1、工业工业CT技术在可靠性保障中的应用技术在可靠性保障中的应用卢艳平卢艳平博士博士重庆大学重庆大学ICT研究中心研究中心光电技术及系统教育部重点实验室光电技术及系统教育部重点实验室工业工业CT无损检测教育部工程研究中心无损检测教育部工程研究中心2011年年9月月.济南济南Tel: 023-86394856 E-mail: luyp_2011济南济南 大功率内燃机分会结构强度与可靠性学组会大功率内燃机分会结构强度与可靠性学组会人类历史上四只著名的苹果人类历史上四只著名的苹果2011济南济南 大功率内燃机分会结构强度与可靠性学组会大功率内燃机分会结构强度与可靠性学组会2011济南济南 大功率内燃机分
2、会结构强度与可靠性学组会大功率内燃机分会结构强度与可靠性学组会Computed Tomography CTCT技术技术计算机层析成像技术一种横断面虚拟解剖技术不切开苹果也能看到里面的五角星！MCTMedical Computed Tomography 医学 CTICTIndustrial Computed Tomography 工业 CTCT技术与应用相结合，形成两大分支技术与应用相结合，形成两大分支不切开苹果也能看到里面的五角星！2011济南济南 大功率内燃机分会结构强度与可靠性学组会大功率内燃机分会结构强度与可靠性学组会内容概要内容概要一、工业一、工业CT技术原理及用途技术原理及用途二、国
3、内外发展现状二、国内外发展现状三、基于工业三、基于工业CT检测的新技术检测的新技术四、在可靠性分析中的典型应用四、在可靠性分析中的典型应用2011济南济南 大功率内燃机分会结构强度与可靠性学组会大功率内燃机分会结构强度与可靠性学组会一、工业一、工业CT技术原理及用途技术原理及用途2011济南济南 大功率内燃机分会结构强度与可靠性学组会大功率内燃机分会结构强度与可靠性学组会射线成像的方式射线成像的方式z射线是一种特殊电磁波，具有透射、散射、衍射等特性z射线成像方式透射成像（透射成像（CT、DR、CR、胶片照相）、胶片照相）散射成像（康普顿散射成像）散射成像（康普顿散射成像）衍射成像（相位成像）衍
4、射成像（相位成像）当前无损检测主要采用 透射成像技术2011济南济南 大功率内燃机分会结构强度与可靠性学组会大功率内燃机分会结构强度与可靠性学组会工业工业CT技术原理技术原理z CT是一种绝妙的成像技术，具有物理、数学、工程技术基础z 物理基础 ： 物质对射线衰减遵循 比尔(Bill)定律z 数学基础 ： 图像重建的基础 雷当(Radon)定理z 工程技术基础 ： 射线探测与数据传输 (材料学、电子学 )精密机械与控制 (机械工程、控制工程 )计算机硬件和软件 (计算机技术、软件工程)2011济南济南 大功率内燃机分会结构强度与可靠性学组会大功率内燃机分会结构强度与可靠性学组会工业工业CT成像
5、的物理基础成像的物理基础 射线衰减：比尔定律 物质对射线衰减遵循以下规律：udeII=00IId2011济南济南 大功率内燃机分会结构强度与可靠性学组会大功率内燃机分会结构强度与可靠性学组会工业工业CT成像射线探测原理成像射线探测原理闪烁体（碘化铯CsI、钨酸镉CdWO 4）+ 光电二极管+ 电流放大器 + A/D转换器典型的探测器结构典型的探测器结构闪烁体 光电二极管 电流放大器A/D转换器X射线光子 可见光弱电流 放大模拟电信号 数字信号2011济南济南 大功率内燃机分会结构强度与可靠性学组会大功率内燃机分会结构强度与可靠性学组会图像重建：图像重建：雷当定理雷当定理某种物理参量的二维分布函
6、数，由该函数在其定义某种物理参量的二维分布函数，由该函数在其定义域内的所有线积分完全确定。域内的所有线积分完全确定。工业工业CT成像的数学基础成像的数学基础2011济南济南 大功率内燃机分会结构强度与可靠性学组会大功率内燃机分会结构强度与可靠性学组会CT成像技术特点成像技术特点z CT成像清晰、直观、准确，影像成像清晰、直观、准确，影像不重叠，具有更高的分辨能力，不重叠，具有更高的分辨能力，适合定量尺寸和密度测量分析适合定量尺寸和密度测量分析z 缺陷判读简单、准确，无须很强缺陷判读简单、准确，无须很强的专业经验的专业经验z CT可以获取工件三维结构模型可以获取工件三维结构模型z CT检测不受工
7、件的材料和形状复检测不受工件的材料和形状复杂度的限制杂度的限制z 自动化程度高自动化程度高z 缺点是效率较低，批量检测困难缺点是效率较低，批量检测困难2011济南济南 大功率内燃机分会结构强度与可靠性学组会大功率内燃机分会结构强度与可靠性学组会工业工业CT技术用途技术用途 无损检测无损检测/探伤探伤（工艺缺陷、结构正确性、多余物等）（工艺缺陷、结构正确性、多余物等） 无损质量评价无损质量评价/评估评估 无损测量（尺寸、密度）无损测量（尺寸、密度） 无损逆向设计（国家无损逆向设计（国家863计划）计划） 无损应力分析（国家自然科学基金）无损应力分析（国家自然科学基金）2011济南济南 大功率内燃
8、机分会结构强度与可靠性学组会大功率内燃机分会结构强度与可靠性学组会工业工业CT系统组成系统组成X射线源系统探测与采集系统射线机头自动控制系统 辐射防护与摄像监控系统图像重建处理系统机械系统调制器控制器水冷系统工件升降机构升降机构2011济南济南 大功率内燃机分会结构强度与可靠性学组会大功率内燃机分会结构强度与可靠性学组会2011济南济南 大功率内燃机分会结构强度与可靠性学组会大功率内燃机分会结构强度与可靠性学组会空间分辨率空间分辨率表明表明CT系统反映被测体几何结构细节的能力系统反映被测体几何结构细节的能力主要技术指标之一主要技术指标之一（ 1）空间分辨率的单位是 lp/mm（ 2）线对 li
9、ne pairs（ lp），等厚高、低密度材料成对组合（ 3）调制度2011济南济南 大功率内燃机分会结构强度与可靠性学组会大功率内燃机分会结构强度与可靠性学组会（ 4）常用测试方法：线对卡法min121DR =高密度材料：钢或铜低密度材料：空气或塑料片厚： D（ 0.125， 0.2， 0.25）片中心间距： 2D每毫米能分辨的线对数每毫米能分辨的线对数lp/mm 或片间距或片间距mm2011济南济南 大功率内燃机分会结构强度与可靠性学组会大功率内燃机分会结构强度与可靠性学组会密度分辨率密度分辨率表明表明CT系统区分检测断层上最小密度差异的能力系统区分检测断层上最小密度差异的能力主要技术指标
10、之二主要技术指标之二（ 1） 最小分辨的相对密度差 表征密度分辨率（ 2）测试方法：密度差法和等效密度差法（ 3）密度差法：用密度块与基体材料之间的相对密度差别来表征%100=jtjtmdC2011济南济南 大功率内燃机分会结构强度与可靠性学组会大功率内燃机分会结构强度与可靠性学组会固体密度差试件缺点：难以寻找到密度相近的材料，只在测量大的密度差异时可采用液体密度差试件缺点：携带和保存不便，配制难度大，受温度影响明显2011济南济南 大功率内燃机分会结构强度与可靠性学组会大功率内燃机分会结构强度与可靠性学组会（ 4）等效密度差法%100=thC能分辨密度差能分辨密度差n%的物质的物质2011济
11、南济南 大功率内燃机分会结构强度与可靠性学组会大功率内燃机分会结构强度与可靠性学组会低能工业CT系统（1MeV）使用X射线机，常见有225kV、450kV高能工业CT系统（1MeV）使用加速器，常见2MeV、4MeV、6MeV、9MeV、12MeV、15MeV根据其射线能量，可以划分为工业工业CT系统分类系统分类根据射线种类，可以划分为X射线工业CT系统、射线工业CT系统、中子工业CT系统根据射线源焦点尺寸，可以划分为纳米焦点CT系统、微焦点CT系统、小焦点CT系统、常规焦点CT系统2011济南济南 大功率内燃机分会结构强度与可靠性学组会大功率内燃机分会结构强度与可靠性学组会各类工业各类工业C
12、T系统对比表系统对比表穿透能力强剂量率大优点 缺点微焦点CT小焦点CT加速器CT纳米焦点CT防护难度大电压160kV320kV450kV2-15MeV穿透钢厚度5mm25mm60mm100-300mm焦点尺寸500nm5um0.4-1mm1.5-2mm空间分辨力强穿透有限剂量率小空间分辨力较强穿透有限剂量率小空间分辨力较强穿透有限2011济南济南 大功率内燃机分会结构强度与可靠性学组会大功率内燃机分会结构强度与可靠性学组会二、国内外发展现状二、国内外发展现状2011济南济南 大功率内燃机分会结构强度与可靠性学组会大功率内燃机分会结构强度与可靠性学组会第一幅手掌 X射线照片 (1895) 第一副
13、脑部 CT图像 (1971) 现代 CT设备三维成像纵剖图X射线的发现，开创了医学诊断的新纪元CT 在临床上的应用带来医学诊断的革命CT已成为现代医学不可或缺的、被广泛使用的医用设备2011济南济南 大功率内燃机分会结构强度与可靠性学组会大功率内燃机分会结构强度与可靠性学组会工业工业CT技术起源与发展技术起源与发展 1895年年伦琴发现伦琴发现X射线射线 1917年年G.Radon 奠定数学基础奠定数学基础 1963年年A.M.Cormack 确定精确计算方法确定精确计算方法 1971年年G.N.Hounsfield 研制出第一台医学研制出第一台医学CT机机 1983年年美国美国ARACOR公
14、司研制出第一台工业公司研制出第一台工业CT机机 1993年年重庆大学研制出我国第一台工业重庆大学研制出我国第一台工业CT机机2011济南济南 大功率内燃机分会结构强度与可靠性学组会大功率内燃机分会结构强度与可靠性学组会国内外工业国内外工业CT发展历程发展历程国家 单位 时间 产品美国ARACOR公司1983年 世界上第一台 400keV工业 CT系统1988年 2MeV工业 CT系统1990年 9MeV工业 CT系统（ ICT1500）1995年 15MeV工业 CT系统（ ICT2500）2000年 Konoscope立体工业 CT系统，面阵探测器BIR公司 80年代中期 高、中、低能级工业
15、 CT系统日本 日立公司1989年 4MeV工业 CT系统1993年 12MeV工业 CT系统（探测器 15通道）1997年 6MeV工业 CT系统（探测器 512通道）德国 NDT中心 90年代中期 大型高能 X射线工业 CT系统俄罗斯 Kurchstov研究所 1997年 8MeV工业 CT系统中国重庆大学 1993年 我国第一台射线工业 CT机 XN-1300ICT重庆大学 2004年 9MeV高能加速器工业 CT系统 CD-650BX2011济南济南 大功率内燃机分会结构强度与可靠性学组会大功率内燃机分会结构强度与可靠性学组会国外工业国外工业CT系统及应用情况系统及应用情况应用：应用：
16、固体火箭发动固体火箭发动机、导弹、弹机、导弹、弹药等武器装备药等武器装备2011济南济南 大功率内燃机分会结构强度与可靠性学组会大功率内燃机分会结构强度与可靠性学组会广泛应用于医学、生物工程、药物、材料工程、地质、石油等领域的科研测量分析，汽车、军事、铸造等领域的工业无损检测，以及重要公共场所的安全检查等2011济南济南 大功率内燃机分会结构强度与可靠性学组会大功率内燃机分会结构强度与可靠性学组会我国自主研发的工业 CT系统，已应用于我国航天、航空、军工、铁路、机械、石油、地质、材料等领域的需求国内工业国内工业CT系统及应用情况系统及应用情况2011济南济南 大功率内燃机分会结构强度与可靠性学组会大功率内燃机分会结构强度与可靠性学组会三、基于工业三、基于工业CT检测的新技术检测的新技术
