工业CT原理及应用

工业CT原理及应用

一、试验目的：

1.了解CT成像的基本原理；

2.了解最基本的CT教学试验仪的结构；

3.驾驭运用CT教学试验仪进行断层扫描成像的操作步骤；

4.驾驭初步的图象处理方法。

二、试验仪器：

2.1主要试验仪器

(DCD-50BG型CT教学试验仪，包括扫描仪、计算机、显示器；

(2)标准测试工件，包括条测试卡(铜、铝)、孔测试卡(铜、铝)、

密度测试卡(大小各一).

(3)少许橡皮泥等，用来将工件粘在工作台上。

2.2CD-50BG型CT教学试验仪总体性能

(1)简介

CD-50BG型CT教学试验仪是重庆高校ICT探讨中心在十多年从事

CT技术探讨、产品开发及实际应用的基础上，为满意高校物理教学和试

验须要而开发的产品。该仪器是一个最基本的完整的CT系统，除具有

完善的CT功能和高质量的CT图像外，还具有很好的平安性、演示性、

经济性，能满意教学试验须要及其环境条件要求。系统配有专用多媒体

教学演示软件，有助于对CT工作原理、结构、组成及各部分作用的理

解。

(2)主要特点

•采纳单探测器、“旋转十平移”扫描方式，突出CT基本工作原理。

•CT扫描仪采纳银、黑双色外观设计、结构结构简介、层次分明。

•采纳透亮外罩，便于视察仪器结构和演示工作过程。

•丰富的图像重建、处理及分析软件，高质量的CT图像

•安装有多媒体教学软件，供应教学、试验参考。

•鸨合金源塔，小巧、精致，屏蔽性好，系统平安牢靠。

2.3功能

•CT扫描测试，两种扫描方式。

•图像重建、显示、处理、分析、测量、编辑。

•多媒体教学演示功能。

•可扫描重建试件横断面和纵断面数字图像。

•显示参考试件3维外观数字图像。

2.4CT扫描参考时间

不同采样时间所对应的大致CT扫描参考时间如表1所示。

表1CT扫描参考时间

方式一方式二

采样时间

扫描时间（min）扫描时间（min）

（S）

64X64128X12864X64128X128

0.12560832

0.2321251560

0.3391602290

0.44518029120

0.55221035140

0.65924042170

0.76626049200

0.87328056230

三、试验原理：

3.1CT技术理论基础

CT是一种绝妙的成像技术，具有支撑它的数学、物理和技术基础。

早在1917年，丹麦数学家雷当（J.Radon）的探讨工作已为CT技术

建立了数学理论基础。他从数学上证明白某种物理参量的二维分布函数,

可由该函数在其定义域内的全部线积分完全确定。该结论指出：须要有

无穷多个且积分路径互不完全重叠的线积分，才能精确无误地确定该二

维分布，否则只能是实际分布的一个估计。该探讨结果的意义在于：只

要能知道一个未知二维分布函数的全部线积分，即可求得该二维分布函

数；获得CT断层图像，就是求取能反映断层内部结构和组成的某种物

理参量的二维分布。当二维分布函数已知，要将其转换为图像，则是一

个简洁的显示问题。因此，首要的问题是如何求取能反映被检测断层内

部结构组成的物理参量二维分布函数的线积分。

物理探讨指出，一束射线穿过物质并与物质相互作用后，射线强度

将受到射线路径上物质的汲取或散射而衰减，衰减规律由比尔定律确定。

可用衰减系数度量衰减程度。考虑一般性，设物质系非匀称的，一个面

上衰减系数分布为R（x、y）。当射线穿过该物质面，入射强度为I。的射

线经衰减后以强度I穿出，射线在面内的路径长度为L,如图lo

由比尔定律确定的I。、I及口（x、y）的关系如下：

M（x,y）

Io----------------------►----------------------------------------------------------------------------------►I

图1射线穿过衰减系数为U（X,y）的物质面

/=Zoexp[-fy）dxdy\⑴

由（1）式可得

\L"（x,y）dxdy=In-y-⑵

（2）式表明，射线路径L上衰减系数为u（x、y）的线积分等于射线入

射强度I。与出射强度I之比的自然对数。I。和I可用探测器测得，则路

径L上衰减系数的线积分即可算出。推而广之，当射线以不同方向和位

置穿过该物质面，对应的全部路径上的衰减系数线积分值，均可照此求

出，从而得到一个线积分集合。该集合若是无穷大，则可精确无误地确

定该物质面的衰减系数二维分布，否则，将是具有肯定误差的估计。因

为物质的衰减系数与物质的质量密度干脆相关（当然还与原子序数有

关），故衰减系数的二维分布也可体现为密度的二维分布，由此转换成

的断面图像能够呈现其结构关系和物质组成。实际的射线束总具有肯定

的截面，只能与具有肯定厚度的切片或断层物质相互作用，故所确定的

衰减系数或密度的二维分布以及它们的图像表示，应是肯定体积的积分

效应，绝不是志向的点、线、面的结果。

有上述数学、物理基础后，为在工程技术卜.实现，避开硬件的技术

后准直器

传电路

传电路

制单元

辐射源开关

图2ICT结构工作原理简图

四、工业CT的组成及其各自特点

4.1工业CT的组成

一个工业CT系统至少应当包括射线源，辐射探测器，样品扫描系统，计算

机系统（硬件和软件）等。

4.2射线源的种类

射线源常用X射线机和直线加速器，统称电子辐射发生器。X射线机的峰值

射线能量和强度都是可调的，实际应用的峰值射线能量范围从几KeV®j450KeV；

直线加速器的峰值射线能量一般不行调，实际应用的峰值射线能量范围从1〜

16MeV,更高的能量虽可以达到，主要仅用于试验。电子辐射发生器的共同优点

是切断电源以后就不再产生射线，这种内在的平安性对于工'也现场运用是特别有

益的。电子辐射发生器的焦点尺寸为几微米到几亳米。在高能电子束转换为X

射线的过程中，仅有小部分能量转换为X射线，大部分能量都转换成了热，焦点

尺寸越小，阳极靶上局部功率密度越大，局部温度也越高。实际应用的功率是以

阳极靶可以长期工作所能耐受的功率密度确定的。因此，小焦点乃至微焦点的的

射线源的运用功率或最大电压都要比大焦点的射线源低。电子辐射发生器的共同

缺点是X射线能谱的多色性，这种连续能谱的X射线会引起衰减过程中的能谱

硬化，导致各种与硬化相关的伪像。

同位素辐射源的最大优点是它的能谱简洁，同时有消耗电能很少，设备体积

小且相对简洁，而日.输出稳定的特点。但是其缺点是辐射源的强度低，为了提高

源的强度必需加大源的体积，导致“焦点”尺寸增大。在工业CT中较少实际应

用。

同步辐射原来是连续能谱，经过单色器选择可以得到定向的几乎单能的高强

度X射线，因此可以做成高空间辨别率的CT系统。但是由于射线能量为20KCV

到30KeV,实际只能用于检测1mm左右的小样品，用于一些特殊的场合。

4.3辐射探测器

(1)分立探测器

工业CT所用的探测器有两个主要的类型一分立探测器和面探测器。而分立

探测器常用的X射线探测器有气体和闪耀两大类。

气体探测器具有自然的准直特性，限制了散射线的影响；几乎没有窜扰；且

器件一样性好。缺点是探测效率不易提高，高能应用有肯定限制；其次探测单元

间隔为数毫米，对于有些应用显得太大.

应用更为广泛的还是闪耀探测器。闪耀探测器的光电转换部分可以选用光电

倍增管或光电二极管。前者有极好的信号噪声比，但是因为器件尺寸大，难以达

到很高的集成度，造价也高。工业CT中应用最广泛的是闪耀体一光电二极管组

合。

应用闪耀体的分立探测器的主要优点是：闪耀体在射线方向上的深度可以不

受限制，从而使射入的大部分X光子被俘获，提高探测效率。尤其在高能条件下，

可以缩短获得时间；因为闪耀体是独立的，所以几乎没有光学的窜扰；同时闪耀

体之间还有鸨或其他重金属隔片，降低了X射线的窜扰。分立探测器的读出速度

很快，在微秒量级。同时可以用加速器输出脉冲来选通数据采集，最大限度减小

信号上叠加的噪声。分立探测器对于辐射损伤也是最不敏感的。

分立探测器的主要缺点是像素尺寸不行能做得太小，其相邻间隔(节距)一般

大于0.1mm；另外价格也要贵一些。

(2)面探测器

面探测器主要有三种类型：高辨别半导体芯片、平板探测器和图像增加器。

半导体芯片又分为CCD和CMOS。CCD对X射线不敏感，表面还要覆盖一层闪耀体

将X射线转换成CCD敏感的可见光。

半导体芯片具有最小的像素尺寸和最大的探测单元数，像素尺寸可小到10

微米左右，探测单元数量取决于硅单晶的最大尺寸，一般直径在50mm以上。因

为探测单元很小，信号幅度也很小，为了增大测量信号可以将若干探测单元合并。

为了扩大有效探测器面积可以用透镜或光纤将它们光学耦合到大面积的闪耀体

上。用光纤耦合的方法理论上可以把探测器的有效面积在一个方向上延长到随意

须要的长度。运用光学耦合的技术还可以使这些半导体器件远离X射线束的干脆

辐照，避开辐照损伤。

平板探测器通常用表面覆盖数百微米的闪耀晶体(如CsI)的非晶态硅或非

晶态硒做成。像素尺寸127或200口山，平板尺寸最大约45cm(18in)＜＞读出速度

大约3〜7.5帧/s。优点是运用比较简洁，没有图像扭曲。图像质量接近于狡片

照相，基本上可以作为图像增加器的升级换代产品。主要缺点是表面覆盖的闪耀

晶体不能太厚，对高能X射线探测效率低；难以解决散射和窜扰问题，使动态

范围减小.在较高能量应用时，必需对电子电路进行射线屏蔽.一般说运用在

150kV以下的低能效果较好。

图像增加器是一种传统的面探测器，是一种真空器件。名义上的像素尺寸＜

100um,直径152〜457mm(6〜18in)。读出速度可达15〜30帧/s,是读出速度

最快的面探测器。由于图像增加过程中的统计涨落产生的固有噪声，图像质量比

较差，一般射线照相灵敏度仅7〜8%,在应用计算机进行数据叠加的状况下，射

线照相灵敏度可以提高到2%以上。另外的缺点就是易碎和有图像扭曲。面探测

器的基本优点是不言而喻的一它有着比线探测器高得多的射线利用率。面探测器

也比较适合用于三维干脆成像。全部面探测器由于结构上的缘由都有共同的玦点,

即射线探测效率低；无法限制散射和窜扰；动态范围小等。高能范围应用效果较

差。

4.4样品扫描系统

样品扫描系统形式上像一台没有刀具的数控机床，从本质上说应当说是一个

位置数据采集系统，从重要性来看，位置数据与射线探测器测得的射线强度数据

并无什么不同。仅仅将它看成一个载物台是不够全面的，尽管设计扫描系统时首

先须要考虑的是检测样品的外形尺寸和重量，要有足够的机械强度和驱动力来保

证以肯定的机械精度和运动速度来完成扫描运动。同样还要考虑，选择最适合的

扫描方式和几何布置；确定对机械精度的要求并对•各部分的精度要求进行平衡;

依据扫描和调试的要求选择合适的传感器以及在计算机软件中对扫描的位苴参

数作必要的插值或修正等等。

工业CT常用的扫描方式是平移一旋转(TR)方式和只旋转(R0)方式两种。只

旋转扫描方式无疑具有更高的射线利用效率，可以得到更快的成像速度；然而,

平移一旋转的扫描方式的成像水平远低于只旋转旧描方式；可以依据样品大小便

利地变更扫描参数(采样数据密度和扫描范围)，特殊是检测大尺寸样品时其优

越性更加明显；源一探测器距离可以较小，提高信号幅度；以及探测器通道少可

以降低系统造价便于维护等。

4.5计算机系统

计算机软件无疑是CT的核心技术，当数据采集完成以后，CT图像的质量已

经基本确定，不良的计算机软件只能降低CT图像的质量，而良好的计算机软件

能充分利用己有信息，得到尽可能好的结果。

4.6工业CT的性能

在无损检测中，如何选择一台工业CT机满意运用要求是特别重要的。现就

工业CT应具有的基本性能要求分述如下。

(1)检测范围

主要说明该ICT机能检测的对象，如：能透射试件材料的最大厚度，试件最

大回转直径、最大高度长度和最大重量等。

(2)辐射源的运用

若是X射线源：能量大小、工作电压(kV)、工作电流(mA)、出束角度、焦

点大小等。

若是高能直线加速器：能量大小(MeV),出京角度、焦点尺寸。

(3)ICT的扫描方式

有多数字投影成象或实时成象功能等。

(4)扫描检测时间

指扫取一个断层花在扫描数据采集时间T,如按256X256扫描时间T256,

512X512扫描时间T512O

(5)图象重建时间

指重建出如256X256、512X512图象所需的时间（s）。

（6）辨别实力

这对于ICT来讲是关键性的性能指标，通常集中在空间（几何辨别率）辨别

率和密度辨别率两个方面。

•空间辨别率,也称为几何辨别率，是指从CT图象中能够辨别最小物体的

实力。

•密度辨别率，密度辨别率又称对比度辨别率，其表示方法通常以密度（通

过灰度）变更的百分比（%）表示相互变更关系。

五、试验步骤：

1.用少许橡皮泥将被检测的工件粘牢在工作台上，留意工件与工作台之间不

能担相对运动。

2.左或右旋工作台，调整工作台的凹凸使准直孔的中心线与检测断面位置大

致相同，并努力使样件不要歪斜。留意被测工件长度不能超过工作台面直径

（50mm）,否则会引起碰撞和图象模糊。

3.打开扫描仪电源（在扫描仪黑色限制盒侧面下半部）和计算机、显示器电

源。

4.站在源容器背后（射线出束方向的反方向），手动旋转源容器顶部的中心柱,

先逆时针旋转使源离开平安位，再向上提升、逆时针旋转使源到达工作位（手感

觉转不动为止），使辐射源升至前准直口处。留意中心柱的支