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            工業CT檢測中需要掌握的工藝參數定量取值方法

               工業CT作為一種先進的無損檢測技術,應用范圍已越來越廣泛。目前在用的工業CT系統已有數百套,這些工業CT因為硬件配備的不同,工藝參數也有很大差別。

              現行的通用工業CT標準中對主要工藝參數的取值給出了指導性原則,但很少給出定量取值方法,導致了操作不便。

              下面,我們就從檢測需求出發,依據采樣理論來看CT檢測中的常用工藝參數應該如何定量取值。

            蔡司工業CT

              基本原則

              工業CT檢測中,CT圖像質量與檢測時間及系統開銷是相關的。因此檢測過程必須要以檢測需求為基礎,制定其他相關的工藝參數。

              在檢測前需要了解以下信息:

              01檢測設備信息:射線源焦點尺寸a,探測器通道尺寸d,以及系統的*佳空間分辨率L。

              02試樣信息:試樣的材料,試樣的*大直徑D,試樣的重量。

              03檢測目的:常見的檢測目的有缺陷檢測、尺寸測量、密度表征、結構分析等。對于缺陷檢測,要確定需要檢出的*小缺陷尺寸Defmin。

              轉臺位置

              對于轉臺位置可以沿射線平行方向移動的系統,源到探測器距離SDD不變,源到轉臺中心距離SOD是可變的。轉臺位置確定了有效射束寬度,轉臺的位置應該在*佳放大倍數Mopt位置,見下式:

              Mopt=1+ (d/a)2 (1)

              從式(1)可以看出,d≪a時,Mopt≈1,此時轉臺的*佳位置越靠近探測器越好,其主要受轉臺尺寸限制。

              d≫a時,Mopt很大,此時轉臺的位置越靠近射線源,分辨率越高,其主要受轉臺尺寸、試樣尺寸和面板尺寸限制,目前微焦面陣探測器CT多工作在此模式下。

              需要注意的是微焦射線源的焦點尺寸通常隨射線源能量的增加而增大,隨著射線源能量的增加,*佳放大倍數會減小。

              重建矩陣和重建范圍

              重建范圍(Re)受到試樣外形尺寸的影響,通常重建范圍可以用下式確定:

              Re =1.5×D (2)

              其即為試樣外形*大尺寸的1.5倍。檢測時應防止試樣未擺放到轉臺中心,造成CT圖像沒有完全包含產品。

              重建矩陣(H×H)用于以一定的精度來量化重建范圍,如圖1所示(圖中圓形區域是重建范圍,圓形區域中的小方格表示重建矩陣),重建范圍固定后,重建矩陣越大,分割試樣空間越精細,能描述的空間分辨率越高。

              像元尺寸p用下式計算:

              p=Re/H (3)

              重建矩陣的取值滿足下式的*接近值:

              H>Re/(2×Defmin) (4)

              根據采樣定理,通常要求像元尺寸p小于要求檢出*小缺陷Defmin的1/2,以保證*小缺陷可以正常地顯示。缺陷是否能顯示出來,還取決于系統的空間分辨率是否能夠優于*小缺陷。

              重建矩陣的大小決定了CT圖像文件的規模,在達到系統*限空間分辨率圖像可正常顯示的條件后,即使再增加圖像矩陣,也不能再增加細節的分辨率,而且還需要更多的硬盤和內存開銷。

              另外顯示器的物理分辨率也在一定程度上限制了圖像細節的顯示,當原始圖像像元尺寸小于顯示器的物理分辨率時,圖像顯示時會被放大,小的噪聲信號也可能被放大到人眼可識別的程度,造成CT圖像背景噪聲增大,而干擾小缺陷的識別;當顯示器完全顯示所有圖像信息時,像素的大小被顯示器的物理分辨率替代,細節特征可能會被丟失。

              焦點尺寸

              對于焦點尺寸可以選擇的X射線源,小焦點具有更高的空間分辨率,但小焦點因為散熱問題,功率較小,射線強度弱,探測器采樣需要更長的積分時間。對于微焦射線源,為了保證試樣的穿透性,需要提高掃描電壓,焦點同時也變大。因此應在保證穿透性和射線強度的前提下,盡量使用小焦點。

              掃描電壓和掃描電流

              掃描電壓決定射線的能量,ISO/DIS 15708-1 Non-destructive Testing - Radiation Methods - Computed Tomography - Part 1: Principle, Equipment and Samples中從信噪比的角度給出了穿透試樣的射線強度占入射射線強度的10%~20%時,信噪比*好的結論。當穿透射線強度太低,會造成噪聲增加,信噪比降低;當穿透射線強度太高時,信號對比度降低,信噪比也降低。也就是說大約穿透2~3個半值層時,信噪比*佳。

              掃描電流確定射線強度,在探測器的線形階段,射線強度越高,信噪比越大。因此在保證探測器不飽和狀態下,掃描電流應盡可能大一些。

              采樣幅數

              對于三代掃描模式,在采樣過程中,探測器通道間隔代表了試樣空間上的徑向采樣頻率,而采樣幅數n表示了圓周方向的采樣頻率。按照采樣定理,n應滿足下式,以避免*大圓周方向上因采樣不足造成噪聲增大的問題。

              2×(3.14×Re)/n

              n>2×M×3.14×Re/Defmin (6)

              式中:M為放大倍數。

              而探測器通道間隔受到了探測器硬件成本的限制,因此很多CT系統通過機械系統微動,增加掃描次數來增加徑向采樣頻率,提高空間分辨率。其是用增加檢測時間來換取檢測精度的方法。

              切片厚度

              對于線陣探測器,切片厚度h由后準直器水平寬度確定。切片厚度決定了z軸方向的分辨率,也影響密度分辨率,切片厚度越小,信噪比越小,圖像噪聲增大,但對薄型缺陷更容易檢出,z方向分辨率越高。從缺陷定量角度分析,切片厚度h滿足下式:

              h≤Defmin (7)

              積分時間

              積分時間的設置主要與射線掃描電流(射線強度)以及掃描時間相關,積分時間的設置要保證探測器采樣信號不飽和。適當增加積分時間可以提高信噪比,但在射線強度嚴重不足時,僅增加積分時間會導致噪聲的增加。因此積分時間的確定要綜合考慮探測器響應參數、射線強度等因素。

              昆山友碩是蔡司工業CT官方授權代理,提供蔡司工業CT,X-RADIA X射線顯微鏡等無損檢測設備的銷售,歡迎您來電咨詢4001500108

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