CN112129791A - 一种基于旋转x光计算断层扫描的通用原位实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于旋转X光计算断层扫描的通用原位实验装置，包括加载/环境系统、旋转系统和扫描系统。加载/环境系统可对各种材料(包括但不限于混凝土、岩石、复合材料、金属)，施加多种静、动荷载(包括但不限于拉、压、弯、剪、扭及其组合)、多种环境因素及其变化(包括但不限于高温、低温、水压、气压、冻融循环和腐蚀)、以及上述荷载与环境因素的耦合作用(以下统称荷载或加载)。旋转系统驱动CT扫描系统表征试件内部包括组份、孔隙、损伤、断裂等微观结构及其演化过程。相比于现有CT原位实验装置，本发明的CT扫描系统围绕试样旋转且与加载/环境系统相互独立，可实现更高幅值和更多形式的加载，普适性强、成像稳定、扫描精度高。

Description

一种基于旋转X光计算断层扫描的通用原位实验装置

技术领域

本发明涉及材料检测技术领域，具体涉及一种基于旋转X光计算断层扫描的通用原位实验装置。

背景技术

材料的微观力学和物理性能一直是众多研究领域内科研工作者的研究热点，而对材料性能的研究包括宏观层面与微细观层面多个尺度。目前对材料性能的研究由于实验条件限制多集中于宏观尺度，微细观层面的研究尚处于起步阶段。微观X光计算断层扫描(CT)因其高分辨率、无损性、可视化等优点正逐渐称为研究各种材料微观内部结构特征及其演化规律的重要手段。但目前的CT设备大多基于锥束扫描，X光发射器固定，所测试样于转台上旋转360度获得三维图像。这使得对试样施加外力荷载的同时进行360度扫描(即原位加载CT扫描)十分困难，不仅对荷载的大小和形式有很大的限制，也易造成试样在旋转360度后难以复位，导致不精确的三维成像。

为了从基本上解决以上困难，本发明提出一种基于旋转X光计算断层扫描设计的通用原位实验装置，主要用来对外力荷载及各种环境因素作用下各种材料内部微观结构的演化如损伤、断裂、位错、相变、孔隙率、物质输运等过程进行高分辨率表征。该装置包括加载/环境系统、旋转系统与扫描系统。加载/环境系统对试样施加多种静、动力荷载或者环境作用因素，旋转系统驱动扫描系统旋转360度，完成以试样为中心的一系列不同角度的扫描，获得X射线的衰减系数的空间分布，进而通过数据处理获得试件全尺寸成像及内部微细观结构演化过程的三维图像。

本发明和现有CT机配套加载装置的区别在于，后者CT扫描系统固定而试样旋转360度，旋转系统和加载系统未分离，这造成加载困难和结果不精确；而本发明中CT扫描系统围绕试样旋转，旋转系统和扫描系统均与加载系统互不干扰，因此加载系统可实现更高荷载和更多形式的加载，包括但不限于拉、压、弯、剪、扭等静、动荷载类型。同时，和现有装置一样，也可以进行多种环境因素作用下(包括但不限于水压、气压、高低温及温度变化、冻融循环、酸碱液体腐蚀和侵蚀、核辐射)的原位CT扫描。因此，本发明装置具有广泛的普适性、更大的灵活性和更高的图像精度。

发明内容

根据现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于旋转X光计算断层扫描的通用原位实验装置，完成以材料试样为中心的一系列不同角度的扫描，通过数据处理获得试件全尺寸成像及内部微细观结构演化过程的三维图像。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种基于旋转X光计算断层扫描的通用原位实验装置，包括

旋转系统，包括接地钢轨和转台，所述转台设在所述接地钢轨上，所述接地钢轨上设有驱动所述转台转动的驱动转机；

扫描系统，包括X射线发射器安置装置、X射线发射器、X射线探测器安置装置和X射线探测器，所述X射线发射器安置装置设在所述转台上且可通过径向移动导轨进行径向移动，所述X射线发射器设在所述X射线发射器安置装置上且可以进行进一步径向微调，所述X射线探测器安置装置设在所述转台上且可通过径向移动导轨进行径向移动，所述X射线探测器设在所述X射线探测器安置装置上，所述X射线发射器发射X射线穿过材料试样被所述X射线探测器接收；

加载/环境系统，包括加载/环境装置和计算机，所述转台内设有加载台，所述加载/环境装置可设在所述加载台上。

综上，所述旋转系统、所述扫描系统、所述加载/环境系统相互独立运转。

进一步地，所需荷载较大时，采用钢架配合升降油缸的液压加载装置。

进一步地，所述加载/环境系统可不依赖于所述液压加载装置，可使用电机驱动的自加载装置或环境加载装置直接放置于加载台上进行CT扫描。

进一步地，所述加载/环境系统可对被测试样进行力学加载、环境因素加载以及力学-环境因素耦合加载。

进一步地，所述X射线发射器安置装置包括X射线发射器安置系统径向移动导轨、X射线发射器竖向升降履带、X射线发射器固定支架和X射线发射器固定支架导轨，所述X射线发射器安置装置放置于转台上的径向移动导轨上，所述X射线发射器竖向升降履带置于X射线发射器安置系统上，所述X射线发射器固定支架安装在X射线发射器竖向升降履带上，所述X射线发射器固定支架导轨安装在所述X射线发射器固定支架上，所述X射线发射器安装在所述X射线发射器固定支架导轨上。

进一步地，所述X射线探测器安置装置放置于转台上的径向移动导轨上，所述X射线探测器竖向升降履带安装在所述X射线探测器安置装置上，所述X射线探测器安装在所述X射线探测器竖向升降履带上。

进一步地，所述加载台上可依据试验要求安装保护罩。

一种基于旋转X光计算断层扫描的通用原位实验装置的实验方法：

S1、制备材料试样，依据实验目的及相关规范要求确定材料试样尺寸；

S2、将试件放置于中央的加载台上，或者电机驱动的自加载系统内，或者环境装置内，并调整至中央位置；

S3、依据材料试样的高度，调整X射线发射器与X射线探测器至合适高度；

S4、安装保护装置(选配)；

S5、上电；

S6、启动X射线发射器，进行预热；

S7、在计算机上设定扫描参数和材料试样信息；

S8、开启X射线发射器及X射线探测器，启动驱动转机驱动转台转动360度，按照设定的小角度每个角度获得一个二维图像，最后采用计算机程序合成三维图像，完成初始扫描；

S9、待信号稳定之后，通过加载/环境装置对材料试样进行加载；

S10、在保持加载情况下，启动驱动转机驱动转台转动360度，完成该荷载下的CT扫描；然后再加载，再扫描，直至完成加载方案，获得不同荷载阶段的全过程CT图像；

S11、检查所得CT图像，确保无可疑的非材料试样自带缺陷，若发现可进行CT扫描重建或者再次实验；

S12、关闭加载/环境装置，关闭X射线发射器与X射线探测器，拆除保护装置并拆解材料试样，结束试验；

S13、采用图像处理程序对CT图像进行重构和分析，获得试件内部微观结构如材料组份、孔隙、裂缝等物理量的大小和分布及其演化过程的微观数字化表征。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

1.本发明所述的一种基于旋转X光计算断层扫描的通用原位实验装置，转台围绕材料试样旋转，接地钢轨和转台作为旋转系统，X射线发射器、X射线发射器安置装置、X射线摄像探测器和X射线摄像探测器安置装置作为扫描系统，加载装置和计算机作为加载/环境系统，旋转系统、扫描系统均与加载/环境系统互不干扰，不会对材料试样进行影响，使得加载/环境系统可实现更高荷载和更多形式的加载。

2.本发明所述的一种基于旋转X光计算断层扫描的通用原位实验装置，可实现以上动、静载荷与多种环境因素作用相耦合的原位CT扫描，可通过替换上加载装置和下加载装置实现拉压、温度、水压、气压、冻融循环、酸碱液体腐蚀、侵蚀和核辐射的加载，具有广泛的普适性、更大的灵活性和更高的图像精度。

附图说明

图1为本发明一个实施例的整体结构示意图。

图2为本发明图1中上加载装置和下加载装置的结构示意图。

图3为本发明图1实施例的正视图。

图4为本发明另一个实施例的结构示意图。

图5本发明图4实施例的正视图。

图6为本发明接地钢轨、转台、X射线发射器安置装置、X射线摄像探测器安置装置和加载台连接的结构示意图。

其中：1、接地钢轨；2、转台；3、驱动转机；4、下加载装置；401、下拉头；402、下驱动装置；4021、下连接板；4022、下油缸；5、上加载装置；501、上拉头；502、上驱动装置；5021、上连接板；5022、上油缸；6、X射线发射器安置装置；601、X射线发射器安置系统径向移动导轨；602、X射线探测器竖向升降履带；603、X射线发射器固定支架；604、X射线发射器固定支架导轨；7、X射线摄像探测器安置装置；701、X摄像探测器安置系统径向移动导轨；702、X射线探测器竖向升降履带；8、X射线发射器；9、X射线摄像探测器；10、加载台；11、钢架；1101、横梁；1102、竖柱。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

本发明通过提供一种基于旋转X光计算断层扫描的通用原位实验装置，主要用来对外力荷载及各种环境因素作用下各种材料试样内部微观结构的演化如损伤、断裂、位错、相变、孔隙率、物质输运等过程进行高分辨率表征。现有技术中，CT扫描系统固定而试样旋转，旋转系统和加载系统未分离，材料试样旋转时容易发生扰动，这容易造成加载困难并导致图像结果不够精确。

本发明提供的一种基于旋转X光计算断层扫描的通用原位实验装置，参照图1-图6所示，包括旋转系统，加载/环境系统(以某一液压加载或液压加载-环境因素耦合加载装置为例进行说明，加载/环境系统不仅限于此两种，可用加载/环境系统详见摘要)和扫描系统，接地钢轨1、转台2、下加载装置4、上加载装置5和计算机，接地钢轨1上设有转台2，和驱动转台2转动的驱动转机3，转台2上设有向外伸出的X射线发射器安置装置6和X射线探测器安置装置7，X射线探测器安置装置6设在转台2上且可通过径向移动导轨进行径向移动，X射线发射器安置装置6上设有X射线发射器8且可以通过支架导轨604进行进一步径向微调，X射线探测器安置装置7上设有X射线探测器9，转台2内设有加载台10，加载/环境装置可以包括下加载装置4和上加载装置5，下加载装置4设在加载台10上，下加载装置4包括下拉/压头401和驱动下拉/压头401上下移动的下驱动装置402，上加载装置5通过钢架11架设在下加载装置4上方，上加载装置5包括上拉/压头501和驱动上拉/压头501上下移动的上驱动装置502，计算机和下加载装置4、上加载装置5、X射线探测器9和所X射线发射器8相连。

本发明中转台2围绕材料试样旋转，接地钢轨1和转台2组成旋转系统，X射线发射器8、X射线发射器安置装置6、X射线探测器9和X射线探测器安置装置7作为扫描系统，上加载装置5、下加载装置4和计算机(自配)作为加载系统，旋转系统、扫描系统均与加载系统互不干扰。计算机(自配)和驱动转机3、下加载装置4、上加载装置5、X射线探测器9和X射线发射器8中心处于同一轴线，通过计算机(自配)可以控制上加载装置5和下加载装置4加载试样，控制X射线发射器8发射光束，X射线探测器9接收光束，控制驱动转机3驱动转台2转动以及转动的速度。

本发明中，X射线发射器8发射X射线，穿过材料试样，被X射线探测器9接收。

在某一液压加载实例进行过程中，材料试样放置在上拉/压头501和下拉/压头401间，并通过上驱动装置502和下驱动装置402进行加载，在加载过程中，驱动转机3驱动转台2转动，进而驱动X射线发射器8和X射线探测器9转动，在材料受载荷扰动的不同阶段进行扫描，在CT扫描成像时，材料试样不卸载，X射线探测器9拍摄时控制转台停止转动，进行材料试样扫描时，X射线发射器8发射光束，X射线探测器9接收信号，X射线发射器8与X射线探测器9协同作用，X射线探测器9进行实时记录得到不同阶段的全过程CT图像。

具体地，下驱动装置402包括下连接板4021和下油缸4022，下连接板4021安装在加载台10上，下油缸4022安装在下连接板4021顶部，下拉/压头401安装在下油缸4022上并通过下油缸4022推动上下移动。

上驱动装置502包括上连接板5021和上油缸5022，上连接板5021安装在钢架11上，上油缸5022安装在上连接板5021底部，上拉/压头501安装在上油缸5022上并通过上油缸5022推动上下移动。

上油缸5022和下油缸4022可以是电动或者各种形式的缸体或推动式动力器件。本发明中，上油缸5022和下油缸4022可以是液压缸或气压缸，通过液压缸或气压缸可以给材料试样提供较大的加载力。

由于材料试样的大小不同，为了在上拉/压头501和下拉/压头401间放置材料试样，钢架11包括横梁1101和竖柱1102，两根竖柱1102与横梁1101两端连接，上加载装置5固定在横梁1101上。竖柱1102为伸缩结构。当材料试样较大时，可以通过提升竖柱1102，使得横梁1101位置升高，从而使上拉头501和下拉头401得间距增大，方便放置材料试样。

钢架11底部通过刚性支座固定。

当所需荷载较大时，采用钢架11配合竖柱1102上设置升降油缸形成液压加载装置。

加载/环境系统可不依赖于液压加载装置，可使用电机驱动的自加载装置或环境加载装置直接放置于加载台上进行CT扫描。

X射线发射器安置装置6包括X射线发射器安置系统径向移动导轨601、X射线探测器竖向升降履带602、X射线发射器固定支架603和X射线发射器固定支架导轨604，X射线发射器安置系统径向移动导轨601水平方向设置，X射线探测器竖向升降履带602安装在X射线发射器安置系统上，X射线探测器竖向升降履带602可以在竖直方向上移动，X射线发射器固定支架603安装在X射线探测器竖向升降履带602上，使得X射线发射器固定支架603可以在竖直方向上移动，X射线发射器固定支架导轨604安装在X射线发射器固定支架603上，X射线发射器8安装在X射线发射器固定支架导轨604上，可以多次调解X射线发射器8在竖直面内和水平面内的位置。

X射线探测器安置装置7包括X探测器安置系统径向移动导轨701和X射线探测器竖向升降履带702，X射线探测器安置系统安置在径向移动导轨701上，X射线探测器竖向升降履带702安装在X探测器安置系统上，X射线探测器9安装在X射线探测器竖向升降履带702上，方便X射线探测器9在竖直面和水平面内移动。

通过调节X射线发射器8和X射线探测器9的位置，可以对材料试样进行全尺寸原位CT扫描。

另外，本发明中，也可以通过计算机控制X射线探测器竖向升降履带603、X射线发射器8、X射线探测器竖向升降履带和X射线探测器9的移动，其中，通过丝杠螺母机构或齿轮齿条机构进行传动。加载台10上设有保护罩，可防止加载过程中试件破碎对实验人员造成的意外伤害。

以上即为某一液压加载设备实施说明。

在另某一液压加载-环境因素耦合加载实施例中，参照图4所示，上加载装置5和下加载装置4替换为温度加载装置，可以通过加热片进行加热，相对于拉压加载设备，加载装置包括上拉/压头501，下加载装置4包括下拉/压头401，通过保护罩内的上下底面的加热装置进行加热，实现由液压加载-环境因素加载的耦合。

其他环境加载设备如水压、气压、冻融循环、酸碱液体腐蚀、侵蚀和核辐射亦可通过此类保留主体设备，包括扫描系统和旋转系统)置换上加载装置5和下加载装置4，从而改变加载环境装置的方法进行实现。

一种基于旋转X光计算断层扫描的通用原位实验装置的实验方法，其特征在于：

S1、制备材料试样，依据实验目的及相关规范要求确定材料试样尺寸；

S2、启动上加载装置5和下加载装置4，然后依据相应试验要求对材料试样与上拉头501和下拉头401进行连接，而后确认下加载装置4底部与加载台10连接稳定，最后微调材料试件，保证材料试件的轴心线与上加载装置5和下加载装置4的轴心线对准，必要时可配合钢架11进行高度调整；

S3、依据材料试样的高度，调整X射线发射器与X射线探测器至合适高度；

S4、安装保护装置(选配)；

S5、上电；

S6、启动X射线发射器8，进行预热；

S7、在计算机上设定扫描参数和材料试样信息；

S8、启动驱动转机3驱动转台转动，开启X射线发射器8，通过X射线探测器9接收信号，按照设定的小角度每个角度获得一个二维图像，最后采用计算机程序合成三维图像，完成初始扫描；

S9、待信号稳定之后，通过液压加载或液压加载-环境因素耦合加载实现对材料试样进行加载；

S10、在保持加载情况下，启动驱动转机3驱动转台转动360度，完成该荷载下的CT扫描；然后再加载，再扫描，直至完成加载方案，获得不同荷载阶段的全过程CT图像；

S11、检查所得CT图像，确保无可疑的非材料试样自带缺陷，若发现可进行CT扫描重建或者再次实验；

S12、关闭加载系统，关闭X射线发射器8与X射线探测器9，拆除保护装置并拆解材料试样，结束试验；

S13、采用图像处理程序对CT图像进行重构和分析，获得试件内部微观结构如材料组份、孔隙、裂缝等物理量的大小和分布及其演化过程的微观数字化表征。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于旋转X光计算断层扫描的通用原位实验装置，其特征在于：包括

旋转系统，包括接地钢轨和转台，所述转台设在所述接地钢轨上，所述接地钢轨上设有驱动所述转台转动的驱动转机；

扫描系统，包括X射线发射器安置装置、X射线发射器、X射线探测器安置装置和X射线探测器，所述X射线发射器安置装置设在所述转台上且可通过径向移动导轨进行径向移动，所述X射线发射器设在所述X射线发射器安置装置上且可以进行进一步径向微调，所述X射线探测器安置装置设在所述转台上且可通过径向移动导轨进行径向移动，所述X射线探测器设在所述X射线探测器安置装置上，所述X射线发射器发射X射线穿过材料试样被所述X射线探测器接收；

加载/环境系统，包括加载/环境装置和计算机，所述转台内设有加载台，所述加载/环境装置可设在所述加载台上；

综上，所述旋转系统、所述扫描系统、所述加载/环境系统相互独立运转。

2.根据权利要求1所述的基于旋转X光计算断层扫描的通用原位实验装置，其特征在于：所需荷载较大时，采用钢架配合升降油缸的液压加载装置。

3.根据权利要求2所述的基于旋转X光计算断层扫描的通用原位实验装置，其特征在于：所述加载/环境系统可不依赖于所述液压加载装置，可使用电机驱动的自加载装置或环境加载装置直接放置于加载台上进行CT扫描。

4.根据权利要求2所述的基于旋转X光计算断层扫描的通用原位实验装置，其特征在于：所述加载/环境系统可对被测试样进行力学加载、环境因素加载以及力学-环境因素耦合加载。

5.根据权利要求1所述的基于旋转X光计算断层扫描的通用原位实验装置，其特征在于：所述X射线发射器安置装置包括X射线发射器安置系统径向移动导轨、X射线发射器竖向升降履带、X射线发射器固定支架和X射线发射器固定支架导轨，所述X射线发射器安置装置放置于转台上的径向移动导轨上，所述X射线发射器竖向升降履带置于X射线发射器安置系统上，所述X射线发射器固定支架安装在X射线发射器竖向升降履带上，所述X射线发射器固定支架导轨安装在所述X射线发射器固定支架上，所述X射线发射器安装在所述X射线发射器固定支架导轨上。

6.根据权利要求1所述的基于旋转X光计算断层扫描的通用原位实验装置，其特征在于：所述X射线探测器安置装置放置于转台上的径向移动导轨上，所述X射线探测器竖向升降履带安装在所述X射线探测器安置装置上，所述X射线探测器安装在所述X射线探测器竖向升降履带上。

7.根据权利要求1所述的基于旋转X光计算断层扫描的通用原位实验装置，其特征在于：所述加载台上可依据试验要求安装保护罩。

8.一种基于旋转X光计算断层扫描的通用原位实验装置的实验方法，使用权利要求1-7任一项所述的基于旋转X光计算断层扫描的通用原位实验装置，其特征在于：

S1、制备材料试样，依据实验目的及相关规范要求确定材料试样尺寸；

S2、将试件放置于中央的加载台上，或者电机驱动的自加载系统内，或者环境装置内，并调整至中央位置；

S3、依据材料试样的高度，调整X射线发射器与X射线探测器至合适高度；

S4、安装保护装置(选配)；

S5、上电；

S6、启动X射线发射器，进行预热；

S7、在计算机上设定扫描参数和材料试样信息；

S8、开启X射线发射器及X射线探测器，启动驱动转机驱动转台转动360度，按照设定的小角度每个角度获得一个二维图像，最后采用计算机程序合成三维图像，完成初始扫描；

S9、待信号稳定之后，通过加载/环境装置对材料试样进行加载；

S10、在保持加载情况下，启动驱动转机驱动转台转动360度，完成该荷载下的CT扫描；然后再加载，再扫描，直至完成加载方案，获得不同荷载阶段的全过程CT图像；

S11、检查所得CT图像，确保无可疑的非材料试样自带缺陷，若发现可进行CT扫描重建或者再次实验；

S12、关闭加载/环境装置，关闭X射线发射器与X射线探测器，拆除保护装置并拆解材料试样，结束试验；

S13、采用图像处理程序对CT图像进行重构和分析，获得试件内部微观结构如材料组份、孔隙、裂缝等物理量的大小和分布及其演化过程的微观数字化表征。

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