无损检测用工业CT几何尺寸校准方法的研究_张健.pdf

Research&Discussion182023.1引言工业CT是工业用计算机断层成像技术的简称，它能在对被检测物体无损伤条件下，以二维断层图像或三维立体图像的形式，清晰、准确、直观地展示被检测物体的内部结构、组成、材质及缺损状况，被誉为当今最佳无损检测（NDT）与无损评价（NDE）技术1。工业CT技术涉及核物理学、微电子学、光电子技术、仪器仪表、精密机械与控制、计算机图像处理与模式识别等多学科领域，是一种技术密集型的高科技产品2。工业CT主要由射线源、机械扫描系统、探测器系统、计算机系统和屏蔽设施等组成，其结构示意图如图1所示3。图1 工业CT结构示意图工业CT可以用于被测物体壁厚分析、缺陷检测、几何尺寸测量和逆向工程等，如分析工件内部壁厚不足或间隙过大的位置，检测工件中气孔、孔洞和夹杂物，构建单独零部件的三维图像的逆向工程，以及工件内部几何尺寸测量等。广泛应用于汽车、材料、铁路、航天、航空、军工和国防等产业领域，为航天运载火箭及飞船与太空飞行器的成功发射、航空发动机的研制、大型武器系统检验与试验、地质结构分析、铁道车辆提速重载安全、石油储量预测、机械产品质量判定等提供了的重要技术手段。由于目前国内还没有工业CT几何参数校准的国家计量技术规范，当前的设备校准没有方法依据，量值溯源是一空白领域，开展工业CT几何参数校准技术研究是一项迫切任务。本文重点对无损检测用工业CT几何尺寸校准方法进行研究。1 工业CT探测误差校准技术研究1.1 探测误差的概念探测误差是工业CT机械系统、传感器及附加装置（如连接部件）的全系统三维误差。该误差由整个坐标测量系统，特别是探测器的误差决定，如噪声、量化误差、实物标准器的材料和几何结构的影响、传感器的校准误差、数据处理及软件重构算法等4。无损检测用工业CT 几何尺寸校准方法的研究Research on Calibration Method of Geometric Size of Computerized Topography for Non Destructive Testing张健1 唐莹1 曹丛1 胡安继1 武春利2 王传海1（1.山东省计量科学研究院，济南市 250014；2.中国石油集团济柴动力有限公司，济南市 250306）Zhang Jian1 Tang Ying1 Cao Cong1 Hu Anji1 Wu Chunli2 Wang Chuanhai1(1.Shandong Institute of Metrology,Jinan 250014;2.CNPC Jichai Power Company Limited,Jinan 250306)【摘要】文章对工业CT几何参数校准方法，2D、3D模式下探测误差和长度测量误差的校准方法进行了研究，并采用不同标准器进行校准，克服了不同测量模式间的差异。项目成果对于规范工业CT几何参数校准工作，提升无损检测的评价质量，促进汽车、新材料、装备制造、航空航天、国防领域高质量发展具有重要意义。【关键词】工业CT无损检测几何参数校准Abstract:The paper research on the calibration method of geometric parameters of computerized topography for non destructive testing,probing error and length measurement error in the 2D and 3D modes,which uses different standards to overcome the differences of testing modes.Achievements are to guide the calibration of geometric parameters of computerized topography,improve the evaluation quality of non destructive testing,which is beneficial to motor,material,equipment manufacture,aerospace and national defense fields etc.Key words:Industrial Computerized TopographyNon Destructive TestingGeometric ParametersCalibration收稿日期：2022-10-12作者简介：张健（1976-）男，汉族，工程技术应用研究员，硕士研究生，2003年毕业于山东大学控制科学与工程学院，主要从事几何量计量检定校准和检测技术研究工作。探讨交流 Research&Discussion202023.1次，取3次测量平均值作为量块测得值La，以量块测得值La与标准值Lr之差作为2D长度测量误差EL,2D。EL,2D=La-Lr（6）式中：La量块测得值；Lr量块中心长度标准值。2.3 3D长度测量误差EL,3D3D模式长度测量误差采用球板和球杆标准器进行校准。以两个标准球的球心距作为被测长度，长度测量误差即为两个标准球的球心距误差。球心距示意图如图5所示。图5 球心距示意图校准方法：采用球心距标准器在空间7个不同方向进行校准，空间测量方向见图68。每个位置和方向校准5个尺寸，每个尺寸测量3次，取3次测量平均值作为球心距测得值La，以球心距测得值La与标准值Lr之差作为3D长度测量误差EL,3D。EL,3D=La-Lr（7）式中：La球心距测得值；Lr球心距标准值。图6 长度测量误差空间测量方向3 校准试验3.1 试验目的验证无损检测用工业CT 2D和3D工作模式下校准方法的科学性，以及2D标准器和3D标准器的有 效性。3.2 试验设备重庆真测科技9MeV加速器工业CT无损检测系统，设备见图7。图7 9MeV加速器工业CT无损检测系统3.3 标准器2D标准器包括标准圆柱和陶瓷量块，如图8 所示。图8 2D标准器3D标准器包括红宝石球棒、红宝石球板和陶瓷球杆，如图9所示。图9 3D 标准器3.4 试验结果（1）标准圆柱和陶瓷量块更适合工业CT 2D模式几何参数的校准。一是由于标准圆柱不同径向截面直径（带有一定不确定度）相同，当扫描任何位置径向断层时，直径参考值相同，容易实现对2D探测误差的校准和评价。二是陶瓷量块中心长度是标准值，当对平行断层扫描时，其长度参考值相同，易于对长度测量误差进行评价。另外，陶瓷线膨胀系数小，受温度影响较小，比较适合工作现场2D长度测量误差的校准和评价。相反，如果采用球棒、球板、球杆作为2D标准器，由于扫描时难以精准对通过球心的断层进行扫描，使得测量误差和不确定会相应增大。标准器2D扫描图如图10所示。（下转第26页）Research&Discussion262023.1OPEN_EXISTING，iMode，0）使用同步I/O方式打开串行端口mhRS为通过CreateFile函数打开串行端口后的返回值（Handle值），在串口打开成功后，操作系统会自动为Handle值配置一个号码，也可以理解程序中使用该值来进行对串行通信端口的相关操作。（2）设置传输速度等参数。由于通信端口涉及的参数较多，故先使用以下语句取得通信端口的设置值。iRc=GetCommState（mhRS，uDcb）再对需要修改的参数进行赋值后写入即可。uDcb.BaudRate=miBaudRate 通信速度（bps）uDcb.ByteSize=miDataBit 数据位数uDcb.Parity=meParity 极性位uDcb.StopBits=meStopBit 停止位iRc=SetCommState（mhRS，uDcb）利用修改后的结构变量uDcd重新配置端口参数（3）使用ReadFile及WriteFile读写串口数据。程序执行时，扫描开关及电阻测试仪的远程控制命令均为字符串，必须使用System.Text的UTF8Encoding或UTF7Encoding类作为编码将其转换为字节数组才能调用WriteFile函数，具体代码如下。Dim oEncoder As New System.Text.UTF8Encoding 声明字节数据及编码类（UTF8）Dim aByte（）As Byte=oEncoder.GetBytes（Buffer）将字符串转换为字节数组iRc=WriteFile（mhRS，aByte，aByte.Length，iBytesWritten，Nothing）串口发送数据同理，使用ReadFile读取的数据也需要经过同样的处理，才能得到正确的返回值。iRc=ReadFile（mhRS，mabtRxBuf，cs.cbInQue，iReadChars，Nothing）InputString=oEncoder.GetString（mabtRxBuf）转换字节数组为字符串3 结论改进后的检定系统已用于上海自动化仪表三厂对薄膜热电阻元件的测试工序。实际使用情况表明，计算机操作界面设计符合质检人员的操作习惯，使用便捷，有效缩短了测试报告的出具时间，减少了人为误操作，提高了产品质检工作的效率，具有良好的实际应用价值。参考文献1 江红，余青松.VB.NET程序设计（第2版）m.北京：清华大学出版社，20202 范逸之，廖锦棋.Visual Basic.NET自动化系统监控RS-232串行通信m.北京：清华大学出版社，2006（上接第20页）图10 标准器2D扫描图（2）球棒、球板和球杆标准器更适合3D模式的校准。一是用球直径作为3D探测误差评价指标，用球心距作为3D长度测量误差评价指标，可以实现对工业CT硬件系统和软件系统综合误差更全面的检验和评价。二是球棒、球板采用红宝石球材料，球的硬度高，形状稳定可靠，而且对X射线吸收能力低，可以提高校准结果质量。陶瓷球杆测量范围大，可以实现大尺寸无损检测工业CT 3D长度测量误差的校准。4 结束语针对工业CT 2D和3D测量模式，提出了采用不同标准器进行探测误差和长度测量误差的校准方法，并通过校准试验进行验证，该方法克服了不同测量模式之间的差异，提高了检测效率和对仪器评价质量。由于试验场景有限，校准方法的科学性和实用性还有待通过不同厂家、不同型号和不同用途的工业CT设备试验进行进一步验证。参考文献1 GB/T 34874.3-2017 产品几何技术规范（GPS）X射线三维尺寸测量机 第3部分：验收检测和复检检测2 王义旭，施玉书，高思田等.工业CT探测尺寸误差的校准和误差分析J.计量学报，2014，（3）3 郭鑫.基于已校准球板标准器的工业CT长度测量不确定度分析J.计量与测试技术，2021，（48）4 朱洪光.关于工业CT长度测量误差校准分析J.科学技术创新，2019，（35）