工業(yè)CT 技術(shù)在炸藥裝藥質(zhì)量檢測中的應用

劉艷萍，馬燕，張晶，王青枝

(西安近代化學研究所 十一部，陜西 西安710065)

0 引言

計算機層析X 射線攝影系統(tǒng)(computer Tomography 以下簡稱工業(yè)CT 系統(tǒng))主要用于對各種復雜產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)的無損檢測，通過各種適當夾具固定所要探測的樣品，從各個方面選取不同截面對樣品進行檢測，并給出定量結(jié)論。火炸藥裝藥質(zhì)量檢測中工業(yè)CT無損檢測技術(shù)起到很重要的作用，通過該檢測手段可以了解火炸藥裝藥產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及密度分布，并對產(chǎn)品的內(nèi)部缺陷起到了定位作用，為科研人員及時修改試驗方案、調(diào)整制作工藝提供科學的、可靠的依據(jù)。

1 工業(yè)CT 設備的典型組成、主要技術(shù)指標及檢測的原理

1.1 工業(yè)CT 系統(tǒng)設備組成及主要技術(shù)指標

工業(yè)CT 系統(tǒng)通常由射線源、機械掃描裝置、探測器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)、圖像存儲顯示系統(tǒng)等組成。典型組成如圖1 所示。

以BT－400 型工業(yè)CT 系統(tǒng)為例，其主要性能指標見表1。

1.2 工業(yè)CT 無損檢測原理

計算機層析成像技術(shù)(CT)技術(shù)是在射線照相(Radiography)基礎上發(fā)展起來的。工業(yè)CT 則是由醫(yī)用CT (MCT)而發(fā)展的，基本原理相類同，但仍有其自身特點。

圖1 設備結(jié)構(gòu)組成

表1 BT－400 型工業(yè)CT 系統(tǒng)的主要性能指標

計算機層析成像技術(shù)使用不同的能量波作為輻射源，其工作原理也不同。在工業(yè)無損檢測中廣泛使用的是透射層析成像技術(shù)(ICT)，BT－400 型工業(yè)CT 系統(tǒng)中使用的是X 射線源。

以X 射線作為射線源的工業(yè)CT 工作原理:

當射線穿過均勻物質(zhì)時:

當射線穿過非均勻物質(zhì)時:

式中:l 為射線穿過被檢測物各體積元的長度。I 為射線穿過被檢測物以后的強度(即經(jīng)被檢測物衰減后探測到的計數(shù)和);μi為射線穿過不同物質(zhì)的線衰減系數(shù)(與被檢物質(zhì)的密度和原子序數(shù)以及使用輻射源的能量有關(guān));I0為射線入射端初始強度(射線在空氣中探測器測到的原始計數(shù)和)。

通俗地說有一束單能的射線透射過物質(zhì)，必然產(chǎn)生衰減，其衰減情況遵循比爾定律 (見式 (1)，(2))，檢測物的密度、厚度不同，其衰減系數(shù)也不同，從而得到不同強度的射線，探測器上得到的數(shù)據(jù)必然不同，在CT 圖片上則得到相應的密度反映，這樣，就形成了反映密度變化的樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。

2 工業(yè)CT 無損檢測在火炸藥裝藥質(zhì)量檢測中的應用

2.1 火炸藥裝藥相對密度差的測量

用戶一般在送檢樣品時需要得到的是樣品內(nèi)部絕對密度分布情況，而CT 機檢給出的是密度CT 值和相對密度誤差。即使是同一檢測樣品(同一絕對密度)，對應的密度CT 值也會隨著CT 機任何一項掃描參數(shù)的改變而改變(得出不同的CT 值);當CT 機參數(shù)不變時，密度CT 值又隨著檢測樣品尺寸大小的變化而變化。這樣，就會出現(xiàn)同一絕對密度值對應不同的CT 值的現(xiàn)象。必須采取一定的方法由CT 值得到樣品檢測斷層的實際密度才能計算出所要的密度差。

實際CT 檢測中，有一批樣品需要檢測樣品軸向密度差異，我們采取各層取80%范圍內(nèi)CT 平均值，然后采用(最大值－最小值)/最大值×100%，得到CT檢測結(jié)果表征的樣品軸向密度差，結(jié)果列于表2，這里的檢測誤差應當偏大一些;用戶對同批樣品在CT 檢測斷層位置附近取樣采用開殼彈用排水法測量密度得到的相對密度差結(jié)果列于表3。

表2 樣品密度CT 值及相對密度差檢測結(jié)果

表3 開殼彈排水法測量絕對密度得到的密度差

表2、表3 列出的是同一配方、同一批次產(chǎn)品編號為10 －1，10 －2，10 －3，10 －4 和10 －5 這五發(fā)樣品的裝藥密度差測量結(jié)果，二者進行比較后可以看出BT－400型CT 系統(tǒng)采用的相對密度測量方法及測量結(jié)果覆蓋了排水法測量結(jié)果，兩種結(jié)果有一定誤差，但還是可采用的，實際情況是不可能每發(fā)產(chǎn)品都做開殼密度測量，所以CT 相對密度測量結(jié)果還是具有一定實際使用意義。

情況說明:這批樣品軸向裝藥密度差要求控制5%以內(nèi)算合格。可見，結(jié)果還是可以采用的。

2.2 火炸藥裝藥內(nèi)部缺陷的檢測及測量

2.2.1 火炸藥裝藥內(nèi)部缺陷的檢測

計算機層析掃描(工業(yè)CT)技術(shù)可以提供傳統(tǒng)X射線成像技術(shù)無法實現(xiàn)的二維切面、或三維立體表現(xiàn)圖。并且，避免了影像重疊、混淆真實缺陷的現(xiàn)象。可清楚的展示內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高識別內(nèi)部缺陷的能力，更可準確的識別內(nèi)部缺陷的位置。如圖2 所示:藥柱的裂紋、氣孔及粘接間隙、夾雜物、樣品內(nèi)部構(gòu)圖、內(nèi)部裝藥分布情況等等。

2.2.2 內(nèi)部缺陷的測量

得到CT 圖后，利用密度變化曲線對產(chǎn)品內(nèi)部缺陷進行測量，在密度曲線上選擇不同的測試點則會出現(xiàn)不同測量結(jié)果，那么怎樣將缺陷尺寸的測量誤差降到最小，這需要將多個測量點進行測量、分析、對比，選出準確的測量點，提供較準確的缺陷尺寸。

缺陷幾何尺寸的測量有兩種方法:半脈寬法和峰值換算法，半脈寬法適用于測量大于0.5 mm 缺陷尺寸，而峰值換算法比較適用于小于0.5 mm 缺陷尺寸的測量。

圖2 典型CT 圖

圖3 密度曲線

1)半脈寬法測量缺陷尺寸，測量結(jié)果列于表4，5，6。

對于一般較大尺寸的測量，采用基本半脈寬測量方法，就是對要進行尺寸測量的部分，穿過它作一條密度變化曲線，如圖3，由于密度變化在曲線上必然出現(xiàn)相應的起伏變化，取密度曲線第一次變化的中心點和第二次變化的中心點，兩個中心點之間的距離即就是要測量的尺寸值。

使用Co－1 標準試樣中的“5.0/5.1”插件進行尺寸測量，分別在四種工作方式(四個工作場)下進行CT 掃描和測量。

表4 “5.0/5.1”插件尺寸測量結(jié)果

表5 大于1.5 mm 缺陷半脈寬法測量數(shù)據(jù)

表6 小于1.5 mm 缺陷半脈寬法測量數(shù)據(jù)

半脈寬法測量結(jié)論:

①從表4 可以看出隨著工作場與實際測量尺寸(5.1 mm 或5.0 mm)的接近，測量誤差減小。“5.0/5.1”插件在400 mm 場以內(nèi)，尺寸測量誤差小于±0.1 mm，達到給出的技術(shù)指標。

②從表5，6 可以看出半脈寬法對于大于0.5 mm缺陷的測量結(jié)果是可信的;而小于0.5 mm 的測量結(jié)果已經(jīng)誤差很大，且0.6，0.5，0.4 mm 氣孔測量結(jié)果是0.73，0.74，0.74 mm，可見半脈寬測量法無法準確測量小于0.5 mm 的氣孔。

2)峰值換算法測量小于0.5 mm 缺陷尺寸，測量結(jié)果列于表7。

在實際檢測工作中的摸索與經(jīng)驗積累，發(fā)現(xiàn)了一個規(guī)律:就是各種不同的尺寸所對應的密度曲線峰值具有線性關(guān)系，即在相同的檢測條件下，同一個檢測工件，相同密度時，即一個是尺寸已知寬度的裂縫，一個是待測量的孔或裂縫，若10 mm 寬度尺寸對應的CT 相對峰值是10000，那么CT 相對峰值是5000 的，其寬度尺寸一定是5 mm;CT 相對峰值是2500 的，其寬度尺寸一定是2.5 mm。依據(jù)這樣一個原理，我們首先對較大、較明顯的尺寸進行了測量驗證，結(jié)論是肯定的。對應的密度曲線示意圖如圖4。

采用上述測試方法對0.5 ～1.5 mm 之間缺陷尺寸進行測量。我們稱該方法為峰值換算測量法。

圖5 顯示了6 個不同直徑氣孔密度變化曲線，表6中列出小于0.5 mm 氣孔的半脈寬法測量結(jié)果已經(jīng)不在發(fā)生變化，而圖5 密度曲線上所顯示的峰值卻是不同的，峰值測量及氣孔直徑換算結(jié)果列于表7。

峰值換算法結(jié)論:

①對于較小尺寸，其測量無法使用半脈寬基本測量方法，誤差很大。

②表7 中列出了峰值換算法測量結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)峰值換算法測量結(jié)果比半脈寬法測量結(jié)果誤差大大降低，測量結(jié)果在誤差范圍內(nèi)，但還需要進一步進行小尺寸測量的標定和探討。

圖4 密度曲線示意圖

圖5 氣孔峰值密度變化曲線

表7 實際檢測中的峰值換算法測量數(shù)據(jù)

［1］BT－400 型工業(yè)CT 機使用說明書［Z］. 莫斯科:莫斯科探傷股份有限公司，1997.

［2］王自明. 無損檢測綜合知識［M］. 北京:機械工業(yè)出版社，2005.

［3］葉云長. 計算機層析成像檢測［M］. 北京:機械工業(yè)出版社，2005.

［4］高玉玲. 利用現(xiàn)有工業(yè)CT 無損檢測系統(tǒng)進行小缺陷尺寸測量［C］ //第九屆中國機械工程學會無損檢測分會年會.2010.