CN113030131B - 一种基于x射线成像的图像采集设备及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于X射线成像的图像采集设备及方法，包括射线源、X射线相机和机座，机座设有可在其上作X向往复运动的X座，X座设有可在其上作Y向往复运动的Y座，Y座设有可在其上作Z向往复运动的Z座；Z座上设有沿垂直Z向旋转的θ座，θ座上设有沿垂直X向摆动的R座；R座包括R座支架，R座支架上设有固定被测物的工件放置区，工件放置区的上方设有压紧件，工件放置区的侧面设有定位件。被测物进行图像采集时，摆动R座使被测物与有效成像面始终保持重合，同时调整Y座和Z座的位置，使得被测物的各个待测点与射线源的距离均保持一致。本发明可对层状物的各层结构进行准确测量，适用于叠片电池的错位数据采集。

Description

一种基于X射线成像的图像采集设备及方法
技术领域
本发明涉及工业检测技术领域，特别是一种基于X射线成像的图像采集设备及方法。
背景技术
X射线图像采集设备，一般是由射线源和相机组成。图像采集时，将被测物放在射线源和相机之间，射线源发射X射线穿过被测物后，在相机上成像。众所周知，只有射线完全贯穿整个被测物时，成像才清晰，所采集的图像数据才可靠。另外，为公众所知的是，在X射线相机成像时，如图1所示，射线源1发生的多个有效成像面3是成放射状投射在相机上的，整个有效成像面3区域从侧面看呈扇形分布。当被测物是层状物时，扇形分布的有效成像面3无法保证被测物4的每层结构都和有效成像面3重合，从而不能保证每层结构都被射线完全贯穿，因此，目前的X射线图像采集方法，很难采集到每一层的准确图像数据。
层状物包括单个物体具有多层结构和多个物体层叠在一起两种情况。图1、图2是单个物体具有多层结构，在用现有X射线成像方法采集数据时的示意图，由图可知，显然不能保证每层结构都与有效成像面3重合，所以无法准确采集到每一层结构的真实数据。图3、图4是多个物体层叠在一起，在用现有X射线成像方法采集数据时的示意图，由图可知，显然也不能保证每层结构都与有效成像面3重合，所以也无法准确采集到每一层结构的真实数据。
目前，层状物的工业检测需求越来越多，比如锂电行业中的叠片电池，其对各层之间对齐尺寸有较高要求，如果各层之间的错位尺寸不在合理的范围内，叠片电池就有爆炸等安全隐患。所以需对电池各片进行拍照并通过公式计算每层间错位尺寸，以此来判定各层对齐情况。而目前的X射线图像采集方法无法准确测得叠片电池各层的真实数据。
如中国专利CN101813642A-具有三自由度运动控制的显微CT成像设备及其校准方法所公开，该被测物虽然可以在水平方向、竖直方向、旋转方向可以运动，但是其在运动过程中，不能保证被测物与射线源的距离不变，不能让被测物各层结构依次旋转至其轴线与有效成像面重合，显然该成像设备不能应用于层状物的成像，不能观察到层状物的各层真实数据。
如中国专利CN104655660A公开的一种基于机器视觉的印制电路板自动检测系统，该检测系统用于检测多层印刷电路板层与层之间出现的相对位移，但是该检测系统只是让被测物作X方向、Y方向的运动，其运动仅仅局限于水平面内的运动，只能让水平面内的各观测点成像清晰，所以该检测系统有局限性，不适用于叠片电池的错位检测。特别的，由于叠片电池各层是柔性的，所以会产生在垂直方向上的弯曲，如图5所示，所以对检测系统提出了更高的要求。
综上所述，目前的图像采集设备无法对层状物的各层数据进行准确测量，尤其在被测物各层是柔性物质易变形的情况下，更大大增加了检测的难度。
发明内容
本发明的发明目的在于提供了一种基于X射线成像的图像采集设备，能够实现五维度的运动功能，实现对被测物的图像数据的精准采集，尤其是针对层状物的各层结构数据的精准采集，从而对叠片电池的各层错位现象进行准确测量。
一种基于X射线成像的图像采集设备，包括射线源、X射线相机和机座，所述机座由下往上依次设有X向往复运动的X座、Y向往复运动的Y座和Z向往复运动的Z座；Z座上设有沿垂直Z向旋转的θ座，θ座上设有沿垂直X向摆动的R座；R座包括R座支架，R座支架上设有固定被测物的工件放置区，工件放置区的上方设有压紧件，工件放置区的侧面设有定位件；工作时，所述射线源发出的射线经过被测物后到达X射线相机。
将被测物固定于工件放置区，基于X射线成像的图像采集设备中X座、Y座和Z座采用直线导轨的方式实现三维度的位置调节，使得R座支架位于射线源和X射线相机之间，旋转θ座并调节R座的角度，使得被测物与射线源和X射线相机的有效成像面重合，完成被测物的位置调整；开始被测物的图像采集，摆动R座使被测物与有效成像面始终保持重合，同时调整Y座和Z座的位置，使得被测物的各个待测点与射线源的距离均保持一致。
所述θ座包括θ座支架，所述θ座支架的中心处固定有带有转轴的驱动组件，所述R座与所述转轴固定，当摆动电机运行时，转轴带动R座沿垂直X向摆动。
优选地，所述的R座支架上固定有第一直线导轨，所述压紧件的底部与第一直线导轨滑动连接，压紧件为悬臂结构，悬臂结构的伸出端固定有竖直方向的气缸组件。压紧件可沿第一直线导轨移动到合适的位置进行压紧动作，压紧动作由气缸驱动。
优选地，所述的定位件通过腰孔与紧固件的配合与R座支架连接，定位件在R座上滑动并锁紧，使定位件与被测物的内侧相抵，以此达到定位的目的；位置可调节的定位件可以适应不同尺寸的被测物。
优选地，所述的工件放置区的两端分别设有定位相机，所述定位相机用于获得被测物的实时位置。取被测物上的一个特征点，两部固定于不同位置的定位相机摄得被测物的像，分别获得该特征点在两部定位相机的像平面上的坐标，根据两部定位相机的相对位置，得到该特征点在固定一部定位相机的坐标系中的坐标，即确定了特征点的实时位置。
优选地，X射线相机采用X射线TDI相机。TDI是指Time Delayed and Integration，X射线TDI相机采用线扫成像的原理，使用效果更好。
本发明还提供了基于所述图像采集设备的图像采集方法，该图像采集方法可采集到被测物轴线与有效成像面重合时的图像数据，此时的图像数据最清晰，能真实准确反映被测物的各种数据，尤其适用于层状物的检测。
一种基于X射线成像的图像采集方法，包括如下步骤：
(I)移动X座、Y座和Z座进行三维度的位置调节，使得R座位于射线源和X射线相机之间，旋转θ座并调节R座的角度，使得被测物与射线源和X射线相机的有效成像面重合；
(II)在被测物位于射线源与X射线相机之间时，驱动所述的R座使被测物摆动，同时驱动Y座和Z座，使被测物做圆弧摆动，以保持被测物与射线源的距离不变；
(III)在被测物圆弧摆动至其轴线与有效成像面重合时，采集所述重合时的图像数据作为有用数据。
轴线是指被测物长度方向的轴线或被测物宽度方向的轴线或被测物厚度方向的轴线。这里的轴线是指被测物检测方向上的轴线。检测方向可以是被测物的长度方向、宽度方向、厚度方向。只要让射线在检测方向上完全贯穿被测物即可。所以，本文中所述轴线与有效成像面重合，即指让射线在检测方向上完全贯穿被测物。
优选地，被测物具有多层结构，在被测物圆弧摆动时，每层轴线依次与有效成像面重合，采集每层轴线与有效成像面重合时的图像数据作为有用数据。这样，可对层状物的每层结构的图像数据进行准确采集。
优选地，被测物是多个物体层叠在一起，在被测物圆弧摆动时，让每个物体分别摆动，各自轴线与有效成像面重合，采集各层物体轴线与有效成像面重合时的图像数据作为有用数据。这样，可对每层物体的图像数据进行准确采集。
优选地，重合时图像数据的采集方式有两种：一种是在被测物开始圆弧摆动时，相机即开始拍照，直至被测物圆弧摆动结束，在拍到的相片中选取被测物轴线与有效成像面重合时的图像数据作为有用数据；另一种是在被测物圆弧摆动时，监测相机成像的清晰度，采集清晰度最高时的图像数据作为有用数据。
本发明相比现有技术，其优点在于：
1、本发明设备结构合理简单，使用效果好，不仅可准确采集到被测物各层的数据，还可让放件工位和测量工作相互错开，大大方便了被测物的放置，而不用担心碰坏周边的精密仪器。
2、本发明的图像采集方法，可对层状物的各层结构进行准确测量，采集到各层结构的准确数据，从而准确测得各层错位等信息，适用于叠片电池的错位数据采集，使用效果好，效率高。
附图说明
图1为本发明背景技术中具有多层结构的单个物体采用现有X射线成像技术采集数据时的主视结构示意图；
图2为图1所示的具有多层结构的单个物体采用现有X射线成像技术采集数据时的立体结构示意图；
图3为本发明背景技术中多个物体层叠采用现有X射线成像技术采集数据时的主视结构示意图；
图4为图3所示的多个物体层叠采用现有X射线成像技术采集数据时的立体结构示意图；
图5为本发明背景技术中被测物在垂直方向上产生弯曲的层状结构示意图；
图6为本发明实施例中基于X射线成像的图像采集设备的前视立体示意图；
图7为图6所示的图像采集设备的后视立体示意图；
图8为图6所示的图像采集设备的侧视结构示意图；
图9为图6所示的θ座和R座的立体结构示意图；
图10为图6所示的基于X射线成像的图像采集设备的θ座转动时的俯视结构示意图；
图11为图6所示的基于X射线成像的图像采集设备的R座摆动时的俯视结构示意图；
图12为本发明实施例1中基于X射线成像的图像采集方法采集多层结构的被测物各层结构数据的主视结构示意图；
图13为图12所示的图像采集方法采集多层结构的被测物各层结构数据的立体结构示意图；
图14为本发明实施例3中基于X射线成像的图像采集方法采集多个层叠物体结构数据的主视结构示意图；
图15为图14所示的图像采集方法采集多个层叠物体结构数据的立体结构示意图。
具体实施方式
实施例1：如图6、图7和图8所示，基于X射线成像的图像采集设备，包括射线源1、X射线相机2和机座11，机座11设有可在其上作X向往复运动的X座12，X座12设有可在其上作Y向往复运动的Y座13，Y座13设有可在其上作Z向往复运动的Z座14；Z座14上设有沿垂直Z向旋转的θ座15，θ座15上设有沿垂直X向摆动的R座16；R座16包括R座支架161，R座支架161上设有放置被测物4的工件放置区，工件放置区的上方设有压紧件17，工件放置区的侧面设有定位件18。
如图6和图9所示，θ座15包括θ座支架151，θ座支架151的中心处固定有带有转轴的驱动组件164，R座16与转轴固定，当驱动组件164运行时，转轴带动R座16沿垂直X向摆动。
R座支架161上固定有第一直线导轨162，第一直线导轨162上分布有三个压紧件17，压紧件17的底部均与第一直线导轨162滑动连接，压紧件17为悬臂结构，悬臂结构的伸出端固定有竖直方向的气缸组件163。压紧件17可沿第一直线导轨162移动到合适的位置进行压紧动作，压紧动作由气缸组件163驱动。
定位件18通过腰孔与紧固件的配合与R座支架161连接，定位件18在R座16上滑动并锁紧，使定位件18与被测物4的内侧相抵，以此达到定位的目的；位置可调节的定位件18可以适应不同尺寸的被测物4。
工件放置区的两端分别设有定位相机19，定位相机19用于获得被测物4的实时位置。取被测物4上的一个特征点，两部固定于不同位置的定位相机19摄得被测物4的像，分别获得该特征点在两部定位相机19的像平面上的坐标，根据两部定位相机19的相对位置，得到该特征点在固定一部定位相机19的坐标系中的坐标，即确定了特征点的实时位置。
X射线相机2采用X射线TDI相机，TDI是指Time Delayed and Integration，X射线TDI相机采用线扫成像的原理，使用效果更好。
将被测物4置于工件放置区，调节定位件18的位置，使得被测物4的内侧与定位件18相抵；再调节三个压紧件17的位置，并驱动气缸组件163使得被测物4固定于工件放置区。
基于X射线成像的图像采集设备中X座12、Y座13和Z座14采用直线导轨的方式实现三维度的位置调节，使得R座支架161位于射线源1和X射线相机2之间，如图10所示旋转θ座15，同时如图11所示调节R座16的角度，使得被测物4与射线源1和X射线相机2的有效成像面重合3，完成被测物4的位置调整。
开始被测物4的图像采集，摆动R座16使被测物4与有效成像面3始终保持重合，同时调整Y座13和Z座14的位置，使被测物4的各个待测点与射线源1的距离保持一致。
如图12和图13所示，基于X射线成像的图像采集设备所采用的图像采集方法，包括如下步骤：
S1.移动X座12、Y座13和Z座14进行三维度的位置调节，使得R座16位于射线源1和X射线相机2之间，旋转θ座15并调节R座16的角度，使得被测物4与射线源1和X射线相机2的有效成像面3重合；
S2.在被测物4位于射线源1与X射线相机2之间时，驱动所述的R座16使被测物4摆动，同时驱动Y座13和Z座14，使被测物4做圆弧摆动，以保持被测物4与射线源1的距离不变，被测物4与射线源1的距离指的是被测物4待测点与射线源1之间的距离；
S3.被测物4具有多层结构，在被测物4圆弧摆动时，每层轴线依次与有效成像面3重合，采集每层轴线与有效成像面3重合时的图像数据作为有用数据。
要采集到重合时的图像数据有以下两种方式：
1、在被测物4开始圆弧摆动时，X射线相机2开始拍照，直至被测物4摆动结束，在摄到的图像中选取被测物4每层轴线与有效成像面3重合时的图像数据作为有用数据。
2、在被测物4圆弧摆动时，监测X射线相机2的成像清晰度，采集每层清晰度最高时的图像数据作为有用数据。
实施例2：如图14和图15所示，与实施例1不同之处在于：被测物4是多个物体层叠在一起，在被测物4圆弧摆动时，让每个物体分别摆动，各自与有效成像面3保持重合，采集各层物体与有效成像面3重合时的图像数据作为有用数据。
实施例3：与实施例1不同之处在于：在S2中，保持被测物4的重心与射线源1的距离不变。这样方便进行整体观察，获取被测物4的整体数据。

Claims (6)

1.一种基于X射线成像的图像采集设备，包括射线源(1)、X射线相机(2)，其特征在于，还包括一机座(11)，所述机座(11)由下往上依次设有X向往复运动的X座(12)、Y向往复运动的Y座(13)和Z向往复运动的Z座(14)；Z座(14)上设有沿垂直Z向旋转的θ座(15)，θ座(15)上设有沿垂直X向摆动的R座(16)；R座(16)包括R座支架(161)，R座支架(161)上设有固定被测物(4)的工件放置区，工件放置区的上方设有压紧件(17)，工件放置区的侧面设有定位件(18)；工作时，所述射线源(1)发出的射线经过被测物(4)后到达X射线相机(2)；
所述θ座(15)包括θ座支架(151)，所述θ座支架(151)的中心处固定有带有转轴的驱动组件(164)，所述R座(16)与转轴固定；
所述的R座支架(161)上固定有第一直线导轨(162)，所述压紧件(17)的底部与第一直线导轨(162)滑动连接，压紧件(17)为悬臂结构，悬臂结构的伸出端固定有竖直方向的气缸组件(163)；
所述的定位件(18)通过腰孔与紧固件的配合与R座支架(161)连接，定位件(18)在R座(16)上滑动并锁紧，使定位件(18)与被测物(4)的内侧相抵；
图像采集方法如下：
(I)移动X座(12)、Y座(13)和Z座(14)进行三维度的位置调节，使得R座(16)位于射线源(1)和X射线相机(2)之间，旋转θ座(15)并调节R座(16)的角度，使得被测物(4)与射线源(1)和X射线相机(2)的有效成像面(3)重合；
(II)在被测物(4)位于射线源(1)与X射线相机(2)之间时，驱动所述的R座(16)使被测物(4)摆动，同时驱动Y座(13)和Z座(14)，使被测物(4)做圆弧摆动，以保持被测物(4)与射线源(1)的距离不变；
(III)在被测物(4)圆弧摆动至其轴线与有效成像面(3)重合时，采集所述重合时的图像数据作为有用数据。
2.如权利要求1所述的基于X射线成像的图像采集设备，其特征在于，所述的工件放置区的两端分别设有定位相机(19)，定位相机(19)用于获得被测物(4)的实时位置。
3.如权利要求1所述的基于X射线成像的图像采集设备，其特征在于，X射线相机(2)采用X射线TDI相机。
4.如权利要求1所述的基于X射线成像的图像采集设备，其特征在于，被测物(4)具有多层结构，在被测物(4)圆弧摆动时，每层轴线依次与有效成像面(3)重合，采集每层轴线与有效成像面(3)重合时的图像数据作为有用数据。
5.如权利要求1所述的基于X射线成像的图像采集设备，其特征在于，被测物(4)是多个物体层叠在一起，在被测物(4)圆弧摆动时，让每个物体分别圆弧摆动，各自轴线与有效成像面(3)重合，采集各层物体轴线与有效成像面(3)重合时的图像数据作为有用数据。
6.如权利要求1所述的基于X射线成像的图像采集设备，其特征在于，重合时图像数据的采集方式有两种：一种是在被测物(4)开始圆弧摆动时，X射线相机(2)即开始拍照，直至被测物(4)圆弧摆动结束，在拍到的相片中选取被测物(4)轴线与有效成像面(3)重合时的图像数据作为有用数据；另一种是在被测物(4)圆弧摆动时，监测X射线相机(2)成像的清晰度，采集清晰度最高时的图像数据作为有用数据。
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