要求它对运动的精度和外界的干扰抗性都有着很高的需求，尤为是针对断层的扫描，运动的精度往往和断层扫描所成像的精度有着密切的关联，为了让三维软件所生成的断层扫描图片质量有保证，运动精度必须优异，低速、平移、旋转中都得有质量的保证。如上所说，为了确保此课题的精度需求，我们采用伺服电机驱动系统的微机控制系统帮助我们实现运动精度。运动控制系统经历了很大的改变与革新，从直流到交流，开环到闭环和模拟到数字。研究此课题主要是保证性能的稳定、准确、安全和反应时间迅速，从而为达到快速精确的硬件扫描提供技术支持，为了解决位置的跟踪控制问题，我们使用位置伺服控制系统，通过实现位置输出对给定量的准确性跟随以及足够的精度要求，尽可能的为系统提供足够宽的范围调速，既有速度又平稳的启动与制动等性能，我们通过利用C语言程序实现对其的核心控制。第二章 X射线机的原理结构及设计2.1 X射线的产生和物理性质X射线的产生分为两部分，一部分是波长连续变化，我们成为连续谱；还有一部分和靶材料有关，波长是分立的，具有能被某种特殊材料标记的特性，成为标识谱。如下图：图2-1 特征X射线产生示意图X射线的物理性质：X射线是一种电磁波，它与红外、紫外光、可见光以及宇宙射线等性质基本相同，我们可以总结为如下的四个方面： X射线的波长短，所以它的能量较大，具有很强的穿透性： X射线具有电离的作用，当它照射物体表面时，会使该物质中原子的核外电子发生逃逸现象，从而产生电离； 当X射线照射到了某些化合物上时，会产生荧光，其强度会和照射的X射线强度成正比关系，所以X射线还具有荧光作用； X射线具有波粒二象性，它的粒子性表现为它是由大量的不连续的粒子流组成，也成为光子，而波动性体现为它可以以一定的频率和波长传播，并且传播过程伴随着干涉衍射等现象的发生。2.2 X射线与物质的相互作用X射线与物质可以发生物理作用、化学效应以及生物效应。在本文中，我们着重介绍其物理作用。X射线与物质的相互作用其实都是在和原子发生作用,比如原子中的电子、原子核以及带点粒子场等，从而作用的方式也有很多,其中有光电效应、康普顿散射、电子对效应、相干散射、光致核反应以及核共振反应等。当光子的能量在100keV30MeV之间时,相干散射、光致核反应和核共振反应等就会起着次要的作用，因为它们对于X射线的吸收占着不到百分之一的作用。由此，我们着重介绍光电效应、康普顿效应和电子对效应。 光电效应：作用对象：X射线与物质原子的内层电子或束缚电子相互作用。如图所示：图2.2 光电效应示意图产生条件：如果入射光子的能量大于轨道电子与原子核的结合能量，当入射光子与原子的轨道电子产生相互作用，光子就会把全部的能量传递给轨道上的电子，从而使轨道电子发射出去，光子则消失。我们把发射出去的电子叫做光电子，当原子发射光电子以后，在内层会出现空穴，此时原子处于激发状态，由于能量较低，外层电子将会向空穴迁移，从而跃迁形成退激发状态，在退激发过程中，会发射俄歇电子或者发射特征X射线。光电效应式为： （2-1）式中，是入射光子能量，是光电子所获得的动能，Bi代表物质的原子第i层电子的结合能。当入射的光子能量即hv远远小于时，吸收物质的原子核外K层电子的光电截面为： （2-2）其中=1/137,即精细结构常数，如果当远远小于hv时，有： （2-3） 康普顿效应康普顿效应的原理图大致如下：图2.3 康普顿散射示意图康普顿效应是指，在入射的X光子和物质的原子最外层的电子相互发生非弹性碰撞的过程。在这个过程中，入射进来的X光子将一部分能量交给电子，是电子获得能量从而脱离原子核的束缚，形成反冲电子，此时入射的X光子能量与方向也都发生变化。我们可以通过量子力学的知识，推算出康普顿效应的截面公式。当入射的X射线光子能量hv远远小于时，我们可以得到： （2-4）其中，代表经典电子半径，可以看出，此时的入射X光子能量与截面的大小没有关系，只正比于Z。当入射的X射线光子能量hv远远大于时，我们可以推算出： （2-5）此时，可以看出截面与Z成正比关系，近似的也可以看成入射的X光子能量与截面成反比。 电子对效应电子对效应的原理大致如下图：图2.4 电子对效应示意图 当入射的X射线光子能量足够高时，当它从原子核旁边经过，由于由库仑场的存在，入射的X光子有可能在极短的时间内会转化成为一个正电子与一个负电子，我们把这个过程叫做电子对效应。根据能量的守恒定律，只有在入射的X射线光子能量hv时，也就是当hv大于1.02MeV时，才会使电子对效应发生。 物质原子的电子对效应反应截面可以计算得出：当hv稍大于时，可以推算得出： （2-6）当hv远远大于时，可以推算得出： （2-7）由以上两式可见，电子对效应反应截面随着光子能量的增加而呈现线性增加，在处于高能状态时，截面与光子能量的变化就会变慢。 通过了上面对三种现象的讨论，我们可以很清楚的看出，这三种效应都与吸收物质的原子的原子序数以及入射的X射线光子的能量有着一定的关系，所以对于不同的吸收物质和入射的X射线能量强度，三种效应各有不同的重要性，如下图所示：图2.5 三种效应随入射X光子能量和原子序数的变化关系我们由上图可以总结出： 对高能的X射线以及原子序数Z很高的吸收物质，电子对效应占优势； 对低能的X射线以及原子序数Z高的吸收物质，光电效应占优势； 对于中能的X射线以及原子序数Z低的吸收物质，康普顿效应占优势。2.3 本章小结本章主要针对X射线工业CT中，X射线所涉及的一些物理知识进行介绍与讲解，针对X射线产生、与物质的相互作用等的了解，从而使得更好的去了解整个工业CT的设计。工业 CT 技术作为当今世界上最为出色的无损检测技术，在工业生产等很多领域都得到了广泛的应用，在定制化生产阶段，如何最大限度的减少重复性工作，以及在最短的时间内，可以开发出新的产品，是工业 CT 标准化设计工作需要解决的问题。在本文的研究过程中，以系统设计方法作为研究对象，对工业 CT 控制系统的设计进行了研究，并在以下几个方面有了认识： 将