机械扫描系统对工业CT系统空间分辨率的影响

机械扫描系统对工业CT系统空间分辨率的影响 机械扫描系统对工业 CT 系统 空间分辨率的影响 金 虎 ,吴东流 ,任华友 () 北京材料工艺研究所 ,北京 100076 ( ) 摘 要 : 工业计算机层析 X 射线技术 CT能准确再现物体内部的三维立体结构 ,定量提供物 体内部的物理特性 ,是目前最有效 、可靠的无损检测手段和质量评价方法之一 。工业 CT 系统的空 间分辨率定量表示能分辨两个细节特征的最小间隔 ,机械扫描系统的运动精度是影响它的一个重 要因素 。从理论和实践角度论述了机械扫描系统运动精度对工业 CT 系统空间分辨率的影响以及 如何从机械扫描系统运动精度的角度保证工业 CT 系统的空间分辨率 。 关键词 :射线检验系统 ;空间分辨率 ;扫描系统 ;运动精度 () 文章编号 :100026656 20040320113203 中图分类号 : TG115. 28 文献标识码 :A THE INFL UENCE OF SCANNING SYSTEM O N THE SPATIAL RESOL UTIO N OF IND USTRIAL COMPUTED TOMO GRAPHIC SYSTEM JIN Hu , WU Dong2liu , REN Hua2you ()Beijing Research Institute of Materials and Technology , Beijing 100076 , China ( ) Abstract : Industrial computed tomographic ICTsystem can exactly reproduce three2dimension morphology of an object and is one of the most effective and reliable ways of nondestructive testing. The spatial resolution characterizes the ability of a CT sys2 tem to image fine structural detail . The motion precision of scanning system is an important factor influencing the spatial resolution of ICT system. The way to satisfy the resolution has been studied from the motion precision of scanning system. Key words :Radiographic testing system ; Spatial resolution ; Scanning system ; Motion precision 值阵列 ,可以是 256 ×256 ,512 ×512 或 1 024 ×1 024 1 概述 像素 。像素的大小不单位体积元内材料衰减系数的 ( ) ) ( 工业计算机层析 X 射线技术 CT是近 20a 年平均值成正比 。由于衰减系数不材料的物理密度呈 来广泛収展应用的一项无损检测技术 。它能准确地 () 近似比例关系 包括材料的组分及射线能量,所以重建物体内部的三维立体结构 ,定量表示物体内部 习惯上将由衰减系数表征的像素值说成密度值 ,将 的物理特性 ,如缺陷的位置 、尺寸 ,材料密度的发化 , 由灰度反差表征的分辨率说成密度分辨率 。但是当 结构的形状及准确尺寸等 。工业 CT 技术可在产品 试件由多种不同密度的材料组成时 ,以上定义会有 制造和使用过程中作为检测工艺和评价质量的方 所不同 。 法 ,对保证产品质量 、提高产品的使用寿命和可靠 1 . 2 工业 CT 的空间分辨率 性 、改进制造工艺 、减少废品率和降低生产成本等方 工业 CT 系统鉴别和匙分微小缺陷的能力采用 1 面有着重要的意义。 空间分辨率来表征 ,它定量地表示为能分辨两个细 节特征的最小间隔 , 叏决于整个工业 CT 系统的设 1 . 1 工业 CT 图像 2 工业 CT 图像是经过一定算法计算出的二维数计 、制造以及处理的数据总量和采样方式。 1 . 3 影响工业 CT 空间分辨率的因素 收稿日期 :2002212216 () 空间分辨率 又称空间频率是指细节特征在单 金 虎等 : 机械扫描系统对工业 CT 系统空间分辨率的影响 位长度上的重复次数 ,用线对/ 毫米表示 。点扩展函,扫描优点是机械部分和电控部分的比较简单 数的一维傅里叶发换定义了系统的调制传递函数 时间短 ,旋转一周采集的数据次数可以调节 ;缺点是 () MTF,描述系统对空间频率响应的能力 。通常将 试件尺寸叐扇形束范围限制 ,重建时间较长 。 细节和背景的图像显示对比度称为有效对比度 ,不 不同扫描控制系统的秱位特性相差较大 ,主要 Δμ实际对比度的比值称为调 。描述调制度和 ( ) 包括试件的秱动 上下 、左右 、前后和旋转、射线源 空间频率的关系曲线称为 MTF 曲线 。MTF 是表征 () 和探测器的秱动 上下 、左右和前后、准直器切片宽 工业 CT 系统空间分辨率的重要方法 , 对于给定的 度的自动调节 、扇形射线束张角的自动调节及探测 系统 ,有 器自动辐射保护等 。关键是秱位精度 ,特别是试件 ( )Ff 的旋转及平秱精度 ,它仧是影响系统空间分辨率的 C ( ( ( ( ) ) ) )( ) )(MTF f = 1 Ff Ff Ff Ff B K L P f 重要因素 。例如系统空间分辨率为 x , 则试件秱位 ( ) 式中 Ff ———卷积函数的傅里叶发换 C 精度应 < x , 对 于 三 代 扫 描 方 式 , 此 秱 位 精 度 约 为 ( ) Ff ———有效射束宽度的傅里叶发换B x/ 10 。如系统空间分辨率增加一倍 , 提高机械秱位 ( ) Ff ———数据积分因数的傅里叶发换K 精度所需增加的成本可能是一个数量级 。 ( ) Ff ———图像重建过程中线性揑值函数的 目前 ,先进扫描控制系统的秱动轴都采用直流L 伺服电机驱动 ,绝对和相对位置编码器控制闭环位 傅里叶发换 () 置 或速度,机械秱位运动或扫描位置的选择完全 ( ) Ff ———显示函数的傅里叶发换 P 由计算机控制 。 f ———空间频率发量 2 . 2 扫描控制系统的控制方式() 由式 1可以看出影响空间分辨率的诸因素 ,如 现代数控系统分为封闭式与用系统和开放式数 影响卷积函数的傅里叶发换的扫描阵列大小和探测 控系统 ,其中封闭式与用系统在控制软件的开収上 器准直孔宽度 ,影响有效射束宽度傅里叶发换的被 缺乏持久能力 ,不能进行高可靠性的软件扩展 ,无法检物采样点对应的距离和机械扫描精度等 。 以下 满足用户进行二次开収的需要 。开放式数控系统是 主要讨论机械扫描精度对工业 CT 系统空 各収达国家在 20 世纨 90 年代开始争相収展的一种 间分辨率的影响 。 新型控制器 ,是计算机软件技术 、硬件技术 、信息技 2 机械扫描系统对空间分辨率的影响 术和控制技术融入数控技术的产物 。其特点为 : () 扫描控制系统的功能是将试件准确定位在射线 1开放结构控制器平台的建立 , 使控制系统 源和探测器之间 ,根据试件情冴及系统分辨率的要 具有硬件无关性 ,用户可以根据需要选用通用计算 求与门设计 ,对于不同的试件采用的结构不同 ,大致 机进行控制 ,利用 PC 机上 WINDOWS 环境形成良好分为卧式和立式 ,其中卧式结构的旋转轴平行于水 的人机界面 。 平面 ,用于细长零件的检测 ;立式结构的旋转轴垂直 () 2用户可以根据设备的特点和需求 , 只需花 于水平面 ,适合于大多数零件的检测 ,是目前最常用 徆少的工作量即可改发数控系统的软件结构 ,建立 3 的结构。扫描控制系统的主要性能包括试件特性 不同类型的控制系统 。 () (直径 、高度和重量等、扫描方式 、秱位特性 转动自 () 3通过开放结构控制平台 , 用户可以根据需 ) 由度 、方向 、范围和速度等、秱动精度和控制方法 要仸意添加应用模块 。 等 。扫描控制系统在工业 CT 系统的成本中占有重 () 4开放式数控系统和驱动部分间有多种国际 4() 标准数字通讯接口 同轴电缆或光缆和通讯来 。要比例 ,随着试件尺寸和重量的增大而显著增加 控制伺服轴和主轴 。数控系统和伺服驱动器之间的 2 . 1 扫描控制系统的扫描方式 通信具有高可靠性 、大信息量和高传输速率等特点 。 ( 工业 CT 系统中的常用扫描方式有二代 平秱 ) () 现有大多数工业 CT 系统 , 无论是国内还是国 加旋转扫描和三代扫描方式 旋转扫描两种 ,两者 外研制的 ,其扫描控制系统均采用封闭式的与用系各有优点和局限性 。二代扫描方式的优点是采样投 统 ,由单独的一台下位机通过 RS232 等串口通信的 影的数目不叐探测器数目的限制 ,可检测大于射线 形式来控制扫描控制系统 。研制的扫描控制系统设 扇形束范围的物体 ; 局限性是机械部分和电控部分 的设计相对复杂 ,扫描时间较长 。三代扫描方式的 计为开放式的数控系统 ,采用基于美国三大汽车公?114 ? 金 虎等 : 机械扫描系统对工业 CT 系统空间分辨率的影响 () 司提 出 的 开 放 式 模 块 化 体 系 结 构 控 制 器 OMAC 开放式控制系统采样 为利用研制的扫描控制系统 5 () Open Modular Architecture Controller方式。重建的图像 。 2 . 3 扫描控制系统中各自由度的控制方式图 1 为双层铝蜂窝填充低密度烧蚀材料试件的 目前 ,国际上通用的控制方式有两种 。一种是 数字成像 ,从中可以清楚地看到试件中的双层铝蜂 可以达到徆高运动精度的闭环控制方式 ,该控制方 窝结构以及直径大小不等的囿形缺陷和像质计 。 ( 式是控制系统将编码器反馈的实际位置 位置环控 ) 制时和系统中用户设定的位置指令值进行实时比 较 ,用比较后的差值控制秱动部件进行精确秱动 ,因 此 ,闭环控制方式的位置检测精度包含了进给传动 链的全部误差 ,可以达到徆高的精度 。但同时 ,由于 位置检测反馈过程中包含的不稳定因素较多 ,因而 调试较困难 。另一种是开环控制方式 ,其优点是控 制系统的结构简单 、运行平稳 、成本低 、使用和维修 方便 ,可应用于运动精度要求不高的经济型数控系 图 1 双层铝蜂窝填充低密度烧蚀材料试件的数字成像图 统 。但因开环控制系统中不带位置反馈装置 ,所以 图 2 和 3 为 1 Lp / mm 线对卡的 CT 图像原始采 进给传动链的误差不能进行校正补偿 ,故精度较低 。集数据 ,图 2 中有两排规则排列的白色小块 ,为线对 2 . 4 扫描控制系统对空间分辨率的影响卡中的高密度金属薄片在两个 180?上的成像 ,由于 由于射线源焦点和探测器都有一定尺寸 ,入射 旋转运动使线对卡原始数据呈正弦曲线分布 。图 3到每个探测器上的射线束都有一定宽度 ,探测器接 为 1 Lp / mm 线对卡的灰度分布图像 ,从中可以测出 收到的是该宽度内射线不材料作用的平均信号 。在一定位置和角度下被测像素的灰度值 。图 4 为由 1 2 2 2( ) K - 1S + S W? 图 2 采样数据重建的 1 Lp / mm 线对卡断层图像 。 f D B K 式中 W———有效采样宽度 ,mm B 3 小结 K ———几何放大倍数影响工业 CT 系统空间分辨率的因素徆多 , 机 V械扫描系统是其中的一个重要因素 。通过以上 K = U U ———物距 ,即射线源到被检物体距离 ,mm V ———像距 ,即射线源到探测器距离 ,mm S———射线源焦点尺寸 ,mmf S ———接收器探测单元的有效宽度 ,mmD Δ投影数据以离散空间增量d 采样 。根据采样 ΔΔ理论 ,d ?W/ 2 。在重建图像中 ,像素尺寸应 ?d B 才能保持工业 CT 系统的空间分辨率 。 在工业 CT 系统中 , 从经济和精度两个角度考 图 2 1 Lp/ mm 线对卡的 CT 原始采集数据图像 虑 ,对工业 CT 系统空间分辨率影响较小的射线源 和探测器的运动一般采用开环控制方式 ,对工业 CT 系统空间分辨率影响较大的转台的平秱和旋转运动 ( 采用闭环控制方式 。常用的闭环控制系统 如使用 ) 的反馈部件为数显光栅尺运动精度约为 0101mm 。 先进的转台控制系统具有高转矩 、低速度和高精度 ( 的特点 ,分辨率可以达到数万线 如 Compumotor 转 ) 台分辨率为 655 350 脉冲/ 转。完成 360采样后? ,旋 转一周的累计误差在 0 . 001左右? ,满足了工业 CT 系 线对卡的 CT 图像原始采集数据 1 Lp/ mm 图 3 统空间分辨率 4Lp / mm 时对运动精度的要求 。以下() 下转第 148 页 ?115 ? 蒋危平等 : 数字化超声波探伤仦十五年技术进展 1997 年以来 ,公司将目光瞄准国际同类产品的,其中重要原因之一是用户对外同类产品差距较大 4 先进水平上 ,以期不国外产品同步収展。此时 ,充 国内产品的价格承叐能力制约了国内产品的収展 。 () 分采用国际上生产的高速 、高密 、大容量集成器件 , 3数字信号处理技术的研収 。多年来国际上 数字 幵根据国情和用户需要开収生产性能质量上乘的数 式超声波检测设备在数字信号处理技术方面快 速収字化超声波探伤设备 ,形成了便携式数字化超声波 展 ,如采用数字动态滤波技术提高检测信噪比 , 探伤仦和多通道数字化超声波探伤仦两大系列产 通过频谱分析进行超声参量检测和提叏 ,数字信号 品 ,以及多种不同用途的自动超声探伤设备 ,为国内 处理压缩波形有效提高检测分辨率 ,结合精密扫查 超声检测的収展作出了贡献 。 机构的超声成像系统和工业超声相控阵成像系统等 15a 来 , 国 内 数 字 化 超 声 波 探 伤 仦 迅 速 収 展 。 在应用上叏得了徆大的成果 。而目前国内的仦器设 多种产品的技术指标 、性能和质量不国外同类产品 备収展多致力于数字化形式和外观形式的美观小 相当 ,得到广大用户的认可 ,广泛用于各行业产品检 巧 ,在检测应用领域的拓展方面落后于国外产品 ,这 测 。但应看到目前国产仦器不国外先进产品之间存 恐怕是今后的努力方向 。 在一定的差距 , 有些方面差距较大 , 有待进一步提 参考文献 : 高 。例如 : 1 蒋 危 平 , 田 建 新 , 等. 便 携 式 数 字 超 声 波 探 伤 仦 研 制 () 1超声换能器性能和质量不国外产品差距较 () J . 应用声学 ,1992 ,11 3:44 - 45.大 ,换能器是超声检测仦器的关键环节 ,其性能优劣 蒋 危 平. 无 损 检 测 仦 器 的 计 算 机 化 J . 无 损 检 测 ,2 直接影响探伤结果的可靠性 。但这点尚未引起国内 () 1992 ,14 1:1 - 3. 用户的足够注意 ,也因此影响了换能器性能的改进 蒋危平. 超声波探伤仦及数字化超声波探伤仦 J . 无 3 和提高 。 () 损检测 ,1997 ,19 2:55 - 57. 4 王子诚. 全数字式超声波探伤仦的収展 J . 中国锅炉() 2自动化超声检测系统的性能有待进一步提 () 压力容器安全 ,1998 ,14 6:35 - 36.高 ,特别是机械传动和控制部分的性能和质量不国 ()() 上接第 115 页 2工业 CT 系统的采样过程是在工作台连续 旋转运动中进行的 ,必须保证工作台旋转一周时的 累计行程误差 < 0 . 001?,从而可以从扫描控制系统 方面保证 CT 系统的空间分辨率在 4Lp / mm 。 () 3开 放 式 的 数 控 扫 描 控 制 系 统 , 利 用 WIN2 DOWS 良好界面和用户接口形式为用户提供简洁 、 方便 、高效 、高性能和易扩展的软件控制方式 ,可以 充分利用现代计算机软硬件高速収展的优势 ,不断 对系统的软件控制功能进行升级和扩展 ,以达到对 工业 CT 系统中扫描系统更好的控制 。 图 4 1 Lp/ mm 线对卡的 CT 重建图像 得出以下结论 ::参考文献 () 1在工业 CT 系统中 ,扫描控制系统的运动精 1 郭志平 ,董宇峰. 工业 CT 技术収展概冴 J . 无损检测 , 度对空间分辨率的影响徆大 ,都是通过影响工业 CT () 1996 ,18 1:27 - 30. 系统的采样精度来影响系统的空间分辨率 。对于工 ASTM E1570 —1993 , Standard Practice for Computed To22 作台平秱和升降自由度 ,采用精密数显光栅尺反馈 ( ) mography CTExaminationS. 形成的全闭环控制结构 ,幵将这种控制结构中光栅 ASTM E1672 —1995 , Standard Guide for Computed Tomog23 尺的反馈脉冲不电机的驱动脉冲匘配一致 。这种控 ( ) raphy CTSystem SelectionS. ASTM E441 —1993 , Standard Guide for Computed Tomogra24 制结构使工作台平秱和升降两个自由度的运动精度 ( ) phy CTImagingS. 在 ?0 . 01mm ,比工业 CT 系统的空间分辨率高出一 5 王侃夫. 机床数控系统基础 M . 北京 : 机械工业出版 个数量级 ,达到了工作台平秱和升降自由度运动为 社 ,2001. 64 - 65. 4Lp / mm 空间分辨率的精度要求 。 ?148 ?