工业CT 技术在炸药装药质量检测中的应用

2013-12-10刘艳萍马燕张晶王青枝

计测技术 2013年1期

刘艳萍，马燕，张晶，王青枝

(西安近代化学研究所十一部，陕西西安710065)

0 引言

计算机层析X 射线摄影系统(computer Tomography 以下简称工业CT 系统)主要用于对各种复杂产品内部结构的无损检测，通过各种适当夹具固定所要探测的样品，从各个方面选取不同截面对样品进行检测，并给出定量结论。火炸药装药质量检测中工业CT无损检测技术起到很重要的作用，通过该检测手段可以了解火炸药装药产品的内部结构及密度分布，并对产品的内部缺陷起到了定位作用，为科研人员及时修改试验方案、调整制作工艺提供科学的、可靠的依据。

1 工业CT 设备的典型组成、主要技术指标及检测的原理

1.1 工业CT 系统设备组成及主要技术指标

工业CT 系统通常由射线源、机械扫描装置、探测器、数据采集系统、计算机系统、图像存储显示系统等组成。典型组成如图1 所示。

以BT－400 型工业CT 系统为例，其主要性能指标见表1。

1.2 工业CT 无损检测原理

计算机层析成像技术(CT)技术是在射线照相(Radiography)基础上发展起来的。工业CT 则是由医用CT (MCT)而发展的，基本原理相类同，但仍有其自身特点。

图1 设备结构组成

表1 BT－400 型工业CT 系统的主要性能指标

计算机层析成像技术使用不同的能量波作为辐射源，其工作原理也不同。在工业无损检测中广泛使用的是透射层析成像技术(ICT)，BT－400 型工业CT 系统中使用的是X 射线源。

以X 射线作为射线源的工业CT 工作原理:

当射线穿过均匀物质时:

当射线穿过非均匀物质时:

式中:l 为射线穿过被检测物各体积元的长度。I 为射线穿过被检测物以后的强度(即经被检测物衰减后探测到的计数和);μi为射线穿过不同物质的线衰减系数(与被检物质的密度和原子序数以及使用辐射源的能量有关);I0为射线入射端初始强度(射线在空气中探测器测到的原始计数和)。

通俗地说有一束单能的射线透射过物质，必然产生衰减，其衰减情况遵循比尔定律 (见式 (1)，(2))，检测物的密度、厚度不同，其衰减系数也不同，从而得到不同强度的射线，探测器上得到的数据必然不同，在CT 图片上则得到相应的密度反映，这样，就形成了反映密度变化的样品内部结构图。

2 工业CT 无损检测在火炸药装药质量检测中的应用

2.1 火炸药装药相对密度差的测量

用户一般在送检样品时需要得到的是样品内部绝对密度分布情况，而CT 机检给出的是密度CT 值和相对密度误差。即使是同一检测样品(同一绝对密度)，对应的密度CT 值也会随着CT 机任何一项扫描参数的改变而改变(得出不同的CT 值);当CT 机参数不变时，密度CT 值又随着检测样品尺寸大小的变化而变化。这样，就会出现同一绝对密度值对应不同的CT 值的现象。必须采取一定的方法由CT 值得到样品检测断层的实际密度才能计算出所要的密度差。

实际CT 检测中，有一批样品需要检测样品轴向密度差异，我们采取各层取80%范围内CT 平均值，然后采用(最大值－最小值)/最大值×100%，得到CT检测结果表征的样品轴向密度差，结果列于表2，这里的检测误差应当偏大一些;用户对同批样品在CT 检测断层位置附近取样采用开壳弹用排水法测量密度得到的相对密度差结果列于表3。

表2 样品密度CT 值及相对密度差检测结果

表3 开壳弹排水法测量绝对密度得到的密度差

表2、表3 列出的是同一配方、同一批次产品编号为10 －1，10 －2，10 －3，10 －4 和10 －5 这五发样品的装药密度差测量结果，二者进行比较后可以看出BT－400型CT 系统采用的相对密度测量方法及测量结果覆盖了排水法测量结果，两种结果有一定误差，但还是可采用的，实际情况是不可能每发产品都做开壳密度测量，所以CT 相对密度测量结果还是具有一定实际使用意义。

情况说明:这批样品轴向装药密度差要求控制5%以内算合格。可见，结果还是可以采用的。

2.2 火炸药装药内部缺陷的检测及测量

2.2.1 火炸药装药内部缺陷的检测

计算机层析扫描(工业CT)技术可以提供传统X射线成像技术无法实现的二维切面、或三维立体表现图。并且，避免了影像重叠、混淆真实缺陷的现象。可清楚的展示内部结构，提高识别内部缺陷的能力，更可准确的识别内部缺陷的位置。如图2 所示:药柱的裂纹、气孔及粘接间隙、夹杂物、样品内部构图、内部装药分布情况等等。

2.2.2 内部缺陷的测量

得到CT 图后，利用密度变化曲线对产品内部缺陷进行测量，在密度曲线上选择不同的测试点则会出现不同测量结果，那么怎样将缺陷尺寸的测量误差降到最小，这需要将多个测量点进行测量、分析、对比，选出准确的测量点，提供较准确的缺陷尺寸。

缺陷几何尺寸的测量有两种方法:半脉宽法和峰值换算法，半脉宽法适用于测量大于0.5 mm 缺陷尺寸，而峰值换算法比较适用于小于0.5 mm 缺陷尺寸的测量。

图2 典型CT 图

图3 密度曲线

1)半脉宽法测量缺陷尺寸，测量结果列于表4，5，6。

对于一般较大尺寸的测量，采用基本半脉宽测量方法，就是对要进行尺寸测量的部分，穿过它作一条密度变化曲线，如图3，由于密度变化在曲线上必然出现相应的起伏变化，取密度曲线第一次变化的中心点和第二次变化的中心点，两个中心点之间的距离即就是要测量的尺寸值。

使用Co－1 标准试样中的“5.0/5.1”插件进行尺寸测量，分别在四种工作方式(四个工作场)下进行CT 扫描和测量。

表4 “5.0/5.1”插件尺寸测量结果

表5 大于1.5 mm 缺陷半脉宽法测量数据

表6 小于1.5 mm 缺陷半脉宽法测量数据

半脉宽法测量结论:

①从表4 可以看出随着工作场与实际测量尺寸(5.1 mm 或5.0 mm)的接近，测量误差减小。“5.0/5.1”插件在400 mm 场以内，尺寸测量误差小于±0.1 mm，达到给出的技术指标。

②从表5，6 可以看出半脉宽法对于大于0.5 mm缺陷的测量结果是可信的;而小于0.5 mm 的测量结果已经误差很大，且0.6，0.5，0.4 mm 气孔测量结果是0.73，0.74，0.74 mm，可见半脉宽测量法无法准确测量小于0.5 mm 的气孔。

2)峰值换算法测量小于0.5 mm 缺陷尺寸，测量结果列于表7。

在实际检测工作中的摸索与经验积累，发现了一个规律:就是各种不同的尺寸所对应的密度曲线峰值具有线性关系，即在相同的检测条件下，同一个检测工件，相同密度时，即一个是尺寸已知宽度的裂缝，一个是待测量的孔或裂缝，若10 mm 宽度尺寸对应的CT 相对峰值是10000，那么CT 相对峰值是5000 的，其宽度尺寸一定是5 mm;CT 相对峰值是2500 的，其宽度尺寸一定是2.5 mm。依据这样一个原理，我们首先对较大、较明显的尺寸进行了测量验证，结论是肯定的。对应的密度曲线示意图如图4。

采用上述测试方法对0.5 ～1.5 mm 之间缺陷尺寸进行测量。我们称该方法为峰值换算测量法。

图5 显示了6 个不同直径气孔密度变化曲线，表6中列出小于0.5 mm 气孔的半脉宽法测量结果已经不在发生变化，而图5 密度曲线上所显示的峰值却是不同的，峰值测量及气孔直径换算结果列于表7。

峰值换算法结论:

①对于较小尺寸，其测量无法使用半脉宽基本测量方法，误差很大。

②表7 中列出了峰值换算法测量结果，可以发现峰值换算法测量结果比半脉宽法测量结果误差大大降低，测量结果在误差范围内，但还需要进一步进行小尺寸测量的标定和探讨。