[发明专利]工业CT三维精密测量与校准方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种工业CT三维精密测量与校准方法，属于工业CT测量与控制、质量检测领域。

背景技术

CT技术自上世纪70年代起被广泛应用于医学诊断、材料分析以及无损探伤等领域，是公认的20世纪后期最伟大的科技成果之一，并被誉为最佳的无损检测技术。世界上第一台测量精度较为精密的工业用CT设备出现在2005年的德国工业展会上，自此，工业CT在三维尺寸精密测量领域的应用受到了广泛的关注并逐渐被工业界所认可。

工业CT检测技术极为复杂，从X射线扫描到三维建模需要经历：

（1）二维图像采集：涉及14个主要机械参数的设定；

（2）三维体素重建：包含4种误差的修正参数设定；

（3）材料边界定义与三维建模：通过6个重要参数来确立物体的边界定义规则，同时需要依据实际情况对体素尺寸、射线束硬化、边界误差等影响因素进行二次校准；

（4）在三维模型的基础上对被测物体的内外尺寸、材料缺陷进行精密测量，并且对测量结果的不确定性做出合理预估。

工业CT三维测量技术的成熟与否主要体现于：能否提供精确的和持续稳定的测量结果；能否建立清晰和高分辨率的三维模型。

由于工业CT三维测量技术极为复杂，仅初期需设定的控制参数就超过30个。同时，对三维重建过程中由射线束硬化造成的伪影图像修正，也是影响图像质量的重要环节；而要达到微米级的测量精度与稳定度，更是亟需专业、系统化的校准方案以及规范的测量不确定度评估标准。

针对上述的各项技术难点，目前已有的与本发明最相近似的技术方案为：

1、CT扫描参数优化

目前业内对于扫描参数的优化，主要以调整加速电压、激发电流以及过滤片的材料与厚度等来维持14%的最小穿透系数为依据。

2、射线束硬化的修正

（1）灰度值对照表法：通过对特殊定制的校准工件进行扫描，确定X射线衰减率与穿透尺寸的对应关系；将此关系线性化构成灰度值对应表，进而利用该表对所有二维图像进行修正；

（2）精确重建法：通过建立精确的数学模型，将非线性的X射线衰减系数离散化，然后利用模型精确重建去除射线束硬化带来的影响；

（3）预定义多项式修正法：利用预定义的函数关系，对原始衰减系数进行线性修正；

如公式“Y=a(b+cX+dX²+eX³+fX⁴)”所示，Y代表不受射线束硬化影响的理想X射线衰减值；X代表实际的X射线衰减值；系数“a”到“f”通常依据操作员的个人经验来设定；

（4）利用中层切片优化多项式：此方法是对“预定义多项式修正法”的扩展。该方法利用了X射线探测器中层切片的综合衰减率恒定这一条件，对多项式的系数进行精确调整；

（5）无参照反投影法：此方法首先对未经修正的三维体素进行初步边界定义，然后利用三维模型来计算在物体旋转过程中每条X射线所实际穿透的物体厚度；并根据此信息，对射线束硬化进行二次修正。

3、体素校准方案：

三维体素的大小通常由X射线探测屏的像素尺寸，被测物体与X射线发生器、X射线探测屏之间的相对距离所决定。然而，在三维测量的实际应用过程中，体素的实际尺寸往往需要进一步的校准与计算。目前盛行的体素校准方案多采用经由接触式三坐标精密校准后的球心距离。将此校准件在相同放大系数下进行CT扫描并测量，比较CT测量结果和接触式三坐标的测量结果可计算出体素校准系数。

4、边界定义校准：

目前业界往往依赖于软件本身的边界定义规则，例如通过局部灰度值的变化率来定义物体表面，缺乏通用的精密校准工艺。

针对三维精密测量这一工业CT的新兴应用领域，上述技术方案存在着明显的缺陷：

1、CT扫描参数优化

14%最小穿透系数仅适用于传统无损探伤应用领域，无法明确定义各影响因子的主次关系。其优化结果往往无法满足三维精密测量的精度需求.

2、射线束硬化的修正

（1）灰度值对照表：极不稳定并且误差大，适用于医学领域但远远无法达到三维精密测量的要求；

（2）精确重建法：耗时长并且对计算机性能的要求苛刻，且难以应用于结构复杂的物体；

（3）预定义多项式修正：预定义的多项式系数仅依据操作员的个人经验，容易产生较大偏差，可靠性差；