吴彦举 郝 兵 吕益良 郑诗杨

（洛阳中信成像智能科技有限公司，河南 洛阳 471000）

传统的复合材料检测方法中，超声波检测是通过缺陷和基体之间的不同特征引起的波长吸收/反射差异来判定被测物的。由于检测原理导致检测精度不是很高、误差较大。渗透检测多用于检测物体表面的缺陷，不能直观的反应物体内部的缺陷情况。X射线检测通过X射线的照射，根据不同材质物体对射线的吸收特性的不同，会在成像板或者胶片上显示二维图像。而锥束CT是通过发出锥束的X射线，照射工件，记录工件不同角度的投影数据，最终通过重建算法得到三维数字模型，根据数字模型使用专用软件对工件进行缺陷分析。

1 锥束C T工作原理及重要指标

锥束CT相比传统的断层CT具有成像速度快、检测精度高的特点。断层扫描又称线阵扫描，射线源发出扇形X光照射工件，每次只能检测工件的某一截面，通过叠加截面的方式呈现三维模型，层与层之间的间隙直接影响扫描的时间和成像的精度。锥束CT采用面阵探测器，射线源发出锥束X光照射工件，探测器上可以采集到整个工件的照片，通过这种方式得到的三维数据没有信息缺失，检测精度更高。

锥束CT系统主要由探测器系统、机械系统、锥束X射线源系统等组成，如图1所示。主要工作原理是X射线源在锥角范围内发出的X射线穿过被检测物体，被检测物体在机械系统上进行360°旋转，同时探测器会接收到被扫描物体不同角度的投影数据，最后把所有的投影数据传回计算机，利用三维图像重建算法对投影数据进行重建，得到被检测物体的三维重建数据，为分析检测物体内部的三维结构信息提供了可靠依据。

图1 锥束CT系统结构示意图

影响锥束CT系统检测精度的主要因素包括电压、电流、几何放大倍数、焦点尺寸以及平板探测器的像素尺寸等。

1.1 电压电流

电压电流主要指的是射线机的管电压和管电流，电压主要影响的是射线的穿透能力（等效钢厚度），电压越高穿透能力越强，检测的工件也越大。电流主要影响系统的对比度，电流越高对比度越强，材质的分辨才更清晰。在穿透金属物体时，金属会出现衍射、反射、散射的现象，会产生金属伪影，影响检测的精度，所以在检测金属物体时，在保证工件能穿透的情况下，电压电流设置不宜太高。在检测复合材料时，伪影现象基本可以忽略，在保证工件能穿透的情况下，电流可以适当高一点，使系统对比度更高，缺陷识别更清楚。

1.2 几何放大倍数

F—射线源出束位置到探测器表面的距离。f—射线源出束位置到工件表面的距离。T—工件的厚度。b—工件表面到探测器表面的距离。

图2 放大比关系示意图

放大倍数M=F/f，放大倍数影响着设备的检测精度。放大比越大，系统的检测精度越高，即工件离射线源越近，检测精度越高。但是由于射线源发出的是锥束光，工件离射线源越近，检测的有效面积就越小。所以应综合考虑检测精度和检测效率，选择合适的放大比[1]。

1.3 焦点尺寸大小

d—射线管焦点尺寸。几何放大倍数M=F/f。

几何不清晰度：Ug=d（M-1），焦点尺寸是射线管的重要参数，在几何放大倍数的作用下，焦点在检测图像上会产生几何不清晰度，由图3可以发现当放大比一定的情况下，焦点尺寸越大，几何不清晰度就越大，检测精度越低，精度反而越高。为了提高设备的检测精度，一般在能穿透工件的情况下会选择焦点尺寸更小的CT系统进行检测[2]。

图3 焦点尺寸影响几何不清晰度示意图

1.4 平板探测器的像素尺寸

平板探测器是由一个个小的分区构成的，这些小区被称为像素。

像素尺寸（p）：指敏感区域长度与所包含的像素数目之比，也可以表示为图像的行或者列中相邻2个像素中心的距离，如图4所示。单位为mm或者μm。

图4 平板探测器结构示意图

平板探测器的像素宽度与高度相等。像素尺寸作为成像精度的关键因素，直接影响着成像精度，为了保证检测精度，像素尺寸越小越好。

2 锥束C T在复合材料缺陷检测方面的应用

结合某公司的复合材料特性和上述影响系统检测精度的指标，该次检测主要选用的是300 kV微焦点射线源和像素尺寸为200 μm的高分辨率面阵探测器系统，放大倍数选择为10的情况下，对工件进行锥束CT无损检测，最终得到高质量的三维数据。并使用专用CT数据处理软件分析其内部缺陷类型及分布情况。主要分析复合材料的裂纹走向、裂纹三维模型分布及提取、孔洞的孔隙率分析几个方面。

由于工件尺寸较大，超过了平板探测器的有效成像面积，所以对工件进行了偏置分区扫描，将工件分为图5所示共6个区，每个有效区域的尺寸为250 mm×250 mm，下面主要针对D区锥束CT扫描检测结果进行分析。

图5所示上效果是通过CT专用分析软件VGStudio Max对扫描后的三维数据进行分析。通过移动活动面对扫描数据的每一层进行分析，进而发现该复合材料在不同位置上的不同缺陷。图6是通过3个截面图和1个实物图的方式显示出了该段复合材料一个截面的缺陷。可以测量缺陷的尺寸及走向，还可以通过三维成像视图判断出缺陷的具体位置。

图5 某公司复合材料实物照片

拆分功能主要是把有缺陷的地方通过拆分、提取及渲染的方式在三维数据上直观地显示出来，是根据密度的不同来识别缺陷，通过改变阈值来选择缺陷的大小，如图7所示，再使用布尔运算把需要提取的缺陷拆分开来单独显示，并可以根据需要渲染出不同的颜色。目的是更清晰更直观的看到缺陷的分布情况。

图6 某复合材料检测缺陷效果图

孔隙率分析可以根据孔洞的体积大小对工件的孔洞缺陷进行筛选，并通过不同的颜色进行标注，不同的颜色对应的体积大小不同，通过渲染可以直观地发现孔洞在工件内部的分布情况，如图8所示。孔隙率分析可以通过设置孔洞尺寸的大小，根据需求过滤掉不影响工件质量的孔洞，只保留影响工件质量的孔洞进行分析[3]。

图7 某复合材料缺陷提取效果图

图8 某复合材料孔隙率分析效果图

3 结语

该文主要介绍了锥束CT系统的工作原理，以及影响系统检测精度的主要指标，对某复合材料缺陷检测结果进行分析。通过上述介绍发现，要想得到一个好的检测结果，不但对硬件设备提出了更高的要求，还对扫描的数据处理提出了更高的要求，只有在两者配合的情况下才能得到高精度的检测结果。根据以往的检测经验可以发现，在检测复合材料工件时，保证工件能穿透的情况下，多以微焦点工业CT检测为主。

通过对某复合材料的锥束CT检测结果进行分析，了解到锥束CT在复合材料无损检测方面的应用，通过锥束CT扫描，不但可以得到工件三维结构信息，还可以检测到工件内部的缺陷并对缺陷进行量化分析。