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      工業CT檢測結果的影響因素及質量保證方法

      發布時間: 2022-08-03  點擊次數: 360次

       

       工業CT(計算機斷層掃描)作為一種先進的無損檢測技術已廣泛應用于航空、航天、國防等領域,這些領域對產品的質量要求較為嚴格,產品的內部結構、有無缺陷以及缺陷的類型與大小直接影響對產品合格與否的判定。

      工業CT需要檢測人員具備較強的專業水平以及設備具有較高的精度,利用有效的質量保證措施可以保證CT檢測結果的準確性。因此,有針對性地建立和完善工業CT實驗室質量保證措施,對保障工業CT結果的準確性和提升產品的質量有重要的意義。

      1.

       

      工業CT檢測結果的影響因素

      CT檢測結果主要來源于CT圖像提供的正?;虍惓P畔?,優質CT圖像是檢測結果準確性的前提條件,而影響CT圖像質量的主要因素包括三方面,即空間分辨率、密度分辨率和偽像。實驗室若想得到高質量的CT圖像,需對以上三個因素進行把控,下面主要分析影響空間分辨率、密度分辨率和偽像的因素。

      01

      空間分辨率

      空間分辨率是指從CT圖像中能夠分辨特定的最小幾何細節的能力,定量表示為能分辨兩個細節特征的最小間距??臻g分辨率是影響圖像質量的首要因素,其受有效射束寬度的影響,有效射束寬度越小,物理意義上系統的臨界空間分辨率越高,有效射束寬度可表示為:

      圖片

      式中:WB為有效射束寬度;a為射線源焦點尺寸;d為探測器孔徑;M為幾何放大倍數,M=L/q;L為射線源至探測器的距離;q為射線源至試件的距離。

      由上式可以看出,影響空間分辨率的主要因素如下:

       

      (1)

      探測器孔徑的尺寸,孔徑越窄,幾何放大倍數越大,空間分辨率就越高。

      射線源焦點尺寸,焦點較小的X線管產生的X射線較窄,可獲得較高的空間分辨率。

       

      (2)

       

      (3)

      射線源至探測器距離一般為定值。

      射線源至試件距離存在一個最佳距離,能使WB獲得最小值。

       

      (4)

      除此之外,以下因素也會影響空間分辨率:

       

      (1)

      在圖像重建中選用的卷積濾波器的形式不同,空間分辨率也不同。

      X射線劑量、矩陣、層厚、像素大小、掃描裝置噪聲等對空間分辨率均有影響。層厚越薄,空間分辨率越高;但層厚越薄,噪聲就越大,低對比分辨率就會降低。

       

      (2)

       

       

       


       

      02

      密度分辨率

      密度分辨率,又稱為低對比度分辨率,是系統分辨給定物體斷層截面射線衰減系數差別(對比度)的能力。定量表示為給定面積上能夠分辨的細節與基體材料的最小對比度。密度分辨率可表示為:

      圖片

      式中:ΔP為像素寬度;C為經驗系數;σ為CT圖像噪聲;D為被觀測細節(缺陷)的尺寸;μb為細節(缺陷)材料的衰減系數;μf為基體材料的衰減系數;μref為參考衰減系數。

      由上式可見,密度分辨率的影響因素有圖像噪聲、像素寬度、經驗系數等,其中,影響CT系統密度分辨率的一個重要因素是系統噪聲,噪聲增大,CT系統能夠分辨的最小物體對比度也增大。

      03

      偽像

       

      偽像是與物體的物理結構不相符的圖像特征。產生偽像的原因有很多,測量過程中的一系列誤差都可能造成測量數據的不一致,從而引起偽像,如機械系統精度不夠、射線源輸出能量不穩定、穿透力不足、探測器通道之間不均勻及數據采集系統電路噪聲大等,特別要說明的是掃描工藝不適當時會產生嚴重的偽像,因此檢測人員是否有充足的經驗也是偽像產生的重要影響因素。

       



      2.

       

      質量保證方法

      工業CT與常規的無損檢測方法有一定的區別,根據第1節的分析可知,CT檢測結果受各參數影響,且CT圖像一般要求呈現被檢測物的微小細節,因此對檢測設備的各項參數精度要求較高。工業CT對檢測人員技能有特殊要求,檢測人員經驗是否充足也會影響工業CT的檢測結果。

      筆者主要從控制檢測設備、檢測人員、檢測過程等方面對質量保證方法進行詳細分析,提出相適應的質量保證方法,從而確保檢測結果的準確性。

      01

      檢測設備

      檢測設備的精度、性能、狀態是影響檢測結果關鍵的因素,設備精度不滿足要求、系統性能不達標、運行不正常會導致后續一系列的操作和分析結果出現誤差,因此實驗室應保證設備精度能夠滿足日常檢測工作的需求并確保持續有效。


       

      明確設備采購與驗收的技術要求

      實驗室在設備采購之前應有明確的技術要求,需要關注射線源的指標、探測器指標、數據采集傳輸系統指標、機械系統指標、重建及可視化系統指標等技術要求,應根據實際工作的需求設定每項指標的技術要求,并按照前期技術要求進行驗收確認。

      (2)

      實施設備校準或核查

      設備的校準是保證檢測結果準確性的重要前提和基礎保障,也是保證檢測結果準確性的主要手段。要確保檢測設備狀態是否符合要求,需對檢測設備進行校準,避免設備使用中產生誤差。目前工業CT設備沒有統一的校準方法,實驗室可采用核查空間分辨率、密度分辨來驗證系統性能,標準GB/T 29070—2012《無損檢測 工業計算機層析成像(CT)檢測 通用要求》對空間分辨率和密度分辨力的性能核查周期建議為每年應不少于一次,如設備調試或者維修后,應進行性能檢測,必要時需要重新對空間分辨率、密度分辨率進行核查,以確保圖片質量的可信度。

      (3)

      定期維護與保養

      隨著設備使用頻率加大,設備使用過程中會出現故障,也會老化,不注重設備的維護與保養不僅可能造成設備老化加速、故障概率升高,甚至影響設備整體的性能,降低圖像質量,最終影響檢測結果。定期對設備進行維護與保養尤為重要,實驗室可參照表1制定工業CT設備維護保養計劃。

      表1 工業CT設備維護保養周期示例

      周期

      維護對象

      保養工作項目

      每日

      設備運行系統

      目視檢查防輻射掩體、機械損壞等

      目視檢查防輻射掩體

      X射線功能是否正常

      安全回路檢查

      目視檢查X射線管窗口狀態

      每周

      射線管的靶

      旋轉靶

      電纜

      檢查電纜是否損壞、接地連接是否正常,必要時更換

      工作臺界面

      用輕質油膜保護工作臺界面,以防生銹

      X射線管道中的沉淀物

      清理沉淀物、必要時更換

      每三個月

      高壓電纜、軟管、線

      檢查軟管、線是否連接、扭結、損壞或泄漏

      檢查管子和高壓發生器上的高壓電纜連接是否正常

      打開高壓連接器,干凈、均勻地涂硅脂并以正確的壓力安裝

      X射線管的冷卻裝置

      檢查冷卻液液位,必要時加滿冷卻液

      每年

      安全按鈕

      檢查活動和功能

      檢查位置是否正確、是否存在間隙;清理污漬、潤滑

      機械手,導向架和主軸驅動器

      清潔污漬、潤滑

      02

      檢測環境

      工業CT設備的關鍵參數精度要求高,環境對關鍵參數有不可忽略的影響,因此,實驗室需要對檢測環境進行控制。實驗室檢測溫度應控制在4~24 ℃,濕度控制在40%~60%,檢測室應干凈、整潔,具有良好的通風及照明設施或條件,建議通風換氣每小時不少于兩次。

      03

      檢測人員

      相對于常規的無損檢測技術,工業CT檢測技術對人員的要求更為嚴格,實驗室也應更為注重采取質量保證措施保證檢測人員能力,這是保證檢測結果直接和重要的影響因素。

      檢測人員應有基礎的專業知識儲備與綜合判斷能力,應為材料、無損檢測相關專業或有相關經驗的技術人員,應具備計算機軟件的基本知識,熟悉使用計算機及圖像處理程序。操作人員應持有工業CT資格證書,并保持持續的培訓學習,對新材料、新工藝、新產品有一定的認知水平后,才能更好地為后期檢測參數的選擇、設定、數據處理奠定基礎,如對偽像的分析處理,需要人員有充足的經驗。實驗室應制定人員日常監督計劃,及時發現檢測過程中存在的不合規現象或錯誤操作問題,從而采取相關的糾正及預防措施。

      04

      檢測過程

      檢測過程對檢測結果的影響至關重要,工業CT檢測流程圖如圖1所示,檢測過程中每個環節都會直接影響檢測結果,下面從較為重要的流程來分析質量控制的措施。

      圖片

      圖1 工業CT檢測流程圖

      (1)

       熟悉檢測標準與樣品

      檢測標準是檢測人員實施檢測的依據文件,不同檢測標準對樣品、設備性能、檢測方法、判定規則等會有一定的差異,在檢測工作開展之前應對檢測人員開展充足的標準培訓與學習,確保其熟悉檢測標準。樣品的大小、尺寸、結構等會直接影響檢測參數的選擇與設定,檢測人員應了解被檢物的結構、尺寸、狀態、材料、密度、待檢缺陷主要類型等,明確檢測需達到的空間或密度分辨率、尺寸或密度測量精度等要求。

      (2)

      編制檢測工藝規程

      檢測工藝規程是指導人員正確實施檢測的技術文件,工藝規程應結合檢測樣品編制,必要時,可用標準試件對工藝規程進行試驗驗證,得到的圖像符合質量要求后才能實施檢測。工藝規程應確保被檢樣品的夾裝方式、焦距、物距、旋轉角度、焦點尺寸、射線源參數、切片位置、切片數量、切片厚度、掃描視場、采樣時間、圖像矩陣、掃描方式、重建參數、圖像顯示及分析方法等參數符合要求。

      根據前面的分析,影響密度分辨率的主要因素是系統噪聲,而電壓、電流是影響系統噪聲的關鍵參數,控制電壓與電流是確保密度分辨率符合要求的重要方法。

      (3)

      核查設備系統性能

      實施檢測系統核查是確保每次檢測數據準確性的基礎要求,每次開機時應按系統使用說明書或相關程序對工業CT設備進行暗場和空氣校準,如系統校準不滿足要求應進行重新校準。

      (4)

      評估測量不確定度

      任何的測量都會有誤差,工業CT檢測的部分參數(如尺寸)也會產生不確定度。目前,部分實驗室對于檢測過程產生的測量不確定度還不夠重視,忽視測量不確定度的評定,可能造成對產品檢測結果的誤判,因此,工業CT檢測需要開展尺寸不確定度的評定,仔細分析影響不確定度的主要分量,才能使檢測結果的可信賴程度更高。影響工業CT尺寸測量不確定度的主要分量有測量模型引入的不確定度、被檢工件引入的不確定度、像素尺寸引起的測量標準不確定度、溫度差引入的不確定度以及系統誤差等,實驗室可以按下式計算合成標準不確定度:

      圖片

      式中:L為輸出尺寸;l為被檢工件的尺寸測量值;b為系統誤差;α為標準試塊的線膨脹系數;Δt為實際測量溫度與標準溫度(20 ℃)的溫度差;δr為像素尺寸對測量結果的影響;δv為標準試塊尺寸及其擴展不確定度;δt為動態誤差對測量結果的影響。

      輸出尺寸L是關于輸入量l,b,lαΔt,δr,δv,δt的函數,且輸入量之間互不相關,根據 GUM(丈量不確定度表示指南)法可得各靈敏系數,即:

      圖片

      所以,工業CT尺寸測量的最終的合成不確定度為:

      圖片

       

      式中:u(l)為被檢工件的尺寸測量確定度;u(αΔt)為標準試塊線膨脹系數和實際測量溫度和標準溫度差乘積的不確定度;ur為像素尺寸引入的不確定度;uv為標準試塊尺寸引入的不確定度;ut為動態誤差引入的不確定度;u(b)為系統誤差引入的不確定度。

       


      3.

      結語

       

      檢測是判定產品直觀的手段,檢測結果會受到設備、人員、環境、過程等各方面的影響,因此采取合理的質量保證方法對檢測結果的準確性有重要影響。

      筆者分析了影響CT檢測結果的主要因素,包括空間分辨率、密度分辨率和偽像,針對以上三個因素,分別從檢測設備、檢測人員、檢測環境及檢測過程等方面介紹了相應的質量保證方法。一方面,上述質量保證方法可以保證檢測結果的準確性和可靠性;另一方面,可利用檢測數據改善相應的生產工藝,進而提升產品質量。

       

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