X射線工業(yè)CT運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)

1、X射線工業(yè)CT運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)本文介紹了當(dāng)今無損檢測(cè)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，分析了工業(yè)CT控制系統(tǒng)的特點(diǎn)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般方法。利用伺服電機(jī)對(duì)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行控制，為了實(shí)現(xiàn)精 確的位置控制，以及控制參數(shù)的最優(yōu)化，我們編寫有效地程序，從而達(dá)到精確、 快速。最后，通過實(shí)際實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)上的測(cè)試，從而驗(yàn)證論文里所設(shè)計(jì)的X射線工業(yè) CT多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)在控制精度、反應(yīng)時(shí)間和穩(wěn)定性等方面達(dá)到現(xiàn)行的控制系 統(tǒng)較優(yōu)水準(zhǔn)，可以使用在更多的工業(yè) CT系統(tǒng)領(lǐng)域中。緒論1.1 課題的研究背景1.1.1 CT與工業(yè)CT技術(shù)利用精確的x射線、丫射線、超聲波等進(jìn)行電子計(jì)算機(jī)斷層掃描叫做 CT, 它具有圖像清晰，掃描時(shí)間快等優(yōu)點(diǎn)

2、，是用一個(gè)靈敏度極高的探測(cè)器對(duì)某一人或 物品做不間斷的斷層掃描。工業(yè)CT,則是將CT技術(shù)用于工業(yè)上的核成像技術(shù)，是世界上目前認(rèn)可度 最高的無損檢測(cè)技術(shù)之一，在被測(cè)工件無損的情況下，從多個(gè)方向，已二維或者 三維的立體圖像形式，透射被測(cè)物件的某斷層，通過專用的探測(cè)器，準(zhǔn)確、直觀 的展示被測(cè)物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和衰減后的信息，從而達(dá)到判斷物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、有無損傷和材質(zhì)。1.1.2 工業(yè)CT的系統(tǒng)組成與原理在工業(yè)CT系統(tǒng)中，包含著多個(gè)子系統(tǒng)，有運(yùn)動(dòng)控制、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，圖像 的處理和重建系統(tǒng)、電源的控制系統(tǒng)等等多個(gè)子系統(tǒng)。工業(yè) CT系統(tǒng)的核心是運(yùn) 動(dòng)控制系統(tǒng)，通常用伺服電機(jī)來實(shí)現(xiàn)。伺服電機(jī)，是一種間接變速的補(bǔ)助

3、馬達(dá)裝置，也是在系統(tǒng)中，控制機(jī)械元件如何運(yùn)轉(zhuǎn)的一種發(fā)動(dòng)機(jī)。伺服電機(jī)，可以控制位置、速度的精度，它的轉(zhuǎn)子會(huì)受 到輸入的信號(hào)控制，把電信號(hào)轉(zhuǎn)化成為轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)矩，從而去控制和驅(qū)動(dòng)對(duì)象， 它在信號(hào)的控制指導(dǎo)下，用很短的時(shí)間會(huì)做出反應(yīng)。伺服電機(jī)分為兩大類，分別 是直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)。整個(gè)工業(yè) CT系統(tǒng)的性能好與壞對(duì)CT的掃描 運(yùn)動(dòng)控制，位置同步及精確性是否優(yōu)良和對(duì)數(shù)據(jù)的采集時(shí)間都有著很高的要求， 所以每一環(huán)節(jié)都決定著最終采集圖像的好與壞。1.2 課題的發(fā)展和研究現(xiàn)狀因?yàn)楣I(yè)CT機(jī)是一種高精度和高精密的光機(jī)電一體化機(jī)器，必須負(fù)責(zé)對(duì)于 整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)及運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)提出很高的精密度要求，在對(duì)整個(gè)工業(yè)CT機(jī)系

4、統(tǒng)中，調(diào)節(jié)和控制機(jī)構(gòu)都起著非常高的作用需求?，F(xiàn)如今，根據(jù)控制器核心的不同大致可以分為三大類別：“運(yùn)動(dòng)控制卡和PC的模式，即在PC總線憑借DSP乍為核心的處理器的基礎(chǔ)上，是一種開放式的運(yùn)動(dòng)控制器，其中，美國(guó)某公司的MCX系列和PMAC!動(dòng)控制卡的專用的四軸運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制內(nèi)芯。 此種運(yùn)動(dòng)核心，上位機(jī)具有多種功能， 比如說發(fā)送指令、故障診斷及預(yù)處理等功能，為了避免占用過多的PC機(jī)空間和資源，我們將速度控制、位置的控制等可以通過插在PC總線上的DSP5片來得以實(shí)現(xiàn)。核心的運(yùn)動(dòng)控制器可以用單片機(jī)或者微處理器，將電動(dòng)器的控制器用微 處理器來替代模擬電路，為了讓控制邏輯用軟件來實(shí)現(xiàn)，從而達(dá)到所構(gòu)成的系統(tǒng) 的電

5、路比原來簡(jiǎn)單。但是由于此種控制器核心的精度有限， 利用其成本較低的優(yōu) 勢(shì)，可以在一些要求不高的輪廓運(yùn)動(dòng)控制場(chǎng)合來使用。還有一種是用專門的控制芯片來作為核心的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，就比如NOVA公司的MCX31舒等，這類運(yùn)動(dòng)控制器的結(jié)構(gòu)相對(duì)來說都比較簡(jiǎn)單，但是憑借它 響應(yīng)時(shí)間短、系統(tǒng)的集成度較高等優(yōu)點(diǎn)也占有很大的市場(chǎng)與實(shí)用性。但是，它的缺點(diǎn)也是很明顯的，它不具備系統(tǒng)的升級(jí)和擴(kuò)展能力等。運(yùn)動(dòng)控制卡麒柚器工件平臺(tái)電用1"一一 一.味沖計(jì)數(shù)卡位置脈沖光柵或費(fèi)格1圖1-1 運(yùn)動(dòng)控制卡與PC的控制方式1.3 課題的研究意義我國(guó)在工業(yè)CT系統(tǒng)的研究領(lǐng)域一直有著持續(xù)的發(fā)展，在一些高精端領(lǐng)域， 比如兵器、航空

6、與航天等，都為其零件的精密度提供了無損的測(cè)量技術(shù)支持，在 內(nèi)部的力學(xué)、物理、結(jié)構(gòu)都提供了精確的保障。工業(yè)CT機(jī)是對(duì)一些精密儀器進(jìn)行無損的檢測(cè)儀器，要求它對(duì)運(yùn)動(dòng)的精度和 外界的干擾抗性都有著很高的需求，尤為是針對(duì)斷層的掃描，運(yùn)動(dòng)的精度往往和 斷層掃描所成像的精度有著密切的關(guān)聯(lián)，為了讓三維軟件所生成的斷層掃描圖片 質(zhì)量有保證，運(yùn)動(dòng)精度必須優(yōu)異，低速、平移、旋轉(zhuǎn)中都得有質(zhì)量的保證。如上 所說，為了確保此課題的精度需求，我們采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的微機(jī)控制系統(tǒng) 幫助我們實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)精度。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)經(jīng)歷了很大的改變與革新， 從直流到交流，開環(huán)到閉環(huán)和模擬 到數(shù)字。研究此課題主要是保證性能的穩(wěn)定、準(zhǔn)確、安全和

7、反應(yīng)時(shí)間迅速，從而 為達(dá)到快速精確的硬件掃描提供技術(shù)支持， 為了解決位置的跟蹤控制問題，我們 使用位置伺服控制系統(tǒng)，通過實(shí)現(xiàn)位置輸出對(duì)給定量的準(zhǔn)確性跟隨以及足夠的精 度要求，盡可能的為系統(tǒng)提供足夠?qū)挼姆秶{(diào)速， 既有速度又平穩(wěn)的啟動(dòng)與制動(dòng) 等性能，我們通過利用C語言程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)其的核心控制。第二章 X射線機(jī)的原理結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)2.1 X射線的產(chǎn)生和物理性質(zhì)X射線的產(chǎn)生分為兩部分，一部分是波長(zhǎng)連續(xù)變化，我們成為連續(xù)譜；還有一部分和靶材料有關(guān)，波長(zhǎng)是分立的，具有能被某種特殊材料標(biāo)記的特性， 成為 標(biāo)識(shí)譜。如下圖：圖2-1 特征X射線產(chǎn)生示意圖X射線的物理性質(zhì)：X射線是一種電磁波，它與紅外、紫外光、可見光

8、以及 宇宙射線等性質(zhì)基本相同，我們可以總結(jié)為如下的四個(gè)方面：X射線的波長(zhǎng)短，所以它的能量較大，具有很強(qiáng)的穿透性：X射線具有電離的作用，當(dāng)它照射物體表面時(shí)，會(huì)使該物質(zhì)中原子的核外電子發(fā)生逃逸現(xiàn)象，從而產(chǎn)生電離； 當(dāng)X射線照射到了某些化合物上時(shí)，會(huì)產(chǎn)生熒光，具強(qiáng)度會(huì)和照射的X射線強(qiáng)度成正比關(guān)系，所以X射線還具有熒光作用；X射線具有波粒二象性，它的粒子性表現(xiàn)為它是由大量的不連續(xù)的粒子 流組成，也成為光子，而波動(dòng)性體現(xiàn)為它可以以一定的頻率和波長(zhǎng)傳播， 并且傳播過程伴隨著干涉衍射等現(xiàn)象的發(fā)生。2.2 X射線與物質(zhì)的相互作用X射線與物質(zhì)可以發(fā)生物理作用、化學(xué)效應(yīng)以及生物效應(yīng)。在本文中，我們著重介紹其物理作

9、用X射線與物質(zhì)的相互作用其實(shí)都是在和原子發(fā)生作用，比如原子中的電子、原子核以及帶點(diǎn)粒子場(chǎng)等，從而作用的方式也有很多，其中有光電效應(yīng)、康普頓散 射、電子對(duì)效應(yīng)、相干散射、光致核反應(yīng)以及核共振反應(yīng)等。當(dāng)光子的能量在 100keV30MeV之間時(shí)，相干散射、光致核反應(yīng)和核共振反應(yīng)等就會(huì)起著次要的 作用，因?yàn)樗鼈儗?duì)于X射線的吸收占著不到百分之一的作用。 由此，我們著重介 紹光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對(duì)效應(yīng)。光電效應(yīng)：作用對(duì)象：X射線與物質(zhì)原子的內(nèi)層電子或束縛電子相互作用。如圖所示： I圖2.2光電效應(yīng)示意圖產(chǎn)生條件：如果入射光子的能量大于軌道電子與原子核的結(jié)合能量，當(dāng)入射光子與原子的軌道電子產(chǎn)生相互作

10、用，光子就會(huì)把全部的能量傳遞給軌道上的電 子，從而使軌道電子發(fā)射出去，光子則消失。我們把發(fā)射出去的電子叫做光電子，當(dāng)原子發(fā)射光電子以后，在內(nèi)層會(huì)出現(xiàn) 空穴，此時(shí)原子處于激發(fā)狀態(tài)，由于能量較低，外層電子將會(huì)向空穴遷移，從而 躍遷形成退激發(fā)狀態(tài)，在退激發(fā)過程中，會(huì)發(fā)射俄歇電子或者發(fā)射特征 X射線。光電效應(yīng)式為：E, hv-Bi（2-ki1）式中，hv是入射光子能量，Ek是光電子所獲得的動(dòng)能，B代表物質(zhì)的原子第 i層電子的結(jié)合能。2當(dāng)入射的光子能量即hv遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于m0c時(shí)，吸收物質(zhì)的原子核外K層電子 的光電截面 x為:12 4 mc2 70 55 1 79x(32) a (77) Z TA Z (帚(

11、2-2)其中 a =1/137，即精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)，ta %g (e/mc2)2 6.65 10 25cm2 .2 -如果當(dāng)m°c遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于hv時(shí)，有：TAZ5 1 hv2x 1.5a4 m0Z5hv3) 康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng)的原理圖大致如下:康普頓效應(yīng)是指，在入射的X光子和物質(zhì)的原子最外層的電子相互發(fā)生非彈 性碰撞的過程。在這個(gè)過程中，入射進(jìn)來的X光子將一部分能量交給電子，是電 子獲得能量從而脫離原子核的束縛， 形成反沖電子，此時(shí)入射的X光子能量與方 向也都發(fā)生變化。我們可以通過量子力學(xué)的知識(shí)，推算出康普頓效應(yīng)的截面公式。當(dāng)入射的 X 2射線光子能量hv遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于m°c時(shí)，我們可

12、以得到：(2-4)Zr 02.2 .213 -一一其中，° e /m0c 2.8 10 cm,代表經(jīng)典電子半徑，可以看出，此時(shí)的入射X光子能量與截面的大小沒有關(guān)系，只正比于 Z。,2當(dāng)入射的X射線光子能量hv遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于m°c時(shí)，我們可以推算出:Zr02m0c2hv2hv(In 2m°c12)5)此時(shí)，可以看出截面與Z成正比關(guān)系，近似的也可以看成入射的 X光子能量與截 面成反比。電子對(duì)效應(yīng)電子對(duì)效應(yīng)的原理大致如下圖:圖2.4電子對(duì)效應(yīng)示意圖當(dāng)入射的X射線光子能量足夠高時(shí)，當(dāng)它從原子核旁邊經(jīng)過，由于由庫侖 場(chǎng)的存在，入射的X光子有可能在極短的時(shí)間內(nèi)會(huì)轉(zhuǎn)化成為一個(gè)正電子與

13、一個(gè)負(fù) 電子，我們把這個(gè)過程叫做電子對(duì)效應(yīng)。根據(jù)能量的守恒定律，只有在入射的X射線光子能量hv>2m0c2時(shí)，也就是當(dāng)hv大于1.02MeV時(shí)，才會(huì)使電子對(duì)效 應(yīng)發(fā)生。物質(zhì)原子的電子對(duì)效應(yīng)反應(yīng)截面x可以計(jì)算得出:2當(dāng)hv稍大于2m°c時(shí)，可以推算得出：X Z2EX Xx6) .2.當(dāng)hv遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于m°c時(shí)，可以推算得出:X Z2ln Ex Xx由以上兩式可見，電子對(duì)效應(yīng)反應(yīng)截面隨著光子能量的增加而呈現(xiàn)線性增加， 在處于高能狀態(tài)時(shí)，截面與光子能量的變化就會(huì)變慢。通過了上面對(duì)三種現(xiàn)象的討論，我們可以很清楚的看出，這三種效應(yīng)都與吸收物質(zhì)的原子的原子序數(shù)以及入射的 X射線光子的

14、能量有著一定的關(guān)系，所以對(duì) 于不同的吸收物質(zhì)和入射的X射線能量強(qiáng)度，三種效應(yīng)各有不同的重要性，如下 圖所示：I(MU口J0.51：5)0 SU北 f 能 K h v (MeV)圖2.5三種效應(yīng)隨入射X光子能量和原子序數(shù)的變化關(guān)系理但由上圖可以總結(jié)出：_ 對(duì)高能的X射線以及原子序數(shù)Z很高的吸收物質(zhì)，電子對(duì)效應(yīng)占優(yōu)勢(shì); 對(duì)低能的X射線以及原子序數(shù)Z高的吸收物質(zhì)，光電效應(yīng)占優(yōu)勢(shì)； 對(duì)于中能的X射線以及原子序數(shù)Z低的吸收物質(zhì)，康普頓效應(yīng)占優(yōu)勢(shì)。2.3本章小結(jié)本章主要針對(duì)X射線工業(yè)CT中，X射線所涉及的一些物理知識(shí)進(jìn)行介紹與 講解，針對(duì)X射線產(chǎn)生、與物質(zhì)的相互作用等的了解，從而使得更好的去了解整 個(gè)工業(yè)CT的設(shè)計(jì)。工業(yè)CT技術(shù)作為當(dāng)今世界上最為出色的無損檢測(cè)技術(shù)，在工業(yè)生產(chǎn)等很多領(lǐng) 域都得到了廣泛的應(yīng)用，在定制化生產(chǎn)階段，如何最大限度的減少重復(fù)性工作， 以及在最短的時(shí)間內(nèi)，可以開發(fā)出新的產(chǎn)品，是工業(yè)CT標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)工作需要解 決的問題。在本文的研究過程中，以系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法作為研究對(duì)象， 對(duì)工業(yè)CT控 制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)