CN203720109U - 基于x射线源阵列的实时在线工业ct检测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于X射线源阵列的实时在线工业CT检测系统，包括用于传输待检测物体的传送带，所述传送带外侧设置碳纳米管阴极的X射线源阵列和与碳纳米管阴极的X射线源阵列配合进行待检测物体的CT检测的探测器阵列，所述系统还包括用于进行X射线源快速切换与探测器同步读取的控制装置，用于获取探测器阵列检测的CT图像并进行CT图像的存储和处理操作的图像处理装置。该系统可以大幅提高扫描速度，快速完成产品检测，提高工厂的生产效率，节约经济开支。

Description

基于X射线源阵列的实时在线工业CT检测系统

技术领域

本实用新型属于工业CT扫描技术领域，具体涉及一种属于工业CT的系统设计，特别涉及一种新型多源CT的基于X射线源阵列的实时在线工业CT检测系统。

背景技术

工业CT是工业用计算机断层成像技术的简称，它能在对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内部的结构、组成、材质及缺损状况，被誉为当今最佳无损检测和无损评估技术。

如图1所示，目前，大部分工业CT的设计方案与医用CT类似，常用的CT扫描模式有II代扫描、III代扫描。这两种方式都是通过固定待检测物体1（固定在载物台3上），使用旋转及移动    X射线源2和探测器4的方式来完成全角度采样（箭头方向为X射线源2和探测器4的运动轨迹，5为X射线线束）。这样的采样方式有许多缺点，首先，旋转的设计带来系统复杂性，成本变高，需要极高的机械运动精度来保证采样准确度，相应也提高了设备的功耗和体积，其次，旋转的设计对数据的传输有很大限制，由于数据传输大多只能使用电刷，数据通道带宽受限，相应的限制了采集速度，另外，采样方式时间耗费较大，大批量的检测将耗费很多时间及资源。近年来出现双源工业CT，可以在一定程度上提高图像分辨率，但是仍然无法缩短扫描时间。对于面向实时在线监测工业CT而言，传统的旋转式扫描的使用是极其困难的。

除此之外，虽然有研究者提出过多个射线源的思路，但是由于传统射线源体积较大，重量较高，且X射线时间响应较慢，这种思路难以实施。基于碳纳米管阴极的X射线源是具有体积小、高时间分辨率、工作温度低、功耗小、稳定和可编程等特点，这种射线源的出现为大幅缩短检测时间提供了可能。本实用新型因此而来。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种基于X射线源阵列的实时在线工业CT检测系统，解决了现有技术中存在的机器体积庞大、大量机械运动和扫描时间慢等缺陷。

为了解决现有技术中的这些问题，本实用新型提供的技术方案是：

一种基于X射线源阵列的实时在线工业CT检测系统，包括获取、存储和处理CT图像的图像处理装置、屏蔽机箱及设置在该屏蔽机箱内的待测物体放置装置、组合检测模块、用于X射线源快速切换与探测器同步读取的控制装置，其特征在于，所述的待测物体放置装置为传送带，所述组合检测模块包括位于传送带外侧的支架及设置在支架上的基于碳纳米管阴极的X射线源阵列、与该X射线源阵列配合的探测器阵列，所述X射线源阵列的X射线源为若干个，每个X射线源的入射角度沿待检测物体周向设置。

所述系统还包括用于控制传送带进行待检测物体传输作业的传送装置，所述控制装置通过指令控制传送装置进行传送。

每排碳纳米管阴极的X射线源阵列和每排探测器阵列形成组合检测模块，所述组合检测模块的数量不少于2个。

所述探测器分布在X射线源的对面一侧，且每个X射线源和探测器分别设置位置调节装置。

当所述组合检测模块的数量为2个时，两组模块相互垂直固定，X射线源与相应探测器覆盖180度的采样范围。

优选的，若干个组合检测模块处于同一平面内，且X射线源与相应探测器覆盖180度的采样范围；或者若干个组合检测模块处于不同平面内，且X射线源与相应探测器覆盖180度的采样范围。

优选的，所述控制装置同步控制X射线源阵列和探测器阵列，采用经过频率调制的控制信号，进行快速X射线曝光，在相应的时间间隔里从探测器阵列上读出图像，进行解调得到每个X射线源的成像，发送给图像处理装置。

优选的，所述图像处理装置设置有用于接收探测器阵列检测的CT图像，并对CT图像进行存储的CT图像存储模块、基于压缩感知的迭代重建算法对CT图像进行重建的图像重建模块、对图像进行分析处理，并向用户进行可视化输出的图像处理模块。

优选的，所述碳纳米管阴极的X射线源阵列和探测器阵列设置在屏蔽机箱内，所述屏蔽机箱内还设置用于进行待检测物体标记的物体标记装置，所述待检测物体由传送带从屏蔽机箱外侧传入屏蔽机箱进行检测后，进行标记，然后传出屏蔽机箱外。

本实用新型技术方案基于碳纳米管阴极的X射线源。基于碳纳米管阴极的X射线源具有体积小、高时间分辨率、工作温度低、功耗小、稳定和可编程等优点。本实用新型使用该X射线源但不限于该X射线源。将多个基于碳纳米管阴极的X射线源排成阵列，可以有效利用其高时间分辨率的特点，实现在短时间内进行逐个曝光，相当于从不同角度进行X射线采样，实现CT重建的采样要求。本实用新型中采用的基于碳纳米管阴极的X射线源可以采用如申请号为201120253622.7的中国专利申请：基于场发射冷阴极的阵列X射线源。

申请号为201120253622.7的中国专利申请公开了一种基于场发射冷阴极的阵列X射线源，包括阴极基板、阴极电极、用于发射电子束的场致发射体、反射式阳极靶；其中，在阴极基板上设有阴极电极，在阴极电极上设有场致发射体，反射式阳极靶位于阴极基板上方且与阴极基板相对设置，反射式阳极靶与阴极基板平行；场致发射体发射出的电子束轰击到反射式阳极靶上，产生的X射线穿过阴极基板出射。

优选的，所述使用两组或多组射线源阵列和探测器阵列组合模块进行成像。以一排探测器阵列分别与一排基于碳纳米管阴极的X射线源连接固定形成一个组合模块。各个模块可以在同平面内，按照不同的角度错开，形成覆盖全角度的采样范围。也可在不同平面利用匀速皮带的特性，等间隔不同角度放置组合模块，达到对某个切面形成覆盖全角度采样范围的目的。以使用两组模块为例，两组模块相互垂直固定，形成覆盖180度的采样范围。如果多组模块，则相互错开一定角度，形成覆盖全角度的采样范围。

优选的，所述控制装置控制X射线源阵列和探测器阵列进行同步处理，采用经过频率调制的控制信号，进行快速X射线曝光，在相应的时间间隔里从探测器阵列上读出图像，进行解调得到每个X射线源的成像，整个过程时间极短，在整个过程里，器件和传送带的运动可以忽略不计。

优选的，使用控制芯片控制传送带传送待检测物体，使待检测物体精确地匀速穿过两组或多组X射线源阵列及对应探测器阵列。

优选的，所述图像重建模块采用基于压缩感知的迭代重建算法。由于迭代重建对不规则的采样轨迹具备良好的适应性，但是对采样数量要求较高，使用基于压缩感知的代数迭代CT重建算法，能够以较少的采样重建出可靠的图像。

优选的，所述图像处理模块采用基于可视化处理，将重建得到的器件横截面图像进行三维可视化，实现任意截面观察。所述图像处理模块采用智能分析系统，采用算法对重建可视化结果进行自动分析，根据用户对待检测物体的要求，自动进行检查，自动处理标记不合格器件或者人为进行处理。

本实用新型技术方案中产品的检查将按如下流程进行：首先，待检测的产品按照工厂的流水线进入传送带匀速前进；当产品运行到一定的位置，触发光电门控开关，这时，X射线源控制电路触发一次X射线成像，在一次X射线成像中，控制电路将产生一系列控制信号，控制X射线源分频发射，同步的探测器控制电路进行快速曝光并保存结果，以上过程在极短时间内完成，产品在期间的位移可以忽略不计，之后，首先由解调程序将每个X射线源的成像从得到的结果中解调出来，然后由重建模块进行一次断层重建，同时传送带继续前进，以同样的循环完成每个断层的扫描；物体离开X射线检测区域，此时，计算机将重建所得的断层进行归档；最后，计算机对断层数据序列形成的体数据进行三维可视化，并显示用户设定的感兴趣截面，智能分析对产品的瑕疵和缺陷进行分析，按照用户设定的指标发布通知。

相对于现有技术中的方案，本实用新型的优点是：

1、应用本实用新型可以大幅提高扫描速度，快速完成产品检测，提高工厂的生产效率，节约经济开支。

2、装置中使用传送带式的流水线设计思路，可以嵌入工厂的流水线中，为企业简化流程，方便引进。

3、装置中使用固定的X射线源和探测器使得机械运动带来的误差大幅减小，另外，装置的功耗大大降低，并且消除了机械运动的损耗和噪声，降低设备的维护成本，即环保又提高了设备的寿命。

4、装置中使用基于碳纳米管阴极的X射线源，相比于传统射线源，功耗大幅下降，并且不需要高温工作，减少了散热方面的问题。

5、装置中采用X射线源的阵列，使得原本由一个射线源完成的X射线发射工作，分摊到多个X射线源进行，大大延长了X射线源的使用寿命。

6、装置中采用X射线源和探测器的分频复用技术，有效缩短了采样所需的时间。

7、本实用新型中采用的基于压缩感知的CT重建算法，具有对采样角度要求少和效率高的特点，可以实现实时重建的效果。结合以上的1、2、6点优点，在各个环节提高了速度，特别适合产品的快速大批量检测，特别适合对于芯片封装，电子产品和器件的大批量检测。

综上所述，本实用新型提供了一种基于X射线源阵列的实时在线工业CT检测系统，包括基于碳纳米管阴极的X射线源阵列及探测器阵列组，用于射线源快速切换与探测器同步读取的控制装置，待检测物体的传送带及运动控制装置，图像存储于归档系统，基于压缩感知的迭代重建算法重建模块以及可视化软件及智能分析系统，属于工业CT的系统设计领域，可以实时对物体进行CT断层成像，并且大大降低了系统能耗。

附图说明

图1是传统工业CT的扫描方式，箭头所示方向为X射线源及探测器的运动轨迹；

图2是本实用新型的基于碳纳米管阴极X射线源阵列的实时在线工业CT检测系统的结构图；

图3是使用两对X射线源阵列和探测器阵列模块的采样方式示意图；

图4是使用三对X射线源阵列和探测器阵列模块的采样方式示意图；

图5是使用四对X射线源阵列和探测器阵列模块的采样方式示意图；

图6是使用三对X射线源阵列和探测器阵列模块的空间排布示意图；

图7是使用四对X射线源阵列和探测器阵列模块的空间排布示意图；

图8是多X射线源阵列的分频复用成像示意图；

图9是多X射线源阵列的控制示意图；

图10是基于压缩感知的CT重建算法示意图；

图11是系统流程框图；

其中有：待检测物体1、X射线源2、载物台3、探测器4、X射线线束5、屏蔽机箱6、物体标记装置7、组合检测模块和用于X射线源快速切换与探测器同步读取的控制装置8、图像处理装置9、传送带30、X射线源阵列20和与该X射线源阵列配合的探测器阵列40、X射线源阵列中某个射线源产生的具有一定频率的X线信号21、指示灯81、急停开关82、主机80。

具体实施方式

以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本实用新型而不限于限制本实用新型的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。

如图2，该基于碳纳米管阴极X射线源阵列的实时在线工业CT检测系统，包括用于传输待检测物体1的传送带，所述传送带外侧设置碳纳米管阴极的X射线源阵列20和与碳纳米管阴极的X射线源阵列配合进行待检测物体1的CT检测的探测器阵列40，所述系统还包括用于进行X射线源20快速切换与探测器同步读取的控制装置8，用于获取探测器阵列检测的CT图像、进行CT图像的存储和处理操作的图像处理装置9。控制装置8设置有主机80、用于紧急处理的紧急开关82、显示检测状态的状态指示灯81。控制装置8与图像处理装置9间通过线缆连接。

其中核心组件为基于碳纳米管阴极的X射线源阵列20与对应的探测器阵列（探测器组）40。该组件由一排基于碳纳米管阴极的X射线源、一排探测器以及支架构成。支架为U型设计，基于碳纳米管阴极的X射线源安装在支架一侧的孔中，焦点朝向支架的中心，其基本电路通过线路连到外部，探测器40分布在X射线源20的对面一侧，每个X射线源和每个探测器分别有位置调节装置。在理想情况下，所有X射线源的焦点位于一条直线上，并且与探测器中线平行。实际情况中，由于不可避免的误差，在使用图像进行重建之前，需要进行校准。所述碳纳米管阴极的X射线源阵列和探测器阵列设置在屏蔽机箱6内，所述屏蔽机箱6内还设置用于进行待检测物体标记的物体标记装置7，所述待检测物体由传送带30从屏蔽机箱外侧传入屏蔽机箱进行检测后，进行标记，然后传出屏蔽机箱外。

在该基于碳纳米管阴极X射线源阵列的实时在线工业CT检测系统中，基于碳纳米管阴极的X射线源阵列与对应的探测器组的使用为一排或多排。各组模块在X射线源阵列方向上是互相错开的，模块使用转轴连接在机架上，以便根据不同需求进行角度调整。在调整中，各个模块是联动并保持互相平行的。在本实用新型中，虽然图2是以两对模块进行成像，但是这仅仅是个范例，本实用新型包含使用多组X射线源阵列和探测器阵列模块成像的情况，其中图3包括使用三组或四组的情况，如果使用更多，则可以在成本允许的范围内得到更密集的采样效果，以获得更好的重建效果。

模块组合的采样效果如图3~5所示，可以是两组、三组甚至四组X射线源阵列和探测器阵列模块。图3~5中这些X射线源阵列和探测器阵列模块均在同一个平面，而实际上，各模块的采样在同一时刻是可以在不同的平面进行的，如图6、7所示。图3~5中相对的X射线源阵列和探测器阵列模块处于一个平面，而另一对模块则可根据实际需要放置于与之平行的另一平面，每对模块相互错开排列，其中两组模块的空间布局示意图见图2，三组和四组的情况如图6、7所示。当物体在传送中时，每个模块采到的是物品不同截面的数据并存储，由于运动的速度是由程序设定的，所以一个平面的数据采集片段是可知的。在进行某个平面的重建前，图像重建模块先定位该平面的数据存储位置，再从相应的位置取出断层数据进行重建。

如图8~9所示，本实用新型中还使用了一种分频复用的成像技术，使用不同射线源分别以不同曝光频率同时照射物体（21为X射线源发射频率波形），可以得到整个曝光时间中探测信号强度曲线，而该曲线又是不同曝光频率的射线源光强变化曲线以一定的权重线性叠加的结果，通过解调就可以求出每个射线源变化曲线的权重，即实现了该射线源在该像素的投影数据获取。传统的CT成像方式是射线源在不同位置分别进行曝光。由于基于碳纳米管阴极的X射线源具有成本低、体积小、高时间分辨率、工作温度低、功耗小和可编程等优点，该发明中使用该X射线源进行高频发射。假设相比于用每个射线源逐点曝光，分频复用的方法完成一样的曝光量，所需的时间更短，从而提高扫描效率。

图10是基于压缩感知的CT重建算法。该重建算法为常规现有技术，不再赘述。本系统产品的检查如图11所示，将按如下流程进行：首先，待检测的产品按照工厂的流水线进入传送带匀速前进；当产品运行到一定的位置，触发光电门控开关，这时，X射线源控制电路触发一次X射线成像，在一次X射线成像中，控制电路将产生一系列控制信号，控制X射线源分频发射，同步的探测器控制电路进行快速曝光并保存结果，以上过程在极短时间内完成，产品在期间的位移可以忽略不计，之后，首先由解调程序将每个X射线源的成像从得到的结果中解调出来，然后由重建模块进行一次断层重建，同时传送带继续前进，以同样的循环完成每个断层的扫描；物体离开X射线检测区域，此时，计算机将重建所得的断层进行归档；最后，计算机对断层数据序列形成的体数据进行三维可视化，并显示用户设定的感兴趣截面，智能分析对产品的瑕疵和缺陷进行分析，按照用户设定的指标发布通知。

上述实例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于X射线源阵列的实时在线工业CT检测系统，包括获取、存储和处理CT图像的图像处理装置、屏蔽机箱（6）及设置在该屏蔽机箱内的待测物体放置装置、组合检测模块和用于X射线源快速切换与探测器同步读取的控制装置（8），其特征在于，所述的待测物体放置装置为传送带（1），所述组合检测模块由位于传送带外侧的支架，及设置在支架上的基于碳纳米管阴极的X射线源阵列（20）和与该X射线源阵列配合的探测器阵列（40）组成，所述的X射线源阵列的X射线源为多个，每个X射线源的入射角度沿待检测物体周向设置。

2.根据权利要求1所述的基于X射线源阵列的实时在线工业CT检测系统，其特征在于，所述组合检测模块的数量不少于2个。

3.根据权利要求1所述的基于X射线源阵列的实时在线工业CT检测系统，其特征在于，所述系统还包括用于控制传送带进行待检测物体传输作业的传送装置。

4.根据权利要求1或2所述的基于X射线源阵列的实时在线工业CT检测系统，其特征在于，当所述组合检测模块的数量为2个时，两组模块相互垂直固定，X射线源与相应探测器覆盖180度的采样范围。

5.根据权利要求1或3所述的基于X射线源阵列的实时在线工业CT检测系统，其特征在于，所述组合检测模块处于同一平面内，且X射线源与相应探测器覆盖180度的采样范围；或者组合检测模块处于不同平面内，且X射线源与相应探测器覆盖180度的采样范围。

6.根据权利要求1所述的基于X射线源阵列的实时在线工业CT检测系统，其特征在于，所述X射线源和探测器设置有位置调节装置。

7.根据权利要求1所述的基于X射线源阵列的实时在线工业CT检测系统，其特征在于，所述图像处理装置设置有对探测器阵列检测的CT图像进行接收并存储的CT图像存储模块、对CT图像进行重建的图像重建模块、对图像进行分析处理并向用户进行可视化输出的图像处理模块。

8.根据权利要求1所述的基于X射线源阵列的实时在线工业CT检测系统，其特征在于，所述屏蔽机箱内还设置有用于进行待检测物体标记的物体标记装置。