仿真辅助优化工业X射线CT扫描参数的非破坏性测试和材料表征研究

仿真辅助优化工业X射线CT扫描参数的非破坏性测试和材料表征研究

1。介绍

X射线计算机断层扫描(XCT)是一个功能强大的工具,提供信息的几何形状和内部结构的标本。这个信息可以用来表征无损检测的标本。无损检测的典型应用是于组件或材料样品的气孔,裂纹和夹杂物的检测和定量。
XCT实现的数据的质量主要取决于试样的几何形状,材料,XCT设置,特别是在选定的扫描参数。如今这些扫描参数的选择和优化都必须由有经验的操作。这导致主观的,往往不理想的扫描结果。由于一个特定的评估任务的优化是非常乏味和耗时的一个XCT模拟软件可以优化自动采集,并生成用户的独立参数和结果,如果试样的初步知识提供[1,6]。收购后业绩主要受以下扫描参数[1]:
- 试样放置 - 检测器增益
-X射线源的电压 - 检测器的积分时间
X射线源电流 - 预测数
过滤板
 
本文重点研究基于仿真的优化CT扫描无损检测。度量衡学
[1]是这项工作的一部分。建议应用程序第3章第2.1章中描述一个典型的无损检测应用。

2。实验的

2.1样品描述

图1示出的圆盘状试件,这是为16毫米和152毫米的直径,制成的镁(Mg),含有3%(重量)的锌(Zn)的1%(重量)锆(Zr)的合金ZK31。
试样调查的目标是气孔,裂纹以及Zn或Zr的氧化物系夹杂物的CT数据的可视化分析来进行检测和定量。预期的最大的孔隙和夹杂物的直径约1毫米。这种试样的初步知识追加用于生成一个虚拟的试件,并进一步生成优化的扫描参数的仿真工具使用。优化是基于选定的质量参数的评价和文物的最小化。为了验证该工具的建议,进行了一系列真实的CT扫描和评估。

图1。试件的照片。旋转表上的两个不同的位置:(一)光盘的地位及(b)盘卧。该光盘是由镁合金ZK31,直径152毫米,厚16毫米,在预期的显着区域的毛孔,氧化锌(ZnO)的氧化锆氧化锆(ZrO2),直径约1毫米的夹杂物。

2.2 XCT设备和建模

CT扫描做上RayScan科技 - 的250E RayScan设备组成的一个的Viscom XT9225D 225千伏微聚焦管与钨靶和一个Perkin Elmer公司XRD 1620 AN14 CTS平板探测器。的锥形束CT系统的建模过程中必须涵盖以下章节中,X-射线源模型,与试样和检测器的X射线的相互作用。建议CT模拟使用完全分析模型,并已采用C + +和Nvidia的CUDA工具箱[1]。这项工作中使用的方法是重建滤波反投影算法费尔德坎普等出版。 [2]。

3。模拟辅助CT扫描参数的选择

由于XCT实现的数据质量取决于所选的扫描参数的优化的那些是理想的。当选择特定的扫描任务的移动设备的参数,如在第2章中的描述,一些有关的发送和焦斑的几何模糊的一般条件进行初步选择的位置和方向,在旋转工作台的试件必须满足。选定的安置应导致在一个最小化的最大和平均吸收在CT扫描和最小的文物,由于不精确锥束重建[3]。
一般适用于扫描目标的标本放置在旋转工作台的X-射线谱,定义为:加速电压U和预过滤器板,如果满足下列条件得到满足。辐射的传输,这是最小的灰度值除以投影图像的最大灰度值,通过试样是为检测器的的acquirable范围。 CT标准仍处于发展阶段,这是建议值的14%(ISO 15708)或10%(PREN 16016)吸收最佳的扫描质量最高的路径传输。但除此之外,它提到,用户应该依靠测试。一旦多色X射线渗透图像用于收购额外的文物包括由于束硬化效果。结合散射辐射束硬化效应导致之间的非线性衰减μD和渗透长度d(公式1),从而导致重建体积数据拔罐文物和高吸收结构之间的亮点或暗条纹或条纹。一个正确的选择U和预过滤板可以最大限度地减少这些文物。公式(2)是线性的度量,它给出的值在0到1的范围内,使用的投影图像,可以计算。它包含的均方根误差(RMSE)之间的比例衰减的理想的线性衰减。这个理想的是线性衰减,从原点到第一个数据点的衰减(四)中的假想线。
 
焦斑的X射线源所造成的几何模糊具有在考虑到检测器的像素尺寸和使用的倍率,可以忽略不计。在常见的微焦点管的电子束散焦,以防止从热破坏的目标,由于在目标上的有限的功率。一种电子点7微米的大小,用12瓦的能量撞击靶材料会诱发本地化熔化钨[7]。这就是焦斑直径的原因是正比于所施加的功率,并已被限制方面的几何放大倍数。
一般来说增加积分时间降低检测器的增益,而检测到的X射线光子的数目,从而提高信号噪声比(SNR)。虽然是有限的,所使用的检测器的结构噪声可达到的最大SNR [4,5]。此外,白色的灰度值GV(D = 0毫米)附近应该是最大可能的输出值探测器(PE XRD 1620:~95%216 = 65535)的使用尽可能好的数字化的X射线强度。
此外,对比度噪声比(CNR)的值,使用式(3)可以计算出在投影图像中的每一个适当的参数组合,以量化孔隙或夹杂物检测的最高吸收的路径的能力。可以使用此CNRproj值作为无损检测应用的优化标准,为了进一步预选参数,不使用的试样的几何形状的详细知识。 μB式(3)获取的路径处有最大吸收,由试样的平均背景灰度值(GV)。 μF前景的平均灰度值在最大吸收试样,同时兼顾衰减率变化的一个虚拟的孔隙或列入。状态σb值的标准偏差μB。假设虚拟孔隙或含有比基体要小的多。

上面提到的值和条件,可以计算在一个标准的个人计算机,利用所提出的仿真工具在几分钟内进行检查。此过程中比较完整的CT模拟的优点是简单的几何形状(例如圆柱体,长方体)的扫描参数的选择可以做一些,而不需要耗时的重建。对于更复杂的几何结构,具有高纵横比其尺寸完全CT扫描模拟优化收购建议。

4。评价结果

检查的盘,如2.1中描述,代表一个坏的情况下的措施CNRproj,因为它的尺寸具有高的纵横比。一个优化的传输(ISO 15708 / PREN 16016)或建议CNRproj最高衰减的路径,因此可能不会导致该应用程序的最佳的孔隙或夹杂物的可检测性。图2示出了通过一个虚拟的缺陷检测器的中心中的自由站立的光盘,在一个完整的旋转对象的穿透长度的积。虚线是显示一个很大的区别的路径衰减长度最高的平均渗透率长度。

图2。积通过一个虚拟的无缺陷和站立的盘(尺寸参见图1),在一个完整的旋转过程中的检测器的盘的中心的渗透长度。虚线是平均渗透与40.19毫米长度。

显然有两种:合适的光盘配售。无论是光盘在旋转工作台(图1a),​​它给出了一个低的平均衰减(平均值d到一个理想的完整的栈的突起DAVG~22毫米)或光盘光盘是躺在(图1b)给出了一个更高平均,(DAVG~109毫米),但类似的最大衰减(DMAX~153毫米)。由于躺在盘沿旋转轴线的小范围内,较少的锥形束重建文物预期。两次配售被认为是选择合适的设备参数。拆放略有倾斜的光盘不考虑。

表1显示了合适的参数组合,满足边界条件,在第3章,镁光盘上所描述的XCT系统的扫描。已检查的条件组合的加速电压范围从30到210千伏30千伏的步骤和铜的预过滤器从0到1.5毫米,步长为0.5毫米的厚度增加。为了确保扫描的时间不到40分钟,提到微XCT系统集成时限是1000毫秒电荷放大器的容量为1.0 pF和分级2。参数设置低于1e-4的最小的传输将被丢弃,这将导致在一个最小的加速电压为90千伏调查试样。为了进一步选择最佳的CT参数表1已使用了两个不同的程序(见第4.1和4.2)。判据最佳扫描质量detectablity的试样内的缺陷。

 

# U [kV] I [µA] T [ms] prefilter [mm] max. transmission min. transmission min. linearity max. linearity CNRproj,pore CNRproj,ZnO CNRproj,ZrO2
0 90 979 500 0 0.147 0.0001 0.616 0.696 0.213 0.254 0.511
1 120 965 285 0 0.206 0.0005 0.623 0.704 0.372 0.363 0.713
2 120 1038 1000 0.5 0.406 0.0013 0.864 0.961 0.617 0.587 1.150
3 150 641 285 0 0.243 0.0009 0.631 0.716 0.473 0.409 0.785
4 150 578 1000 0.5 0.435 0.0022 0.862 0.962 0.740 0.623 1.186
5 180 465 285 0 0.266 0.0013 0.639 0.727 0.535 0.431 0.813
6 180 758 500 0.5 0.450 0.0030 0.861 0.962 0.806 0.630 1.179
7 180 621 1000 1 0.497 0.0040 0.906 0.981 0.925 0.704 1.309
8 210 356 285 0 0.281 0.0016 0.646 0.737 0.574 0.444 0.826
9 210 546 500 0.5 0.459 0.0035 0.860 0.962 0.845 0.632 1.168
10 210 439 1000 1 0.505 0.0047 0.905 0.980 0.967 0.704 1.292
11 210 630 1000 1.5 0.533 0.0057 0.927 0.987 1.053 0.748 1.363


表1中。示出的适当的参数,图1的扫描试样。的Viscom XT9225-D 225千伏微聚焦管; Perkin Elmer公司XRD 1620 AN14 CTS;探测器平均= 1,2分级,1.0 pF的;距离源对象=673.13毫米,距离源检测=1538.58毫米; 16Bit的灰度值范围;体素= 175微米,在预过滤器的板材铜; 900突起;模拟的最大传输和线性度在16.26毫米的镁;模拟的最小发送和线性在153.53毫米镁; CNRproj检测与d = 1毫米的细孔,孔隙尺寸最大吸收(四~153.53毫米镁);氧化锌CNRproj CNRproj,氧化锆的夹杂物检测与d = 0.1毫米在最高吸收(四153.53毫米镁的路径的路径)

4.1基于仿真的参数选择使用投影图像

表1示出有计算CNRproj的毛孔,镁光盘内的氧化锌(ZnO)和氧化锆(氧化锆)的检测值。氧化锆中的细孔的直径为1毫米,CNRproj的,氧化锌分别CNRproj计算CNRproj,孔隙,夹杂物的直径为0.1mm,在最高吸收的路径计算。最大吸收装置镁153.53毫米。线性衰减值的范围为0.616至
0.987表明,在预过滤器的厚度之间的非线性的主要原因是

穿透长度和衰减。参数组合#7,#10和#11预计将有最好的功能,能够检测任何一种缺陷。

4.2基于仿真的参数选择使用重建片

优化CT扫描一个更复杂的方法是使用带有缺陷,它可以用来通过仿真工具来设计一个虚拟的试样试样的初步知识。对于图1的例子中,一个已创建构造实体几何组成的,其中包括一个孔,氧化锌(5.61克/厘米3)和氧化锆的圆筒
(6.15克/立方厘米)包容,每个直径为1毫米,靠近光盘的重心。图3给出了的模拟CNRreco值的孔隙和夹杂物的虚拟CT扫描重建的体积。的参数集的选择将取决于不同的缺陷。

图3。两个夹杂物的的模拟CNRreco重复确定一种孔隙内的检体站立在旋转工作台的虚拟扫描。在横坐标上的12个不​​同的参数组合的唯一标识为如表1所示。

4.3结果和讨论

如需详细评估了一系列CT扫描使用表1的参数集已经完成。图4中,示出片的细孔,其位于光盘的外表面附近的重建。扫描光盘趴在旋转工作台的参数#11(图4a),产率以一个低CNRreco值,而是代表了最好的移动设备的参数集,这是可能的躺在试样。一个常设盘整体提供更好的扫描结果扫描参数​​的优化,从而进一步的调查主要集中在本次配股。的孔对应于图4的图5中的灰度值公司。增强CNRreco此毛孔,改善毛孔变小的检测标本中的类似地点。
图6显示了周围的高吸收列入拔罐艺术品和暗条纹的CT参数的影响。上最好的(图6a)和最坏的情况下(图6b),有关文物所示为站立光盘。
图7是一个阴谋的实时CT重建实现CNRreco值,两个不同的包裹体和一个孔。由于材料组合物的缺陷的位置和尺寸不完全知道,图3的简化模拟的绝对值的直接比较是不可能的。

图4。切片孔隙#1的位置处的图像的实际的扫描,扫描参数设置第11光盘躺在用CNRreco~3(a)中,#0的光盘站在与CNRreco~8,(b)和第10的光盘站在一个CNRreco~16(C)。

1
0.95
0.9scaled greyvalue
0.75 0.8 0.85 14 16 18 Voxel 20 22 24 90kV,Cu 0mm 210kV,Cu 0mm 210kV,Cu 0.5mm 210kV,Cu 1.0mm 210kV,Cu 1.5mm 26 28 30 32

图5:调整灰度值分布通过的孔隙#1(直径约0.5毫米),对应图4为4个不同的参数组合。

(一)(二)

图6。切片图像的夹杂物#1,它表示包含在试样吸收最高的位置的实际的扫描,扫描参数设置第0~49(a)和第10一个CNRreco的一个74~CNRreco(B̶ )。光碟站在在旋转工作台。

选择参数通过模拟CNRreco值略有不同的参数会导致比使用真实的情景。这可以解释一个不精确的模拟模型和不同露面的文物,由于虚拟几何结构简化。对CNRreco调查显示,高值可能赝象星座的起源。例如CNRreco的一个小高吸收包容性,定位在光盘中心,在低吸收矩阵的值非常受拔罐文物。参数参数的建议将导致不带预过滤器,因为射束硬化效应所描述的场景中,增强影像的对比度。
的参数组合#7,#10和#11导致频谱高效的光子能量,最大限度地传输,减少束硬化和产量高的CNRproj值(表1)(图7)和实际扫描CNRreco。表1显示的传输值的相关性的线性值,确定依赖于所使用的频谱。最小的传输是远远超出10%,CT标准所建议的,但由于发送平均就足够了,一个高的扫描质量可以。对于所示的示例CNRproj CNRreco普遍改善,增加铜的预过滤器的厚度(图3,5,7)。
所有图的解释导致这样的结论,#10和#11就文物和CNRreco值提供最佳的扫描质量。的潜力改善CNRreco通过选择好的参数值的50%和100%之间。虽然的CNRproj只考虑路径的最大吸收参数的选择是相同的,它似乎是适合作为全球和快速无损检测应用优化。

CNRreco图两个选定的夹杂物和孔隙,在旋转工作台的检体站在内确定实际的扫描。在横坐标上的12个不​​同的参数组合的唯一标识为如表1所示。

总结

相反,传输标准ISO 15708或者prEN10204.2.2 16016我们提出了一个基于仿真优化的扫描参数的优化建议。无损检测扫描的优化是一个标准的噪音比值计算CNRproj的内投影图像的对比度。 CNRproj检测孔或夹杂物的试样的最大衰减的路径的能力的量度。优化过程已被应用到一个现实世界的无损检测中的应用。 CT参数的建议进行了核实评价的真实和模拟的CT扫描系列。之间的相关性的的模拟CNRproj和实际扫描CNRreco可以显示所选择的应用程序,但不理想的参数建议预计,由于试样的尺寸的高纵横比。

致谢

提出的工作已经由非破坏性测试ZPT的,批准号820492的K项目和由大桥项目的SmartCT的,授予奥地利研究促进署(FFG)818108号。更多细节见http://www.3dct.at。由于CT组上奥地利应用科学大学 - 韦尔斯校区在设计这种方法的支持。

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