工业CT无损检测实时成像设备尺寸测量的精度

工业CT无损检测实时成像设备技术不受被检测物体材料、形状、表面状况等限制,能够给出被检测物体二维、三维图像,成像 直观,分辨率高。因此,工业CT被广泛应用在我国汽车制造、铸件、交通等领域,应用范围涵盖缺陷检测、材料密度表征、尺寸测量、装配结构分析、逆向工程等。随着工业CT技术在高端装备制造业中的应用和发展,精密复杂零部件的内部缺陷检测需求日益增加,对缺陷的检出尺度及测量精度要求极高。

目前国内外正积极开展工业CT三维精密测量技术研究。在工业CT尺寸测量应用研究方面，Kiekens等对影响工业CT系统测量值误差进行了研究，Van Bael等将工业CT应用于多孔结构几何形状控制，计算孔结构尺寸、壁厚、结构体积等几何信息，完成产品几何形状的控制。在尺寸测量精度方面，GE公司通过红宝石球进行验证实验，并采用散射线补偿的方法提高测量精度，最高可达(4+L/100) μm。在测量标准方面，德国《VDI/VDE 2630工业CT尺寸测量》系列标准，包含了原理与术语、测量影响因素与建议、尺寸测量应用指南、测量过程及比较、测量不确定度等方面。国内工业CT技术主要应用于无损检测领域，在几何量测量和计量化应用方面起步较晚。工业CT测量技术的需求主要来源于产品尺寸检验，王义旭等针对工业CT探测尺寸误差进行了校准和分析。在国内公开的标准方面，涉及工业CT结构尺寸测量的相关标准仅有GB/T 29067-2012 《无损检测工业计算机层析成像(CT)图像测量方法》。同时，目前可参考的国内外文献及标准，鲜有针对小尺寸薄壁结构的测量误差进行特别说明。

对于金属材料内部不规则形貌缺陷的工业CT无损检测,当前普遍采用半高宽缺陷尺寸计算法,检测人员通过观察及经验判定缺陷位置,人为分割缺陷边缘。该方法适用于尺度远大于CT图像像素尺寸的缺陷评价,但当缺陷尺寸接近或小于像素尺寸时,检测人员判定的缺陷测量及评价结果存在很大误差,由此会产生“超标”误判,造成不必要的浪费。因此在金属材料工业CT检测过程中,有必要研究一种适用不同CT设备及工艺参数的缺陷精确测量方法。

为了进一步验证半高宽法和最大灰度梯度法对不同厚度薄壁结构的测量误差，陈子木、胡正伟等教授分别通过理论计算以及实验测量的图像灰度分布进行尺寸分析，得到的壁厚测量结果可以看出对于理论计算的薄壁结构灰度分布，当壁厚尺寸大于线扩散函数扩展宽度时，半高宽法和最大梯度法的测量误差均小于±0.01 mm；当壁厚尺寸小于线扩散函数扩展宽度但大于壁厚测量极限值时，最大灰度梯度法具有更小的测量误差；当壁厚尺寸小于壁厚测量极限时，测量误差显著增大，随着薄壁结构厚度减小，半高宽法和最大梯度法的壁厚测量值均趋近于壁厚测量极限，这也与上述的解析分析相一致。但对于实验测量的壁厚尺寸，当实际壁厚大于壁厚测量极限值时，半高宽法相比最大灰度梯度法一直具有更小的测量误差，对于本工作采用的工业CT成像系统，半高宽法尺寸测量误差小于±0.04 mm，最大灰度梯度法尺寸测量误差小于±0.08 mm，这主要是由于灰度梯度的计算较灰度极值更为灵敏，因此受系统噪声影响明显。随着薄壁结构尺寸减小至小于壁厚测量极限，半高宽法和最大灰度梯度法尺寸实验测量结果依然呈单调下降的趋势，测量误差显著增大，但此时最大灰度梯度法的测量误差相比半高宽法较小。随着薄壁结构厚度减小，成像调制度下降导致受系统噪声的影响程度大幅增加，采用半高宽法和最大灰度梯度法计算壁厚均会产生严重的误差，因此与理论推导的结果产生较大偏差。对比实验测量结果和理论计算结果发现，当薄壁结构尺寸大于壁厚测量极限时，两者具有较好的一致性，当薄壁结构尺寸小于壁厚测量极限时，理论计算结果趋近于某个固定值。虽然实验测量结果依然能够保持尺寸减小的趋势，但是测量误差逐渐增大。

对于工业CT尺寸测量的精度，也是很多客户非常关注的问题，一般来说在工业CT设备条件允许的情况下，通过探元尺寸、探测器尺寸、工件尺寸可获得工件的工业CT检测精度。

以上检测精度的评估是对于简单工件而言，如果要对工件的局部区域进行检测，则需视工件情况选择工件摆放方式，以及检测方法，检测精度则以现场测试结果为主。