工業(yè)CT無損檢測(cè)實(shí)時(shí)成像設(shè)備尺寸測(cè)量的精度

工業(yè)CT無損檢測(cè)實(shí)時(shí)成像設(shè)備技術(shù)不受被檢測(cè)物體材料、形狀、表面狀況等限制,能夠給出被檢測(cè)物體二維、三維圖像,成像 直觀,分辨率高。因此,工業(yè)CT被廣泛應(yīng)用在我國汽車制造、鑄件、交通等領(lǐng)域,應(yīng)用范圍涵蓋缺陷檢測(cè)、材料密度表征、尺寸測(cè)量、裝配結(jié)構(gòu)分析、逆向工程等。隨著工業(yè)CT技術(shù)在高端裝備制造業(yè)中的應(yīng)用和發(fā)展,精密復(fù)雜零部件的內(nèi)部缺陷檢測(cè)需求日益增加,對(duì)缺陷的檢出尺度及測(cè)量精度要求極高。

目前國內(nèi)外正積極開展工業(yè)CT三維精密測(cè)量技術(shù)研究。在工業(yè)CT尺寸測(cè)量應(yīng)用研究方面，Kiekens等對(duì)影響工業(yè)CT系統(tǒng)測(cè)量值誤差進(jìn)行了研究，Van Bael等將工業(yè)CT應(yīng)用于多孔結(jié)構(gòu)幾何形狀控制，計(jì)算孔結(jié)構(gòu)尺寸、壁厚、結(jié)構(gòu)體積等幾何信息，完成產(chǎn)品幾何形狀的控制。在尺寸測(cè)量精度方面，GE公司通過紅寶石球進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，并采用散射線補(bǔ)償?shù)姆椒ㄌ岣邷y(cè)量精度，最高可達(dá)(4+L/100) μm。在測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)方面，德國《VDI/VDE 2630工業(yè)CT尺寸測(cè)量》系列標(biāo)準(zhǔn)，包含了原理與術(shù)語、測(cè)量影響因素與建議、尺寸測(cè)量應(yīng)用指南、測(cè)量過程及比較、測(cè)量不確定度等方面。國內(nèi)工業(yè)CT技術(shù)主要應(yīng)用于無損檢測(cè)領(lǐng)域，在幾何量測(cè)量和計(jì)量化應(yīng)用方面起步較晚。工業(yè)CT測(cè)量技術(shù)的需求主要來源于產(chǎn)品尺寸檢驗(yàn)，王義旭等針對(duì)工業(yè)CT探測(cè)尺寸誤差進(jìn)行了校準(zhǔn)和分析。在國內(nèi)公開的標(biāo)準(zhǔn)方面，涉及工業(yè)CT結(jié)構(gòu)尺寸測(cè)量的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)僅有GB/T 29067-2012 《無損檢測(cè)工業(yè)計(jì)算機(jī)層析成像(CT)圖像測(cè)量方法》。同時(shí)，目前可參考的國內(nèi)外文獻(xiàn)及標(biāo)準(zhǔn)，鮮有針對(duì)小尺寸薄壁結(jié)構(gòu)的測(cè)量誤差進(jìn)行特別說明。

對(duì)于金屬材料內(nèi)部不規(guī)則形貌缺陷的工業(yè)CT無損檢測(cè),當(dāng)前普遍采用半高寬缺陷尺寸計(jì)算法,檢測(cè)人員通過觀察及經(jīng)驗(yàn)判定缺陷位置,人為分割缺陷邊緣。該方法適用于尺度遠(yuǎn)大于CT圖像像素尺寸的缺陷評(píng)價(jià),但當(dāng)缺陷尺寸接近或小于像素尺寸時(shí),檢測(cè)人員判定的缺陷測(cè)量及評(píng)價(jià)結(jié)果存在很大誤差,由此會(huì)產(chǎn)生“超標(biāo)”誤判,造成不必要的浪費(fèi)。因此在金屬材料工業(yè)CT檢測(cè)過程中,有必要研究一種適用不同CT設(shè)備及工藝參數(shù)的缺陷精確測(cè)量方法。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證半高寬法和最大灰度梯度法對(duì)不同厚度薄壁結(jié)構(gòu)的測(cè)量誤差，陳子木、胡正偉等教授分別通過理論計(jì)算以及實(shí)驗(yàn)測(cè)量的圖像灰度分布進(jìn)行尺寸分析，得到的壁厚測(cè)量結(jié)果可以看出對(duì)于理論計(jì)算的薄壁結(jié)構(gòu)灰度分布，當(dāng)壁厚尺寸大于線擴(kuò)散函數(shù)擴(kuò)展寬度時(shí)，半高寬法和最大梯度法的測(cè)量誤差均小于±0.01 mm；當(dāng)壁厚尺寸小于線擴(kuò)散函數(shù)擴(kuò)展寬度但大于壁厚測(cè)量極限值時(shí)，最大灰度梯度法具有更小的測(cè)量誤差；當(dāng)壁厚尺寸小于壁厚測(cè)量極限時(shí)，測(cè)量誤差顯著增大，隨著薄壁結(jié)構(gòu)厚度減小，半高寬法和最大梯度法的壁厚測(cè)量值均趨近于壁厚測(cè)量極限，這也與上述的解析分析相一致。但對(duì)于實(shí)驗(yàn)測(cè)量的壁厚尺寸，當(dāng)實(shí)際壁厚大于壁厚測(cè)量極限值時(shí)，半高寬法相比最大灰度梯度法一直具有更小的測(cè)量誤差，對(duì)于本工作采用的工業(yè)CT成像系統(tǒng)，半高寬法尺寸測(cè)量誤差小于±0.04 mm，最大灰度梯度法尺寸測(cè)量誤差小于±0.08 mm，這主要是由于灰度梯度的計(jì)算較灰度極值更為靈敏，因此受系統(tǒng)噪聲影響明顯。隨著薄壁結(jié)構(gòu)尺寸減小至小于壁厚測(cè)量極限，半高寬法和最大灰度梯度法尺寸實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果依然呈單調(diào)下降的趨勢(shì)，測(cè)量誤差顯著增大，但此時(shí)最大灰度梯度法的測(cè)量誤差相比半高寬法較小。隨著薄壁結(jié)構(gòu)厚度減小，成像調(diào)制度下降導(dǎo)致受系統(tǒng)噪聲的影響程度大幅增加，采用半高寬法和最大灰度梯度法計(jì)算壁厚均會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的誤差，因此與理論推導(dǎo)的結(jié)果產(chǎn)生較大偏差。對(duì)比實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)薄壁結(jié)構(gòu)尺寸大于壁厚測(cè)量極限時(shí)，兩者具有較好的一致性，當(dāng)薄壁結(jié)構(gòu)尺寸小于壁厚測(cè)量極限時(shí)，理論計(jì)算結(jié)果趨近于某個(gè)固定值。雖然實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果依然能夠保持尺寸減小的趨勢(shì)，但是測(cè)量誤差逐漸增大。

對(duì)于工業(yè)CT尺寸測(cè)量的精度，也是很多客戶非常關(guān)注的問題，一般來說在工業(yè)CT設(shè)備條件允許的情況下，通過探元尺寸、探測(cè)器尺寸、工件尺寸可獲得工件的工業(yè)CT檢測(cè)精度。

以上檢測(cè)精度的評(píng)估是對(duì)于簡單工件而言，如果要對(duì)工件的局部區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)，則需視工件情況選擇工件擺放方式，以及檢測(cè)方法，檢測(cè)精度則以現(xiàn)場測(cè)試結(jié)果為主。