工业CT的概念和定义

工业CT是工业用计算机断层成像技术的简称，它能在对检测物体无损伤条件下，以二维断层图像或三维立体图像的形式，清晰、准确、直观地展示被检测物体的内部结构、组成、材质及缺损状况，被誉为当今最佳无损检测和无损评估技术。工业CT技术涉及了核物理学、微电子学、光电子技术、仪器仪表、精密机械与控制、计算机图像处理与模式识别等多学科领域，是一个技术密集型的高科技产品。

工业CT广泛应用在汽车、材料、铁路、航天、航空、军工、国防等产业领域，为航天运载火箭及飞船与太空飞行器的成功发射、航空发动机的研制、大型武器系统检验与试验、地质结构分析、铁道车辆提速重载安全、石油储量预测、机械产品质量判定等提供了的重要技术手段。

工业CT是在射线检测的基础上发展起来的，其基本原理是当经过准直且能量I0的射线束穿过被检物时，根据各个透射方向上各体积元的衰减系数从不同，探测器接收到的透射能量I也不同。按照一定的图像重建算法，即可获得被检工件截面一薄层无影像重叠的断层扫描图像(图1），重复上述过程又可获得一个新的断层图像，当测得足够多的二维断层图像就可重建出三维图像。当单能射线束穿过非均匀物质后，其衰减遵从比尔定律：即

式中、为已知量，未知量为μ。一幅M×N个像素组成的图像，必须有M×N个独立的方程才能解出衰减系数矩阵内每一点的μ值。当射线从各个方向透射被检物体，通过扫描探测器可得到MXN个射线计数和值，按照一定的图像重建算法，即可重建出MXN个μ值组成的二维CT灰度图像。[2]

检测范围：主要说明该CT系统的检测对象。如能透射钢的最大厚度，检测工件的最大回转直径，检测工件的最大高度或长度，检测工件的最大重量等。

使用的射线源：射线能量大小、工作电压、工作电流及焦点尺寸。射线能量是穿透等效钢厚度的能力的主要影响因素。

扫描模式：常用的CT扫描模式有II代扫描、III代扫描。III代扫描具有更高的效率，但是容易由于校正方法不佳而导致环状伪影（所以减弱或消除环状伪影是体现CT系统制造商技术水平的主要内容之一）；II代扫描效率大约是III代扫描的1/10—1/5，但其对大回转直径工件检测有益。此外CT系统通常会具备数字射线检测成像（DR）功能。

扫描检测时间：指扫描一个典型断层数据（如图像矩阵1024×1024）所需要的时间。

图像重建时间：指重建图像所需的时间。由于现代计算机的运行速度较快，所以扫描结束后，几乎是立即就能把重建图像显示出来，一般不超过3s。

分辨能力：工业CT系统的核心性能指标包括：

①空间分辨率：从CT图像中能够辨别最小结构细节的能力。

②密度分辨率：从CT图像中能够分辨出最小密度差异的能力（通常跟特征区域大小结合在一起评定）。

空间分辨率与密度分辨率的关系。在辐射剂量一定的情况下，空间分辨率与密度分辨率是相互矛盾的两个指标。提高空间分辨率会降低密度分辨率，反之亦然。

对于普通的工业CT系统，其核心性能指标只有空间分辨率和密度分辨率；而对于一台高精度测量工业CT系统而言，除了上述两个核心性能指标外，还有另外两个核心性能指标：

①几何测量精度：在CT图像上测得某对象的几何尺寸与该对象真实尺寸之间的绝对误差。

②密度测量精度：在CT图像上测得某对象的密度值与该对象真实密度值之间的相对误差。

工业CT现有X射线断层扫描（XCT）、康普顿散射断层扫描（CST）、穆斯堡尔效应断层扫描（MCT）等。主要应用于工业在线过程的实时检测和大型工业部件的探查。工业CT与传统的X射线探伤和超声波探伤相比，具有空间分辨率高、无损检测、速度快等特点，因而在工业产品的检测中具有其他方法无可取代的作用。在实时检测方面，可用于在线检测热轧无缝钢管中的气孔、划痕、裂缝、分层等各种缺陷，同时给出钢管的壁厚、同心度、单位长度的重量等；亦可用于发电设备的实时检测。在大型部件检测方面，特别适用于火箭、核燃料元件、弹药、飞机发动机等的无损检测。大型工业CT的主要技术指标大约为待测物体直径1—2.5米，有效扫描高度2—8米，最大承重可达数十吨，空间分辨率为1线对/毫米，密度分辨率0.5%，裂纹分辨0.05毫米×15毫米，扫描时间每层3分钟，图像重建时间6秒，工作台平移空位精度0.02毫米，工作台旋转空位精度10角秒。所用的辐射装置可用X射线机、加速器，亦可用60Co、137Cs或192Ir的γ射线源。[1]

射线源常用X射线机和直线加速器。X射线机的峰值能量范围从数十到450 keV，且射线能量和强度都是可调的;直线加速器的射线能量一般不可调，常用的峰值射线能量范围在1一16 MeV。其共同优点是切断电源以后就不再产生射线，焦点尺寸可做到微米量级。[2]

目前常用的探测器主要有高分辨CMOS半导体芯片、平板探测器和闪烁探测器三种类型。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 μm左右。平板探测器通常用表面覆盖数百微米的闪烁晶体(如CsI)的非晶态硅或非晶态硒做成，像素尺寸约127 μm，其图像质量接近于胶片照相。闪烁探测器的优点是探测效率高，尤其在高能条件下，它可以达到16 ~ 20 bit的动态范围，且读出速度在微秒量级。其主要缺点是像素尺寸较大，其相邻间隔(节距)一般≥0. 1 mm。[2]

样品扫描系统从本质上说是一个位置数据采集系统。工业CT常用的扫描方式是平移一旋转((TR)方式和只旋转(RO)方式两种。RO扫描方式射线利用效率较高，成像速度较快。但TR扫描方式的伪像水平远低于RO扫描方式，且可以根据样品大小方便地改变扫描参数(采样数据密度和扫描范围)。特别是检测大尺寸样品时其优越性更加明显，源探测器距离可以较小，以提高信号幅度等。[2]