X-射线计算机断层扫描类似的工作饮片有效识别方法

X-射线计算机断层扫描类似的工作饮片有效识别方法

1。工业X射线计算机断层扫描测量设置

工业X射线计算机断层扫描（CT）也越来越多地用于测量和质量保证几何工件的特点[1]。 CT是一种非破坏性的成像过程中，能够获得工件整体上具有非常高的点密度。断层扫描的结果是工件的体积模型，近似的三维几何形状和局部密度的实部。体积模型可以用来为多才多艺检查任务。这些都是检查的重大缺陷，控制组件和三维测量。体积模型的质量的影响基本上是由断层扫描的参数，从而影响随后的几何测量的不确定性。断层扫描前，用户必须定义​​适于对工件的实际参数值。这些参数是基本的管电压和管电流，物理过滤器的厚度，突起的数量，检测器的增益和曝光时间[2]。由于这种大量的参数，发现这个足够的参数设置可能会非常耗时，例如做实验测试系列。断层成像到投影图像的参数的影响的复杂性，使用户难以评估的设置提供了一种不确定性最小。专家用户也可能被误导或不利的决定，可以采取一个新的工件。无论如何，用户的影响力依然高设置阶段。因此，优选的是，在过去所进行实验的努力获得的知识可以被用来找到适当的一个新的部分更快地作出决定。这同样适用于根据ISO / DIS 15530-3的知识，从实验研究取得过程的变化和测量中的不确定性的估算的校准值的偏置量b [3]（使用的方法校准工件）。参考工件的研究已经取得了实际的相似性的问题，在这种情况下发生。

2。工件的相似性

来自专家研究，以适应最佳的参数值到一个新的工件足够两个工件之间的相似性，它是允许的，为了是强制性的。相似的概念是关注各个科学领域的研究。

对于多变量统计相似距离测度对象之间的相似性被定义为[4]。公制变量通常用于距离测量。

几何两个数字是一致的，当他们可以运用几何变换，如为中心的扩张相匹配，移动，旋转或反射[5]。工件的几何形状通常是复杂得多的基本几何形状，因此，即使从来没有一个确切的匹配将有可能略有变化。

相似理论模型描述了一个物理过程的无量纲特征[6]。这个理论应用理论分析和实验研究。典型的领域是流体动力学和传热。的情况下，所有有关的特性是有保证的，这两个域是物理上相似的过程，在此过程中的模型之间是相等的。结果来自模型，例如通过仿真，可以比被转移到的物理过程。量纲特性的平等，还需要现实和模型的几何之间的相似性。

形状的相似性，集中分析的计算机图形，例如场景识别，对象追踪，对象识别。对于这种存在的各种方法，

例如用傅立叶描述子（FD）[7,8]，光场描述符（LFD）[9]或距离的措施[10]。

基本上，ISO / DIS 15530-3 [3]规定的标准和工件措施，角度，形状偏差，表面结构，材料（如热膨胀，弹性，硬度）应该是相似的。也为触觉坐标测量工作的测量策略（分配到测量元件的空间点的数目和分布）和配置的探针必须是相等的。对于距离的相似性来实现工件的偏差不超过10％时，从参考（> 250毫米）或超过25毫米（<250毫米）。相似性是有保证的角度为±5°的范围内，围绕基准角。没有量化的形式和材料的相似性。此外，CT具体的指引VDI / VDE 2630-1.3 [11]需要相似的衰减性能（质量衰减系数，密度，孔隙率），所以测量到的材料和几何形状的依赖因素是几乎相同的实际和参考工作片。帮助这是多才多艺的适用性测试类似的工件。然而，相似性是没有量化，使得难以决定是否给予或不相似。

3。概念类似工件的高效鉴定

在定义一个适当的参数设置，这是明智的断层扫描数据库中搜索类似案件，例如工件的变体，进行分析，如果它是可以适应的实际情况下的参数值。此数据库通常由CT系统的制造商提供。过去断层扫描，它包含的信息用户，工件的名称和参数设置。尚未包括在数据库中的几何表示（CAD模型）和工件的材料成分。

作为必要条件，对于CT的相似性，以覆盖的形状，大小和材料的工件（图1）。工件的尺寸内的固体材料，它直接影响按指数衰减规律的剩余强度的X射线的穿透长度的影响。这种影响力也适用的材料组合物。工件的形状，考虑简单的正则的几何形状（宏观几何形状），形成工件的空间取向。测量到的形状的效果的大小和材料分布有关，但也隐含地考虑散射辐射或人工制品的效果。例如，在体素模型的束硬化文物往往发生在工件边缘，这通常是不利的测量不确定度。此外，形状相关的测量元件和功能，例如如果一个圆柱体的直径，必须测量或平行的平面之间的距离。显着的形状偏差的情况下，或高粗糙度（微几何）第四个相似的域名可以加入。

图1。相似域名的X-射线计算机断层扫描

以评估两个工件的相似性，上述相似域的特性有来自比较。对于非暧昧的决定，每个特征公差带是必要的。这是明智的存储的特征或特性的信息，从这些信息可以计算出在数据库中做断层扫描。对于相似查询读取和存储的值相比，新的计算值。当所有类别的实际部分的特征值都在参考值定义的公差带周围，达到足够的实际组成部分之间的相似性和参考部分。

建议，以评估形状的相似性进行比较，LFD的实际部分（F1）和参考部分（F2），d为距离测量（见3.1）。测试标准达成当d <dcrit。对于规模的相似性最大穿透长度的最优部分方向[12]进行比较（见3.2）。控制变量之间的渗透长度PLmin和呼吸率潮气容积比。为了证明该材料的相似性进行比较的实际材料的线性衰减系数的参考材料的发射光谱的光子能量。对于有足够相似性的线性衰减系数必须围绕基准曲线是在公差范围内。对于类似的渗透长度和类似的衰减系数类似的强度降低可以预期的。这将导致类似的灰度投影影像，这是容积模型的基础，这本身就是几何测量的基础。

根据VDI / VDE 2630表1.2的主要要求是在所建议的相似性分析。对于另外的相似性测量的工件也相同的重建和分割算法的基本相似，相同的注册的点云和相同的测量策略被应用。

3.1形状的相似性

形状的相似性进行评估通过LFD装置，这是一个特殊的情况下，2D FD。利用傅立叶描述平面封闭曲线紧凑的描述。文件描述符表示的点云由一系列的周期函数。本来这些描述已经被设计为优化存储空间点云[13]描述。 LFD使用平行投影生成的平面曲线[9]。在图2中所述的过程来计算从几何工件表示LFD。

图2。操作步骤，以评估通过的光场描述符的形状的相似性

工件的几何表示（STL文件）被加载。 STL是一种常见的CAD界面近似的名义几何三角面。从STL文件并行的预测从3个角度来看，返回的二进制图像。的角度来看位于立方边界框周围的点云（Facet模型）的平面上。共有6次有可能从一个长方体，而2个相反的意见返回镜像图像。当光线穿透固体物质的灰度值被设置为1，而为背景，该值被设置为0。从二进制图像的轮廓图像生成。的外轮廓被提取出来。随后，该轮廓点的离散采样。每个点的复数XNíYN分配，而真正的部分是

的x坐标和虚数部分是在图像坐标系中的y坐标。与上述各点的二维傅立叶描述符可以计算如下：

在频域中只集中在几个描述符的轮廓信号。更高频率的最受欢迎的绝对FD的值是比较小的信号的振幅。忽视频率超出截止频率的信号不显着改变。因此，轮廓信号可以近似相当不错由只有几FD。这些FD可以存储在数据库中。为了评估相似度D两个点云M1和M2第一他们有最合适的予以注册。这是必要的，因为一个点云可以是一个移位或旋转中的第一个版本。最适合的是通过逐渐旋转的实际朝向参考点云的点云，而基于立方边界框的平面的方向。工件的最优的角位置的两个点云的距离度量的距离d的I不同的F1，和F2，腐烂（ⅰ），是的第i个投影图像的FD的总和。

每一个投影图像可以有3 FD。距离测量评估为每一轮廓如下的第i个投影图像之间的最小距离：

的实际工件的傅立叶描述符进行比较，以在数据库中的工件的各自的值，从而使每个比较量度的距离。从这个矩阵可以形成含有交联的距离量度。这个距离矩阵可以被存储为文本文件或以不同的色彩距离地图可视化。

3.2相似的尺寸

规模的相似性评估的实际部分的长度和各自的最优对准的参考部分，用于比较的最大穿透。渗透的最大长度是一个重要的指标设置的管电压，这就决定了辐射硬度。以保证它有充分的渗透，甚至在工件的最长路径长度内的固体材料或局部线性衰减系数各不相同的情况下具有最高的路径衰减，例如多材料部件。最大穿透长度也存储在数据库中。

当地的渗透长度计算使用基于Matlab的射线追踪模拟[12]。多面模型的工件定位在简化几何模型的CT系统（图3）。必要的数据源探测器距离（SDD）和探测器大小。然后，在多面模型的绕x轴的工件坐标系中旋转以类似的方式相比，真正的断层成像过程中绕z轴的倾斜。这是明智的倾斜面模型逐渐从0°到90°。然后重做的工件坐标系中的y轴的倾斜。对于每个角度的组合的穿透长度的计算的离散数量的光线，在规则的网格对齐。在图3的中间的穿透长度的地图可视化的两个角度（倾斜0°，方向90°和90°，0°），在1024×1024射线。最大穿透一个倾角包括长度是最长的路径长度内固体物质的所有已定义的特定倾角射线和旋转步。的最佳的方向被认为是特定的方向的最大穿透长度达到最小。然后可以计算的基础上的渗透长度图（图3的权利，作为用于光子能量为250千电子伏）的预测能量依赖性衰减。

​

图3。射线追踪模拟和可视化结果为基础的相似性分析

3.3相似性材料

可结合的物质和光子能量依赖的线性衰减系数与当地的渗透长度可为每个角度组合的矩阵。对于这一点的线性衰减系数随射线能量曲线的材料是必要的，这是所涉及的化学元素的曲线的叠加。的叠加有关的各元素的质量百分比，因为它是假设每个元素纳入到相同的程度作为它的质量百分率的总衰减。曲线计算总结加权能量依赖的质量衰减系数[14]。对于这个叠加有必要具有相同的能量值。这需要数组，包含精致的能源旁边的表节点能量衰减边缘的能量。中间值插值使用三次样条，其范围从一个到下一个衰减的边缘。的线性衰减系数与能量的关系曲线，然后计算乘以的质量衰减值与已知的材料密度。可以从由材料供应商提供的标准，素材数据库或数据表的重量百分比。对于给定的允许范围内的重量百分数，例如1517％，平均值16％。

4。结果与结论

在图4中的相似性映射所示为不同体积的基元，如步骤气缸，带和不带的孔的孔和圆柱体的孔的孔在不同的近似质量（“粗”（部件号：6，9）有和没有立方块“精”（7,10）和“最大分辨率”（8,11））。的近似质量涉及向名义表面的径向距离和角度，其特征在于由和弦。与本身的一个方面的模型之间的比较显而易见的是，量度的距离为0，这意味着相同的形状。此外，距离的地图上是对称的，所以它的问题，如果实际的几何形状和参考几何体逆转。结果表明，近似质量只有一点点的距离度量（<20）的影响，而圆形部分和立方零件之间观察到显着的效果。因此，一个分类。将未能区分的旋转对称的部分的箱状部件，而该阈值是约

500。也已观察到，作为钻孔的内部特征不显着改变的距离测度。这样做的原因是，比较轮廓的等高线的数目总是有相匹配。因此，它是二进制的投影图像，它是决定性的外轮廓。

相似的形状音量原语

在图5中的渗透长度仿真的结果如下所示。此处步进缸的转动和倾斜角度（旋转和倾斜5°的角度增量）（第2号）的最大穿透所有定义的射线长度超过作图。在左侧的结果的工件坐标系中的x轴周围的倾斜，而在右侧的结果是为绕y轴的倾斜。步进缸水平在CAD模型中所定义的最初定向，同时绕x轴倾斜90°的步进缸直立如在图4中示出。步进缸的最大直径为90毫米，高度为90毫米。

最大穿透长度依赖于工件方向步进缸

为直立的方向（90°）的最大穿透长度几乎保持不变的，作为步进缸绕z轴旋转对称。如果在绕y轴的倾斜的倾斜角为y轴为旋转轴的步骤缸没有影响，所以，通过改变倾斜角度的步进缸仅绕其自身的轴线旋转。但一般都倾斜轴必须考虑到渗透工件长度优化取向，以保证可以找到。这种情况下，不利的方向是水平的一个发生这个更高的最大穿透长度。随着所施加的模拟操作者能够发现，最佳的倾斜，可以比较计算出的穿透长度的值的基准工件。根据ISO / DIS 15530-3一个粗略估计的相似大小的允许范围，然后是81.54±25毫米。

[15]在图6中离开各种标准化铝合金的线性衰减系数的相对偏差分别示出的线性衰减系数的纯铝。可以观察到，尤其是较低的光子能量发生更高的偏差（约10％至20％，部分高达110％），而对于附近的光子能量的最大能量，这可以提供常见的工业CT系统（225 keV450千电子伏）低于5％的偏差。原因之一是存在衰减的边缘，这是多合金和铝有没有对应的边缘。第二个原因是，在合金中吸收的元素存在，例如较高含量的铜（EN AW-2014）或锌（EN AW-7003，EN AW-7475）。的固体材料在10厘米（大约值的步骤汽缸（2）在图4中）的穿透长度的相对偏差的强度降低的范围内的6.47％（EN AW5356）-19.6％（EN AW-7475）的光子的能量为200 keV和μ的相对标准偏差分别为-19.0％和6.59％。

已经完成了类似的评价也为钢合金和各种精密塑料（图6右），使用的材料组合物数据库[16]或单体的分子式。对于后者的质量百分率计算出的元素比和摩尔质量。塑料的化合物，含旁边的聚合物增强材料，如纤维，陶瓷粉末或碳其它物质的，而确切的混合物混配的属性，因此未披露。光谱测量可以提高材料的质量表示用于相似性分析。对于塑料一直参考POM。在这里，为PVC和PSU偏差发生高达800％，主要由于更多的吸收氯和硫核。

各种铝合金和塑料材料的相似性（线性衰减系数）

相似性分析方面彻底调查揭示强度偏差的一个显着变化的不确定性，在测量过程中发生偏差b。在这里，我们提出了一个实验，使用相同的几何形状，但不同的材料和模块化体积原语的一项研究中，即几何设置由较小的实体，因此，可以重新排列的几何形状。这将导致图1中引入的公差带的值。具有较高强度的减少被认为是更关键的适应的材料，这是减少吸收。所以公差带不会是对称的走向的参考价值。

5。致谢

支持这项工作是由德意志研究联合会DFG，德国和巴西的研究倡议BRAGECRIM（参考SCHM1856/13-1）的范围内。

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[16] http://www.stahlschluessel.de/en/home.html的