工业CT原理及系统组成

1 工业CT的基本原理

工业CT的成像原理是：利用具有某种能量的射线束对物体进行扫描，根据在物体外部获得的投影数据，运用特定的重建算法，以二维或三维图像的方式呈现物体内部的密度分布。

工业CT的理论基础是指当一束射线穿过物质并与物质相互作用后，射线强度将受到射线路径上物质的吸收或散射而衰减，衰减规律由Beer定律确定。

假设物体是均匀的，如图1，物体对于X射线的线性衰减系数为μ，强度为I0的X射线进行x距离后，衰减至I，根据Beer定理，有：

                                                      (1)

在上式中，I是出射X射线强度，I0是入射X射线强度，x是厚度，μ是材料的线性衰减系数。通常μ因材料而异。

图1 均匀物质对X射线的衰减

图2 非均匀物质对X射线的衰减

若物体是分段均匀的，如图2各段的线性衰减系数分别为μ1，μ2，μ3．．．，相应的长度为，则下式成立[4]：

                              (2)

根据公式2，则当扫描对象为任意非均匀的物体时，总体衰减系数特性可通过将物体分割成小单元来计算。当单元尺寸足够小时，每个单元可以看作一个均匀物体，对每个单元，公式1能有效地描述入射和出射X射线强度。数学上，它可以表示如下：

                     (3)

公式3中的p是投影测量值。在实际的工业CT中，I0常取穿过空气的射线强度计数值，I取穿过物体后射线的强度计数值，由此计算出射线的投影测量值p。这说明，入射X射线强度与出射X射线强度之比经对数运算后，表示沿X射线路径上衰减系数的线积分。

2 工业CT的系统组成

图3 CT系统结构框图

由图 3可以看出，工业CT系统由射线源、探测器系统、数据采集系统、机械扫描系统、控制系统等部分组成[3]。其中射线源－机械扫描系统－探测器系统的组合对一台工业CT装置的性能起着决定作用，其各部分性能指标的高低直接影响着CT系统重建的图象质量。

2.1 射线源系统

射线源系统提供CT扫描成像的能量射束，以穿透试件，根据射线在试件内的衰减情况实现以各点的衰减系数表征的CT图象重建。

按射线能量分，射线源有产生高能X射线的加速器、产生中能γ射线的放射性同位素源及产生低能X射线的X射线管三类。射线能量及探测器线性动态范围决定了CT系统的穿透能力，系统对某种材料的最大穿透厚度就是该材料的最大检测尺寸范围。

2.2 探测器系统

探测器是工业CT装置的核心部件，用来测量穿透试件后的射线信号，经放大和模数转换后，送入计算机进行图象重建。探测器的主要性能包括信噪比、动态范围、稳定性、均匀一致性、探测效率、分辨率、线性度等，其性能的好坏直接影响着图象的质量。

工业CT常用的探测器有三种：闪烁体光电倍增管，闪烁体光电二极管和气体电离室探测器。探测系统一般是由多个探测器组成探测器阵列，探测器数越多其阵列就越大，扫描检测速度就越快。探测器按采集信号方式可分为电流积分和光子计数两类，光子计数适合于射线强度较低的场合，射线强度增加时，光子计数法不能区分射线光子产生的单个脉冲，因此改用电流积分法。

我们中心使用的探测器为闪烁体+光电二极管探测器，闪烁探测器由闪烁体、光电二极管和相应的电子仪器三个主要部分组成，它的结构如图4所示。

图4 探测器结构图

其探测器的工作可分为四个相互联系的过程：

(1)射线进入闪烁体，与之发生相互作用，闪烁体吸收粒子能量而使原子或分子电离和激发；

(2)受激原子、分子退激发产生可见光；

(3)光电二极管吸收可见光，产生光电流；

(4)光电流经过放大器转换为电压信号，再经过滤波、A/D转换将模拟信号转换成数字信号。

下面我们以TI公司开关型积分运放集成电路IVC102为例来简要说明下积分放大模块的工作原理，如图5为IVC102原理图。

图5 IVC102原理图

    IVC102由反馈电容C1、C2和C3、高速模拟开关S1和S2以及运算放大器组成。通过控制管脚S1和S2逻辑电平可控制IVC102的开关S1和S2，从而控制积分器工作状态。当开关S1断开,S2断开时，IVC102处于等待状态；当开关S1闭合，S2断开，IVC102处于积分状态，控制其S1闭合时间可改变其积分时间的长短；当开关S1断开,S2闭合时，IVC102处于电容放电状态。通过控制IVC102管脚4、5、6与管脚3的连接来调节反馈电容大小，从而可改变积分放大模块IVC102放大倍数的大小。

2.3 数据采集系统

    数据采集系统是探测器和计算机之间的电路接口。探测器输出的电流信号一般很弱，为此，通过前级积分放大电路将来自多路的探测信号进行放大，通过A/D转换器将模拟量转换成二进制数字信号，然后由数据采集系统采集送入计算机进行图像重建。

    数据采集系统是计算机与外部数据联系的一个桥梁。数据采集系统的发展目前集中在传输速度、采集精度、可靠性和成本效益上，数据采集与传输系统的可靠性、稳定性和实时性以及所采集数据的准确性都将直接影响到重建图象的质量，因此设计一套稳定、可靠的数据采集系统对于工业CT来说极为重要。

2.4 机械扫描系统

    机械扫描系统实现CT扫描时，试件的旋转或平移以及射线源—物体—探测器之间物理位置的相对调整。

    机械扫描系统它要完成被检产品的运动、旋转及上升和下降，同时，在扫描过程中，它还要实时反馈运动位置脉冲，用于实际位置校正和数据采集的控制。机械扫描系统一般根据被检产品的长宽高尺寸及分辨率的要求专门设计，被检产品的最大重量也是设计机械扫描系统时必须考虑的因素。不同规格的CT系统，结构可能有很大的不同，机械扫描系统大体上可分为卧式和立式两种，其中立式机械扫描系统是目前广泛采用的结构。

2.5 控制系统

    控制系统决定了CT系统的控制功能，它实现对扫描检测过程中机械运动的精确定位控制，系统的逻辑控制，时序控制及检测工作流程的顺序控制和系统各部分协调，并担负系统的安全联锁控制。