CN111060042A - 一种基于球模体进行工业ct几何尺寸测量不确定度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于球模体进行工业CT几何尺寸测量不确定度的方法，属于工业CT尺寸测量技术领域，包括以下步骤：选择球模型作为被检工件并进行校准检测，得到校准证书－对被检工件进行工业CT扫描重建－完成对球模型几何尺寸测量－计算几何尺寸测量的标准不确定度－计算扩展不确定度，本发明基于已校准的球模型，采用实验评估方法初步建立了针对特定任务的工业CT测量不确定度的评定步骤和数学模型，***分析了校准过程、测量过程、被检工件、***误差等对测量结果不确定度的影响，其中最大的测量不确定度贡献主要来自于工业CT设备自身的***误差，在测量之前，通过对工业CT设备进行***校准可以大幅降低该不确定度分量的影响，提升测量准确性。

Description

一种基于球模体进行工业CT几何尺寸测量不确定度的方法

技术领域

本发明属于工业CT尺寸测量技术领域，具体地说涉及一种基于球模体进行工业CT几何尺寸测量不确定度的方法。

背景技术

随着工业制造水平的发展，工业产品结构变得越来越复杂，对于制造技术的精度要求越来越高，对于产品质量控制和品质保证的要求也越来越高。因此，不断有新技术出现以满足用户的要求。CT技术自诞生以来，首先被用于医疗诊断与无损检测，随着CT技术进步及测量精度提高，其应用范围逐渐扩展到工业产品测量领域并崭露头角。在工业测量领域，CT技术和接触式三坐标、光学三坐标一起被称作第三代测量技术。在军工、航空、汽车等领域，存在大量的精密铸件和机械结构件，通常具有复杂的内部结构，使用传统破坏性层切法代价昂贵且可能导致被测对象几何结构的改变，这对于传统接触式或光学非接触式三坐标测量设备，物体内部结构尺寸的无损测量是生产实践中的难题之一。CT技术为解决这类难题提供了一种有效的途径。CT技术具有的非接触、非破坏性及可同时测量内外结构的特点是该技术在工业领域被广泛关注的原因之一，使用CT技术可以在较短时间内获取被测物体的三维模型，CT技术可以实现传统三坐标测量方法难以实现的微观结构的测量，像增材制造和注射成型的零部件，以及实现具有多材质组分的复杂装配件的坐标测量等。

但CT技术在计量化的应用中还存在许多问题，如：成像过程存在大量复杂的影响因素；目前还没有完整可用的测量标准；测量结果通常无法溯源；难以评估测量不确定度等。工业CT要成为计量仪器，就必须建立自身的量值传递与溯源体系。这样，在应用中尽管我们不知道被测量的真值，但能够知道被测量真值存在的范围，这也是计量仪器的最大特点。仪器的计量化就是将仪器的测量误差通过不确定度形式表示出来，为了达到这一目的，就必须开展工业CT测量不确定度研究。

国内外相关学者在一些实物标准器的基础上，对工业CT测量不确定度进行了许多有价值的研究。但是，目前对于工业CT尺寸测量不确定度的评定，尚未见到有一致认可的方法。

发明内容

针对现有技术的种种不足，为了解决上述问题，现提出一种基于球模体进行工业CT几何尺寸测量不确定度的方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于球模体进行工业CT几何尺寸测量不确定度的方法，包括以下步骤：

S1：球模型在使用之前送至计量部门进行校准检测并作为被检工件，得到校准证书，所述球模型为单球模型、双球模型或多球模型，其材质为氮化硅、氧化铝、二氧化锆或不锈钢；

S2：采用工业CT对被检工件进行多次扫描重建；

S3：将扫描重建数据导入到数据分析与可视化软件，选择直径和/或球心距作为几何量评估对象，通过拟合方式，完成被检工件几何尺寸测量；

S4：工业尺寸测量的标准不确定度为Uc，则

其中，u_cal为校准过程引入的标准不确定度，u_p为测量过程引入的标准不确定度，u_w为被检工件材料和制造偏差引入的标准不确定度，u_b为测量过程的***误差引入的标准不确定度；

S5：计算扩展不确定度U，则U＝k×U_c，k为包含因子。

进一步，步骤S2中，所述扫描次数不低于5次。

进一步，步骤S3中，被检工件几何尺寸测量基于阈值分割后二项式拟合方法进行。

进一步，校准过程引入的标准不确定度u_cal的计算方法为：

校准过程的最大允许误差为±U_cal，则

k₁为包含因子。

进一步，测量过程引入的标准不确定度u_p的计算方法为：

其中，y_i为单次扫描结果，

为扫描结果均值，n为扫描次数。

进一步，被检工件材料和制造偏差引入的标准不确定度u_w与两个不确定因素相关：被检工件制造偏差和材料热膨胀系数，被检工件制造偏差已经包含在u_p中，则：

u_w＝(t-20℃)·u_α·l；

其中，u_α为被检工件的线性膨胀系数的标准不确定度，t为扫描过程中工件温度，20℃为常温，l为校准证书中标明的几何量评估对象的尺寸。

进一步，对于未校准***，测量过程的***误差引入的标准不确定度u_b＝b，b为***误差，且

x_cal为被检工件校准值。

进一步，所述球模型为多球模型时，球模型包含多个球体，且球体中心连线构成直线或多边形，相邻球体之间通过碳纤维、有机玻璃或铝合金连接。

本发明的有益效果是：

基于已校准的球模型，采用实验评估方法初步建立了针对特定任务的工业CT测量不确定度的评定步骤和数学模型，***分析了校准过程、测量过程、被检工件、***误差等对测量结果不确定度的影响，其中最大的测量不确定度贡献主要来自于工业CT设备自身的***误差，在开展测量活动之前，通过对工业CT设备进行***校准可以大幅降低该不确定度分量的影响，提升测量准确性。

具体实施方式

为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。此外，以下实施例中提到的方向用词，例如“上”“下”“左”“右”等仅是参考方向，因此，使用的方向用词是用来说明而非限制本发明创造。

实施例一：

一种基于球模体进行工业CT几何尺寸测量不确定度的方法，包括以下步骤：

S1：球模型在使用之前送至计量部门进行校准检测并作为被检工件，得到校准证书，所述球模型为单球模型、双球模型或多球模型，其材质为氮化硅、氧化铝、二氧化锆或不锈钢。

S2：采用工业CT对被检工件进行多次扫描重建，且扫描次数不低于5次。

一次完整的工业CT测量过程，包括以下步骤：首先是样品的扫描重建，X射线透照被样品，受样品结构及组分差异影响，导致X射线的衰减程度不同，在探测器上形成一组与样品结构相关的亮暗投影；转台同步旋转采集大量不同角度下二维投影图像；通过FDK等滤波反投影算法结合伪影校正算法，重建获得样品的CT断层图像；多幅CT断层图像重构生成样品三维体素模型。

S3：将扫描重建数据导入到数据分析与可视化软件，选择直径和/或球心距作为几何量评估对象，通过拟合方式，完成被检工件几何尺寸测量。

具体的，对重构体数据进行处理，通过设置分割阈值，提取CT图像上轮廓边界；按照设定的采样策略在图像边缘上进行采样，并对采样点进行最小二乘法拟合，获得样品重构数据上的点、线、面等几何特征，完成测量并获得相应特征的几何尺寸参数。

S4：依据ISO/TS 15530－3：2011标准，采用实验评估方法建立工业CT测量不确定度评定数学模型，工业尺寸测量的标准不确定度为Uc，则：

其中，u_cal为校准过程引入的标准不确定度，校准过程的最大允许误差为±Ucal，则

k₁为包含因子。

u_p为测量过程引入的标准不确定度，工业CT在进行尺寸测量的过程中，由于图像存在的噪声及采用的基于等值面50％阈值分割方法，将不可避免的引入测量不确定度，由于此类影响因素始终存在且难以量化区分，故采用A类测量不确定评定方法，将以上因素作为整体进行处理，

其中，y_i为单次扫描结果，

为扫描结果均值，n为扫描次数。

u_w为被检工件材料和制造偏差引入的标准不确定度，其与两个不确定因素相关：被检工件制造偏差和材料热膨胀系数，被检工件制造偏差已经包含在u_p中，则：u_w＝(t-20℃)·u_α·l，其中，u_α为被检工件的线性膨胀系数的标准不确定度，t为扫描过程中工件温度，20℃为常温，l为校准证书中标明的几何量评估对象的尺寸。

u_b为测量过程的***误差引入的标准不确定度，对于未校准***，测量过程的***误差引入的标准不确定度u_b＝b，b为***误差，且

x_cal为被检工件校准值。当***误差很大时，则需要使用修正方法或采用替代测量方法来进一步减小***误差，即在循环测量中增加对更高精度已校准被检工件的测量环节，修正工业CT***误差的影响。

S5：计算扩展不确定度U，则U＝k×U_c，k为包含因子。

所述球模型为多球模型时，球模型包含多个球体，且球体中心连线构成直线或多边形。也就是说，球体的个数不限，布局不限，相邻球体之间通过碳纤维、有机玻璃或铝合金连接。球模型制作完成后，仅需要通过高精度接触式CMM进行直径和球心距的校准给出进行测量不确定评定的参考真值即可。

实施例二：

本实施例与实施例一相同的部分不再赘述，不同的是：

选取2枚等级为G10的氮化硅陶瓷球组成的球模型作为研究对象，进行工业CT测量不确定度评定。选择氮化硅陶瓷球组模型的好处在于：高精度，高强度，高硬度，低成本，易于校准，易于拟合测量，热膨胀系数小，线性衰减系数小，球心距抗阈值涨落等。选取的球模型(即被检工件)在进行工业CT测量之前，均经过计量机构的计量检定，校准证书显示：陶瓷球直径为19.05mm，球心距38.10mm，G10级，校准测试条件：温度：20.3℃，相对湿度46.8％。

基于450kV常规工业CT***进行，开始前***初始化，并确保被检工件和工业CT***处于充分的热平衡状态下，主要扫描及重建技术参数见表l。

表1：主要扫描及重建技术参数

选取直径均为19.05mm陶瓷球组成的双球模型放置并固定于ICT－450－001工业CT***转台上，按表1设置扫描参数，进行锥束标准扫描重建。将重建后数据导入到数据分析与可视化软件VG Studio MAX 2.2完成被检工件几何尺寸的测量。

实验测试条件：温度：24℃，相对湿度60％。

对被检工件进行直径及球心距测量，各项参数分别扫描9次，测量结果见表2，其中，被检工件分别标记为1#球、2#球。

表2：被检工件几何尺寸测量结果

根据标准GB/T 31703－2015《陶瓷球轴承氮化硅球》，等级G10陶瓷球对应球直径变动量为0.25um，由于在计算中使用陶瓷球的标称长度而不是实际长度，并且陶瓷球的校准证书确认其符合G10级精度的要求，其直径的偏差应在±0.25μm范围内，满足矩形分布。取执信概率为95％时，包含因子k₁＝2，则：

根据表2的测量结果，1#球直径对应的测量过程引入的标准不确定度记为u_p1、2#球直径对应的测量过程引入的标准不确定度记为u_p2，球心距对应的测量过程引入的标准不确定度记为u_p3，则u_p1＝13.23μm，u_p2＝14.53μm，u_p3＝9.28μm。

查氮化硅陶瓷线性膨胀系数的标准不确定度u_α约为3.0×10－6℃^－1，1#球直径对应的被检工件材料和制造偏差引入的标准不确定度记为u_w1、2#球直径对应的被检工件材料和制造偏差引入的标准不确定度记为u_w2，球心距对应的被检工件材料和制造偏差引入的标准不确定度记为u_w3，经计算：

u_w1＝(t-20℃)·u_α·l＝0.229μm，

u_w2＝(t-20℃)·u_α·l＝0.229μm，

u_w3＝(t-20℃)·u_α·l＝0.457μm。

在大多数情况下，***误差b为CT扫描结果均值与被检工件已校准值x_cal之差，表示为：

根据上述计算，将各项不确定分量的评定结果汇总，如表3所示。

表3：不确定度的汇总

不确定度分量	1#球直径y<sub>1</sub>	2#球直径y<sub>2</sub>	球心距D<sub>1</sub>
				u<sub>cal</sub>	0.125μm	0.125μm	0.125μm
u<sub>p</sub>	13.23μm	14.53μm	9.28μm
				u<sub>w</sub>	0.229μm	0.229μm	0.457μm
u<sub>b</sub>	－30.00μm	－28.89μm	－28.89μm

以上不确定度分量相互独立，合成标准不确定度。其中，1#球直径对应的标准不确定度记为U_c1、2#球直径对应的标准不确定度记为U_c2，球心距对应的标准不确定度记为U_c3，经计算：U_c1＝32.79μm，U_c2＝32.34μm，U_c3＝30.35μm。

由表3可知：由测量过程及***误差引入的不确定度是占明显优势的分量，同时，这两个最大分量都服从正态分布，故可以判定被测量也近似服从正态分布。此外，测量不确定度最主要的贡献来自于***误差b，贡献近90％。***误差的影响表现为综合影响，是由很多因素构成的，且无法精确定量。本发明涉及的***误差主要来源于：

一、阈值与体素尺寸校准影响

CT测量过程中，边界阈值的选择和体素尺寸的准确计算对测量结果影响巨大。伪影和噪声会导致图像灰度分布偏离真实分布，给后续阈值分割和准确测量带来困难，这些伪影和噪声如果不经过适当的校正，会传递到CT测量结果，导致测量结果不确定度增大。体素尺寸与放大比有关，放大比通过轴位置读数计算，轴定位误差直接影响体素尺寸。另外，体素尺寸计算还受到重复定位精度、转台径跳、探测器倾斜、焦点漂移等因素影响，通过设计专门的抗阈值涨落模体，采用专门的几何校正算法可以降低这些因素影响，降低测量误差。

二、***空间分辨率的影响

采用450kV常规工业CT作为实验平台，射线源焦点尺寸为0.4mm，探测器探元尺寸为0.2mm，该***极限空间分辨率约为0.125mm，考虑到实际放大比的影响(M＝2.5)，以及硬化伪影和噪声因素，实际空间分辨率应略低于极限指标。***空间分辨率较低是导致***测量不确定较高的另一个主要因素。

1#球直径对应的扩展不确定度记为U₁、2#球直径对应的扩展不确定度记为U₂，球心距对应的扩展不确定度记为U₃，取置信概率为95％时，包含因子k＝2，经计算：U₁＝65.58μm，U₂＝64.68μm，U₃＝60.70μm。

本实施例以450kV工业CT***为例，通过使用己校准的双球模型作为研究对象，采用实验评估方法初步建立了针对特定任务的工业CT测量不确定度的评定步骤和数学模型；***分析了校准过程、测量过程、被检工件、***误差等对测量结果不确定度的影响，其中，最大的测量不确定度贡献主要来自于工业CT设备自身的***误差，在开展测量活动之前，通过对工业CT设备进行***校准可以大幅降低该不确定度分量的影响，提升测量准确性。鉴于目前国内暂无公认的工业CT测量不确定度评定规范，本发明文对于进行工业CT测量不确定评定和量值溯源具有参考意义。

以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。

Claims (8)

1.一种基于球模体进行工业CT几何尺寸测量不确定度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：球模型在使用之前送至计量部门进行校准检测并作为被检工件，得到校准证书，所述球模型为单球模型、双球模型或多球模型，其材质为氮化硅、氧化铝、二氧化锆或不锈钢；

S2：采用工业CT对被检工件进行多次扫描重建；

S3：将扫描重建数据导入到数据分析与可视化软件，选择直径和/或球心距作为几何量评估对象，通过拟合方式，完成被检工件几何尺寸测量；

S4：工业尺寸测量的标准不确定度为Uc，则

其中，u_cal为校准过程引入的标准不确定度，u_p为测量过程引入的标准不确定度，u_w为被检工件材料和制造偏差引入的标准不确定度，u_b为测量过程的***误差引入的标准不确定度；

S5：计算扩展不确定度U，则U＝k×U_c，k为包含因子。

2.根据权利要求1所述的一种基于球模体进行工业CT几何尺寸测量不确定度的方法，其特征在于，步骤S2中，所述扫描次数不低于5次。

3.根据权利要求1所述的一种基于球模体进行工业CT几何尺寸测量不确定度的方法，其特征在于，步骤S3中，被检工件几何尺寸测量基于阈值分割后二项式拟合方法进行。

4.根据权利要求2或3所述的一种基于球模体进行工业CT几何尺寸测量不确定度的方法，其特征在于，校准过程引入的标准不确定度u_cal的计算方法为：

校准过程的最大允许误差为±U_cal，则

k₁为包含因子。

5.根据权利要求4所述的一种基于球模体进行工业CT几何尺寸测量不确定度的方法，其特征在于，测量过程引入的标准不确定度u_p的计算方法为：

其中，y_i为单次扫描结果，

为扫描结果均值，n为扫描次数。

6.根据权利要求5所述的一种基于球模体进行工业CT几何尺寸测量不确定度的方法，其特征在于，被检工件材料和制造偏差引入的标准不确定度u_w与两个不确定因素相关：被检工件制造偏差和材料热膨胀系数，被检工件制造偏差已经包含在u_p中，则：

u_w＝(t-20℃)·u_α·l；

其中，u_α为被检工件的线性膨胀系数的标准不确定度，t为扫描过程中工件温度，20℃为常温，l为校准证书中标明的几何量评估对象的尺寸。

7.根据权利要求6所述的一种基于球模体进行工业CT几何尺寸测量不确定度的方法，其特征在于，对于未校准***，测量过程的***误差引入的标准不确定度u_b＝b，b为***误差，且

x_cal为被检工件校准值。

8.根据权利要求1－7任一所述的一种基于球模体进行工业CT几何尺寸测量不确定度的方法，其特征在于，所述球模型为多球模型时，球模型包含多个球体，且球体中心连线构成直线或多边形，相邻球体之间通过碳纤维、有机玻璃或铝合金连接。