雙探測器的新型工業CT機設計*

羅子倫，姚震，吳元，科瓦廖夫·米哈伊爾·雅科夫列維奇，丁榮杰，劉凱杰

（1.廣東工業大學機電工程學院，廣州 510006；2.深海精密科技（深圳）有限公司，廣東 深圳 518107；3.白俄羅斯國家科學院信息問題聯合研究所，明斯克 220050）

0 引言

數字X射線成像（Digital Radiography,DR）和工業計算機斷層掃描（Industrial Computed Tomography,ICT）是工業X射線無損檢測領域中的兩個重要技術分支。DR是20世紀90年代末出現的一種實時的X射線數字成像技術。相對于現今仍然普遍應用的X射線膠片照相（Film）或計算機X射線成像（Computed Radiography,CR），檢測最大的優點是實時性強，可以實時地對試件進行無損檢測。ICT成像技術以DR成像為基礎，采集被掃描試件不同角度的數字投影序列，通過三維重建算法對掃描區域內被檢試件進行三維CT成像[1]。以二維斷層圖像或三維立體圖像的形式，清晰、準確、直觀地展示被檢測試件的內部結構、組成、材質、尺寸，被譽為當今最佳無損檢測和無損評價技術[2]。廣泛應用于航空、航天、核能、兵器、汽車、電子半導體等領域產品和關鍵零部件的無損檢測、無損評價以及逆向工程中[3]。目前工業界測量的兩種傳統的方法——激光掃描、三坐標測量機，但這些方法都存在著固有缺陷，難以對物體內部進行三維精確測量，而工業CT掃描技術能很好地解決傳統方法的不足。不同的工業CT機由于其設計目標不同，難以同時滿足對大件零件的完整掃描同時兼顧掃描精度。為了滿足上述的問題，本文設計了一款新型工業CT機，通過增加一個小面積、高精度的探測器，從而實現待測大件零件快速的精確測量。

1 新型工業CT機的設計目標

（1）目標檢測對象及檢測要求

結構件內部缺陷檢測是當前無損檢測領域的難題之一，目前的檢測大多是針對結構件外表面或淺表面的缺陷檢測，對于結構件內表面的缺陷檢測手段比較少[4]。本次設備的主要設計目標主要是針對復雜結構件的內部缺陷檢測，如航空航天復雜壓鑄件、新能源汽車關鍵金屬結構件、軍工用復合材料、各類增材制造零部件等，除此之外也可廣泛應用到科研、考古、電子半導體等領域。

（2）附加功能

掃描模式的數量，有無圖像優化算法也是評價工業CT機性能的一項重要指標。本次設備除了需要有斷層掃描成像（即CT成像）、數字X射線成像和動態成像外，一般還需要擁有更高端的大視野掃描、螺旋掃描、平面掃描等多種功能。在對掃描數據的三維重建方面，除了使用性能優秀的重建算法外，還額外增加了專門的圖像優化算法，對金屬偽影、射線硬化偽影、環狀偽影等由于射線作用機理和檢測對象等原因[5]導致的瑕疵的優化功能。

（3）檢測速度和檢測精度

新型設備針對結構差異較大的被檢測物體與復雜的檢測場景進行設計，以求能提供更加靈活的檢測方案。目標在追求檢測速度的掃描方案中，達到對350 mm3的空間實施完整的CT成像僅需要3～5 min，且精度可以到0.1 mm；不僅可以快速檢測，還可通過切換不同的掃描模式可以實現掃描速度和檢測精度的不同側重與均衡。

2 工業CT系統模塊設計

本系統是由X射線發生裝置、X射線成像裝置、圖像處理單元、機械控制單元及電氣控制單元等5部分組成。機械及電氣控制單元放置在射線防護工房內，上面安裝X射線發生裝置與X射線成像裝置，通過線纜連接至圖像處理單元，操作人員通過操作臺上的各類按鈕、搖桿、鍵盤、鼠標等實施檢測工作。在檢測物體時，物體隨轉臺作360°旋轉，X射線穿過被測物體，每隔一定角度由探測器接收衰減后的信號，得到相應的透射圖像，一系列的透射圖像通過數學變換獲得物體橫截面的二維重構圖像，再通過算法整合多個二維圖像最后電腦重建被測物體的三維模型[6]。

2.1 X射線成像裝置

為了滿足檢測速度與檢測精度的要求，系統的成像裝置采用了雙數字平板檢測方案，主平板主要用于快速檢測，需要其能承受更高的電壓，能夠在數據傳輸過程中不丟幀。因此選擇了深海精密公司DS4343HR高動態范圍定制款數字平板探測器作為系統的主探測器，配合不同的圖像讀取方式實現高幀率成像，具有450 kV的耐輻射能級，16位ADC，139 μm的像素尺寸，獨特的底層技術，可保證主平板能夠具有優異的圖像效果。主平板不同的防護措施和閃爍體，最高可工作在15 MeV的環境，可滿足加速器級別的高能成像需求。

從平板則更加偏向于滿足檢測精度的設計需求，需要比主平板更小的像素尺寸。同時為了可以伸入到狹窄空間，需要更小的整體尺寸。為滿足上述需求，本次設計采用品臻1313D高動態范圍數字平板探測器作為從探測器，平板像素為85 μm，可以捕捉更多缺陷細節。

2.2 X射線發生裝置

X射線發生裝置主要由金屬陶瓷X射線管、高頻高壓發生器組、油冷卻器、油管、高壓線纜組成。方案采用英國高美公司的CF系列450 kV，最大功率1 500 W，使用小焦點HP射線管的射線機。該射線機具有精確的反饋系統，對X射線管的電流和電壓提供穩定的監控，可滿足系統對于穩定性的要求。45 kHz的高壓工作頻率和高美獨特的可變頻技術，既可以滿足小焦點的X射線管，又滿足高輸出功率的射線管，可用于NDT實時成像及各種測量和精度校準系統上。此外射線機的工作狀態受內部電器監控，可使發射裝置更加安全和可靠，油絕緣的高壓系統也更容易散熱。

控制方式與通信接口方面，裝置設置了模擬控制和數字控制兩種控制模式，以及RS232、RS422和以太網3種通信接口，可滿足不同的應用需求，具體系統框圖如圖1所示。

圖1 射線發生裝置系統框圖

2.3 主體機械裝置

合理的機械結構設計可為運動控制打下堅實基礎[7]，系統的機械裝置主要包括：設備底座及水平導軌，射線機立柱及其垂直滑臺及旋轉機構，大平板立柱及其垂直滑臺及旋轉機構，小平板滑臺，工件轉臺及十字滑臺等。機械結構總體布局如圖2所示。

圖2 機械結構總體布局

射線機立柱固定，其上安裝有垂直滑臺，射線機安裝在旋轉機構上，可沿垂直方向做直線運動和俯仰角擺動；小平板安裝在頂梁上固定的運動滑臺上，可沿垂直與水平方向做直線運動；大平板立柱可以水平運動，其上安裝有垂直滑臺，大平板安裝在旋轉機構上，可沿垂直方向做直線運動和俯仰角擺動；工件轉臺安裝在十字滑臺上，十字滑臺安裝在底座的水平導軌上，可沿XY兩個水平方向做直線運動，可滿足探測裝置在探測過程中的位置移動需求。

2.4 運動控制模塊

工業CT控制系統性能優劣決定CT掃描運動的同步控制精度、數據采集時間以及最終圖像重建的質量[8]，需要運動控制系統能夠實時追隨、精準定位、快速響應，創造高精、高效、平穩的速控環境[9]。整個系統電氣控制部分元器件，包括運動控制器PLC、高性能伺服驅動器、伺服電機和運動控制操作界面HMI等。電氣控制拓撲結構如圖3所示。

圖3 電氣控制拓撲結構

因此，本文選用高性能工業計算機、PLC-AS系列運動控制器、臺達A系列伺服驅動器及電機組成系統的運動控制模塊，其中計算機圖像采集處理，PC端通過以太網與PLC、射線機、探測器連接，可實現自動化控制。PLC運動控制器與運動控制操作界面、計算機圖像采集處理PC端都通過基于以太網的Modbus Tcp通訊協議進行連接，運動控制操作界面HMI實時顯示設備狀態及有故障情況，從而達到故障快速診斷和維護，進而使設備具有數字化和信息化，能高效地處理、交換數據。

3 軟件設計

3.1 軟件總體設計

開發了一款專門用于CT設備的圖像工作站軟件DeepVISION，系統軟件主要包含幾大模塊：平板探測器模塊、圖像處理模塊、測量與繪制模塊、射線控制模塊、機械運動模塊、CT模塊。

3.2 人機交互界面設計

人機交互界面也是工業CT系統里的一個重要組成部分。為了增加界面的可操作性和簡化顯示界面，本文不再使用傳統的Windows軟件界面設計風格，而是針對檢測流程進行優化設計，只保留常用的功能，使用戶交互體驗更友好。具體界面效果如圖4所示，左側為歷史圖像與模式選擇，中間為大面積的實時圖像顯示，右側為曝光參數調節，圖像處理功能。

圖4 圖像工作站軟件主界面

3.3 重建算法

圖像重建算法往往及其耗費算力資源，為了減輕控制系統的運算負擔，增加系統的圖像處理能力，設備配有專門的GPU的圖像工作站。將最耗時的二維圖像處理與三維CT重建等算法都移植到GPU運行，不僅增加了圖像數據的并行處理能力，還加快了圖像處理的速度。

為了實現更好的重建效果，團隊對CT重建算法基于傳統的FDK算法[10]進行了擴展和優化，新增擴展掃描、螺旋掃描等新的重建算法。另外額外增加一些專門針對圖像優化的模塊，如：金屬偽影優化模塊[11]、射線硬化修正模塊[12]、環狀偽影消除模塊、機械偏差自動校準模塊等。可以對大部分的偽影進行矯正，獲得清晰的重建圖像。

3.4 軟件處理流程

正常使用時的大致流程如下：啟動軟件系統，初始化硬軟件，選擇需要的掃描模式，設置合適的曝光參數，開始CT采集，完成CT重建，進行CT數據瀏覽與分析，輸出報告。

4 應用案例分析

為了驗證設備的實際使用性能，選擇了一個內部結構較為復雜的汽車鋁合金零件進行掃描。掃描分為兩個部分，第一部分是使用大平板對零件進行粗掃，第二部分則是使用小平板對缺陷位置進行精掃，圖5所示為零件的CT掃描結果。其中左圖為三維CT圖像，右圖為透明化后的CT圖像，從右圖可以看出，重建結果除了可以清晰地看到零件的內部情況外，系統還增加了零件缺陷的識別，使用不同顏色表示缺陷體積大小，同時輸出零件內部尺寸的測量數據。

圖5 汽車鋁合金零件的CT掃描結果

除了圖5的輸出結果外，軟件還能在上述零件的CT掃描結果上實施進一步地分析，分析結果如圖6所示，左側為不同位置的切面圖，右側為其中某個位置的切面圖方法，可以看到部分氣孔缺陷存在。系統還會自動標記缺陷的三維空間位置與尺寸大小，并以表格的形式匯總到顯示界面的下方。表1所示為圖6中相關缺陷檢測數據的匯總表。

圖6 切面圖及缺陷檢測數據匯總

表1 相關缺陷檢測數據的匯總

5 結束語

本文研制了一款具有雙探測器的新型工業CT機，集成多種成像模式。采用雙檢測器的成像裝置設計方案，可同時滿足無損檢測的實時性和對合成模型細節的要求。使用雙探測器可以提高掃描效率，并可以針對結構差異較大的被檢測物體與復雜的檢測場景更加靈活地實施檢測方案。設備采用模塊化設計，包含X射線發生裝置、X射線成像裝置、圖像處理單元、機械及電氣控制單元等，便于更換各模塊，對機器的維護維修更便捷。通過對復雜鑄造結構件的檢測，結果表明，該工業CT能夠很好地滿足復雜結構件的內部尺寸的測量需求與缺陷檢測需求，內置的圖像優化算法使其輸出三維重建模型精確且清晰，具有較廣闊的應用前景。