工業(yè)CT檢測(cè)結(jié)果的影響因素及質(zhì)量保證方法

陳晴晴，張義鳳

(上海材料研究所 上海市工程材料應(yīng)用與評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200437)

工業(yè)CT(計(jì)算機(jī)斷層掃描)作為一種先進(jìn)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航空、航天、軍工、國(guó)防等領(lǐng)域，這些領(lǐng)域?qū)Ξa(chǎn)品的質(zhì)量要求較為嚴(yán)格，產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、有無(wú)缺陷以及缺陷的類(lèi)型與大小直接影響對(duì)產(chǎn)品合格與否的判定。工業(yè)CT需要檢測(cè)人員具備較強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)水平以及設(shè)備具有較高的精度，利用有效的質(zhì)量保證措施可以保證CT檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，有針對(duì)性地建立和完善工業(yè)CT實(shí)驗(yàn)室質(zhì)量保證措施，對(duì)保障工業(yè)CT結(jié)果的準(zhǔn)確性和提升產(chǎn)品的質(zhì)量有重要的意義。

1 工業(yè)CT檢測(cè)結(jié)果的影響因素

CT檢測(cè)結(jié)果主要來(lái)源于CT圖像提供的正?；虍惓Ｐ畔?，優(yōu)質(zhì)CT圖像是檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性的前提條件，而影響CT圖像質(zhì)量的主要因素包括3方面，即空間分辨率、密度分辨率和偽像。實(shí)驗(yàn)室若想得到高質(zhì)量的CT圖像，需對(duì)以上3個(gè)因素進(jìn)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。

1.1 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(xì)節(jié)的能力，定量表示為能分辨兩個(gè)細(xì)節(jié)特征的最小間距。空間分辨率是影響圖像質(zhì)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(tǒng)的臨界空間分辨率越高，有效射束寬度可表示為[1]

(1)

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

由式(1)可以看出，影響空間分辨率的主要因素如下。

(1) 探測(cè)器孔徑的尺寸，孔徑越窄，幾何放大倍數(shù)越大，空間分辨率就越高。

(2) 射線源焦點(diǎn)尺寸，焦點(diǎn)較小的X線管產(chǎn)生的X射線較窄，可獲得較高的空間分辨率。

(3) 射線源至探測(cè)器距離一般為定值。

(4) 射線源至試件距離存在一個(gè)最佳距離，能使WB獲得最小值。

除此之外，以下因素也會(huì)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。

(2) X射線劑量、矩陣、層厚、像素大小、掃描裝置噪聲等對(duì)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(duì)比分辨率就會(huì)降低。

1.2 密度分辨率

密度分辨率，又稱(chēng)為低對(duì)比度分辨率，是系統(tǒng)分辨給定物體斷層截面射線衰減系數(shù)差別(對(duì)比度)的能力。定量表示為給定面積上能夠分辨的細(xì)節(jié)與基體材料的最小對(duì)比度。密度分辨率可表示為[1]

>(2)

式中：ΔP為像素寬度；C為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；σ為CT圖像噪聲；D被觀測(cè)細(xì)節(jié)(缺陷)的尺寸；μb為細(xì)節(jié)(缺陷)材料的衰減系數(shù)；μf為基體材料的衰減系數(shù)；μref為參考衰減系數(shù)。

由式(2)可見(jiàn)，密度分辨率的影響因素有圖像噪聲、像素寬度、經(jīng)驗(yàn)系數(shù)等，其中，影響CT系統(tǒng)密度分辨率的一個(gè)重要因素是系統(tǒng)噪聲，噪聲增大，CT系統(tǒng)能夠分辨的最小物體對(duì)比度也增大[2]。

1.3 偽像

偽像是與物體的物理結(jié)構(gòu)不相符的圖像特征。產(chǎn)生偽像的原因有很多，測(cè)量過(guò)程中的一系列誤差都可能造成測(cè)量數(shù)據(jù)的不一致，從而引起偽像，如機(jī)械系統(tǒng)精度不夠、射線源輸出能量不穩(wěn)定、穿透力不足、探測(cè)器通道之間不均勻及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電路噪聲大等，特別要說(shuō)明的是掃描工藝不適當(dāng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的偽像[1]，因此，檢測(cè)人員是否有充足的經(jīng)驗(yàn)也是偽像產(chǎn)生的重要影響因素。

2 質(zhì)量保證方法

工業(yè)CT與常規(guī)的無(wú)損檢測(cè)方法有一定的區(qū)別，根據(jù)第1節(jié)的分析可知，CT檢測(cè)結(jié)果受各參數(shù)影響，且CT圖像一般要求呈現(xiàn)被檢測(cè)物的微小細(xì)節(jié)，因此對(duì)檢測(cè)設(shè)備的各項(xiàng)參數(shù)精度要求較高。工業(yè)CT對(duì)檢測(cè)人員技能有特殊要求，檢測(cè)人員經(jīng)驗(yàn)是否充足也會(huì)影響工業(yè)CT的檢測(cè)結(jié)果。

筆者主要從控制檢測(cè)設(shè)備、檢測(cè)人員、檢測(cè)過(guò)程等方面對(duì)質(zhì)量保證方法進(jìn)行詳細(xì)分析，提出相適應(yīng)的質(zhì)量保證方法，從而確保檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.1 檢測(cè)設(shè)備

檢測(cè)設(shè)備的精度、性能、狀態(tài)是影響檢測(cè)結(jié)果關(guān)鍵的因素，設(shè)備精度不滿足要求、系統(tǒng)性能不達(dá)標(biāo)、運(yùn)行不正常會(huì)導(dǎo)致后續(xù)一系列的操作和分析結(jié)果出現(xiàn)誤差，因此實(shí)驗(yàn)室應(yīng)保證設(shè)備精度能夠滿足日常檢測(cè)工作的需求并確保持續(xù)有效。

2.1.1 明確設(shè)備采購(gòu)與驗(yàn)收的技術(shù)要求

實(shí)驗(yàn)室在設(shè)備采購(gòu)之前應(yīng)有明確的技術(shù)要求，需要關(guān)注射線源的指標(biāo)、探測(cè)器指標(biāo)、數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)指標(biāo)、機(jī)械系統(tǒng)指標(biāo)、重建及可視化系統(tǒng)指標(biāo)等技術(shù)要求，應(yīng)根據(jù)實(shí)際工作的需求設(shè)定每項(xiàng)指標(biāo)的技術(shù)要求，并按照前期技術(shù)要求進(jìn)行驗(yàn)收確認(rèn)。

2.1.2 實(shí)施設(shè)備校準(zhǔn)或核查

設(shè)備的校準(zhǔn)是保證檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性的重要前提和基礎(chǔ)保障，也是保證檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性的主要手段。要確保檢測(cè)設(shè)備狀態(tài)是否符合要求，需對(duì)檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)，避免設(shè)備使用中產(chǎn)生誤差。目前工業(yè)CT設(shè)備沒(méi)有統(tǒng)一的校準(zhǔn)方法，實(shí)驗(yàn)室可采用核查空間分辨率、密度分辨來(lái)驗(yàn)證系統(tǒng)性能，標(biāo)準(zhǔn)GB/T 29070—2012 《無(wú)損檢測(cè) 工業(yè)計(jì)算機(jī)層析成像(CT)檢測(cè) 通用要求》 對(duì)空間分辨率和密度分辨力的性能核查周期建議為每年應(yīng)不少于一次，如設(shè)備調(diào)試或者維修后，應(yīng)進(jìn)行性能檢測(cè)，必要時(shí)需要重新對(duì)空間分辨率、密度分辨率進(jìn)行核查，以確保圖片質(zhì)量的可信度。

2.1.3 定期維護(hù)與保養(yǎng)

隨著設(shè)備使用頻率加大，設(shè)備使用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)故障，也會(huì)老化，不注重設(shè)備的維護(hù)與保養(yǎng)不僅可能造成設(shè)備老化加速、故障概率升高，甚至影響設(shè)備整體的性能，降低圖像質(zhì)量，最終影響檢測(cè)結(jié)果。定期對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)與保養(yǎng)尤為重要，實(shí)驗(yàn)室可參照表1制定工業(yè)CT設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)計(jì)劃。

表1 工業(yè)CT設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)周期示例

2.2 檢測(cè)環(huán)境

工業(yè)CT設(shè)備的關(guān)鍵參數(shù)精度要求高，環(huán)境對(duì)關(guān)鍵參數(shù)有不可忽略的影響，因此，實(shí)驗(yàn)室需要對(duì)檢測(cè)環(huán)境進(jìn)行控制。實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)溫度應(yīng)控制在4 ℃～24 ℃，濕度控制在40%～60%，檢測(cè)室應(yīng)干凈、整潔，具有良好的通風(fēng)及照明設(shè)施或條件，建議通風(fēng)換氣每小時(shí)不少于兩次。

2.3 檢測(cè)人員

相對(duì)于常規(guī)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，工業(yè)CT檢測(cè)技術(shù)對(duì)人員的要求更為嚴(yán)格，實(shí)驗(yàn)室也應(yīng)更為注重采取質(zhì)量保證措施保證檢測(cè)人員能力，這是保證檢測(cè)結(jié)果質(zhì)量最直接和重要的影響因素。

檢測(cè)人員應(yīng)有基礎(chǔ)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)儲(chǔ)備與綜合判斷能力，應(yīng)為材料、無(wú)損檢測(cè)相關(guān)專(zhuān)業(yè)或有相關(guān)經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員，應(yīng)具備計(jì)算機(jī)軟件的基本知識(shí)，熟悉使用計(jì)算機(jī)及圖像處理程序。操作人員應(yīng)持有工業(yè)CT資格證書(shū)，并保持持續(xù)的培訓(xùn)學(xué)習(xí)，對(duì)新材料、新工藝、新產(chǎn)品有一定的認(rèn)知水平后，才能更好地為后期檢測(cè)參數(shù)的選擇、設(shè)定、數(shù)據(jù)處理奠定基礎(chǔ)，如對(duì)偽像的分析處理，需要人員有充足的經(jīng)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)室應(yīng)制定人員日常監(jiān)督計(jì)劃，及時(shí)發(fā)現(xiàn)檢測(cè)過(guò)程中存在的不合規(guī)現(xiàn)象或錯(cuò)誤操作問(wèn)題，從而采取相關(guān)的糾正及預(yù)防措施。

2.4 檢測(cè)過(guò)程

檢測(cè)過(guò)程對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響至關(guān)重要，工業(yè)CT檢測(cè)流程圖如圖1所示，檢測(cè)過(guò)程中每個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)直接影響檢測(cè)結(jié)果，下面從較為重要的流程來(lái)分析質(zhì)量控制的措施。

圖1 工業(yè)CT檢測(cè)流程圖

2.4.1 熟悉檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)與樣品

檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)是檢測(cè)人員實(shí)施檢測(cè)的依據(jù)文件，不同檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)樣品、設(shè)備性能、檢測(cè)方法、判定規(guī)則等會(huì)有一定的差異，在檢測(cè)工作開(kāi)展之前應(yīng)對(duì)檢測(cè)人員開(kāi)展充足的標(biāo)準(zhǔn)培訓(xùn)與學(xué)習(xí)，確保其熟悉檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。樣品的大小、尺寸、結(jié)構(gòu)等會(huì)直接影響檢測(cè)參數(shù)的選擇與設(shè)定，檢測(cè)人員應(yīng)了解被檢物的結(jié)構(gòu)、尺寸、狀態(tài)、材料、密度、待檢缺陷主要類(lèi)型等，明確檢測(cè)需達(dá)到的空間或密度分辨率、尺寸或密度測(cè)量精度等要求。

2.4.2 編制檢測(cè)工藝規(guī)程

檢測(cè)工藝規(guī)程是指導(dǎo)人員正確實(shí)施檢測(cè)的技術(shù)文件，工藝規(guī)程應(yīng)結(jié)合檢測(cè)樣品編制，必要時(shí)，可用標(biāo)準(zhǔn)試件對(duì)工藝規(guī)程進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，得到的圖像符合質(zhì)量要求后才能實(shí)施檢測(cè)。工藝規(guī)程應(yīng)確保被檢樣品的夾裝方式、焦距、物距、旋轉(zhuǎn)角度、焦點(diǎn)尺寸、射線源參數(shù)、切片位置、切片數(shù)量、切片厚度、掃描視場(chǎng)、采樣時(shí)間、圖像矩陣、掃描方式、重建參數(shù)、圖像顯示及分析方法等參數(shù)符合要求。

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

2.4.3 核查設(shè)備系統(tǒng)性能

實(shí)施檢測(cè)系統(tǒng)核查是確保每次檢測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)要求，每次開(kāi)機(jī)時(shí)應(yīng)按系統(tǒng)使用說(shuō)明書(shū)或相關(guān)程序?qū)I(yè)CT設(shè)備進(jìn)行暗場(chǎng)和空氣校準(zhǔn)，如系統(tǒng)校準(zhǔn)不滿足要求應(yīng)進(jìn)行重新校準(zhǔn)。

2.4.4 評(píng)估測(cè)量不確定度

任何的測(cè)量都會(huì)有誤差，工業(yè)CT檢測(cè)的部分參數(shù)(如尺寸)也會(huì)產(chǎn)生不確定度。目前，部分實(shí)驗(yàn)室對(duì)于檢測(cè)過(guò)程產(chǎn)生的測(cè)量不確定度還不夠重視，忽視測(cè)量不確定度的評(píng)定，可能造成對(duì)產(chǎn)品檢測(cè)結(jié)果的誤判，因此，工業(yè)CT檢測(cè)需要開(kāi)展尺寸不確定度的評(píng)定[3-5]，仔細(xì)分析影響不確定度的主要分量，才能使檢測(cè)結(jié)果的可信賴(lài)程度更高。影響工業(yè)CT尺寸測(cè)量不確定度的主要分量有測(cè)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(cè)量標(biāo)準(zhǔn)不確定度、溫度差引入的不確定度以及系統(tǒng)誤差等，實(shí)驗(yàn)室可以按式(3)計(jì)算合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

L=l-b+lαΔt+δr+δv+δt

(3)

式中：L為輸出尺寸；l為被檢工件的尺寸測(cè)量值；b為系統(tǒng)誤差；α為標(biāo)準(zhǔn)試塊的線膨脹系數(shù)；Δt為實(shí)際測(cè)量溫度與標(biāo)準(zhǔn)溫度(20 ℃)的溫度差；δr為像素尺寸對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響；δv為標(biāo)準(zhǔn)試塊尺寸及其擴(kuò)展不確定度；δt為動(dòng)態(tài)誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

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

(4)

所以，工業(yè)CT尺寸測(cè)量的最終的合成不確定度為

(5)

式中：u(l)為被檢工件的尺寸測(cè)量確定度；u(αΔt)為標(biāo)準(zhǔn)試塊線膨脹系數(shù)和實(shí)際測(cè)量溫度和標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)試塊尺寸引入的不確定度；ut為動(dòng)態(tài)誤差引入的不確定度；u(b)為系統(tǒng)誤差引入的不確定度。

3 結(jié)語(yǔ)

檢測(cè)是判定產(chǎn)品質(zhì)量最直觀的手段，檢測(cè)結(jié)果會(huì)受到設(shè)備、人員、環(huán)境、過(guò)程等各方面的影響，因此采取合理的質(zhì)量保證方法對(duì)檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性有重要影響。

筆者分析了影響CT檢測(cè)結(jié)果的主要因素，包括空間分辨率、密度分辨率和偽像，針對(duì)以上3個(gè)因素，分別從檢測(cè)設(shè)備、檢測(cè)人員、檢測(cè)環(huán)境及檢測(cè)過(guò)程等方面介紹了相應(yīng)的質(zhì)量保證方法。一方面，上述質(zhì)量保證方法可以保證檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性；另一方面，可利用檢測(cè)數(shù)據(jù)改善相應(yīng)的生產(chǎn)工藝，進(jìn)而提升產(chǎn)品質(zhì)量。