非侵入式电容层析成像多相流监测仪

过程层析成像（Process Tomography，简称PT）利用某种探测源在被测目标内部建立敏感场，扫描并获取场域边界的投影数据，通过反演算法来重建物体内部介质的二维/三维图像，具有可视化、无扰动等优点。过程层析成像兴起于20世纪80年代中期，研究人员将医学CT技术移植并应用到工业过程参数检测领域，主要用于获得以多相流为代表的快速复杂工业过程参数分布图像及其过程信息，并逐渐在工业过程监测、生物医学诊断等领域展现出广泛的应用前景。根据所采用的物理敏感场性质不同，过程层析成像可分为电学、超声、光学以及射线等多种模态，且分别具有不同的特点及其适用的应用范围。随着计算机、电子、信息处理技术的飞速发展，以及现代工业对过程状态参数在线观测的更高的要求，过程层析成像逐渐向智能化、集成化、多模态方向发展，在工业过程可视化测试领域备受关注。为展现过程层析成像技术的最新进展及应用，为过程层析成像研究人员以及工业过程设计、开发、优化等用户提供重要的参考信息，仪器信息网、中国计量测试学会多相流测试专业委员会、天津市过程成像与检测国际联合研究中心、江苏大学将于9月3日联合召开“第二届多相流测试技术网络研讨会——过程层析成像及应用论坛”。论坛内容由天津大学过程层析成像与多相流测试研究室谭超教授与浙江大学控制科学与工程学院冀海峰副教授牵头组织，特邀国内外过程层析成像领域主要课题组的研究人员，聚焦不同模态过程层析成像技术原理、应用及其发展方向分享主题报告。点击图片报名会议天津大学过程层析成像与多相流测试研究室（http://ptmfm.tju.edu.cn/）成立于20世纪80年代，依托天津大学检测技术与自动化装置国家重点学科和天津市过程检测与控制重点实验室开展工业/生物过程层析成像，多相流过程可视化与参数测试，工业仪表与过程控制等研究工作。团队已开发出多套高速工业标准总线电阻层析成像系统、电容层析成像系统、超声层析成像系统、电学/超声多模态层析成像系统、电容/电导/超声多普勒多模态多相流测量系统等仪器，及其相应的多相流可视化与参数测试软件包，可实现多相流过程参数和流动状态的在线检测。团队现有教授2人、副教授4人、助理研究员2人，博士、硕士研究生四十余人，先后承担国家“863”计划、基金委仪器专项等国家级重要项目30余项。依托国际工业过程层析成像学会，于2018年8月成立天津市过程成像与检测国际联合研究中心，与英国爱丁堡大学、德国德累斯顿工业大学、日本千叶大学、日本北海道大学、挪威卑尔根大学、芬兰东芬兰大学等长期保持良好的学术交流与合作。浙江大学多相流检测技术研究团队， 依托“控制科学与工程”双一流重点建设学科以及工业控制技术国家重点实验室，长期从事多相流检测技术、过程层析成像技术及相关应用的研究工作。开发了电容层析成像、电阻层析成像、非接触式电阻抗层析成像等基于过程层析成像技术的参数检测系统，在复杂多相流动过程中实现了重要参数的在线测量及流动可视化。研究团队现有教授2人，副教授1人、副研究员1人、博士后2人，博士和硕士研究生二十余人，先后承担和参与国家“863”计划、国家科技重大专项、基金委自然科学基金等项目二十余项。会议日程时间报告主题报告人09:30-10:00微波层析成像及其在工业过程中的应用王海刚（中国科学院工程热物理研究所）10:00-10:30非接触式电阻抗层析成像技术姜燕丹（浙江大学）10:30-11:00电容层析成像及若干应用孙江涛（北京航空航天大学 ）11:00-11:30抗静电干扰电容层析成像稠密气固两相流动可视化李健（东南大学）11:30-14:00午休14:00-14:30层析成像及燃烧诊断蔡伟伟（上海交通大学）14:30-15:00声电多模态层析成像与多相流过程可视化测试梁光辉（天津大学）15:00-15:30Electromagnetic Flow Tomography电磁层析成像Marko Vauhkonen（东芬兰大学）15:30-16:00Fast tomographic imaging of multiphase flow多相流的快速层析成像Uwe Hampel（德累斯顿工业大学）报名方式扫描下方二维码或点击以下链接即可进入报名页面。报名链接：https://www.instrument.com.cn/webinar/meetings/pt2021/报名参会 加入会议交流群，随时掌握会议动态

X射线三维成像可以实现物体内部的无损检测。但是对于大尺寸的板状样品的三维成像一直是业界的难题，层析成像技术是目前解决这一难题的最佳方法。一、 什么是层析成像？目前比较被大众熟知的Computed Tomography（CT）通常被翻译为计算机断层成像。最早的实验室CT扫描机由英国Godfrey Hounsfield于1967年建成，第一台可供临床应用的CT设备于1971年安装在医院。CT自发明以来，经历了多代发展，这里就不再赘述。简单理解，CT就是求解一个线性方程组，最终得到的结果就是CT图像。CT扫描就是构造方程组的过程，每一条被探测器接收的射线就代表了一个方程。对二维断层成像而言，要想得到好的求解结果，需要平面内任意方向的射线。这也是要求射线源-探测器组合相对于成像目标旋转360度的原因（出于严谨考虑，这里声明不考虑短扫描等情形）。层析成像技术，早在1921年就已经出现。这个时期的层析成像可以称之为传统层析成像。由于信息交流的不便，多个国家的研究者分别独立提出了层析成像的方法，并且给予了不同的命名。目前流传下来比较被大家接受的是Tomosynthesis和Laminography。现在用于乳腺癌筛查的钼靶成像（只是用了钼靶射线源而已），严格讲应该叫作数字乳腺层析成像（Digital Breast Tomosynthesis，简称为DBT）。而工业上比较习惯于用Laminography，我们延续了这种用法。在进行中文翻译的时候为了跟计算机断层成像区分，我们将Tomosynthesis和Laminography都翻译为层析成像。CL全称即Computed Laminography。二、 传统层析成像 CL与CT到底有什么区别？在前面我们已经提到CT成像一般需要射线绕物体一周。而在有些时候这是无法实现的。比如，现场条件受限或者物体在某些角度太长，射线无法穿透。比如大尺寸的板状物体。对于下图接近一米长的PCB，如果采用显微CT扫描，只能采用先切割的破坏性方法。如果非得用一个简单粗暴的标准区分CT和CL：画一个过物体的平面，如果射线源和探测器的运动轨迹不跨越这个平面，就可以认为这是CL。可以通过下图了解传统层析成像的原理。通过采集不同角度的投影数据（那时还只有胶片），将胶片简单叠加在一起，其中一层的数据会被增强（这一层称为焦平面）。下图中Plane 2的数据（以圆形代表其细节）就被增强了。传统层析成像，每次只能增强一个焦平面内的结构，而其它层的图像仍然是模糊的。三、 现代层析成像我们所说的层析成像一般都是指现代层析成像。这里的现代是相对于上面的传统而言的。现代层析成像是指采用了数字探测器和图像重建算法的层析成像。其成像结果中每一层都得到增强。虽然与CT相比，由于其数据缺失，会造成层间混叠（后面我们会着重介绍）。但在很多应用场景，这是能得到的最好的结果。下图是几种常见的层析成像结构。如果将有限角CT也称作CL的话，可以认为是第5种结构。这里我们对各种成像结构的成像能力进行简单的分析。（I）结构简单，但数据缺失过于严重（扫描的角度等于射线的张角）；（II）仅能扫描中心区域；（III）(IV)相似，可以扫描任意区域，但在探测器的运动细节上有差异。其机械实现和数据处理上的差异过于专业，我们在这里就不再展开讨论。四、 层间混叠这是CL避免不了的问题。首先通过下图来了解一下层间混叠是什么样子。其表现就是横向的边缘被弱化了。为什么会出现这个问题呢？这得从傅里叶中心切片定理讲起，还是算了吧，简单点理解就是缺少了横向穿过物体的射线。为什么会缺少？因为这个方向射线穿不透啊，回忆一下前面一米长的PCB。如果你对上面的图像不满意，不如换个方向看看。是不是感觉好了很多。有没有办法彻底解决这个问题？针对特定的扫描对象，使用复杂的模型，效果会有所提高，但离实用还有很长的距离。 五、 CL的优点 谈完缺点再来聊聊优点。首先，就像前面提到的，这是现有条件下能得到的最好的结果。CL可以对大尺寸的板状物体得到非常高的分辨率。目前，射线源的焦点尺寸可以小到几百纳米。要想实现高分辨成像，需要射线源尽可能靠近物体，而CL这种扫描方式可以很容易的实现这一点。采用光学放大透镜的探测器的显微CT，样品可以不靠近射线源，但是由于射线的利用率底，扫描的时间会很长，难以满足快速检测的需求，且同样无法解决射线在有些角度下无法穿透的问题。下面再来聊聊CL另外一个优点。CT和CL图像最终表示的是物质对射线的线衰减系数（与射线能量、物质原子序数、物质密度等有关系）。一般趋势，线衰减系数随射线能量的增加而减小，简单点理解就是能量越高的射线越不容易被物质吸收。不同材料衰减系数的差异也随射线能量的增加而减小。由于CL始终沿着容易穿透的方向照射物体，可以使用较低能量的射线，因此能够获得较高的密度分辨能力。六、 国内CL研究进展与国外相比，国内对于CL技术的研究起步较晚。北京航空航天大学、中国科学院高能物理研究所等单位是国内最早开展CL成像研究的机构。在科技部重大科学仪器设备开发项目支持下，2015年，由中国科学院高能物理研究所和古脊椎动物与古人类研究所共同成功研发专用于“板状化石”的显微CL仪器，并在2016年中安装到中科院脊椎动物演化与人类起源重点实验室高精度CT中心，该仪器同时服务其他科研院所，中国科学院南京地质古生物研究所、中国地质科学院地质研究所、北京自然博物馆、安徽博物院、广西自然博物馆、北京大学，云南大学、西北大学、首都师范大学等，累计检测化石750余件。为板状化石的三维无损检测提供了全新工具，起到了不可替代的作用。该仪器的实验结果，助力研究人员在《Nature》、《Science》等期刊上发表论文20余篇，其中五项成果分别入选并领衔2018年、2019年、2020年和2021年中国古生物学十大进展。专用于“板状化石”的显微CL设备及其应用集成电路和电力电子领域也存在大量的板状产品。随着封装集成度和密度不断提高，对其内部结构缺陷检测要求空间分辨率达到微米甚至亚微米级。2019年，在科技部重大科学仪器设备开发项目支持下，中国科学院高能物理研究所针对电子器件封装检测需求，研制了具有亚微米级缺陷检测能力的X射线三维分层成像仪，关键指标达到国际先进水平。为了更好的进行X射线精密检测设备的推广，中国科学院高能物理研究所在2021年成立了锐影检测科技（济南）有限公司。X射线三维分层成像仪及其应用2021年，锐影检测科技（济南）有限公司成功研发了用于绝缘栅双极型晶体管（IGBT）焊接缺陷检测的专用CL设备。彻底解决了超声法和X射线DR成像无法检测带散热柱的IGBT模块的问题。设备实现了大视野快速成像，可以自动定位DBC焊接区域，自动进行气孔缺陷的识别，计算气孔率、最大气孔率、最大气孔尺寸，适用于在线检测。技术指标达到国际领先水平。IGBT焊接缺陷检测专用CLCL与DR方法对于IGBT基板焊料层气孔检测效果的比较总结随着科研及制造业的升级，对CL检测设备的精度、检测速度和智能化水平提出了更高的要求。新型CL设备的研发将是科研机构及X射线无损检测公司面临的挑战和历史机遇。 参考文献：【1】 Jiang Hsieh, Computed Tomography Principles, Design, Artifacts, and Recent Advances 3rd edition, SPIE PRESS.【2】 Buzug, Thorsten M. Computed tomography: from photon statistics to modern cone-beam CT. Springer, 2008.【3】 Zenghui Wei, Lulu Yuan, Baodong Liu, Cunfeng Wei, Cuili Sun, Pengfei Yin, and Long Wei, A micro-CL system and its applications. Review of Scientific Instruments, 88, 115107, 2017.【4】 Zuber M, Laaß M, Hamann E, Kretschmer S, Hauschke N, van de Kamp T, Baumbach T, Koenig T. Augmented laminography, a correlative 3D imaging method for revealing the inner structure of compressed fossils. Sci Rep. 2017 Jan 27 7:41413. doi: 10.1038/srep41413. PMID: 28128302 PMCID: PMC5269749.【5】 https://mp.weixin.qq.com/s/_SyUUlHpJNXrLxHFKYwydw本文作者：锐影检测科技（济南）有限公司

2014年12月4日由丹东奥龙射线仪器集团有限公司承担的&ldquo 多模式X射线层析成像分析仪研发与应用&rdquo 国家重大科学仪器设备开发专项项目启动会议在丹东珍珠岛高尔夫酒店召开。本次会议由辽宁省科技厅组织，国家科技部领导以及项目组相关单位成员出席本次会议。董事长李义彬作为项目组组长参加此次会议。项目启动会现场　　会上，&ldquo 多模式X射线层析成像分析仪研发与应用&rdquo 项目组成员对项目概况进行汇报。　　同日，项目各成员来到奥龙集团进行立项以来第一次的项目工作会议，对项目如何进展进行详细沟通与探讨，并进一步明确各自承担的任务。奥龙集团自主研发的&ldquo 多模式X射线层析成像分析仪研发与应用&rdquo 技术于今年6月荣获国家重大科学仪器设备开发专项。该项目旨在攻克多模式X射线成像系统扫描方式、断层重建新方法、层析分析与无损测量、板状结构层析分析系统、整机控制系统设计等关键技术，开发开放式微焦点X射线管、高频栅级控制高压电源、高精度多自由度定位与控制系统、阵列X射线探测器等关键部件，为我国无损检测提供技术支撑。参会人员合影