CN103558237B - 工业ct三维精密测量与校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种工业CT三维精密测量与校准方法，包括工业CT扫描参数优化和工业CT三维测量精密校准两部分。本发明在大量实验室研发与工业应用的基础上，针对“主要扫描参数的设置”、“三维重构过程中射线束硬化现象的修正”以及“三维建模与精密测量过程中的体素尺寸、边界定义校准”三个影响工业CT三维测量质量的重要环节对传统工艺进行了创新性优化，本发明方法可以大幅提高工业CT三维测量的精度与稳定度，从而可以极大地拓展其在精密测控、三维建模、对复杂机械内外结构的定性定量分析以及逆向工程等领域的应用。

Description

工业CT三维精密测量与校准方法

技术领域

本发明涉及一种工业CT三维精密测量与校准方法，属于工业CT测量与控制、质量检测领域。

背景技术

CT技术自上世纪70年代起被广泛应用于医学诊断、材料分析以及无损探伤等领域，是公认的20世纪后期最伟大的科技成果之一，并被誉为最佳的无损检测技术。世界上第一台测量精度较为精密的工业用CT设备出现在2005年的德国工业展会上，自此，工业CT在三维尺寸精密测量领域的应用受到了广泛的关注并逐渐被工业界所认可。

工业CT检测技术极为复杂，从X射线扫描到三维建模需要经历：

(1)二维图像采集：涉及14个主要机械参数的设定；

(2)三维体素重建：包含4种误差的修正参数设定；

(3)材料边界定义与三维建模：通过6个重要参数来确立物体的边界定义规则，同时需要依据实际情况对体素尺寸、射线束硬化、边界误差等影响因素进行二次校准；

(4)在三维模型的基础上对被测物体的内外尺寸、材料缺陷进行精密测量，并且对测量结果的不确定性做出合理预估。

工业CT三维测量技术的成熟与否主要体现于：能否提供精确的和持续稳定的测量结果；能否建立清晰和高分辨率的三维模型。

由于工业CT三维测量技术极为复杂，仅初期需设定的控制参数就超过30个。同时，对三维重建过程中由射线束硬化造成的伪影图像修正，也是影响图像质量的重要环节；而要达到微米级的测量精度与稳定度，更是亟需专业、系统化的校准方案以及规范的测量不确定度评估标准。

针对上述的各项技术难点，目前已有的与本发明最相近似的技术方案为：

1、CT扫描参数优化

目前业内对于扫描参数的优化，主要以调整加速电压、激发电流以及过滤片的材料与厚度等来维持14％的最小穿透系数为依据。

2、射线束硬化的修正

(1)灰度值对照表法：通过对特殊定制的校准工件进行扫描，确定X射线衰减率与穿透尺寸的对应关系；将此关系线性化构成灰度值对应表，进而利用该表对所有二维图像进行修正；

(2)精确重建法：通过建立精确的数学模型，将非线性的X射线衰减系数离散化，然后利用模型精确重建去除射线束硬化带来的影响；

(3)预定义多项式修正法：利用预定义的函数关系，对原始衰减系数进行线性修正；

如公式“Y＝a(b+cX+dX²+eX³+fX⁴)”所示，Y代表不受射线束硬化影响的理想X射线衰减值；X代表实际的X射线衰减值；系数“a”到“f”通常依据操作员的个人经验来设定；

(4)利用中层切片优化多项式：此方法是对“预定义多项式修正法”的扩展。该方法利用了X射线探测器中层切片的综合衰减率恒定这一条件，对多项式的系数进行精确调整；

(5)无参照反投影法：此方法首先对未经修正的三维体素进行初步边界定义，然后利用三维模型来计算在物体旋转过程中每条X射线所实际穿透的物体厚度；并根据此信息，对射线束硬化进行二次修正。

3、体素校准方案：

三维体素的大小通常由X射线探测屏的像素尺寸，被测物体与X射线发生器、X射线探测屏之间的相对距离所决定。然而，在三维测量的实际应用过程中，体素的实际尺寸往往需要进一步的校准与计算。目前盛行的体素校准方案多采用经由接触式三坐标精密校准后的球心距离。将此校准件在相同放大系数下进行CT扫描并测量，比较CT测量结果和接触式三坐标的测量结果可计算出体素校准系数。

4、边界定义校准：

目前业界往往依赖于软件本身的边界定义规则，例如通过局部灰度值的变化率来定义物体表面，缺乏通用的精密校准工艺。

针对三维精密测量这一工业CT的新兴应用领域，上述技术方案存在着明显的缺陷：

1、CT扫描参数优化

14％最小穿透系数仅适用于传统无损探伤应用领域，无法明确定义各影响因子的主次关系。其优化结果往往无法满足三维精密测量的精度需求.

2、射线束硬化的修正

(1)灰度值对照表：极不稳定并且误差大，适用于医学领域但远远无法达到三维精密测量的要求；

(2)精确重建法：耗时长并且对计算机性能的要求苛刻，且难以应用于结构复杂的物体；

(3)预定义多项式修正：预定义的多项式系数仅依据操作员的个人经验，容易产生较大偏差，可靠性差；

(4)利用中层切片优化多项式：在一定程度上优化了前述的“预定义多项式修正法”，但此方法要求中层切片必须包含所扫描物体的最大穿透长度，这在实际应用中往往难以实现。并且，此方法在处理圆柱形零件时会产生较大误差；

(5)无参照反投影法：此方法过于依赖测量前对材料边界的定义，而此边界定义往往包含较大误差，因而很难达到三维测量的精度要求。

3、体素校准方案

利用相距较远的两球心距离进行体素尺寸校准，往往会掺杂传统接触式三坐标测量方法的固有误差，从而增加了校准系数的误差。同时，球心距离的稳定度也是此方法的一大弊端，往往需要用接触式三坐标测量仪器对球心距离进行重复校准。

4、边界定义校准：

利用局部灰度值的变化率虽然可以部分缩小边界误差，但是，要使边界误差降低到±5～20微米的级别，还需要采用更加精密的校准工艺。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种工业CT三维精密测量与校准方法，能够显著地提高工业CT的三维测量与三维建模精度，以及精密测量的稳定度与可重复性，使三维测量的误差范围由传统的50～100微米降低至5～20微米。

技术方案：工业CT三维精密测量所涉及到的影响因素包含：被测物体的材料构成、物体大小、表面粗糙度、物体固定材料、物体摆放角度、X射线靶标材料、加速电压、激发电流、过滤片材料与厚度、曝光时间、放大系数、黑白参照图像的设定、二维图像数量、机械轴精度、X射线探测器灵敏度；三维体素重建中的旋转中心、射线束硬化、X射线散射以及信噪处理；三维建模过程中的整体边界定义、局部边界修正、体素尺寸、射线束硬化以及内外结构的边界误差分析。

本发明针对工业CT三维测量的四个基本工作环节，从大量科研实验与工业实践经验中提炼出了一套完整的工业CT三维精密测量与校准方法。

本发明所述的工业CT三维精密测量与校准方法，包括工业CT扫描参数优化和工业CT三维测量精密校准两部分。

工业CT扫描参数优化方法为：

一、获得待测工件，并对待测工件的性质进行分析，分析其材料组成、最大穿透尺寸、综合尺寸和精度要求；

二、将待测工件性质信息输入到优化数据库，然后分两个体系来优化各项参数：

体系一：

(1)选择待测工件的固定方法：

a、选取待测工件的固定材料：选取对X射线的吸收能力远低于待测工件本身的材料作为固定材料；固定方式分为两种：待测工件完全粘贴于固定材料上方，这种固定方法适用于工件本身有面积合适的平整表面，低密度的固定材料主要用来将待测工件与高密度的旋转台隔开，以减少X射线折射从而增强信噪比；如果待测工件的密度远高于固定材料，也可将此待测工件完全埋入固定材料中进行扫描，此举可以更好地固定待测工件，从而可以避免其在扫描过程中的移动；

b、选取工件在旋转台上的相对位置：对于有较多平面结构的零件，要尽量避免将平面摆放为与水平方向平行，因此，通常需要使待测工件的主轴与旋转台表面保持15°至30°的夹角，当扫描圆柱形工件时，要避免将工件置于旋转轴中心。

(2)设定待测工件的放大系数：工件的放大系数直接决定了最终体素的分辨率，因而是影响测量精度的重要因素。依据需要达到的测量精度确定需要的体素尺寸，体素尺寸＝P/(SDD/SOD)，P为X射线平面探测器的正方形像素边长；SOD为X射线发生器到转动载物台的距离；SDD为X射线发生器到X射线平面探测器的距离，像素边长与SDD都由硬件性质本身决定。工业CT的三维尺寸测量精度至少可以达到体素分辨率的三分之一，因而通过调整SOD来实现需要达到的体素尺寸，从而满足测量精度。

(3)计算所需二维图像的数量：在实际扫描过程中所摄取的二维图像的数量直接影响着三维模型与三维尺寸测量的精度。过多的二维图像只会延长扫描与软件处理的时间，造成不必要的损失；而过少的二维图像则会产生信息的欠采样，影响测量结果。对于二位图像数量是否足够的判定，可以采用下公式：

R＝[(π/N)*(W/Sin(90-arctan(L/W)))]/(2*P*SOD/SDD)；

R为判定系数；N为二维图像的数量；L、W分别为待测工件的长与宽；P为X射线探测屏的像素大小；SOD为X射线发生器到转动载物台的距离；SDD为X射线发生器到X射线平面探测器的距离；

其中，L与W由待测工件本身尺寸决定，P与SDD由硬件系统本身决定，SOD由所需测量精度要求决定，二维图像数量N的选取，需满足0.99<R<1的要求。

体系二：

(1)选择金属标靶材料：金属标靶材料包括钼、铜、钨、银四种，每种标靶材料都有其独特的X射线频谱，根据待测工件材料的性质选择标靶材料。其中，不同的标靶材料有着不同的专有激发能量线：铜-11千伏、钼-17千伏、银-22千伏、钨-65千伏左右。钼与钨是最常用的金属标靶材料。通常情况下，在扫描密度较小的塑料零件时，采用钼效果最好；而扫描高密度的金属零件时，应使用钨作为标靶材料。

(2)选择过滤片材料：过滤片材料包括铝、铜、铅、银四种，其中铝与铜的使用频率居高。过滤片的功能主要是用以帮助调整最小穿透系数，同时也可以部分地降低射线束硬化。根据待测工件材料的性质选择过滤片材料。其中，铝与铜是最为常见的过滤片材料。当扫描密度较小的塑料零件时，应以铝过滤片为主；而扫描高密度的金属零件时，应首选铜过滤片。

(3)依据待测工件的材料最小穿透系数与X射线探测器灵敏度：

X射线探测器灵敏度设置方法为：当待测工件密度较低或者尺寸较小时，应采用较低的灵敏度，从而保证所使用的电压、电流不会造成X射线探测器的过度曝光；当待测工件密度较高或者尺寸较大时，采用较高的灵敏度，以提高总体的信噪比。

最小穿透系数确定方法为：首先旋转待测工件，使其最大穿透长度垂直于X射线探测器，然后按如下方法计算最小穿透系数：最小穿透系数＝最低灰度值/最高灰度值；

(4)以维持最小穿透系数，以及避免过度曝光为依据，首先确定曝光时间(通常设置为1000毫秒)，然后从薄到厚、从小到大的逻辑顺序依次设置：电流→电压→过滤片厚度→电流→电压→过滤片厚度→电流……→最终参数；

在实际操作中须注意以下两点：

a、在维持最小穿透系数在最优区间的同时，还应尽量保证最小灰度值高于8000，最大灰度值低于60000。

b、调整参数设置的主次顺序为：电流→电压→过滤片厚度。因此，如果参数需要作出调整，应该以改变电流为首选；当改变电流无法达到预定要求时，可以考虑调整电压；而当调整电压也无法获得满意结果时，则可依据实际情况改变过滤片的厚度。

三、收集整理各项参数设置值用于实际CT扫描；同时反馈给优化数据库，从而帮助补充与完善数据库。通过两条并行的优化流程配合相应的数据库，可以得出最优的机器参数，从而保证了初步数据采集的质量。

工业CT三维测量精密校准方法介绍：

此方法从待测工件的性质出发，分析得出它的主要组成材料、综合尺寸以及结构特征。根据这些特性，可以依照标准化的校准件设计模板来设计并制造专有的校准工件。将校准件与被测工件在相同条件(机器参数)下进行X射线扫描与三维建模，从而得出体素尺寸、射线束硬化修正以及内外边界误差三方面的优化方案。依据上述校准流程所得出的优化方案，可以对待测工件进行二次校准，从而得到更加精确并且稳定的三维尺寸测量结果。

工业CT三维测量精密校准具体方法为：

一、对待测工件的性质进行分析，分析其材料组成、综合尺寸和结构特征，这些也是设计其专有的校准工件所必需提前掌握的信息。

二、校准工件标准化设计：

(1)体素校准工件：利用具有两球心之间固定距离的工件作为校准工件进行体素尺寸校准；工件由上下接触排列的不锈钢精密小球组成，每个小球的尺寸公差在±1微米以内，相邻小球的球心距离理论上应该与单一小球的直径相同。体素校准工件设计理念：主要实现依据同样是利用两球心之间的固定距离进行体素尺寸校准，此结构的好处是，每两个相邻球体之间的球心距离非常稳定并且直接取决于球体本身的尺寸公差，这样就避免了对传统三坐标测量所产生误差的引入。

(2)射线束硬化修正、内外边界定义误差校准工件：采用放置于中间的实心圆柱体与外围的空心阶梯状圆柱体作为校准件，利用实心圆柱体对射线束硬化修正的设置参数进行修正，利用外围的空心阶梯状圆柱计算内外结构的边界定义误差，利用阶梯结构为三维尺寸测量的不确定性计算提供数据支持；其中校准件的材料与待测工件的为相同材料；

三、将校准工件与被测工件在机械设置参数相同条件下进行X射线扫描：

当扫描体素校准工件时，仅需要保证其放大系数与待测工件相同即可，即将其放置于载物台的相同位置，并且放大轴的位置与扫描待测工件时相同；

当扫描射线束硬化修正、内外边界定义误差校准工件时，扫描所采用的X射线加速电压、激发电流、过滤片材料与厚度、曝光时间以及放大系数均需要与扫描待测工件时完全一致。

四、将校准工件与被测工件在相同条件(边界定义规则)下三维建模，三维建模主要就是选择边界定义的规则。

对于体素校准工件的三维建模，由于相邻球心距离并不受边界定义的影响，因此建模时仅需要确保球体的形状公差，也就是减少球体表面的各类噪音；

对于射线束硬化修正、内外边界定义误差校准工件的三维建模，必须采用与待测工件相同的边界定义法则，以保证后期对边界定义误差分析的精确度。

五、通过对校准工件三维模型的测量，确定体素修正参数、射线束硬化修正参数以及内外边界定义误差：

(1)计算射线束硬化修正参数：通过缩小射线束硬化修正、内外边界定义误差校准工件中心圆柱体直径的上下总体测量偏差来实现对修正公式Y＝a(b+cX+dX²+eX³+fX⁴)中系数a～f的优化；此方法是将理论化的多项式修正法与实际测量相结合，通过缩小中心圆柱体直径的内外(参见图4：内，指包含于外围的空心圆柱体之内；外，指露出在外围空心圆柱体外部的上、下部分)测量偏差来实现对修正公式“Y＝a(b+cX+dX²+eX³+fX⁴)”各个系数(a～f)的优化。

(2)计算体素修正参数：正如前文所提到的，体素尺寸的校准主要利用球心之间的固定距离。V2＝V1*(b/a)，a为CT测量的球心距离；b为球心的实际距离；V1为校准前的体素尺寸；V2为更加精确的体素尺寸。

(3)测量并归纳内外三维尺寸的CT测量误差：这也是图4所示校准工件的第二个重要应用。由于此校准工件采用与待测工件相同的材料制成，并且在相同的参数下进行CT扫描与边界定义，因此它们的内外边界测量误差也极为相似。通过测量并归纳射线束硬化修正、内外边界定义误差校准工件的内外边界测量误差，对待测工件的CT测量误差做出预判，同时也对测量不确定性的计算提供了依据。

六、利用以上优选信息，对待测工件的三维模型以及三维尺寸测量结果进行校准：

(1)利用射线束硬化修正参数对被测工件进行二次三维重建；

(2)利用体素修正参数校准实际体素尺寸；

(3)进行内外三维尺寸测量数据的深度校准。

本发明与现有技术相比，其有益效果是：与现有技术相比，本发明主要从四方面优化和改进了现有技术方案：

一、CT扫描参数优化

本发明在大量实验与工业应用积累的基础上，建立了并逐步完善专业的数据库，优化标准不再以单一的14％最小穿透系数为依据，而是依据具体实际情况而变化。此外，还将所有需要优化的机器参数归纳并分类，按照主次逻辑顺序依次优化，从而极大地提高了初期所采集图像的质量。

二、射线束硬化的修正

依托专有的校准件，结合多项式修正法，可以在较短的时间内很好地对修正参数进行优化，避免了传统修正手段的盲目性。

三、体素校准方案

本发明所采用的体素校准方案避免了对传统三坐标测量所产生误差的引入。

四、边界定义校准

运用同种材料、相似尺寸的专有校准件，可以更精确地对内外部边界误差做出修正。

本发明方法在连续两届国际工业CT计量精度测评(CT-Audit Project、CIT-CT Project)中取得骄人成绩，从全球知名的科研机构、工业CT仪器生产商、专业的测量服务提供商中脱颖而出，充分证明了其可靠性与领先性。发明人应用本发明方法代表比利时鲁汶大学独自完成了两届国际工业CT计量精度测评的所有测量任务。第一届国际工业CT计量精度测评由意大利帕多瓦大学知名教授Simone Carmignato发起，此次评比历时一年零九个月(2009年9月至2011年6月)，涉及全球15家知名企业和科研院所，在此次测量评比中，整体平均测量偏差为±15微米；而本申请发明人谭晔运用其精密校准与测量技术，使测量精度偏差始终保持在±5微米以内，因而代表比利时鲁汶大学从全球15家参评公司与机构中脱颖而出，位列三甲。第二届国际工业CT计量精度测评由丹麦科技大学Leonardo DeChiffre教授组织举办，历时一年零四个月(2012年5月至2013年9月)，此次测评共有来自全球8个国家的27家知名企业和科研院所参加，本次测评的整体测量偏差平均值为±20微米，而运用本发明方法，可以使三维尺寸测量误差始终保持在±10微米以内，并且精准地计算了测量结果的不确定性，这一检测成果在众多参评机构中遥遥领先。

在实际工业生产中，常需要在装配状态下对装配件的装配性能进行精密的测控，比利时某公司设计并生产了一批新型的塑料装配件，在性能测试环节，发现由于生产过程中产生的局部尺寸偏差，导致装配困难。本申请发明人谭晔运用本发明方法对两个装配零件的分体进行CT测量，并将分体三维模型进行装配模拟，发现在模拟装配件的三个部位的存在模型重合，如图6所示，因而成功找到生产模具的改进方案。依据改进方案，该公司在局部重新调整了生产模具的尺寸并成功解决了装配难题。

附图说明

图1为工业CT扫描参数优化方法流程图；

图2为工业CT三维测量精密校准方法流程图；

图3为体素校准工件；

图4为射线束硬化修正、内外边界定义误差校准工件；

图5为集射线束硬化修正以及边界定义误差分析于一身的专业校准件设计模板；

图6为应用本发明方法进行精密装配件建模分析示意图。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例1：本发明所述的工业CT三维精密测量与校准方法，包括工业CT扫描参数优化和工业CT三维测量精密校准两部分。

工业CT扫描参数优化方法，如图1所示，以检测塑料零部件为例：

一、获得待测工件，并对待测工件的性质进行分析，分析其材料组成、最大穿透尺寸、综合尺寸和精度要求；

二、将待测工件性质信息输入到优化数据库，然后分两个体系来优化各项参数：

体系一：

(1)选择待测工件的固定方法：

a、选取待测工件的固定材料：选取对X射线的吸收能力远低于待测工件本身的材料作为固定材料，对于检测密度相对较低的塑料零件来说，低密度且易塑型的塑料泡沫是固定材料的首选。固定方式分为两种：待测工件完全粘贴于固定材料上方，这种固定方法适用于工件本身有面积合适的平整表面，低密度的固定材料主要用来将待测工件与高密度的旋转台隔开，以减少X射线折射从而增强信噪比；如果待测塑料零件的密度远高于塑料泡沫，也可将此零件完全埋入塑料泡沫中进行扫描，此举可以更好地固定待测零件，从而可以避免其在扫描过程中的移动。

b、选取工件在旋转台上的相对位置：对于有较多平面结构的零件，要尽量避免将平面摆放为与水平方向平行，因此，通常需要使待测工件的主轴与旋转台表面保持15°至30°的夹角，当扫描圆柱形工件时，要避免将工件置于旋转轴中心。

(2)设定待测工件的放大系数：工件的放大系数直接决定了最终体素的分辨率，因而是影响测量精度的重要因素。一般来说，工业CT的三维尺寸测量精度至少可以达到体素分辨率的三分之一。因此，如果要求测量精度为10微米以内，则体素尺寸应尽量维持在30微米以内。体素尺寸＝P/(SDD/SOD)，P为X射线平面探测器的正方形像素边长；SOD为X射线发生器到转动载物台的距离；SDD为X射线发生器到X射线平面探测器的距离，像素边长与SDD都由硬件性质本身决定。因此，依据需要达到的测量精度来确定所需的体素尺寸，而此目标需要通过调整SOD来实现。

(3)计算所需二维图像的数量：按照如下公式：

R＝[(π/N)*(W/Sin(90-arctan(L/W)))]/(2*P*SOD/SDD)；

R为判定系数；N为二维图像的数量；L、W分别为待测工件的长与宽；P为X射线探测屏的像素大小；SOD为X射线发生器到转动载物台的距离；SDD为X射线发生器到X射线平面探测器的距离；

其中，L与W由待测工件本身尺寸决定，P与SDD由硬件系统本身决定，SOD由所需测量精度要求决定，二维图像数量N的选取，需满足0.99<R<1的要求。

体系二：

(1)选择金属标靶材料：金属标靶材料包括钼、铜、钨、银四种，根据待测工件材料的性质选择标靶材料，对于扫描低密度的塑料零件来说，钼应该是首选。

(2)选择过滤片材料：过滤片材料包括铝、铜、铅、银四种，根据待测工件材料的性质选择过滤片材料；对于扫描塑料零件来说，如果条件允许，可以不使用任何过滤片；如果必须使用过滤片来防止过度曝光，则应以铝过滤片为首选。

(3)依据待测工件的材料最小穿透系数与X射线探测器灵敏度：

当扫描塑料零件时，由于通常会使用较低的X射线加速电压，所以为了保证有足够的信号强度，应将X射线探测器的灵敏度设置为最高。

最小穿透系数是融合并反映X射线加速电压、激发电流、过滤片厚度等参数的重要指标。在计算最小穿透系数时，应首先旋转待测物体，使其最大穿透长度垂直于X射线探测器。

它的计算方法为：最小穿透系数＝(最低灰度值/最高灰度值)。对于塑料零件的X射线扫描，此系数应维持在16％-18％。

(4)以维持最小穿透系数，以及避免过度曝光为依据，首先确定曝光时间(通常设置为1000毫秒)，然后从薄到厚、从小到大的逻辑顺序依次设置：电流→电压→过滤片厚度→电流→电压→过滤片厚度→电流……→最终参数；

在实际操作中须注意以下两点：

a、在维持最小穿透系数在最优区间的同时，还应尽量保证最小灰度值高于8000，最大灰度值低于60000。

b、调整参数设置的主次顺序为：电流→电压→过滤片厚度。因此，如果参数需要作出调整，应该以改变电流为首选；当改变电流无法达到预定要求时，可以考虑调整电压；而当调整电压也无法获得满意结果时，则可依据实际情况改变过滤片的厚度。

三、收集整理各项参数设置值用于实际CT扫描；同时反馈给优化数据库，从而帮助补充与完善数据库。

工业CT三维测量精密校准方法，如图2所示：

一、对待测工件的性质进行分析，分析其材料组成、综合尺寸和结构特征。

二、校准工件标准化设计：

(1)体素校准工件：利用具有两球心之间固定距离的工件作为校准工件进行体素尺寸校准，如图3所示：工件由上下接触排列的不锈钢精密小球组成，每个小球的尺寸公差在±1微米以内，相邻小球的球心距离理论上应该与单一小球的直径相同。

(2)射线束硬化修正、内外边界定义误差校准工件：采用放置于中间的实心圆柱体与外围的空心阶梯状圆柱体作为校准件，利用实心圆柱体对射线束硬化修正的设置参数进行修正，利用外围的空心阶梯状圆柱计算内外结构的边界定义误差，利用阶梯结构为三维尺寸测量的不确定性计算提供数据支持；其中校准件的材料与待测工件的为相同材料；若待测工件的材质为某种塑料，则用于其射线束硬化修正以及边界定义误差分析的校准工件也必须由同种塑料构成。

三、将校准工件与被测工件在机械设置参数相同条件下进行X射线扫描：

当扫描体素校准工件时，仅需要保证其放大系数与待测工件相同即可，即将其放置于载物台的相同位置，并且放大轴的位置与扫描待测工件时相同；

当扫描射线束硬化修正、内外边界定义误差校准工件时，扫描所采用的X射线加速电压、激发电流、过滤片材料与厚度、曝光时间以及放大系数均需要与扫描待测工件时完全一致。

四、将校准工件与被测工件在相同条件(边界定义规则)下三维建模：

对于体素校准工件的三维建模，仅需要确保球体的形状公差，减少球体表面的各类噪音；

对于射线束硬化修正、内外边界定义误差校准工件的三维建模，必须采用与待测工件相同的边界定义法则，以保证后期对边界定义误差分析的精确度。

五、通过对校准工件三维模型的测量，确定体素修正参数、射线束硬化修正参数以及内外边界定义误差：

(1)计算射线束硬化修正参数：通过缩小射线束硬化修正、内外边界定义误差校准工件中心圆柱体直径的上下总体测量偏差来实现对修正公式Y＝a(b+cX+dX²+eX³+fX⁴)中系数a～f的优化；如图5所示，在三次调整修正多项式系数后，校准工件中心圆柱体的“内外直径”偏差由最初的10微米降低到3微米左右，从而找到了修正待测工件的最佳多项式系数组合。

(2)计算体素修正参数：V2＝V1*(b/a)，a为CT测量的球心距离；b为球心的实际距离；V1为校准前的体素尺寸；V2为更加精确的体素尺寸。

(3)测量并归纳内外三维尺寸的CT测量误差：通过测量并归纳射线束硬化修正、内外边界定义误差校准工件的内外边界测量误差，对待测工件的CT测量误差做出预判。

六、利用以上优选信息，对待测工件的三维模型以及三维尺寸测量结果进行校准：

(1)利用射线束硬化修正参数对被测工件进行二次三维重建；

(2)利用体素修正参数校准实际体素尺寸；

(3)进行内外三维尺寸测量数据的深度校准。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (2)

1.一种工业CT三维精密测量与校准方法，包括工业CT扫描参数优化和工业CT三维测量精密校准两部分，其特征在于：

工业CT扫描参数优化方法为：

一、获得待测工件，并对待测工件的性质进行分析，分析其材料组成、最大穿透尺寸、综合尺寸和精度要求；

二、将待测工件性质信息输入到优化数据库，然后分两个体系来优化各项参数：

体系一：

(1)选择待测工件的固定方法：

a、选取待测工件的固定材料：选取对X射线的吸收能力远低于待测工件本身的材料作为固定材料，将待测工件完全粘贴于固定材料上方或者将待测工件完全埋入固定材料中进行扫描；

b、选取工件在旋转台上的相对位置：使待测工件的主轴与旋转台表面保持15°至30°的夹角，当扫描圆柱形工件时，要避免将工件置于旋转轴中心；

(2)设定待测工件的放大系数：依据需要达到的测量精度确定需要的体素尺寸，体素尺寸＝P/(SDD/SOD)，P为X射线平面探测器的正方形像素边长；SOD为X射线发生器到转动载物台的距离；SDD为X射线发生器到X射线平面探测器的距离，工业CT的三维尺寸测量精度至少可以达到体素分辨率的三分之一，因而通过调整SOD来实现需要达到的体素尺寸，从而满足测量精度；

(3)计算所需二维图像的数量：按照如下公式：

R＝[(π/N)*(W/Sin(90-arctan(L/W)))]/(2*P*SOD/SDD)；

R为判定系数；N为二维图像的数量；L、W分别为待测工件的长与宽；P为X射线探测屏的像素大小；SOD为X射线发生器到转动载物台的距离；SDD为X射线发生器到X射线平面探测器的距离；

其中，L与W由待测工件本身尺寸决定，P与SDD由硬件系统本身决定，SOD由所需测量精度要求决定，二维图像数量N的选取，需满足0.99<R<1的要求；

体系二：

(1)选择金属标靶材料：金属标靶材料包括钼、铜、钨、银四种，根据待测工件材料的性质选择标靶材料；

(2)选择过滤片材料：过滤片材料包括铝、铜、铅、银四种，根据待测工件材料的性质选择过滤片材料；

(3)依据待测工件的材料确定最小穿透系数与X射线探测器灵敏度：

X射线探测器灵敏度设置方法为：当待测工件密度较低或者尺寸较小时，采用较低的灵敏度，从而保证所使用的电压、电流不会造成X射线探测器的过度曝光；当待测工件密度较高或者尺寸较大时，采用较高的灵敏度，以提高总体的信噪比；

最小穿透系数确定方法为：首先旋转待测工件，使其最大穿透长度垂直于X射线探测器，然后按如下方法计算最小穿透系数：最小穿透系数＝最低灰度值/最高灰度值；

(4)以维持最小穿透系数，以及避免过度曝光为依据，首先确定曝光时间，然后从薄到厚、从小到大的逻辑顺序依次设置：电流→电压→过滤片厚度→电流→电压→过滤片厚度→电流……→最终参数；

三、收集整理各项参数设置值用于实际CT扫描；

工业CT三维测量精密校准方法为：

一、对待测工件的性质进行分析，分析其材料组成、综合尺寸和结构特征；

二、校准工件标准化设计：

(1)体素校准工件：利用具有两球心之间固定距离的工件作为校准工件进行体素尺寸校准；

(2)射线束硬化修正、内外边界定义误差校准工件：采用放置于中间的实心圆柱体与外围的空心阶梯状圆柱体作为校准件，利用实心圆柱体对射线束硬化修正的设置参数进行修正，利用外围的空心阶梯状圆柱计算内外结构的边界定义误差，利用阶梯结构为三维尺寸测量的不确定性计算提供数据支持；其中校准件的材料与待测工件的材料相同；

三、将校准工件与被测工件在机械设置参数相同的条件下进行X射线扫描：

当扫描体素校准工件时，仅需要保证其放大系数与待测工件相同即可，即将其放置于载物台的相同位置，并且放大轴的位置与扫描待测工件时相同；

当扫描射线束硬化修正、内外边界定义误差校准工件时，扫描所采用的X射线加速电压、激发电流、过滤片材料与厚度、曝光时间以及放大系数均需要与扫描待测工件时完全一致；

四、将校准工件与被测工件在相同条件下三维建模：

对于体素校准工件的三维建模，仅需要确保球体的形状公差，减少球体表面的各类噪音；

对于射线束硬化修正、内外边界定义误差校准工件的三维建模，必须采用与待测工件相同的边界定义法则，以保证后期对边界定义误差分析的精确度；

五、通过对校准工件三维模型的测量，确定体素修正参数、射线束硬化修正参数以及内外边界定义误差：

(1)计算射线束硬化修正参数：通过缩小射线束硬化修正、内外边界定义误差校准工件中心圆柱体直径的上下总体测量偏差来实现对修正公式Y＝a(b+cX+dX²+eX³+fX⁴)中系数a～f的优化；

(2)计算体素修正参数：V2＝V1*(b/a)，a为CT测量的球心距离；b为球心的实际距离；V1为校准前的体素尺寸；V2为更加精确的体素尺寸；

(3)测量并归纳内外三维尺寸的CT测量误差：通过测量并归纳射线束硬化修正、内外边界定义误差校准工件的内外边界测量误差，对待测工件的CT测量误差做出预判；

六、对待测工件的三维模型以及三维尺寸测量结果进行校准：

(1)利用射线束硬化修正参数对被测工件进行二次三维重建；

(2)利用体素修正参数校准实际体素尺寸；

(3)进行内外三维尺寸测量数据的深度校准。

2.根据权利要求1所述的工业CT三维精密测量与校准方法，其特征在于：所述体素校准工件由上下接触排列的不锈钢精密小球组成，每个小球的尺寸公差在±1微米以内，相邻小球的球心距离理论上应该与单一小球的直径相同。