用工业CT测量物质密度的ASTM标准方法

　　ICT是工业计算机断层成像技术(IndustrialComputed Tomography)的简称,主要用于工业产品无损检测(NDT)和无损评价(NDE),被检产品可小到毫米,大到数米,已经广泛用于航天、航空、核工业、军事工业、石油地质、钢铁、化工、机械、电力工业、反恐与缉毒等领域。ICT除了可提供工件断层影像信息外,还可以进行质量密度的绝对测定。

　　利用ICT测量工件的质量密度就是将CT数转换为质量密度ρ,在转换过程中需要进行复杂的刻度、标定、校正等处理。下面介绍了美国ASTM标准中推荐的ICT质量密度测量的原理与方法,希望国内工业可借鉴。

　　1　ASTM密度测量的原理与方法

　　ASTM(AmericanSocietyofTestingMaterials)即美国材料实验协会的E1935标准^[1]介绍了利用CT进行物体密度测量的标准方法以及一个具体的应用案例,该方法具有较高的质量密度测量精度。其基本原理就是通过对标准件的ICT测量,建立CT数与线性衰减系数之间的关系,利用该关系换算出被测工件某部位的线性衰减系数,再除以标准件的质量衰减系数(根据被测工件的化学属性手册查得)就能得到相应的质量密度。

　　在单色窄束情况下,线性衰减系数μ的定义是

　　式中　I0———衰减前的入射射线强度

　　I———经过物体衰减后的射线强度

　　d———射线穿过物体的厚度

　　线性衰减系数μ与质量衰减系数μm的关系是

　　在ICT中,CT数可定义为经过校正、重建后的CT断层图像像素灰度的数值。理论上讲,CT数应等于或正比于被测物的线性衰减系数,其中空气的CT数应该是0,但实际并非如此,因为有射束硬化、探测器系统的非线性等诸多因素影响。

　　ASTM测试物体质量密度的标准方法就是选择两种以上标准工件(即μm与ρ已知)进行CT断层扫描,对重建后的断层图像选择合适的区域,算出其平均CT数NCT,由称重法精确测出诸标准件的ρ,假设一个有效能量Eeff,由相关手册查表得到μm,由式(2)得到μ,作出NCT-μ试验点图及其拟合直线,计算NCT与μ试验点之间的相关系数,当采用某个Eeff值时相关系数最大,于是该Eeff就是系统的单能近似下的有效能量,此时的拟合直线就是该CT系统的刻度曲线,即线性衰减系数μ与CT值NCT之间的换算关系

　　式中a,b为拟合参数。

　　在对被测工件进行ICT密度测量时,ASTM方法要求知道或近似知道被测物的质量衰减系数μm,进而可由CT数根据式(3)换算得到的μCT值经以下计算

　　得到被测物感兴趣区域的质量密度,这实际上是一种刻度的方法。