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工業(yè)CT檢測結(jié)果的影響因素及質(zhì)量保證方法
工業(yè)CT（計算機斷層掃描）作為一種*無損檢測技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航空、航天、國防等領(lǐng)域，這些領(lǐng)域?qū)Ξa(chǎn)品的質(zhì)量要求較為嚴格，產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、有無缺陷以及缺陷的類型與大小直接影響對產(chǎn)品合格與否的判定。
工業(yè)CT需要檢測人員具備較強的專業(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檢測結(jié)果的準確性。因此，有針對性地建立和完善工業(yè)CT實驗室質(zhì)量保證措施，對保障工業(yè)CT結(jié)果的準確性和提升產(chǎn)品的質(zhì)量有重要的意義。
1.
工業(yè)CT檢測結(jié)果的影響因素
CT檢測結(jié)果主要來源于CT圖像提供的正常或異常信息，優(yōu)質(zhì)CT圖像是檢測結(jié)果準確性的前提條件，而影響CT圖像質(zhì)量的主要因素包括三方面，即空間分辨率、密度分辨率和偽像。實驗室若想得到高質(zhì)量的CT圖像，需對以上三個因素進行把控，下面主要分析影響空間分辨率、密度分辨率和偽像的因素。
01
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節(jié)的能力，定量表示為能分辨兩個細節(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：
式中：WB為有效射束寬度；a為射線源焦點尺寸；d為探測器孔徑；M為幾何放大倍數(shù)，M=L/q；L為射線源至探測器的距離；q為射線源至試件的距離。
由上式可以看出，影響空間分辨率的主要因素如下：
(1)
探測器孔徑的尺寸，孔徑越窄，幾何放大倍數(shù)越大，空間分辨率就越高。
射線源焦點尺寸，焦點較小的X線管產(chǎn)生的X射線較窄，可獲得較高的空間分辨率。
(2)
(3)
射線源至探測器距離一般為定值。
射線源至試件距離存在一個最佳距離，能使WB獲得最小值。
(4)
除此之外，以下因素也會影響空間分辨率：
(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。
X射線劑量、矩陣、層厚、像素大小、掃描裝置噪聲等對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，低對比分辨率就會降低。
(2)
02
密度分辨率
密度分辨率，又稱為低對比度分辨率，是系統(tǒng)分辨給定物體斷層截面射線衰減系數(shù)差別(對比度)的能力。定量表示為給定面積上能夠分辨的細節(jié)與基體材料的最小對比度。密度分辨率可表示為：
式中：ΔP為像素寬度；C為經(jīng)驗系數(shù)；σ為CT圖像噪聲；D為被觀測細節(jié)（缺陷）的尺寸；μb為細節(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)。
由上式可見，密度分辨率的影響因素有圖像噪聲、像素寬度、經(jīng)驗系數(shù)等，其中，影響CT系統(tǒng)密度分辨率的一個重要因素是系統(tǒng)噪聲，噪聲增大，CT系統(tǒng)能夠分辨的最小物體對比度也增大。
03
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，測量過程中的一系列誤差都可能造成測量數(shù)據(jù)的不一致，從而引起偽像，如機械系統(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，特別要說明的是掃描工藝不適當(dāng)時會產(chǎn)生嚴重的偽像，因此檢測人員是否有充足的經(jīng)驗也是偽像產(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)的無損檢測方法有一定的區(qū)別，根據(jù)第1節(jié)的分析可知，CT檢測結(jié)果受各參數(shù)影響，且CT圖像一般要求呈現(xiàn)被檢測物的微小細節(jié)，因此對檢測設(shè)備的各項參數(shù)精度要求較高。工業(yè)CT對檢測人員技能有特殊要求，檢測人員經(jīng)驗是否充足也會影響工業(yè)CT的檢測結(jié)果。
筆者主要從控制檢測設(shè)備、檢測人員、檢測過程等方面對質(zhì)量保證方法進行詳細分析，提出相適應(yīng)的質(zhì)量保證方法，從而確保檢測結(jié)果的準確性。
01
檢測設(shè)備
檢測設(shè)備的精度、性能、狀態(tài)是影響檢測結(jié)果關(guān)鍵的因素，設(shè)備精度不滿足要求、系統(tǒng)性能不達標、運行不正常會導(dǎo)致后續(xù)一系列的操作和分析結(jié)果出現(xiàn)誤差，因此實驗室應(yīng)保證設(shè)備精度能夠滿足日常檢測工作的需求并確保持續(xù)有效。
明確設(shè)備采購與驗收的技術(shù)要求
實驗室在設(shè)備采購之前應(yīng)有明確的技術(shù)要求，需要關(guān)注射線源的指標、探測器指標、數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)指標、機械系統(tǒng)指標、重建及可視化系統(tǒng)指標等技術(shù)要求，應(yīng)根據(jù)實際工作的需求設(shè)定每項指標的技術(shù)要求，并按照前期技術(shù)要求進行驗收確認。
(2)
實施設(shè)備校準或核查
設(shè)備的校準是保證檢測結(jié)果準確性的重要前提和基礎(chǔ)保障，也是保證檢測結(jié)果準確性的主要手段。要確保檢測設(shè)備狀態(tài)是否符合要求，需對檢測設(shè)備進行校準，避免設(shè)備使用中產(chǎn)生誤差。目前工業(yè)CT設(shè)備沒有統(tǒng)一的校準方法，實驗室可采用核查空間分辨率、密度分辨來驗證系統(tǒng)性能，標準GB/T 29070—2012《無損檢測 工業(yè)計算機層析成像（CT）檢測 通用要求》對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)進行性能檢測，必要時需要重新對空間分辨率、密度分辨率進行核查，以確保圖片質(zhì)量的可信度。
(3)
定期維護與保養(yǎng)
隨著設(shè)備使用頻率加大，設(shè)備使用過程中會出現(xiàn)故障，也會老化，不注重設(shè)備的維護與保養(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，最終影響檢測結(jié)果。定期對設(shè)備進行維護與保養(yǎng)尤為重要，實驗室可參照表1制定工業(yè)CT設(shè)備維護保養(yǎng)計劃。
表1 工業(yè)CT設(shè)備維護保養(yǎng)周期示例
維護對象 | ||
每日 | 設(shè)備運行系統(tǒng) | 目視檢查防輻射掩體、機械損壞等 目視檢查防輻射掩體 X射線功能是否正常 安全回路檢查 目視檢查X射線管窗口狀態(tài) |
每周 | 射線管的靶 | 旋轉(zhuǎn)靶 |
電纜 | 檢查電纜是否損壞、接地連接是否正常，必要時更換 | |
工作臺界面 | 用輕質(zhì)油膜保護工作臺界面，以防生銹 | |
X射線管道中的沉淀物 | 清理沉淀物、必要時更換 | |
每三個月 | 高壓電纜、軟管、線 | 檢查軟管、線是否連接、扭結(jié)、損壞或泄漏 檢查管子和高壓發(fā)生器上的高壓電纜連接是否正常 打開高壓連接器，干凈、均勻地涂硅脂并以正確的壓力安裝 |
X射線管的冷卻裝置 | 檢查冷卻液液位，必要時加滿冷卻液 | |
每年 | 安全按鈕 | 檢查活動和功能 |
門 | 檢查位置是否正確、是否存在間隙；清理污漬、潤滑 | |
機械手，導(dǎo)向架和主軸驅(qū)動器 | 清潔污漬、潤滑 |
02
檢測環(huán)境
工業(yè)CT設(shè)備的關(guān)鍵參數(shù)精度要求高，環(huán)境對關(guān)鍵參數(shù)有不可忽略的影響，因此，實驗室需要對檢測環(huán)境進行控制。實驗室檢測溫度應(yīng)控制在4~24 ℃，濕度控制在40%~60%，檢測室應(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)換氣每小時不少于兩次。
03
檢測人員
相對于常規(guī)的無損檢測技術(shù)，工業(yè)CT檢測技術(shù)對人員的要求更為嚴格，實驗室也應(yīng)更為注重采取質(zhì)量保證措施保證檢測人員能力，這是保證檢測結(jié)果直接和重要的影響因素。
檢測人員應(yīng)有基礎(chǔ)的專業(yè)知識儲備與綜合判斷能力，應(yīng)為材料、無損檢測相關(guān)專業(yè)或有相關(guān)經(jīng)驗的技術(shù)人員，應(yīng)具備計算機軟件的基本知識，熟悉使用計算機及圖像處理程序。操作人員應(yīng)持有工業(yè)CT資格證書，并保持持續(xù)的培訓(xùn)學(xué)習(xí)，對新材料、新工藝、新產(chǎn)品有一定的認知水平后，才能更好地為后期檢測參數(shù)的選擇、設(shè)定、數(shù)據(jù)處理奠定基礎(chǔ)，如對偽像的分析處理，需要人員有充足的經(jīng)驗。實驗室應(yīng)制定人員日常監(jiān)督計劃，及時發(fā)現(xiàn)檢測過程中存在的不合規(guī)現(xiàn)象或錯誤操作問題，從而采取相關(guān)的糾正及預(yù)防措施。
04
檢測過程
檢測過程對檢測結(jié)果的影響至關(guān)重要，工業(yè)CT檢測流程圖如圖1所示，檢測過程中每個環(huán)節(jié)都會直接影響檢測結(jié)果，下面從較為重要的流程來分析質(zhì)量控制的措施。
圖1 工業(yè)CT檢測流程圖
(1)
熟悉檢測標準與樣品
檢測標準是檢測人員實施檢測的依據(jù)文件，不同檢測標準對樣品、設(shè)備性能、檢測方法、判定規(guī)則等會有一定的差異，在檢測工作開展之前應(yīng)對檢測人員開展充足的標準培訓(xùn)與學(xué)習(xí)，確保其熟悉檢測標準。樣品的大小、尺寸、結(jié)構(gòu)等會直接影響檢測參數(shù)的選擇與設(shè)定，檢測人員應(yīng)了解被檢物的結(jié)構(gòu)、尺寸、狀態(tài)、材料、密度、待檢缺陷主要類型等，明確檢測需達到的空間或密度分辨率、尺寸或密度測量精度等要求。
(2)
編制檢測工藝規(guī)程
檢測工藝規(guī)程是指導(dǎo)人員正確實施檢測的技術(shù)文件，工藝規(guī)程應(yīng)結(jié)合檢測樣品編制，必要時，可用標準試件對工藝規(guī)程進行試驗驗證，得到的圖像符合質(zhì)量要求后才能實施檢測。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、采樣時間、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。
(3)
核查設(shè)備系統(tǒng)性能
實施檢測系統(tǒng)核查是確保每次檢測數(shù)據(jù)準確性的基礎(chǔ)要求，每次開機時應(yīng)按系統(tǒng)使用說明書或相關(guān)程序?qū)I(yè)CT設(shè)備進行暗場和空氣校準，如系統(tǒng)校準不滿足要求應(yīng)進行重新校準。
(4)
評估測量不確定度
任何的測量都會有誤差，工業(yè)CT檢測的部分參數(shù)（如尺寸）也會產(chǎn)生不確定度。目前，部分實驗室對于檢測過程產(chǎn)生的測量不確定度還不夠重視，忽視測量不確定度的評定，可能造成對產(chǎn)品檢測結(jié)果的誤判，因此，工業(yè)CT檢測需要開展尺寸不確定度的評定，仔細分析影響不確定度的主要分量，才能使檢測結(jié)果的可信賴程度更高。影響工業(yè)CT尺寸測量不確定度的主要分量有測量模型引入的不確定度、被檢工件引入的不確定度、像素尺寸引起的測量標準不確定度、溫度差引入的不確定度以及系統(tǒng)誤差等，實驗室可以按下式計算合成標準不確定度：
式中：L為輸出尺寸；l為被檢工件的尺寸測量值；b為系統(tǒng)誤差；α為標準試塊的線膨脹系數(shù)；Δt為實際測量溫度與標準溫度（20 ℃）的溫度差；δr為像素尺寸對測量結(jié)果的影響；δv為標準試塊尺寸及其擴展不確定度；δt為動態(tài)誤差對測量結(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：
所以，工業(yè)CT尺寸測量的最終的合成不確定度為：
式中：u(l)為被檢工件的尺寸測量確定度；u(αΔt）為標準試塊線膨脹系數(shù)和實際測量溫度和標準溫度差乘積的不確定度；ur為像素尺寸引入的不確定度；uv為標準試塊尺寸引入的不確定度；ut為動態(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
檢測是判定產(chǎn)品直觀的手段，檢測結(jié)果會受到設(shè)備、人員、環(huán)境、過程等各方面的影響，因此采取合理的質(zhì)量保證方法對檢測結(jié)果的準確性有重要影響。