CT技術(shù)自誕生以來(lái)，首先被用于醫(yī)療診斷與材料檢測(cè)，隨著CT技術(shù)進(jìn)步及測(cè)量精度提高，其應(yīng)用范圍擴(kuò)展到工業(yè)產(chǎn)品測(cè)量領(lǐng)域并逐漸嶄露頭角。

　　對(duì)于傳統(tǒng)接觸式或光學(xué)非接觸式三坐標(biāo)測(cè)量設(shè)備，物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸的無(wú)損測(cè)量是生產(chǎn)實(shí)踐中的難題之一，工業(yè)CT技術(shù)為解決這類難題提供了一種有效的途徑。

　　在工業(yè)測(cè)量領(lǐng)域工業(yè)CT技術(shù)可以無(wú)損地對(duì)產(chǎn)品的內(nèi)外結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行整體測(cè)量：一次工業(yè)CT掃描可同時(shí)完成產(chǎn)品尺寸測(cè)量與材料缺陷評(píng)定過(guò)程；工業(yè)CT測(cè)量過(guò)程不受工件的表面狀況(粗糙度、顏色、曲率)影響；工業(yè)CT測(cè)量獲得的高密度點(diǎn)云可以用于被掃工件體模型內(nèi)外尺寸的整體評(píng)估；工業(yè)CT技術(shù)可以在裝配的狀況下對(duì)物體進(jìn)行測(cè)量，可以用來(lái)進(jìn)行裝配件失效分析，跟蹤工業(yè)產(chǎn)品制造環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制及公差評(píng)定等。

　　一、工業(yè)工業(yè)CT成像原理

　　工業(yè)工業(yè)CT成像過(guò)程包括:射線源產(chǎn)生X射線并穿透被檢樣品，樣品對(duì)射線吸收或散射而發(fā)生衰減，其衰減量由透照樣品厚度及組分決定；射線衰減后入射到探測(cè)器形成二維灰度投影圖像；探測(cè)器采集到不同角度的二維投影圖像；對(duì)投影圖像重建后獲得樣品工業(yè)CT斷層圖像多幅連續(xù)斷層圖像三維重構(gòu)后獲得樣品三維體素模型；三維體數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)閾值分割、邊緣檢測(cè)完成后續(xù)工業(yè)CT數(shù)據(jù)的分析與可視化過(guò)程。

　　綜上所述，一個(gè)完整的工業(yè)工業(yè)CT掃描及數(shù)據(jù)處理過(guò)程包括：投影采集-數(shù)據(jù)重建-邊緣檢測(cè)-數(shù)據(jù)分析。

　　下面我們從工業(yè)CT成像過(guò)程及基本組成出發(fā)，對(duì)可能影響工業(yè)CT性能的因素進(jìn)行分類分析，并對(duì)可能的改進(jìn)工業(yè)CT測(cè)量精度的措施進(jìn)行了總結(jié)。

　　二、工業(yè)CT測(cè)量精度影響因素分析

　　影響工業(yè)CT測(cè)量精度因素眾多，可以歸結(jié)為:系統(tǒng)硬件相關(guān)(射線源、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、探測(cè)器)、軟件和數(shù)據(jù)處理相關(guān)(數(shù)據(jù)重建、闞值分刻、輪魔提取、數(shù)據(jù)校準(zhǔn))、被測(cè)物體(幾何結(jié)構(gòu)、材料)、實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度條件以及操作者。

　　2.1射線源

　　與射線源相關(guān)的影響因素一方面來(lái)自于設(shè)備本身，像靶材、射線能譜、穩(wěn)定性等，另一方面來(lái)自于設(shè)備操作者。射線源關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)包括電壓、電流及焦點(diǎn)尺寸。

　　通常操作者憑借自身經(jīng)驗(yàn)在一定范圍之內(nèi)選擇實(shí)驗(yàn)采用的電壓、電流條件，這就導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果的主觀性以及測(cè)量并非在最佳條件下進(jìn)行。一般來(lái)說(shuō)，電壓越高，射線穿透能力越強(qiáng)；電流越高，射線強(qiáng)度越大，電流加倍僅對(duì)射線強(qiáng)度產(chǎn)生影響，電壓加倍同時(shí)影響射線能量與射線強(qiáng)度。

　　與射線源相關(guān)另一個(gè)重要影響因素是射線源焦點(diǎn)尺寸，根據(jù)射線源焦點(diǎn)尺寸可將射線源分為納焦點(diǎn)(S1pm)、微焦點(diǎn)(1~200pm)、常規(guī)焦點(diǎn)(2200pm)射線源。焦點(diǎn)尺寸越小，成像圖像邊緣越銳利，射線源焦點(diǎn)尺寸變大會(huì)由于半影效應(yīng)導(dǎo)致成像圖像模糊。相同倍數(shù)下，焦點(diǎn)尺寸越小，成像效果越銳利，但是小焦點(diǎn)帶來(lái)的局部熱量集中會(huì)導(dǎo)致靶材過(guò)熱甚至被擊穿，這就限制了微焦點(diǎn)射線源能量在較低范圍，目前的微焦點(diǎn)X光機(jī)的射線能量一般低于225kv。

　　射線源、樣品、探測(cè)器之間的位置關(guān)系對(duì)工業(yè)CT測(cè)量精度有重大影響。樣品位置越靠近射線源意味著放大倍數(shù)越大，相應(yīng)的在探測(cè)器上更多的像素被使用，從理論上會(huì)提高空間分辨率。但是與此同時(shí)半影效應(yīng)帶來(lái)成像圖像邊緣模糊抵消了這一效果。在錐束工業(yè)CT重建對(duì)射線源、樣品與探測(cè)器之間水平偏移極其敏感，水平偏移可以通過(guò)“細(xì)琴弦方法”加以校正”。

　　2.2軟件與數(shù)據(jù)處理相關(guān)因素

　　對(duì)工業(yè)CT數(shù)據(jù)圖像處理包括兩個(gè)主要過(guò)程:

　　(1)采集投影圖像，從二維投影數(shù)據(jù)重建生成三維體素模型:

　　(2)對(duì)三維模型經(jīng)過(guò)邊緣檢測(cè)、閾值化分割完成后續(xù)測(cè)量過(guò)程。

　　目前工業(yè)工業(yè)CT數(shù)據(jù)的重建目前多采用經(jīng)典FDK方法進(jìn)行，對(duì)于圖像邊緣檢測(cè)、結(jié)構(gòu)分制多來(lái)用基于闕值的方法進(jìn)行。其中最主要的影響因素來(lái)自于射線硬化及射線散射帶來(lái)的。這些偽影如果不經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)男Ｕ�，�?huì)導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠性降低。

　　三、工業(yè)工業(yè)CT測(cè)量精度提高途徑

　　前面我們簡(jiǎn)單總結(jié)了影響工業(yè)CT性能的主要因素。在本節(jié)中我們將針對(duì)這些因素，從系統(tǒng)硬件和軟件處理兩方面給出相應(yīng)的改進(jìn)措施來(lái)提高工業(yè)CT測(cè)量精度。

　　3.1改進(jìn)工業(yè)CT系統(tǒng)硬件性能

　　硬件性能的提高主要取決于設(shè)備制造商對(duì)系統(tǒng)的持續(xù)改進(jìn)。對(duì)于設(shè)備操作者來(lái)說(shuō)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要對(duì)工業(yè)CT系統(tǒng)配備的射線源和探測(cè)器的指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行關(guān)注，像探測(cè)器的探元尺寸、信噪比、動(dòng)態(tài)范圍:射線源的焦點(diǎn)尺寸、最大電壓、最大電流及功率等:轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)精度及運(yùn)動(dòng)方式(步進(jìn)或連續(xù))等。其他諸如系統(tǒng)是否選用花崗巖基座、空氣軸承、伺服電機(jī)作為系統(tǒng)部件，也是為確保工業(yè)CT系統(tǒng)擁有高運(yùn)動(dòng)精度及穩(wěn)定性而采取的硬件改進(jìn)措施。

　　3.2提高工業(yè)CT軟件及數(shù)據(jù)后處理能力

　　工業(yè)CT數(shù)據(jù)后處理指重建后的三維體數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)軟件處理，由灰度圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在這一過(guò)程之中，主要的誤差來(lái)源是1、邊界闕值的選擇；2、校準(zhǔn)標(biāo)尺的確定。

　　工業(yè)CT重建之后獲得物體三維體模型，在對(duì)這一數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)測(cè)量之前，首先需要選擇適當(dāng)?shù)年I值來(lái)分割材料與空氣或不同材料之間的邊界，也就是所謂的闕值分割。傳統(tǒng)的闕值分割算法使用IS050%方法確定材料邊緣，即在圖像灰度直方圖上選擇空氣與材料峰值之間中間位置作為物質(zhì)邊緣，但這種方法易受圖像質(zhì)量影響而誤差較大。因此通過(guò)改進(jìn)邊緣檢測(cè)算法，使用基于實(shí)際表面的邊緣檢測(cè)算法，通過(guò)搜索圖像法向方向像素變化，被證明確實(shí)可以提高邊緣檢測(cè)的精度。

　　前面我們介紹過(guò)對(duì)重建過(guò)程不利影響的兩個(gè)主要因素:射線硬化和散射輻射:減弱射線硬化影響可以通過(guò)在數(shù)據(jù)采集時(shí)放置前置濾波板來(lái)調(diào)節(jié)，也可以通過(guò)后續(xù)硬化校正算法來(lái)改善。采用多項(xiàng)式擬合方法來(lái)校正硬化偽影，校正后硬化偽影得到有效控制。

　　3.3優(yōu)化工業(yè)CT掃描參數(shù)選擇

　　工業(yè)工業(yè)CT掃描時(shí)，參數(shù)的選擇和設(shè)定直接影響到X射線的成像質(zhì)量和檢測(cè)結(jié)果。在實(shí)際X射線檢測(cè)過(guò)程中，從實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備到獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果一般需要較長(zhǎng)的時(shí)間，當(dāng)研究某一參數(shù)對(duì)成像質(zhì)量的影響時(shí)，往往需要反復(fù)調(diào)整參數(shù)，整個(gè)調(diào)整過(guò)程耗時(shí)、耗力。特別是在對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、笨重的產(chǎn)品檢測(cè)時(shí)尤為突出。同時(shí)操作者往往憑借自身經(jīng)驗(yàn)選擇實(shí)驗(yàn)參數(shù)組合，獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果往往是主觀的和非最優(yōu)的。可以通過(guò)X射線仿真工具模擬參數(shù)變化對(duì)工業(yè)CT成像的影響，模擬真實(shí)檢測(cè)過(guò)程，調(diào)整參數(shù)設(shè)置以獲得最佳的檢測(cè)效果，從而得到優(yōu)化的檢測(cè)方案，大大縮短檢測(cè)周期。

　　通過(guò)X射線仿真工具模擬真實(shí)檢測(cè)過(guò)程，通過(guò)讀取被檢樣品CAD文件獲取工件的三維結(jié)構(gòu)信息，在不需要真實(shí)工件的情況下，仿真模擬X射線檢測(cè)工件過(guò)程，獲得工件的X射線仿真圖像。

　　通過(guò)仿真程序可以快速獲得不同參數(shù)條件下可檢測(cè)的最小缺陷尺寸。改變掃描電壓、電流組合，工件內(nèi)部暗色缺陷從無(wú)到有，可以清晰直觀的對(duì)投影圖像的缺陷檢出能力進(jìn)行判斷，進(jìn)而優(yōu)化采集參數(shù)設(shè)置。

　　3.4通過(guò)使用標(biāo)準(zhǔn)模體降低測(cè)量系統(tǒng)誤差

　　通過(guò)使用特定結(jié)構(gòu)及材質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)模體，一方面可以用來(lái)研究工業(yè)工業(yè)CT測(cè)量特性:也可以通過(guò)對(duì)已知尺寸模體的測(cè)量將工業(yè)CT圖像測(cè)量結(jié)果(像素)轉(zhuǎn)換為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量單位(m)，建立工業(yè)工業(yè)CT量值源流程也可以作為公認(rèn)模體實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備之間測(cè)量精度的比較，或CT系統(tǒng)與傳統(tǒng)CMM設(shè)備測(cè)量精度的比較，建立工業(yè)測(cè)試不確定度，推動(dòng)工業(yè)CT測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程。

　　3.5通過(guò)與傳統(tǒng)測(cè)量方法的配合使用提高工業(yè)CT測(cè)量精度

　　傳統(tǒng)工業(yè)測(cè)量方法像接觸式三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x只能夠測(cè)量復(fù)雜曲面上有限的點(diǎn)，不能完整反映出曲面的形狀，雖然其單點(diǎn)測(cè)量精度較高但用有限的點(diǎn)去描述復(fù)雜曲面反而導(dǎo)致整體精度降低。而工業(yè)工業(yè)CT等光學(xué)測(cè)量法恰恰相反，非常適合于需要大規(guī)模測(cè)量點(diǎn)的自由曲面和復(fù)雜曲面的數(shù)字化。

　　通過(guò)使用精度更高的光學(xué)掃描儀對(duì)樣品進(jìn)行外部尺寸測(cè)量，利用傳統(tǒng)CMM設(shè)備測(cè)量外部尺寸精度更高的優(yōu)勢(shì)。來(lái)校正工業(yè)CT測(cè)量結(jié)果。這一方法結(jié)合了工業(yè)CT無(wú)損測(cè)量物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)手段測(cè)量外部精度更高的優(yōu)勢(shì)，在實(shí)際應(yīng)用中確實(shí)提高了工業(yè)CT測(cè)量精度。

　　通過(guò)在工業(yè)CT系統(tǒng)上集成了其他測(cè)量裝置(像光學(xué))，使得在一臺(tái)工業(yè)CT設(shè)備上可以同時(shí)完成工業(yè)CT測(cè)量和光學(xué)測(cè)最，將工業(yè)CT真正變?yōu)橐环N專用的非接觸工業(yè)測(cè)量設(shè)備這一系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)。通過(guò)融合光學(xué)測(cè)量和工業(yè)CT測(cè)量數(shù)據(jù)可以增強(qiáng)系統(tǒng)測(cè)量精度2可以方便將工業(yè)CT掃描與傳統(tǒng)光學(xué)掃描數(shù)據(jù)直接比較進(jìn)行測(cè)量誤差分析。

　　結(jié)果與討論

　　本文首先列舉了影響工業(yè)CT測(cè)量精度的因素，對(duì)工業(yè)CT測(cè)量中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行歸類分析，并針對(duì)這些影響因素提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施，分別從硬件、軟件、參數(shù)選擇方面進(jìn)行了優(yōu)化。綜上所述一臺(tái)高精度的工業(yè)CT測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)有以下特點(diǎn):

　　(1)更高的射線管電壓和功率、更小的焦點(diǎn)。

　　(2)重大的動(dòng)本范圍和探測(cè)器像素尺寸。

　　(3)更高的機(jī)械系統(tǒng)精度和運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性(運(yùn)動(dòng)偽影及承載力)。

　　(4)具有工業(yè)CT系統(tǒng)幾何參數(shù)校正及測(cè)量精度驗(yàn)證模體。

　　(5)具有濾波降噪、偽影校正功能的數(shù)據(jù)重建軟件。

　　(6)具有專用工業(yè)CT尺寸測(cè)量軟件。