工业CT无损检测成像设备的发展和应用

随着制造业的迅速发展,对产品质量检验的要求越来越高,需要对越来越多的关键、复杂零部件甚至产品内部缺陷进行严格探伤和内部结构尺寸精确测量。

传统的无损检测方法如超声波检测、X射线探伤机检测等测量方法已不能完全满足要求。于是,催生了更先进、更方便的检测技术诞生,ICT(Industrial Computed Tomography)--简称工业CT。

工业CT(ICT)就是计算机层析照相或称工业计算机断层扫描成像。虽然层析成像有关理论的有关数学理论早在1917年由J.Radon提出,但只是在计算机出现后并与放射学科结合后才成为一门新的成像技术。在工业方面特别是在无损检测(NDT)与无损评价(NDE)领域更加显示出其独特之处。因此,国际无损检测界把工业CT称为最佳的无损检测手段。进入80年代以来,国际上主要的工业化国家已把X射线或γ射线的ICT用于航天、航空、军事、冶金、机械、石油、电力、地质、考古等部门的NDT和NDE,检测对象有导弹、火箭发动机、军用密封组件、核废料、石油岩芯、计算机芯片、精密铸件与锻件、汽车轮胎、陶瓷及复合材料、海关毒品、考古化石等。我国90年代也已逐步把ICT技术用于工业无损检测领域。

工业发展按扫描获取数据方式的不同,CT技术已发展经历了五个阶段(即五代CT扫描方式)。

第一代CT,使用单源(一条射线)单探测器系统,系统相对于被检物作平行步进式移动扫描以获得N个投影值,被检物则按M个分度作旋转运动。这种扫描方式被检物仅需转动180°即可。第一代CT机结构简单、成本低、图像清晰,但检测效率低,在工业CT中则很少采用。

第二代CT,是在第一代CT基础上发展起来的。使用单源小角度扇形射线束多探头。射线扇形束角小、探测器数目少,因此扇束不能全包容被检物断层,其扫描运动除被检物需作M个分度旋转外,射线扇束与探测器阵列架一道相对于被检物还需作平移运动,直至全部覆盖被检物,求得所需的成像数据为止。

第三代CT,它是单射线源,具有大扇角、宽扇束、全包容被检断面的扫描方式。对应宽扇束有N个探测器,保证一次分度取得N个投影计数,被检物仅作M个分度旋转运动。因此,第三代CT运动单一、好控制、效率高,理论上被检物只需旋转一周即可检测一个断面。

第四代CT,也是一种大扇角全包容,只有旋转运动的扫描方式,但它有相当多的探测器形成固定圆环,仅由辐射源转动实现扫描。其特点是扫描速度快、成本高。

第五代CT,是一种多源多探测器,用于实时检测与生产控制系统。源与探测器按120°分布,工件与源到探测器间不作相对转动,这种CT技术难度大,成本高但较其他几种CT效率有显著提高。上述五种CT扫描方式,在ICT机中用得最普遍的是第二代与第三代扫描,其中尤以第三代扫描方式用得最多。这是因为它运动单一,易于控制,适合于被检物回转直径不太大的中小型产品的检测,且具有成本低,检测效率高等优点。

工业CT的优秀性能使得其在检测、制造以及科学研究领域具有广阔的应用空间，虽然工业CT目前有些缺点，但是相信随着技术的发展和工业CT的深入应用，工业CT设备的技术性能都将得到进一步的发展和完善。同时随着我国再制造的发展，工业CT作为一种先进的检测工具，对被测工件进行可视化检测，且对工件的内部缺陷和结构特征有着较高的检测灵敏度和分辨率，即可以对再制造零件的损伤机理给出较为直观的检测和分析。这对预测再制造零部件的服役寿命，掌握其失效规律，保证再制造产品的服役安全性具有重要的科学意义。同时工业CT对再制造产品的安全验证，为再制造产品的推广和发展以循环经济为基础的资源再生利用产业具有重要的意义。