工業(yè)計算機(jī)斷層掃描(工業(yè)CT)使用X射線來對工件的內(nèi)外部結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維掃描與再現(xiàn)。工業(yè)CT掃描已經(jīng)越來越多地應(yīng)用到零件的內(nèi)外部檢測中挠氛，典型的應(yīng)用如材料缺陷檢測民议、失效形式分析、幾何與形位公差測量淡榕、裝配分析與逆向工程等迂腔。[1][2]

市場上現(xiàn)有的工業(yè)CT系統(tǒng)其設(shè)計理念不盡相同，造成其性能也有所差異允悦。使用者應(yīng)該著眼于自身的使用要求膝擂，對被測工件和測量任務(wù)加以分析，才能選擇一款合適的工業(yè)CT系統(tǒng)隙弛。在選擇過程中架馋，使用者應(yīng)把握一些CT系統(tǒng)的關(guān)鍵要素，這能幫助使用者更好地找到一款性價比出色的CT設(shè)備全闷。

圖1. 選擇工業(yè)CT系統(tǒng)的關(guān)鍵要素

當(dāng)選擇工業(yè)CT系統(tǒng)時叉寂，使用者容易對一些概念有所誤解，由此對工業(yè)CT的性能產(chǎn)生了某些不切實際的期望总珠。工業(yè)CT是一個非常復(fù)雜的系統(tǒng)办绝，有很多系統(tǒng)參數(shù)對性能的影響是互相關(guān)聯(lián)與制約的。

在所有的參數(shù)中姚淆，最為典型的一對互相制約因素是工件尺寸與空間像素分辨率孕蝉。人們總是期望即使是掃描大零件的時候也能獲得高分辨率，但如前所述腌逢，這一對參數(shù)相互制約的特性降淮，使之無法同時達(dá)到最佳值。

圖2. 空間像素點大小與數(shù)據(jù)量大小的關(guān)系

空間像素又稱為體素缓冷，表征了一個CT系統(tǒng)能夠重現(xiàn)的最小空間單元铝三。如圖2所示，當(dāng)空間像素尺寸減小一半時即倦，其體積縮小到僅為原來的1/8羹浪。換句話說暑礼，對于同一零件，如果將200μm的體素分辨率提高到100μm 雀司，會導(dǎo)致數(shù)據(jù)量變?yōu)樵瓉淼?倍硅拆。

因此，較大的零件尺寸與較高的分辨率之間的矛盾就在于此奉念，兩者同時滿足的情況下會產(chǎn)生過大的數(shù)據(jù)量導(dǎo)致無法處理栗衍。

在談及分辨率時，用戶非常容易會被產(chǎn)品手冊或是CT生產(chǎn)廠家所謂的“最高分辨率”誤導(dǎo)鹿竭。這個概念僅僅是一個理論上能夠達(dá)到的數(shù)字丽阎，但對于絕大多數(shù)的應(yīng)用是不切實際的。要達(dá)到這一理論數(shù)字胜溢，工件必須被置于離X射線管非常近的地方谴垫，以獲得非常大的幾何放大倍數(shù)。在這一情況下母蛛，零件的尺寸被大大限制弹渔，通常情況下僅為1~2 mm (如圖3所示)。隨著零件尺寸的增加溯祸，幾何放大倍數(shù)與分辨率也會隨之迅速下降肢专。

圖3. R工件尺寸與位置的關(guān)系

因此，基于工件本身以及具體的測量要求來進(jìn)行合理選擇顯得尤為重要焦辅。出于不同的設(shè)計理念博杖，工業(yè)CT系統(tǒng)最終會有許多不同之處，例如機(jī)型尺寸筷登、有無放大軸剃根、閉合管/開放管、探測器像素尺寸等等前方。所有這些系統(tǒng)參數(shù)都會對CT系統(tǒng)的性能產(chǎn)生非常大的影響狈醉。

1. X射線利用率

首先，CT系統(tǒng)的設(shè)計是否緊湊是一個至關(guān)重要的因素惠险。[3] 這不僅僅影響機(jī)型的大小苗傅，更重要的是它決定了X射線的利用率。眾所周知燎拟，X射線（光子）會隨著傳播距離的增加而衰減靶疟，并且基本上遵循衰減與距離的平方成反比的規(guī)律，如圖4所示享秒。[4] 換言之脂桂，X射線源與探測器之間的距離越長，X射線的利用率就越低。因此港驶，將CT系統(tǒng)設(shè)計得越緊湊越好是首要的原則之一鳞乏。

圖4. X射線數(shù)案件與距離的關(guān)系

2. 高功率

X射線管有兩個關(guān)鍵參數(shù)：電壓與功率。一般來說滨靴，人們會比較多地關(guān)注電壓绝绊，而忽略了高功率所帶來的好處。誠然垮袭，更高的電壓能夠產(chǎn)生更高能量的X射線驻碉，從而從一個方面提高了射線的品味摆抑。實際上转砖，從X射線管發(fā)出的射線具有連續(xù)的能量譜，同時包含了高能和低能的射線鲸伴。[5]

圖5. X射線管發(fā)出的X射線能譜

低能射線部分其實并不能很好地穿透材料府蔗，或是根本不能。反而汞窗，低能射線會引起“射線硬化”而極大地?fù)p害圖像質(zhì)量姓赤。[3] 這一現(xiàn)象在掃描較“重”或是厚度較大的材料是尤為嚴(yán)重。為了除去射線中的低能部分仲吏，會在工件之前放置射線過濾片不铆。過濾片的作用是阻擋低能射線，但同時會降低圖像的亮度裹唆。如果X射線管不能提供足夠的功率誓斥，那就不得不犧牲圖像的亮度或是忍受較高的圖像噪聲，從而降低掃描質(zhì)量许帐。這樣的話高功率射線管帶來的好處就顯而易見了劳坑，高品味的X射線可以通過過濾來獲得，同時又不降低圖像亮度成畦，從而保證了能夠得到較高的掃描質(zhì)量距芬。

3. X射線管類型

“眾所周知，轟擊陽極金屬靶的電子束99%以上的動能最終都會以熱量的形式而損失掉堆浴≌浯撸”[6] 舉例來說，一個功率50W的X射線管會在能量轉(zhuǎn)換的過程中散發(fā)約49.8W的熱哭逻。眾所周知叔人，材料會隨著溫度的上升而產(chǎn)生膨脹。如果要獲得高精度和高重復(fù)性的檢測結(jié)果阿席，溫度變化是最大的負(fù)面因素伍奏，尤其是對于尺寸與形位公差測量。因此，如何處理/傳導(dǎo)X射線管產(chǎn)生的熱量是一個很重要的議題肿蚂。

X射線管的設(shè)計有兩種形式：開放管和閉合管啊衣。當(dāng)選擇X射線管形式時，要注意幾個方面的因素措找，第一個是射線管的熱量傳導(dǎo)糖追。開放管顧名思義是開放式的，“這種技術(shù)要求在射線管內(nèi)建立一定的真空度蝗羊，利用兩級真空泵不間斷地運(yùn)行來維持真空藏澳。”[7] 在這個過程中耀找，大量的熱量從射線管被轉(zhuǎn)移到工作艙內(nèi)翔悠。在某型情況下，工作艙內(nèi)的溫度甚至可高達(dá)60~70℃野芒。而在閉合管上蓄愁，熱量由于被封閉在管內(nèi)，不容易轉(zhuǎn)移到工作艙內(nèi)狞悲。而進(jìn)一步配以合適的冷卻系統(tǒng)（根據(jù)功率高低采用空冷或液冷）撮抓，這一問題會得到較好的解決。

第二個問題在于摇锋，由于開放管內(nèi)真空度不夠丹拯，會容易導(dǎo)致燈絲的過早失效≥┧。“在某些系統(tǒng)上乖酬，甚至每100小時就需要更換一次燈絲，以防止其失效卤檐×趴”[7] 由于射線管的維護(hù)是一個復(fù)雜的過程，需要花費較長時間且存在多個潛在的問題迟铺∈佑＃“首先，射線管內(nèi)部必須保證絕對干凈舅狭，來防止在X射線發(fā)生的過程中高電壓可能產(chǎn)生的電弧哼曙。其次，維護(hù)工作必須由一個有經(jīng)驗的工程師來進(jìn)行秸严，且維護(hù)后需花費一定時間來重建管內(nèi)的真空度液互。如果維護(hù)不當(dāng)，容易損壞燈絲或其它部件恍肢，由此造成進(jìn)一步的維護(hù)工作及可能產(chǎn)生的損壞匈歼。”“由于必須24/7維持真空度，防止外來微塵被吸入射線管內(nèi)飞校，任何斷電或是關(guān)機(jī)操作都會造成一定問題阅酪。最好的狀況是花費一定時間來重建管內(nèi)真空環(huán)境；而最壞的狀況是管壁被污染汁针∈醴”[7] 相比開放管，閉合管能夠一直工作在較高的真空度狀態(tài)下施无，因此其工作壽命要長許多辉词，且無需對射線管進(jìn)行過多維護(hù)。但是猾骡，閉合管一旦損壞瑞躺，一般來說需要進(jìn)行更換。

4. 分辨率

當(dāng)談到工業(yè)CT時卓练，“分辨率”是最多被提及的一個概念隘蝎。實際上购啄，分辨率要進(jìn)一步細(xì)分為空間分辨率和密度分辨率襟企。

空間分辨率 - 毫無疑問，空間分辨率是最為重要的系統(tǒng)參數(shù)之一狮含，它表征了系統(tǒng)能夠分辨細(xì)小物體的能力顽悼。實際上，空間分辨率是由X射線管和探測器兩者相結(jié)合所決定的甸持。下圖顯示了一個CT系統(tǒng)的簡化模型：

圖6. 參數(shù)a, d, A, B對空間分辨率的影響

我們可以計算一個CT系統(tǒng)的等效束寬（BW）來評價其空間分辨率孝仅，它決定了這個CT系統(tǒng)能夠最終達(dá)到的分辨率高低。BW可以通過下面的公式來近似計算得出[3]:

在（1）式中珊娩，
a = X射線管焦點尺寸
d = 探測器像素尺寸
A = D/L
B = S/L

由以上公式我們可以得出結(jié)論逊参，X射線管的焦點尺寸和探測器的像素尺寸兩者都會對系統(tǒng)的空間分辨率產(chǎn)生影響≡尾疲縮小焦點尺寸和像素尺寸都可以提高系統(tǒng)的分辨率洪铣。但是基于不同的系統(tǒng)設(shè)計理念，兩者在其中的重要性各有區(qū)別姿味。如果僅僅通過追求縮小焦點尺寸來提高分辨率学和，這種方法是不科學(xué)的，同時也會給實際應(yīng)用帶來不便之處掘写。

當(dāng)載物臺（工件）比較靠近X射線管時袋滔，A = D/L的值會比較大。在這種情況下碘父，較小的焦點尺寸會對提高分辨率有更明顯的效果缩旬。但在另一方面，較小的焦點意味著X射線管的功率也會相應(yīng)降低。如前所述初肉，較低的功率會極大限制工件的尺寸與材料屈芜。換言之，較低的功率會造成圖像質(zhì)量降低朴译。

讓我們來看一下另一種系統(tǒng)設(shè)計井佑。當(dāng)載物臺比較靠近探測器時，A的值會變得較小眠寿，而B = S/L的值則會變得較大躬翁。在這種情況下，射線管焦點尺寸對于提高分辨率來說就顯得不那么重要盯拱，而探測器像素尺寸則會起到更大的作用盒发。這類系統(tǒng)設(shè)計能夠保持大功率射線管帶來的優(yōu)勢，同時又可以獲得較好的空間分辨率狡逢。

密度分辨率 - 探測器的密度分辨率宁舰，或成為動態(tài)特性，是除了像素尺寸以外的另一個十分重要的參數(shù)奢浑，尤其是對于材料缺陷檢測這類應(yīng)用捅我。[3] 它決定了一款探測器能夠探測材料內(nèi)部密度微小變化的能力。相比14位探測器（214階灰度）鹤叹，一款16位（216階灰度）探測器能夠分辨4倍之多的不同灰度變化灿打。換言之，高位數(shù)的探測器能夠更好地將圖像中的噪聲和有用信息加以區(qū)分父历。

5. 工件尺寸與系統(tǒng)設(shè)計

由于系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)盡可能緊湊杏兰，來獲取更高的射線利用率和更佳的圖像質(zhì)量，因此必須結(jié)合不同的工件尺寸來考慮機(jī)器的尺寸斩却。零件尺寸不外乎三種情形：小秀毡、大或是兩者兼有。

情形1 - 當(dāng)使用者只有尺寸較大的工件時召摔，合理的CT系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)該考慮采用像素尺寸較為精細(xì)的探測器智精，加上位置固定的載物臺。有些CT系統(tǒng)設(shè)計在X射線管和探測器之間有一根移動軸秤歼，這根軸用來在掃描小工件時獲得較高的幾何放大倍數(shù)签孤，也稱放大軸。但是限于探測器尺寸射桅，較大的工件只能置于比較靠近探測器的位置上份殿。在這種情況下，移動軸就顯得有些多余嗽交，它只會造成機(jī)器尺寸增大并降低射線利用率卿嘲。固定式載物臺且靠近探測器的設(shè)計颂斜，意味著探測器像素尺寸會對空間分辨率起到?jīng)Q定性作用，因此將醫(yī)用探測器（通常像素尺寸為200~400μm）應(yīng)用到工業(yè)CT上就顯得不合適拾枣。在這種情況下沃疮，應(yīng)該使用特別為工業(yè)CT設(shè)計的探測器（像素尺寸小于100μm或更精細(xì)）來保證較好的分辨率。

情形2 – 當(dāng)工件尺寸較小時梅肤，相對而言對于分辨率的要求會提高司蔬。因此，通過放大軸來獲取額外的幾何放大倍率就顯得有必要姨蝴。在這種情況下俊啼，像素尺寸和焦點尺寸兩者都對最終的空間分辨率有很大影響。由于較小的焦點尺寸會極大限制X射線的能量級別左医，因此在高分辨率機(jī)型上高能量X射線管并不適用授帕。鑒于這一點，盡可能提高射線利用率顯得尤為重要男鳞。從另一角度來說嫌寓，緊湊的系統(tǒng)設(shè)計才能保證較好的掃描質(zhì)量。

在另一方面拣壮，X射線管是一個CT系統(tǒng)中最為最為重要虎北，同時也最為昂貴的部件之一。對于檢測小尺寸工件來說下碗，高能量射線管和大尺寸機(jī)器既不實用也不經(jīng)濟(jì)谚熙。

情形3 - 在某些情況下举影，工件種類繁多僵棍，尺寸和材料都不盡相同。這是對CT系統(tǒng)設(shè)計的極大挑戰(zhàn)板散。為了更好的掃描不同工件癞屹，有的時候CT系統(tǒng)甚至需要雙射線管/雙探測器的設(shè)計方案。但總體上CT系統(tǒng)的設(shè)計還是有規(guī)律可循的愤芝。首要的原則還是盡可能將系統(tǒng)設(shè)計得盡可能緊湊嫁料，任何其它方面好的設(shè)計給系統(tǒng)帶來的性能提升都會輕易被射線利用率低（圖像質(zhì)量低）而消于無形。其次昆淡，不應(yīng)該追求過高的幾何放大倍數(shù)锰瘸，其原因在于圖像放大始終伴隨著誤差放大，任何圖像中的幾何誤差都會同時被放大昂灵。而且避凝，較高的幾何放大倍數(shù)會導(dǎo)致放大軸較長，由此使得機(jī)器尺寸也增加眨补。第三管削，要達(dá)到高分辨率應(yīng)更多依賴于精細(xì)的像素尺寸倒脓，而不是更小的焦點尺寸。因為焦點尺寸會限制X射線的能量含思，給實際應(yīng)用帶來諸多局限性崎弃。

6. 軟件功能

最后也是非常重要的一點，軟件對于工業(yè)CT系統(tǒng)的最終性能也起到了非常重要的作用含潘。從圖像獲取饲做、探測器數(shù)據(jù)讀出、A/D轉(zhuǎn)換遏弱、三維重建到數(shù)據(jù)評價艇炎，每一步都包含了復(fù)雜的算法和大量的計算。好的軟件能夠使系統(tǒng)各個部件很好地協(xié)同工作尺动，并發(fā)揮出系統(tǒng)的最佳性能拼仆。工業(yè)CT的硬件決定了這個系統(tǒng)理論上的性能極限，而軟件則決定了系統(tǒng)最終達(dá)到的實際性能拨喝。由于工業(yè)CT系統(tǒng)越來越多地用于幾何尺寸與形位公差測量撑停，測量軟件的選擇也成為了一個關(guān)鍵因素。對于幾何尺寸與形位公差測量故厕，其要求不同于其它檢測适唆，只有經(jīng)過專業(yè)機(jī)構(gòu)認(rèn)證的測量軟件才能保證可靠的測量結(jié)果。

總而言之萧揩，工業(yè)CT系統(tǒng)的選擇必須從實際需求觸發(fā)榛娶，系統(tǒng)各部件的合理搭配才能保證良好的系統(tǒng)性能，以及合理的價格和使用成本泊鹿。

參考文獻(xiàn)

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[2] Woods, Susan. "3-D CT inspection offers a full view of microparts", Nov. 1, 2010.
[3] 張朝宗堰漾，清華大學(xué)，“工業(yè)CT技術(shù)參數(shù)對性能指標(biāo)的影響”蒙棱，2007年3月
[4] 王同權(quán)等就餐，國防科技大學(xué)，“X射線的衰減與能量沉積計算”故觅，原子能科學(xué)技術(shù)厂庇，2007年7月
[5] Grundlagen der R?ntgendiagnostik (Version vom 6. M?rz 2008)
[6] X-Ray Technology, Inc. “How Long will my X-Ray Tube Last?” 14th. October, 2003
[7] Igmar Grewar & Keith Bryant, Advances in X-ray tube technology

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