CN101281146B - 批量产品内部材料密度的工业ct检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种批量产品内部材料密度的工业CT检测方法，该方法基于同一产品的不同张CT图像的CT值具有线性关系的原理，通过将两个密度差别较大的标准组分样件放置在同批产品的不同检测组，来确立同批产品不同CT图像之间的比例关系，并给出了不同张CT图之间CT值的数据换算关系式。本发明的突出优点是，统一了同批产品在不同次CT检测的评判基准，使同一批产品的各CT图所反映的密度分布信息可以相互比较，不仅满足了大批量生产对工业CT密度分布检测的需求，同时也拓宽了工业CT检测的应用范围。

Description

批量产品内部材料密度的工业CT检测方法 

技术领域

本发明属于工业CT无损检测应用技术领域，主要涉及用工业CT检测产品内部材料密度的方法，尤其涉及一种批量产品或同类产品内部某一种材料或多种材料密度的工业CT检测方法。 

技术背景 

CT图是利用工业CT设备对产品成品进行断层扫描后所获得的无损检测图像。该图像只反映所扫描断层的影像信息，不反映非扫描断层以外的信息，所以在CT图上可以准确地判断扫描断层上成品结构内部装配关系信息和各组分材料信息。CT检测中，对结构的各个物理性能相同的构成成分称之为组分，比如象零件，混合物、复合材料等均可称之为组分。这些信息受实施检测时的检测参数(如扫描电压、扫描厚度、探测器灵敏度系数等)的影响。利用工业CT设备可以对图像上任意部件或组分的任意区域准确地实施尺寸测量和CT值测量。 

对于某些产品而言，其内部材料的密度分布可直接影响到产品的性能以及功能的实现，如飞行器推进剂药柱的灌装密度分布状况将影响到飞行器的飞行姿态，压力容器壁的密度分布状态将直接影响压力容器的使用安全。因此，在实际生产中，需要对这些产品的成品内部结构或组分进行密度分布检测，密度分布不满足设计要求的，即可视为不合格产品。由于以不同灰度形式显示的工业CT图像，其CT值与被成像物质的密度有近似的比例关系，因此，对产品内部材料密度的检测工作通常都是通过工业CT来完成的。通过工业CT图像的灰度值即CT值就可获知被检成品内部各组分的密度分布状态。但是，在进行工业CT检测时，由于不同检测参数之间互相干扰和图像重建过程中的数学处理和降噪处理程序很复杂，即使针对同一件产品用相同的参数进行两次CT成像检测，其反映出的CT值也是有差异的，造成两个检测图像的CT值之间没有可比性。因此，不同张CT图像之间同一组分的CT值不能直接用来比对，换句话说，不能用这张CT图像上的CT值与另外一张CT图像上的CT值直接比对来判定同一组分的密度分布。例如，物质密度的CT值同样是2000所对应的产品，有的是合格的，而有的则是不合格的，这是因为每张CT图上CT值的基准是不一样的，这说明各CT图像之间没有相同的基准。鉴于上述情况，目前利用工业CT对物质密度进行检测也只能停留在用同一张CT图中的CT值进行分析，给出密度分布状况。再者，任何一个工业CT其检测场域的尺寸都是有限的，不能在同一次CT检测时放置过多的试样，因此，目前通用的这种工业CT密度分布检测方法是无法满足大批量生产的检测需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，为满足大批量生产带来的工业CT密度分布检测需求，提供一种批量产品内部材料密度分布的工业CT检测方法，该方法通过建立不同张CT图之间CT值的数据换算关系，而使同一批产品的各CT图所反映的密度分布信息可以相互比较。 

本发明所提供的工业CT检测方法包括以下操作步骤： 

第一步，选取两个密度已知且直径相同的样件作为标准组分样件，其中，第一标准组分样件的密度D1小于或等于被测产品中密度最小组分的密度，第二标准组分样件的密度D2大于或等于被测产品中密度最大组分的密度； 

第二步，将两个标准组分样件放置在工业CT机的检测场域中并处在扫描断层上，第一标准组分样件尽可能靠近产品组分材料密度较小的区域，第二标准组分样件尽可能靠近产品组分材料密度较大的区域，同时还要远离所述检测场域的边界； 

第三步，设同批产品的第一组被测样件为基准组，并将第一组被测样件CT图上各被测样件的CT值作为基准数据，设同批产品第二组被测样件为检测组，并将第二组被测样件CT图上各被测样件的CT值进行换算，换算公式为： 

$\frac{A-A1}{A2-A1}=\frac{B-B1}{B2-B1}$ 或 $A=\frac{A2-A1}{B2-B1}(B-B1)+A1$

式中，A1为第一标准组分样件在基准组中的CT值，A2为第二标准组分样件在基准组的CT值，B1为第一标准组分样件在检测组中的CT值，B2为第二标准组分样件在检测组中的CT值，B为第二组被测样件的某组分在检测组中的实测CT值，A为第二组被测样件的该某组分换算成在基准组中的CT值； 

第四步，分别将同批产品第三组、……、第N组被测样件均设定为检测组，N为整数，反复重复第三步中的换算，直到第N组被测样件CT值换算结束； 

第五步，将各检测组中的CT值换算成基准组中的CT值以后，进行对应比较和分析，最终获得同一批产品试样密度分布状况。 

根据本发明，所述两个标准组分样件的密度D1、D2均小于8.3g/m³，两个标准组分样件的直径取值范围均为5mm≤Φ≤10mm。 

根据本发明，所述两个标准组分样件和被测样件在同一批产品的不同样件组的检测中，其摆放位置是相同的。 

本发明基于工业CT图像上的CT值与被成像物质的密度有近似的比例关系和同一产品的不同张CT图像的CT值具有线性关系的原理，通过采用在检测批量产品时，分别在每次检测的扫描断层场域放置两个端点密度的标准组分样件，在扫描完成后分别测量标准组分样件的CT值，利用各CT图像的CT值具有线性关系的原理将其余各组CT值换算成基准组的CT值，在统一基准后的CT图上即可进行对应比较和分析，最终获得同一批产品试样密度分布状况，即可获得检测结果。用此方法可以准确地建立CT图像之间CT值的数据换算关系，满足对批量产品用统一基准CT值进行密度分布检测的需求，提高了密度分布检测的准确性，拓宽了CT检测的使用范围。 

具体实施方式

由穿透物质的射线衰减规律可知，透射射线强度与材质密度的关系是指数关系，这在以灰度值显示的CT图上很难区分不同密度的物质。但在实际中， 人们所观察到的CT图像是经过线性化处理，降噪处理和一系列数学校正后的图像，而这样的CT图像其上的CT值与检测对象对应位置物质的密度有近似比例关系，密度大的物质CT图上的CT值高，密度小的物质CT图上的CT值低。密度与CT值不是严格的线性比例关系。因为CT值除受物质密度，入射射线强度、扫描厚度、探测器灵敏度影响外、还受穿透厚度、以及扫描断层上该物质的面积和物质的构成元素等因素的影响。穿透厚度、物质的面积和物质的构成元素是导致图像在各种数学校正处理后CT值与物质密度不能严格成线性比例的主要因素。这是因为密度相同而构成元素不同的物质其CT值也是不同的。但是构成元素相同的物质在同一张CT图上它的密度是与CT值成线性比例的。所以CT图像目前只能用来检测同样组分的密度分布状况，不能直接通过检测换算出物质的密度。 

在采用工业CT机进行检测时，入射射线强度与检测时使用的射线电压平方和电流之积成正比；就等功率CT机而言，可以选取的检测参数有检测场域的大小，检测电压，扫描断层厚度，探测器灵敏度系数，以及检测位置等；而对非等功率CT机而言，还需要选择检测用电流。检测场域的大小以及检测位置是根据产品尺寸、形状和检测要求确定的。通过对检测电压、扫描断层厚度、探测器灵敏度系数对CT值影响进行的大量实验和研究，得出CT值与各检测参数有如下关系： 

(一)检测参数改变，CT值分布范围相应变化，但是曲线的特征形状不变。即检测参数改变，只改变图像的动态范围，不改变分布特征。所以，为了便于确定组分的密度分布状况，应在检测许可的范围内，尽量使用斜率大的曲线，也就是说尽量提高检测电压、增加扫描断层厚度和探测器灵敏度系数，来提高图像的动态范围。 

(二)同类产品各图像CT值之间有线性比例关系。同样，在检测许可的范围内提高检测电压、增加扫描断层厚度和探测器灵敏度系数，CT值的分布范围增大，曲线的斜率增大。检测参数改变，只改变图像的动态范围，不改变分布特征。为了便于确定组分的密度分布状况，应在检测许可的范围内，尽量使用斜率大的曲线。 

(三)当结构组分确定时，选用不同的检测参数，只改变检测数据的动态范围，不改变CT值与物质密度关系曲线的特征形状，也不改变各CT图上CT值之间的线性比例关系。 

根据常识可知，凡是存在线性关系的两条曲线，均可以通过比例因子去拟合，将这条曲线上值换算成另一条曲线上的对应值。为此，本发明通过设置两个标准组分样件放置在同批产品的不同检测组，来确立同批产品不同CT图像之间的比例关系。检测完成后分别测量两个标准组分样件的CT值，利用各CT图上CT值之间的线性比例关系，求出其比例因子。其比例因子的计算公式为： 

$\frac{A-A1}{A2-A1}=\frac{B-B1}{B2-B1}---\left(1\right)$

经对(1)式整理后，可以得到两个CT图像中的CT值换算关系式： 

$A=\frac{A2-A1}{B2-B1}(B-B1)+A1---\left(2\right)$

式中，A1为第一标准组分样件在基准组中的CT值，A2为第二标准组分样件在基准组的CT值，B1为第一标准组分样件在检测组中的CT值，B2为第二标准组分样件在检测组中的CT值，A为某被测样件或某组分在基准组中的CT值，B为某被测样件或某组分在检测组中的CT值。 

为了保证测试精度，两个标准组分样件的密度值应分别在被测产品各组分密度的端点值上或在端点值之外，这样选取是因为标准组分样件密度差别越大，检测得到的CT值差值越大换算时得到的比例因子越准确，而标准组分样件密度过大，又势必降低检测区域的CT值动态分布范围。所以两个标准组分样件的密度值应分别在被测产品各组分密度的端点值附近但不能选取铅、锡类密度大于8.3g/m³的材料，因为铅、锡类材料对X射线吸收能力很强，在图像内造成较强的干扰。由于CT值除受物质密度，入射射线强度、扫描厚度、探测器灵敏度影响外、还受穿透厚度、以及扫描断层上该物质的面积和物质的构成元素等因素的影响，为此，为方便检测又不至于影响检测区域CT值的动态分布范围，标准组分样件的直径取值应根据检测场域大小和检测产品的尺寸大小酌情选取，对大于50mm直径的检测场域一般取直径10mm的标准组 分样件；小于50mm直径的检测场域一般取直径5mm的标准组分样件。在检测时。应将两个标准组分样件放置在工业CT机的检测场域中并处在扫描断层上，第一标准组分样件尽可能靠近产品组分材料密度较小的区域，第二标准组分样件尽可能靠近产品组分材料密度较大的区域，同时还要远离所述检测场域的边界。这样放置可以降低密度大组分在密度小组分上的干扰噪声和检测场域边界上的噪声，提高CT值测量的准确性。此外，两个标准组分样件和被测样件在同一批产品的不同样件组的检测中，其摆放位置应相同，这同样是为了降低因位置不同造成的干扰噪声差异，以提高CT值测量的准确性。 

下面通过具体实施例对本发明的有关细节作进一步阐述： 

本发明的第一实施例是对批量电爆管各产品内部的黑火药和斯蒂酚酸(LTNR)药剂密度差别进行CT检测。在该项检测中，第一标准组分样件选用空气，第二标准组分样件选用不锈钢。这种产品是准旋转体结构，外部有不锈钢壳体，内部有不同药剂和空隙的一批六个产品。需要检测各产品内部黑火药和LTNR药剂的密度是否相同。检测中使用的扫描场域大小为100mm，扫描位置为产品纵向过直径的断层，这样选取可以包容整个产品，反映产品内部装配关系和各需要检测药剂的纵向密度分布状态。扫描厚度为0.5mm，检测电压420KV，探测器灵敏度系数取15。换算公式在此不再列出，表1中直接给出换算结果。 

                 表1产品药剂组分CT值及换算结果 

表1中换算后的CT值即是基准统一的药剂密度表征。它们真实的反映出 每个产品中药剂密度的大小差异。当黑火药在产品中的设计密度为0.7克/cm³ 时，它的CT值应为5135(换算后各CT值的平均值)。斯蒂酚酸铅在产品中的设计密度为1.3g/cm³时，它的CT值应为13855(换算后各CT值的平均值)。构成元素相同的物质在同一张CT图上它的密度是与CT值成线性比例的。所以有：各产品实际密度与设计密度可按下式进行换算： 

              Ds∶Dn＝CTs∶CTn                     (3) 

Ds为设计密度；Dn为各产品实际密度；CTs为设计密度对应的CT值(即换算后各CT值的平均值)；CTn为产品实际密度对应的CT值。表2为采用(3)式计算得出的各产品实际密度Dn值及其误差。 

                    表2各产品密度及其误差 

依照表2的检测结果和检测产品密度公差要求范围即可确定各产品合格与否。 

本发明的第二实施例是对批量复合材料容器壁内部的材料密度进行CT检测。在该项检测中，选取容器壁周向上CT值最大、最小两个区作为被测区域极端值代表。CT值最大区域代表密度最大区域，同理CT值最小区域代表密度最小区域。第一标准组分样件选用空气，第二标准组分样件选用碳纤维复合材料标准试样。需要检测各产品复合材料容器壁内部的材料密度是否相同。检测中使用的扫描场域大小为500mm，扫描位置为产品横向垂直轴线的指定位 置，这样选取可以包容整个产品，反映复合材料容器壁内部一周的密度分布状态。扫描厚度为2mm，检测电压380KV，探测器灵敏度系数取13。换算公式在此不再重复列出，表3直接给出换算结果。 

                表3容器壁密度CT值及换算结果 

表3中换算后的CT值即是基准统一的密度表征。它们真实的反映出每个产品中周向密度的极限差异。当复合材料容器壁在产品中的设计密度为1.85g/cm³时，它的CT值应为17383。表4为采用(3)式计算得出的各复合材料容器壁实际密度Dn值及其误差。 

             表4各产品周向极限值密度及其误差 

依照表4的检测结果和检测产品周向极限值密度公差要求范围即可确定各产品合格与否。 

Claims (3)

1.一种批量产品内部材料密度的工业CT检测方法，其特征在于：该检测方法包括以下操作步骤：

第一步，选取两个密度已知且直径相同的样件作为标准组分样件，其中，第一标准组分样件的密度D1小于或等于被测产品中密度最小组分的密度，第二标准组分样件的密度D2大于或等于被测产品中密度最大组分的密度；

第二步，将两个标准组分样件放置在工业CT机的检测场域中并处在扫描断层上，第一标准组分样件尽可能靠近产品组分材料密度较小的区域，第二标准组分样件尽可能靠近产品组分材料密度较大的区域，同时还要远离所述检测场域的边界；

第三步，设同批产品的第一组被测样件为基准组，并将第一组被测样件CT图上各被测样件的CT值作为基准数据，设同批产品第二组被测样件为检测组，并将第二组被测样件CT图上各被测样件的CT值进行换算，换算公式为：

$\frac{A-A1}{A2-A1}=\frac{B-B1}{B2-B1}$ 或 $A=\frac{A2-A1}{B2-B1}(B-B1)+A1$

式中，A1为第一标准组分样件在基准组中的CT值，A2为第二标准组分样件在基准组的CT值，B1为第一标准组分样件在检测组中的CT值，B2为第二标准组分样件在检测组中的CT值，B为第二组被测样件的某组分在检测组中的实测CT值，A为第二组被测样件的该某组分换算成在基准组中的CT值；

第四步，分别将同批产品第三组、……、第N组被测样件均设为检测组，N为整数，反复重复第三步中的换算，直到第N组被测样件CT值换算结束；

第五步，将各检测组中的CT值换算成基准组中的CT值以后，进行对应比较和分析，最终获得同一批产品试样密度分布状况。

2.根据权利要求1所述的工业CT检测方法，其特征在于：所述两个标准组分样件的密度D1、D2均小于8.3g/m³，两个标准组分样件的直径取值范围均为5mm≤Φ≤10mm。

3.根据权利要求1或2所述的工业CT检测方法，其特征在于：所述两个标准组分样件和被测样件在同一批产品的不同样件组的检测中，其摆放位置是相同的。