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工業X光電腦斷層掃描之驗證與量測技術

作者 楊富程劉定坤陳柏宇

刊登日期:2024/10/01

摘要

計量與檢測技術在工業製造中至關重要,它們能夠實現精確的品質控制、流程優化、支援產品設計和開發、確保查證和標準、實現故障分析和可追溯性。從而製造出高品質的產品,創建更有效率的生產流程。傳統尺寸計量與檢測技術皆以外觀形貌分析為主,針對內部結構XCT (X-ray Computed Tomography,X光電腦斷層掃描)技術因具有非破壞性與高解析度等特性,工業上已導入XCT進行工件內部結構計量與檢測,由於XCT量測方法與傳統影像技術不同且影響因子相當多,為確保XCT量測的準確性能夠對複雜的三維結構和內部特徵進行非破壞性且高精度的測量,XCT系統驗證是相當關鍵的部分,本文將說明XCT關鍵性能參數及影響性能因子與國際驗證技術的標準與指南,期望有利於讀者了解工業電腦斷層掃描系統之驗證與計量與檢測技術。

Abstract

Metrology and inspection technologies are crucial in industrial manufacturing, enabling precise quality control, process optimization, supporting product design and development, ensuring certifications and standards, and enabling failure analysis and traceability. This results in high-quality products and a more efficient production process. Traditional dimensional measurement and inspection technologies are mainly based on appearance morphology analysis. For internal structures, XCT (X-ray Computed Tomography, X-ray computed tomography) technology has been introduced in industry for measuring and inspection the internal structure of workpieces due to its non-destructive and high-resolution characteristics. Since the XCT measurement method is different from traditional imaging technology and has many influencing factors, in order to ensure the accuracy of XCT measurement, complex three-dimensional structures and internal features can be measured non-destructively and with high precision. XCT system verification is a very critical part. This article will explain the key performance parameters of XCT, the influencing factors of performance, and the standards and guidelines of international verification technology. It is hoped that it will help readers understand the verification, measurement and detection technology of industrial computed tomography systems.

前言
XCT的特性與4個關鍵項目相關包括1.光源特性包含focal spot size、光譜分布; 2.光偵測器包含pixel size、雜訊; 3.動態機械系統包含操作位置角度正確性、角度掃描張數; 4.軟體演算法包含2D影像處理方法及3D重建方法,因關鍵項目互相影響系統複雜無法透過單獨驗證確保XCT的特性,另外待測物的材質、厚度與表面特性也將影響XCT的特性,因此較難使用傳統的方法驗證XCT特性,本文將針對驗證相關技術進行說明。
工業電腦斷層掃描之驗證與量測技術
1.XCT系統簡介
XCT系統可分成Planar Fan Beam Configurat-ion、Cone Beam Configuration、Parallel Beam Configuration三種架構,本文的研究重點為Cone Beam Configuration如圖1所示 [1],以此架構其系統運作的方式透過X-ray point source投射錐狀X-ray光束穿過Sample投影至Planar detector取得特定角度下的投影影像,經由Sample旋轉360度取得多張不同角度的投影影像,經由軟體重建Sample的三維形貌如圖2 所示[2],此為XCT系統量測基本原理的說明。

圖1 Cone Beam Configuration XCT系統[1]  資料來源:CIRP 工研院量測中心重製

 

圖2 XCT系統透過多張不同角度的投影影像由軟體重建Sample的三維形貌示意圖[2]
資料來源:NPL report Eng 工研院量測中心重製

2.XCT關鍵性能參數與影響性能的關鍵因子分析
XCT系統主要的功能是量測樣品內部與外部的三維形貌,與傳統三維形貌量測系統具有相同的關鍵參數指標,包含三維空間量測解析度,空間內座標的準確性(影像Distortion),皆為XCT系統影像品質之關鍵性能參數,另外三維空間資訊需透過多張二維影像重建,因此二維影像中邊界判定的準確性也是XCT系統之關鍵性能參數,與影像對比度與影像背景雜訊有關,接下來將針對關鍵性能參數的引響因子進行說明。

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