工業(yè)CT的冰箱容積指標(biāo)的快速檢測

朱浩唯 李嘉 齊子貝

【摘要】容積是家電標(biāo)準(zhǔn)中一個(gè)常見的同時(shí)也是至關(guān)重要的性能指標(biāo)，在冰箱中，其大小不僅關(guān)系著冰箱的儲(chǔ)存能力，同時(shí)也影響著其他諸如綜合耗電量、制冷能力、能效等級等性能指標(biāo)。容積的測試比較繁雜，耗時(shí)長，本文計(jì)劃設(shè)計(jì)一套方法，通過工業(yè)CT對相關(guān)家電產(chǎn)品的內(nèi)部腔體進(jìn)行掃描，結(jié)合特定的算法，來完成其容積的快速檢測。

【關(guān)鍵詞】CT；容積；冰箱

【DOI編碼】10.3969/j.issn.1674-4977.2023.06.049

【基金項(xiàng)目】上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院科技項(xiàng)目（KY-2020-14-DJ）。

Rapid Detection of Refrigerator Volume Index in Industrial CT

ZHU Haowei1， LI Jia1， QI Zibei2

（1. Shanghai Institute of Quality Supervision and Inspection Technology， Shanghai 200233， China； 2. Shanghai Zhu Guangya Strategic Technology Research Institute， Shanghai 201306， China）

Abstract： Volume is a common and crucial performance indicator in household appliance standards. In refrigerators， its size not only affects the storage capacity of the refrigerator， but also affects other performance indicators such as comprehensive power consumption， cooling capacity， and energy efficiency level. The volume testing is quite complex and time-consuming. This article plans to design a set of methods to scan the internal cavities of related home appliance products through industrial CT， and combine specific algorithms to achieve rapid detection of their volume.

Key words： CT； volume； refrigerator

容積是家電標(biāo)準(zhǔn)中一個(gè)常見的同時(shí)也是至關(guān)重要的性能指標(biāo)，在冰箱中，其大小不僅關(guān)系著冰箱的儲(chǔ)存能力，同時(shí)也影響著其他諸如綜合耗電量、冷能能力、能效等級等性能指標(biāo)。而傳統(tǒng)冰箱容積的測試中還是以人工測試為主，由于涉及前期各部件尺寸的測量，以及后期整合計(jì)算?？紤]到冰箱內(nèi)部的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，冰箱容積測量通常需要消耗大量的人力及時(shí)間，而這種煩瑣的測試過程，一方面很容易會(huì)造成測試結(jié)果的偏差，另一方面經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致冰箱測試停滯不前無法進(jìn)行到下一步，從而拉長了整個(gè)冰箱測試的周期。

基于CT圖像的三維測量技術(shù)在醫(yī)學(xué)、工業(yè)領(lǐng)域已有相關(guān)的應(yīng)用案例。比如利用醫(yī)學(xué)CT體數(shù)據(jù)測量咽喉腫瘤的體積、肺部氣腫、肝臟體積、血管內(nèi)腔直徑等。在工業(yè)領(lǐng)域，通過工業(yè)CT圖像數(shù)據(jù)分析工業(yè)產(chǎn)品內(nèi)部孔隙占比、石油巖芯孔隙率、混凝土儲(chǔ)水量，都與掃描物體的體積測量相關(guān)。

本文結(jié)合電冰箱產(chǎn)品內(nèi)腔體積測量的具體需求，引入先進(jìn)的工業(yè)CT測量技術(shù)，研究具體的掃描、重建、測量方法，通過工業(yè)CT對冰箱內(nèi)部腔體進(jìn)行掃描，結(jié)合特定的算法，來完成其容積的快速檢測。

獲得CT斷層圖像，就是求取能夠反映斷層內(nèi)部結(jié)構(gòu)和組成的某種物理參量的二維分布。當(dāng)射線I0穿過物質(zhì)并與物質(zhì)相互作用后，射線強(qiáng)度受到射線路徑上物質(zhì)的吸收或散射而衰減I，衰減規(guī)律符合指數(shù)衰減定律。用衰減系數(shù)度量衰減程度，對非均勻物質(zhì)，衰減系數(shù)為μ（x，E，Z，ρ），射線經(jīng)過路徑長度為L，由衰減定律確定的I0，I和μ（x，y）的關(guān)系如下。

由投影得到物體斷面特定能量X射線衰減系數(shù)的分布，物質(zhì)衰減系數(shù)分布∞物質(zhì)的密度分布（斷面圖像），圖像重建采用的數(shù)學(xué)模型見圖1。

圖像重建本質(zhì)上是一個(gè)求解方程組的問題。

基于CT圖像的容積測量技術(shù)是一種新型非接觸測量技術(shù)，它以圖像為信息傳遞的載體。CT圖像能夠真實(shí)再現(xiàn)掃描物體的三維結(jié)構(gòu)，將掃描物體數(shù)字化、可視化、圖像化，便于對掃描物體進(jìn)行逆向分析。

基于CT圖像的容積測量技術(shù)依賴空腔部位邊界的識別，進(jìn)而對空腔部位的線、面進(jìn)行擬合。邊界的識別需要在原始CT圖像中利用圖像分割和邊緣定位算法實(shí)現(xiàn)。

進(jìn)一步，在數(shù)字圖像空間完成實(shí)物的距離、角度測量，完成容積的測算。另外，由于每個(gè)像素點(diǎn)具有唯一的三維坐標(biāo)，對于曲線、曲面可以通過數(shù)學(xué)擬合的方法，建立顯式表達(dá)的數(shù)學(xué)函數(shù)，進(jìn)行內(nèi)腔容積的計(jì)算。而對于非標(biāo)準(zhǔn)幾何體，可以通過CT圖像經(jīng)過尺寸校正之后的體素?cái)?shù)量進(jìn)行估算。

整體技術(shù)路線如圖2所示。

在搭建測試系統(tǒng)之前，首先要確定關(guān)鍵的技術(shù)參數(shù)以及測試方案，包括以下幾項(xiàng)。

2.1射線能量適用等級

采用工業(yè)CT進(jìn)行檢測首先需要確定合適的射線能量等級，能量太低不能穿透而無法成像，能量太高成像的分辨率較差，圖像清晰度也受影響。本文采用450 kV的工業(yè)CT在不同能量下對小尺寸的冰箱進(jìn)行檢測，確定好合適的能量之后，采用不同的采樣時(shí)間對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。

2.2測試精度的選擇

常規(guī)工業(yè)CT在測量的應(yīng)用上多用在高精度測量領(lǐng)域，分辨率最高可達(dá)數(shù)百納米，但高精度也意味著樣品更小且具備更高的經(jīng)濟(jì)和時(shí)間成本。由于冰箱容積涉及的都是宏觀的尺寸，適當(dāng)降低CT掃描的精度并不會(huì)影響最終的容積數(shù)據(jù)，因此在測試方案中適當(dāng)?shù)貙T掃描的精度降為0.1 mm，在不影響最終測試精度的同時(shí)也大大提升了整體的檢測效率。冰箱檢測示意圖如圖3、圖4。

本文在進(jìn)行CT掃描重建圖像后，采用軟件的方式根據(jù)密度差異精確提取冰箱空腔部位的容積。在計(jì)算時(shí)主要根據(jù)GBT 8059—2016的要求對標(biāo)準(zhǔn)給定的幾個(gè)主要區(qū)域進(jìn)行智能提取并分別計(jì)算容積。

獲取家電的CT掃描數(shù)據(jù)后，家電產(chǎn)品的整體結(jié)構(gòu)通過三維數(shù)字化圖像的形式表達(dá)出來。通過圖像分割、邊緣識別，提取空腔部位的邊界輪廓，定位空腔部位所占據(jù)的圖像單元，進(jìn)而在圖像域?qū)译娙莘e進(jìn)行測量，見圖5、圖6。

本文對容積從8 L到75 L的共8個(gè)冰箱樣品（包括車載冰箱）進(jìn)行了CT掃描測試，掃描測試與人工測試結(jié)果的對比如表1、圖7所示。

從結(jié)果可以看到CT掃描測試結(jié)果與人工測試結(jié)果非常接近，整體精度控制在0.1 L的范圍內(nèi)，出現(xiàn)偏差也可能是人工測試時(shí)的人工和設(shè)備誤差導(dǎo)致，但整體效果可以說非常理想，充分證明了CT掃描在冰箱統(tǒng)計(jì)測試中的可行性。

工業(yè)CT掃描已經(jīng)是一種非常成熟的工業(yè)技術(shù)，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車、電子、新能源等行業(yè)中精密零部件的無損檢測，本文旨在探索工業(yè)CT掃描在家電尤其是冰箱容積檢測中的應(yīng)用前景。通過多組工業(yè)CT掃描得到的檢測數(shù)據(jù)與人工測試數(shù)據(jù)的對比，可以看出，CT掃描測試結(jié)果與人工測試結(jié)果吻合度非常高，充分證明了工業(yè)CT掃描在冰箱容積檢測中的可行性。

【參考文獻(xiàn)】

[1]家用和類似用途制冷器具：GB/T 8059-2016[S].

[2]張朝宗，郭志平，張朋，等.工業(yè)CT技術(shù)和原理[M].北京：科學(xué)出版社，2009.

【作者簡介】

朱浩唯，男，1986年出生，工程師，碩士，研究方向?yàn)榧矣秒娖靼惨?guī)和性能檢測工作。

（編輯：李鈺雙）