【正文】 (I0In)/?Χ （）式中 μn為第n個單元的衰減系數(shù)In為第n個單元透射后的強度式（）表明，在某一X射線路徑上，假如知道了I0、In、?Χ，那么該路徑上物質(zhì)衰減系數(shù)的總和（μ1+μ2+…+μn）可以求出來因為一條X射線束掃描，只能得到一條方程。 X射線的衰減當(dāng)一束單色X射線束通過密度均勻的工件時，衰減量由以下式子（即Beer 定律）決定 I=I0eμL （）式中，I為X射線入射前的強度I0為X射線入射后的強度μ為線性衰減系數(shù)L為X射線經(jīng)過的路徑長度式（）可改為以下形式 μ=ln?(II0)/L （）通常，沿X射線路徑上的物質(zhì)密度是不均勻的。射線衰減的能量主要跟工件的密度有關(guān)（說明一下，本文的密度指的都是輻射密度，與材料密度不完全相同），也受到X射線能量的影響。CT的射線可以為X射線或者γ射線，兩者工作原理相同，因X射線應(yīng)用更為廣泛，下面以X射線工業(yè)CT來說明CT的工作原理。我國在在高能X射線工業(yè)CT，檢測工件的直徑，重建圖像的質(zhì)量等方面我國與發(fā)達國家仍存在相當(dāng)大的差距。此外，中物院、首都師范大學(xué)、上海交大、兵器工業(yè)總公司二0四所等高?；騿挝辉诠I(yè)CT的研制方面都取得了一定的成就。2000年，清華大學(xué)開始高能工業(yè)CT的研究，經(jīng)過數(shù)年的發(fā)展，其在高能工業(yè)CT方面達到了國內(nèi)領(lǐng)先國際一流的水平。我國從20世紀90年代初開始進行工業(yè)CT的研制。 國內(nèi)外典型工業(yè)CT的性能參數(shù)研制單位清華大學(xué)重慶大學(xué)美國BIR公司俄羅斯探傷公司主 要 性 能 參 數(shù)檢測工件直徑1200mm1000mm6000mm3000mm射線源X射線，γ射線X射線，γ射線X射線，γ射線X射線射線能量100kV~12MeV100kV~15MeV100 kV ~80MeV100 kV~60MeV探測器數(shù)2048204820481024空間分辨率密度分辨率%%%%重建圖像像素2562565125121024102425625651251210241024204820484096409620482048典型掃描時間3~8min3~8min2~5min3~5min目前，當(dāng)今世界上工業(yè)CT研究水平比較高的國家有美國、俄羅斯、德國、日本澳大利亞、中國等，美國作為當(dāng)今世界上工業(yè)CT研制水平最高的國家，在1996年成功研發(fā)第一套中能工業(yè)CT系統(tǒng)之后，2000年新的錐束工業(yè)CT研制成功并投入市場， 2008年研發(fā)出了當(dāng)今世界最高能的60MeV工業(yè)CT系統(tǒng)，能對直徑8米的設(shè)備進行檢測[7]。現(xiàn)在，盡管工業(yè)CT發(fā)展已經(jīng)比較成熟，但仍存在不少不可忽視的問題有待解決：圖像重建時要求射線的能量是單一的，這樣才使得其對同樣的物質(zhì)有相同的衰減系數(shù)，而通常情況下X射線的能量是連續(xù)譜，能量不同的X射線在掃描時便會產(chǎn)生投影誤差，進而影響圖像重建；掃描平臺或者射線源—探測器的微小擾動都會造成投影誤差；各種類型的噪聲和探測器各單元響應(yīng)不統(tǒng)一會對圖像質(zhì)量產(chǎn)生嚴重影響；在重建圖像時，選取的算法也會對圖像產(chǎn)生一定的影響等[6]。工業(yè)CT可以使得各種工業(yè)產(chǎn)品投放市場或者服役前得到最為嚴格的檢測，使得飛機、汽車、導(dǎo)彈等一系列工業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量得到極大的提升[5]。在上世紀80年代，美國就開始花巨資研發(fā)工業(yè)CT，以檢測軍用的航空發(fā)動機的缺陷。同時，使用的X射線源一般低于150kv，降低了病人的輻射傷害。醫(yī)用CT門類齊全，包括心臟CT、肺CT、腦CT、全身CT等。由于其具有密度分辨率高，實時性好等優(yōu)點，被公認為最佳的無損檢測手段，也被評為20世紀后半期最偉大的十大科技成果之一[3]。 CT應(yīng)用及發(fā)展現(xiàn)狀 CT的應(yīng)用從第一臺CT被發(fā)明以來，已經(jīng)經(jīng)過了5代的發(fā)展，對社會經(jīng)濟的發(fā)展起到了巨大的推動作用。然而，螺旋錐束CT目前只是應(yīng)用在醫(yī)用CT上，在工業(yè)CT中的應(yīng)用尚處于實驗階段。20世紀90年代以后，出于降低掃描時間和三維成像的考慮，螺旋CT和錐束CT應(yīng)運而生。20世紀80年代初，CT從醫(yī)學(xué)延伸到了工業(yè)上。當(dāng)時，由于射線強度低，需要9天才能完成圖像數(shù)據(jù)采集；由于計算機計算速度慢。但遺憾的是，當(dāng)時幾乎沒有人注意到他的工作。176。1963年，美國物理學(xué)家Cormack首次，將Rondon變換理論付諸實踐并取得成功。無可置疑，這種斷層成像技術(shù)在一定程度上取得了成功，它使得可以產(chǎn)生感興趣部分的清楚圖像，這在當(dāng)時的檢測界引起了不小的轟動。調(diào)整好兩者的運動速度，就可以選定焦平面上的點A和點B在膠片上的成像位置保持不變；另外，當(dāng)X射線管左右移動時，不在成像平面上的點a或者點b就要不斷移動。該方法能使得感興趣的平面a成像清楚，而平面a的上下平面成像模糊。根據(jù)他的方法，檢測設(shè)備由X射線管。盡管這個理論最初 傳統(tǒng)斷層圖像的成像原理是應(yīng)用在無線電天文學(xué)中，但也不妨礙其成為CT產(chǎn)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的事實。 1917年，在阿貝爾提出的斷層成像概念基礎(chǔ)上，奧地利數(shù)學(xué)家Radon在一篇國家級研究報告中，提出了著名的Rodon變換。然而，由于射線照相技術(shù)應(yīng)用的原理，其存在固有的缺點。很快，以射線照相技術(shù)為代表的各種射線檢測技術(shù)得到了發(fā)展和推廣。第二年，法國科家貝勒爾在進行磷光實驗時，發(fā)現(xiàn)了一種與X射線性質(zhì)相似的不可見光—γ射線。第二章 CT基礎(chǔ)知識 CT歷史簡介1826年5月，挪威物理學(xué)家阿貝爾展開了對軸對稱物體截面的研究，提出了利用截面信息來恢復(fù)物體橫截面的斷層成像概念，為后來CT的誕生和發(fā)展提供了理論依據(jù)。接著，主要講了工業(yè)CT目前在掃描定位方面存在的問題，而本課題正是在這樣的背景下提出的。因此，改善工業(yè)CT掃描定位方式對其發(fā)展起著重要作用。 選題背景和意義上世紀80 年22代以來，工業(yè)CT技術(shù)得到快速的發(fā)展，成為公認的最佳無損檢測手段[1]。20世紀以來，從開始的射線照相技術(shù)，到超聲波檢測再到工業(yè)CT技術(shù)，無損檢測得到了快速發(fā)展。然而，對于非常重要的零件或材料，致命的缺陷可能意味著致命的后果。雖然無法全面反映該批毛坯，但保證了剩下毛坯的完好。然而，這樣不僅費工費時，材料也會因此被破壞而無法使用。 所謂的“無損檢測”是相對于“有損檢測”來說的。 在人類的科學(xué)研究、生產(chǎn)活動乃至醫(yī)療診斷中，類似“不打開盒子看清盒子的東西”的問題可謂是數(shù)不勝數(shù)，隨時可以碰到。工業(yè)CT設(shè)備分析與掃描定位方法畢業(yè)論文目錄第一章 緒論 1 從“盒子里裝的是什么”說起 1 選題背景和意義 1 主要研究內(nèi)容 1 本章小結(jié) 2第二章 CT基礎(chǔ)知識 3 CT歷史簡介 3 CT應(yīng)用及發(fā)展現(xiàn)狀 4 CT的基本原理 6 CT物理知識 8 X射線產(chǎn)生機理 8 X射線物理性質(zhì) 8 X射線與物質(zhì)相互作用 9 本章小結(jié) 11第三章 工業(yè)CT的基本組成 12 工業(yè)CT的基本結(jié)構(gòu) 12 射線源 12 機械掃描系統(tǒng) 13 14 15 15 16 準直器 16 17 本章小結(jié) 17第四章 工業(yè)CT圖像質(zhì)量的影響因素分析 19 圖像質(zhì)量的含義 19 空間分辨率 19 密度分辨率 20 21 本章小結(jié) 21第五章 X射線掃描定位新方法 22 目前掃描定位方法的不足 22 掃描定位新方法介紹 22 掃描定位新方法的優(yōu)點 24 本章小結(jié) 24第六章 基于Pro/ 25 關(guān)于建模的介紹 25 旋轉(zhuǎn)坐標系的建立 2工件和標志架的建立 26 射線源和標志點的建立 26 像片和像片坐標系的建立 27 射線建立和投影點尺寸標注 28 本章小結(jié) 29第七章 基于MATLAB的數(shù)值計算 30 MATLAB簡介 30 運用MATLAB進行數(shù)值計算 30 本章小結(jié) 32總結(jié) 33參考文獻 35致謝 36II第一章 緒論 從“盒子里裝的是什么”說起在1895年倫琴發(fā)現(xiàn)X射線以前，想要在不打開盒子的情況下看清盒子 里放的是什么，除非盒子是透明的，否則幾乎是不可能的。如今，在機場或者車站，不打開旅客的行李進行安全檢查，已經(jīng)司空見慣了。這種技術(shù)用一個科學(xué)術(shù)語來概括，就是“無損檢測”。例如，檢測一塊鑄鐵毛坯，要檢測內(nèi)部是否有氣孔，將其一片片切開無疑是一種辦法。而對于一批鑄鐵毛坯，進行抽樣切開檢查從統(tǒng)計學(xué)來說，不失為一種好方法。對于普通的零部件或產(chǎn)品，用抽樣檢查的方法進行檢測，結(jié)果不完全準確，但是可以接受的。例如，飛機上一個小小零件的缺陷可能帶來機毀人亡的重大事故，這樣，抽樣檢測的方法就顯得可靠性不夠了?，F(xiàn)今，工業(yè)CT成了解決“盒子里裝的是什么”問題的最佳方法。然而，掃描定位方法一直沒有大的變化，主要是采用旋轉(zhuǎn)編碼器或者光柵尺來對X射線定位[2]，這種掃描定位方式制約了CT結(jié)構(gòu)的緊湊，并有以下缺點：掃描機械制造成本高，X射線劑量大，數(shù)據(jù)采集速度慢，投影數(shù)據(jù)誤差大，重建圖像質(zhì)量低等。 主要研究內(nèi)容進行相關(guān)資料的查找及研究，明確工業(yè)CT的背景知識，熟悉Pro/E和MATLAB兩個軟件的使用方法，并完成以下內(nèi)容：（一）了解工業(yè)CT的結(jié)構(gòu)組成，認識各部件的工作原理，掌握CT成像原理，清楚從射線照射到CT圖像重建的流程（二）總結(jié)當(dāng)今世界上提高工業(yè)CT精度的方法（三）采用X射線容積攝影實現(xiàn)圖像重建的新方法，根據(jù)數(shù)字攝影測量和機器人學(xué)等的定位原理，將掃描定位的方法，由現(xiàn)今工業(yè)CT的儀器測量得到轉(zhuǎn)變?yōu)橛嬎愕玫剑ㄋ模┻\用Pro/E建立簡單的模型進行仿真，得出投影點的坐標（五）運用MATLAB編程，根據(jù)已知數(shù)據(jù)，確定X射線和射線源的位置，并與預(yù)置的位置進行比較 本章小結(jié)本節(jié)首先以“盒子里裝的是什么”為例子，說明有損檢測手段的不足，進而引出了無損檢測的概念，而最佳的無損檢測手段—工業(yè)CT被順理成章地引了出來。最后，明確了本次畢業(yè)設(shè)計的內(nèi)容，說明了要學(xué)習(xí)的新知識和要完成的任務(wù)。1985年11月，德國物理學(xué)家倫琴在進行陰極射線實驗時，發(fā)現(xiàn)在離試驗臺2米遠處的熒光屏在閃爍，經(jīng)過進一步的研究，他斷定這種射線不可能是陰極射線（電子束），因為陰極射線絕對不可能穿過那么長距離的空氣，而且他認為這與當(dāng)時已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的紫外線、紅外線完全不同，并給它起了一個有點神秘的名字—X射線。這兩種射線的發(fā)現(xiàn)，成為射線檢測技術(shù)的物質(zhì)基礎(chǔ)。直至今天，射線照相技術(shù)依然隨處可見，發(fā)揮著不可替代的作用。首先，最主要的是本來是三維的實際物體經(jīng)過射線照相之后，只能得到二維的圖像，射線經(jīng)過路徑上的所有材料都重疊在一起，使得密度分辨率得到嚴重限制；其次，由于照相的膠片要經(jīng)過顯影、定影和晾干等過程，實時性差。該變換指出，物體任一個截面可以用若干個投影數(shù)據(jù)來表示；相反，由某截面的若干個投影數(shù)據(jù)可以重建該截面圖像。1921年，物理學(xué)家Bocage針對X射線照相技術(shù)存在的前后圖像重疊的缺點，提出了斷層成像技術(shù)的雛形。探測器和保證管子與探測器同步運動的機構(gòu)組成。X射線管自左向右運動，膠片則從右到左相反方向運動。這樣就在焦平面上得到了清晰的圖像，而焦平面之外的結(jié)構(gòu)就變得模糊。然而，成像平面的密度分辨率仍然較低，變模糊的圖像依然要疊加在斷層圖像上，明顯影響了圖像質(zhì)量。他用γ射線在180176。為增量，掃描25次掃描鋁—塑料模型，計算出模型的對γ射線的吸收系數(shù)。1972年，英國的Hounsfield研制出了第一臺醫(yī)學(xué)CT。盡管如此，這依然是無損檢測發(fā)展史上一個的里程碑，Hounsfield也因此獲得了諾貝爾醫(yī)學(xué)獎。從70年代到90年代，根據(jù)掃描方式分，經(jīng)過了5代的發(fā)展，其特點均是逐一對每個截面用二維的射線進行掃描再重建圖像。螺旋CT可以一次性掃描多個斷層，大大縮短了掃描時間，對于實時成像有著重要影響，而平板探測器的出現(xiàn)對其發(fā)展有舉足輕重的作用。隨著對精度和檢測效率要求的提高，螺旋錐束工業(yè)CT在未來將會得到越來越廣泛的應(yīng)用。其被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、工業(yè)、航空、軍事、考古、海關(guān)等眾多領(lǐng)域，檢測的對 用工業(yè)CT檢測彈藥 象包括航空發(fā)動機、導(dǎo)彈、精密零部件、化石、毒