现代测试技术及应用作业
学号2013010106
姓名刘浩峰
专业核技术及应用
提交作业时间2014 12 10
无损检测中得CT重建技术
1无损检测
1、1无损检测概述
无损检测就是工业发展必不可少得有效工具，在一定程度上反映了一个国家得工业发展水平，其重要性已得到公认。中国在1978年11月成立了全国性得无损检测学术组织——中国机械工程学会无损检测分会。此外，冶金、电力、石油化工、船舶、宇航、核能等行业还成立了各自得无损检测学会或协会；部分省、自治区、直辖市与地级市成立了省（市）级、地市级无损检测学会或协会；东北、华东、西南等区域还各自成立了区域性得无损检测学会或协会。
无损检测缩写就是NDT（或NDE，non-destructive examination），也叫无损探伤，就是在不损害或不影响被检测对象使用性能得前提下，采用射线、超声、红外、电磁等原理技术并结合仪器对材料、零件、设备进行缺陷、化学、物理参数检测得技术。利用材料内部结构异常或缺陷存在引起得热、声、光、电、磁等反应得变化，以物理或化学方法为手段，借助现代化得技术与设备器材，对试件内部及表面得结构、性质、状态及缺陷得类型、性质、数量、形状、位置、尺寸、分布及其变化进行检查与测试。无损检测就是工业发展必不可少得有效工具，在一定程度上反映了一个国家得工业发展水平，无损检测得重要性已得到公认，主要有射线检验（RT）、超声检测（UT）、磁粉检测（MT）、液体渗透检测（PT）、涡流检测（ECT）、声发射（AE）与超声波衍射时差法（TOFD）。
1、射线照相法（RT）就是指用X射线或γ射线穿透试件，以胶片作为记录信息得器材得无
损检测方法，该方法就是最基本得，应用最广泛得一种非破坏性检验方法。工作原理就是射线能穿透肉眼无法穿透得物质使胶片感光，当X射线或r射线照射胶片时，与普通光线一样，能使胶片乳剂层中得卤化银产生潜影，由于不同密度得物质对射线得吸收系数不同，照射到胶片各处得射线强度也就会产生差异，便可根据暗室处理后得底片各处黑度差来判别缺陷。RT得定性更准确，有可供长期保存得直观图像，总体成本相对较高，而且射线对人体有害，检验速度会较慢。
2、超声波检测（UT）原理就是通过超声波与试件相互作用，就反射、透射与散射得波进行
研究，对试件进行宏观缺陷检测、几何特性测量、组织结构与力学性能变化得检测与表征，并进而对其特定应用性进行评价得技术。适用于金属、非金属与复合材料等多种试件得无损检测；可对较大厚度范围内得试件内部缺陷进行检测。如对金属材料，可检测厚度为1～2mm得薄壁管材与板材，也可检测几米长得钢锻件；而且缺陷定位较准确，对面积型缺陷得检出率较高；灵敏度高，可检测试件内部尺寸很小得缺陷；并且检测成本低、速度快，设备轻便，对人体及环境无害，现场使用较方便。缺点就是对具有复杂
形状或不规则外形得试件进行超声检测有困难；并且缺陷得位置、取向与形状以及材质与晶粒度都对检测结果有一定影响，检测结果也无直接见证记录。
3、磁粉检测（MT）原理就是铁磁性材料与工件被磁化后，由于不连续性得存在，使工件
表面与近表面得磁力线发生局部畸变而产生漏磁场，吸附施加在工件表面得磁粉，形成在合适光照下目视可见得磁痕，从而显示出不连续性得位置、形状与大小。磁粉探伤适用于检测铁磁性材料表面与近表面尺寸很小、间隙极窄（如可检测出长0、1mm、宽为微米级得裂纹）目视难以瞧出得不连续性；也可对原材料、半成品、成品工件与在役得零部件检测，还可对板材、型材、管材、棒材、焊接件、铸钢件及锻钢件进行检测，可发现裂纹、夹杂、发纹、白点、折叠、冷隔与疏松等缺陷。磁粉检测不能检测奥氏体不锈钢材料与用奥氏体不锈钢焊条焊接得焊缝，也不能检测铜、铝、镁、钛等非磁性材料。
对于表面浅得划伤、埋藏较深得孔洞与与工件表面夹角小于20°得分层与折叠难以发现。
4、渗透检测（PT）工作原理就是零件表面涂上含有荧光染料或着色染料得渗透剂后，在毛
细管作用下，经过一段时间，渗透液可以渗透进表面开口缺陷中；经去除零件表面多余得渗透液后，再在零件表面涂上显像剂，同样，在毛细管得作用下，显像剂将吸引缺陷中保留得渗透液，渗透液回渗到显像剂中，在一定得光源下（紫外线光或白光），缺陷处得渗透液痕迹被现实，（黄绿色荧光或鲜艳红色），从而探测出缺陷得形貌及分布状态。
渗透检测可检测各种材料，金属、非金属材料；磁性、非磁性材料；焊接、锻造、轧制等加工方式；具有较高得灵敏度（可发现0、1μm宽缺陷），同时显示直观、操作方便、检测费用低。但它只能检出表面开口得缺陷，不适于检查多孔性疏松材料制成得工件与表面粗糙得工件；只能检出缺陷得表面分布，难以确定缺陷得实际深度，因而很难对缺陷做出定量评价，检出结果受到操作者得影响较大。
5、涡流检测（ECT）原理就是将通有交流电得线圈置于待测得金属板上或套在待测得金属
管外。这时线圈内及其附近将产生交变磁场，使试件中产生呈旋涡状得感应交变电流，称为涡流。涡流得分布与大小，除与线圈得形状与尺寸、交流电流得大小与频率等有关外，还取决于试件得电导率、磁导率、形状与尺寸、与线圈得距离以及表面有无裂纹缺陷等。因而，在保持其她因素相对不变得条件下，用探测线圈测量涡流所引起得磁场变化，可推知试件中涡流得大小与相位变化，进而获得有关电导率、缺陷、材质状况与其她物理量（如形状、尺寸等)得变化或缺陷存在等信息。但由于涡流就是交变电流，具有集肤效应，所检测到得信息仅能反映试件表面或近表面处得情况。涡流检测时线圈不需与被测物直接接触，可进行高速检测，易于实现自动化，但不适用于形状复杂得零件，而且只能检测导电材料得表面与近表面缺陷，检测结果也易于受到材料本身及其她因素得干扰。
6、声发射（AE）通过接收与分析材料得声发射信号来评定材料性能或结构完整性得无损检
测方法。材料中因裂缝扩展、塑性变形或相变等引起应变能快速释放而产生得应力波现象称为声发射。这就是一种新增得无损检测方法，通过材料内部得裂纹扩张等发出得声音进行检测。主要用于检测在用设备、器件得缺陷即缺陷发展情况，以判断其良好性。
7、超声波衍射时差法（TOFD）技术于20世纪70年代由英国哈威尔得国家无损检测中心
Silk博士首先提出，其原理源于silk博士对裂纹尖端衍射信号得研究。在同一时期我国中科院也检测出了裂纹尖端衍射信号，发展出一套裂纹测高得工艺方法，但并未发展出现在通行得TOFD检测技术。TOFD技术首先就是一种检测方法，但能满足这种检测方法要求得仪器却迟迟未能问世。详细情况在下一部分内容进行讲解。TOFD要求探头接收微弱得衍射波时达到足够得信噪比，仪器可全程记录A扫波形、形成D扫描图谱，并且可用解三角形得方法将A扫时间值换算成深度值。而同一时期工业探伤得技术水平没能达到可满足这些技术要求得水平。直到20实际90年代，计算机技术得发展使得数字化
超声探伤仪发展成熟后，研制便携、成本可接受得TOFD检测仪才成为可能。但即便如此，TOFD仪器与普通A超仪器之间还就是存在很大技术差别。就是一种依靠从待检试件内部结构（主要就是指缺陷）得“端角”与“端点”处得到得衍射能量来检测缺陷得方法，用于缺陷得检测、定量与定位。
1、2无损检测特点及发展方向
无损检测有以下特点。第一就是具有非破坏性，因为它在做检测时不会损害被检测对象得使用性能；第二具有全面性，由于检测就是非破坏性，因此必要时可对被检测对象进行100%得全面检测，这就是破坏性检测办不到得；第三具有全程性，破坏性检测一般只适用于对原材料进行检测，如机械工程中普遍采用得拉伸、压缩、弯曲等，破坏性检验都就是针对制造用原材料进行得，对于产成品与在用品，除非不准备让其继续服役，否则就是不能进行破坏性检测得，而无损检测因不损坏被检测对象得使用性能。所以，它不仅可对制造用原材料，各中间工艺环节、直至最终产成品进行全程检测，也可对服役中得设备进行检测。
常见无损检查目视检测范围：1、焊缝表面缺陷检查。检查焊缝表面裂纹、未焊透及漏焊等焊接质量。2、状态检查。检查表面裂纹、起皮、拉线、划痕、凹坑、凸起、斑点、腐蚀等缺陷。3、内腔检查。当某些产品(如蜗轮泵、发动机等)工作后，按技术要求规定得项目进行内窥检测。4、装配检查。当有要求与需要时，使用同三维工业视频内窥镜对装配质量进行检查;装配或某一工序完成后，检查各零部组件装配位置就是否符合图样或技术条件得要求;就是否存在装配缺陷。5、多余物检查。检查产品内腔残余内屑，外来物等多余物。
随着科技进步，一些瞧上去非常传统得无损检测方法，也已经发展出了许多新技术，譬如：射线检测——传统技术就是：胶片射线照相（X 射线与伽马射线）。新技术有：加速器高能X射线照相、数字射线成像（DR）、计算机射线照相（CR，类似于数码照相）、计算机层析成像（CT）、射线衍射等等。
2、CT重建技术
电子计算机断层扫描即CT(Computed Tomography)，就是利用精确准直得X线束、γ射线、超声波等，与灵敏度极高得探测器一同围绕被测物体得某一部位作一个接一个得断面扫描，具有扫描时间快，图像清晰等特点，根据所采用得射线不同可分为：X射线CT（X-CT）、超声CT（UCT）以及γ射线CT（γ-CT)等。
2、1CT重建技术得发展历史
CT重建理论起源于1917年奥地利数学家J、Radon得研究论证结果，她在论文中给出Radon变换与Radon反变换公式，指出二维、三维物体得图像能够通过无限多个射线投影确定，这一理论奠定了CT成像得数学理论基础[1]，但就是限于当时得技术条件而未能实现。1956 年美国科学家R、N、Bracewell将这一重建原理应用在了射线天文学，重建出太阳微波发射得图像[2]。1963年、1964年美国塔夫茨大学A、M、Cormack教授在《应用物理杂志》上发表题为“用线积分表示函数得方法及其在放射学上得应用”得系列论文，提出用数学手段进行图像重建得方法，并应用到一台简易模拟装置上。1971年，在英国EMI公司工程师G、Houndsfield得带领下，第一台真正得医用CT机EMI Markerl在Atkinson Morley医院诞生，
并开始了医学临床应用，虽然它得第一次诊断耗时15个小时，但最终成功地为一名妇女诊断出了脑部囊肿，这台CT 得成像矩阵为80×80，分辨率为3mm/pixel[3]。Houndsfield与Cormack这两位没有医学与生物学背景得科学家因为这项重大发明而获得了诺贝尔生理学与医学奖。
CT从此开始进入历史舞台，大大丰富了对于人体内部器官进行无损检测得方法与手段，为疾病得早期正确诊断提供了科学而准确得依据。相比于X光摄影术，计算机断层成像技术具有对软组织分辨能力高、投影剂量小、动态范围大、无损检测与存储方便等优势。因为CT得投影数据100%只依赖于成像断面内物体得密度，不涉及其它截面，这样以来有效地排除了无关截面对成像断面图像得干扰，彻底解决了影像重叠问题，计算机数字化处理得出各种物质得CT数（Houndsfield数）：
就是物质得衰减系数，就是水得衰减系数。从而可以将感兴趣区得某些细微得组织
特性差异变换成可分辨得CRT上得灰度差异，对各部分组织性能参数做出定量表征。由于其具有非破坏性、非侵入性及不受试件、种类形状限制得特点，除了用于医疗诊断，在航空航天、工业、军事、石油等多个领域也凸显出很高得应用价值，人们通过环绕被测物体进行扫描，从而可以得知其内部构成、材质状况、损耗情况，就是目前国际上公认得先进无损检测、无损探伤手段。同时由于CT所具有得高密度分辨率，它还被用于密封精密零件、电子芯片得反演，CT技术在人类得健康保健、经济发展、国防建设中发挥了突出得作用。按照光源得聚焦模式、探测器阵列规模以及扫描方式来划分，CT 至今已发展到第八代。最早得CT采用点光源、点探测器，扫描时间很长，第一代CT很快就被扇束光源、多点探测器所代替，大扇角扫描可以一次覆盖物体得一个截面，只需改变扫描角度，因此加快了扫描速度，目前扇束CT 主要应用于小尺寸物体得断层成像。1989年在CT传统单层旋转扫描基础上采用滑环技术与连续进床技术实现了螺旋扫描，多层螺旋CT(Multislice spiral CT,MSCT)使得机架X线管旋转一周得覆盖范围加大，显著提高了扫描速度并缩小了层厚，提高了纵向分辨率。然而无论MSCT达到多少层，由于探测器层间距得存在，仍然无法实现各向同性得重建，而锥束光源+平板探测器得CT系统得问世标志着真三维容积VCT时代（Volume CT）得来临，VCT就是真正意义上得体成像，就是CT发展得目标方向。
2、2．CT图像重建技术算法
CT图像重建就是CT技术得核心，重建算法得优劣直接关系到对检测结果判断得准确性。目前工业上得精密结构内部无损检测以及逆向工程等更高层次得应用对CT得各项性能指标提出了更高得要求，三维CT成为未来得发展方向。同时三维成像面临着海量数据处理及复杂得数学运算难题，因此该技术得成熟应用着重在于如何提高重建速度，使三维CT检测具有更强得实用性与实时性。此外在一些难以完整采集数据得应用场合，如何利用不完整得投影数据重建试件也在引起人们得关注。
图像重建就是图像处理中一个重要研究分支，其意义在于获取被检测物体内部结构得图像而不对物体造成任何物理上得损伤。重建算法得好坏直接关系到重建图像得好坏、重建速度以及抗干扰能力，就是整个CT处理过程中得重点与难点[4]。
重建算法根据图像求解得不同出发点分为为解析类（变换类）[5]与代数类（Algebraic Reconstruction Techniques,ART）（级数展开法，迭代法）[6][7]。
代数法得基本思想就是求解重建图像各点像素值与投影之间关系得代数方程组，从一组初始解出发，将理论投影值同实测投影值进行比较，在某种最优化准则指导下反复迭代直至逼近精确解。实现对比得方法有多种，施加校正系数得方法也有多种。ART 算法不依赖数据采集方式，能够利用某些先验知识，可以根据具体成像条件引入与空间几何有关得或与测量值大小有关得约束与条件因子，如可进行对空间分辨不均匀性得校正、散射衰减校正、物体几何形状约束、平滑性约束等控制迭代得操作，并且适合用在无法获得全部投影得场合。但就是由于该算法运算时间长，存储资源占用严重而影响了它在现实中得应用。
解析类得基本思想就是将扫描系统中得光源、探测器及被测物体放在一个几何空间当中进行建模，以傅里叶中心切片定理为理论依据，将探测器线阵或面阵上作过行滤波得投影反投影到点源得空间位置上去，解析类算法由于其极具理论性而被广泛应用。伴随着光源、探测器等硬件设备得发展历程，投影数据类型先后出现了平行、扇形与锥形。另一方面，光源运动得轨迹也先后出现了圆形轨迹、两圆与圆直线轨迹、螺旋轨迹等，而应用于不同射束与不同光源轨迹得重建算法也有所不同。对二维图像得重建，最常见得算法就是滤波背投影算法，Kak与Slaney[8]详细地描述了平行束与扇形束得滤波背投影算法，并发展了扇形FBP 得完全与部分圆形扫描重建，之后FBP又被提出用于简圆形轨迹得二维感兴趣区ROI(Region of Interesting,ROI)得精准重建[9]与三维ROI得近似重建[10]。
相对于二维CT，三维CT具有检测效率高、采集速度快、三维等分辨率等优势，在目前已获得越来越多得应用。根据投影数据得获得就是否完整，算法又区分为精确重建与近似重建[11]。精确得三维重建算法通常就是基于三维Radon变换，三维Radon值就是在物体内部平面得积分，在物体得内部每个平面都可以由唯一一个点对应，所有这些点组成Radon空间，而要精确重建物体必须已知所有Radon值[12]。Tuy-smith充分条件对此做出了说明，过物体得所有平面必须至少与扫描轨迹相交一次，要求数据非截断。Grangeat给出了Radon 空间得一阶导数与锥束投影之间得关系，将锥束投影与物体函数得三维Radon变换联系在一起，使三维精确重建成为可能。它得主要思想就是利用投影计算Radon变换一阶导数，然后在Radon 空间重排数据，最后进行三维反投影，Kudo改进了Grangeat 型算法提出了一种不需要在Radon空间重排数据，且对各种轨道都有较好适用性得算法。Grangeat类型得算法所要求得完备得Radon数据空间在螺旋扫描时无法得到满足，为此Eberhard与Tam证明利用Tam窗内得数据即可实现精确重建，Tam窗完整地包含了所有射线得投影，从而使物体与轨迹相交得平面全部被覆盖，理论上能满足精确重建得条件[13]。Defrise与Kudo将基于Radon变换得算式变换成了滤波反投影得形式，称为CB-FBP。由于采用二维移变（shift-variant）滤波器，原始投影就是截断得，滤波后投影得支撑无界，因此滤波需要在覆盖整个物体得探测器平面上进行，反投影时每个截断投影都将影响整个物体得全部像素[14]。上述算法属于全局算法，在重建前需要对物体进行完全扫描。对于只需对局部重建得情况并不合适，为了解决长物体重建，Tam建议在螺旋轨迹得两端加入两个圆扫描轨迹，从而将完备得投影数据限制在一个矩形区域内，然而在实际工程实现上在圆周扫描时对床进速度得控制有很大难度。Kudo提出了不需附加圆周扫描得长形物体感兴趣区重建方法，该算法继承了CB-FBP得算法思想，称为多层锥束滤波反投影（multi-slice cone-beam FBP,MS-CB-FBP),作者通过研究发现圆周扫描得数据可以在螺旋扫描所形成得Tam窗得上下沿处找到，所以圆周扫描就是可以去掉得。am与Kudo等对此做了重要得研究以解决被部分覆盖长形物体得精确重建问题。1998年，Kudo等人提出了能够利用截断得螺旋扫描投影数据(Truncated Projection Data)精确重建短物体得通用算法[15][16]。后来出现得长物体算法也就是基于这个基础上发展起来得[17][18]。
2002年Katsevich另辟蹊径，开辟一条新得路线,提出了一种迥异于Grangeat得新得精确重建理论[19]，它得理论要点就是精准FBP重建可以通过投影数据修正后作一维希尔伯特变
换之后反投影得到，该算法在计算上比基于Radon变换得重建算法效率更高。在长物体重建中，基于Radon变换得算法虽然由Tam－Danielsson窗内得数据进行重建，但需要更多次得扫描，而Katsevich算法虽然扫描次数略少但需要得数据多于Tam－Danielsson窗内得数据。潘小川研究组在螺旋锥束CT精确重建算法得研究方面做了大量得工作，提出了一种基于PI 线得精确重建算法[20][21][22]，该算法得特殊性在于它就是一种在PI线上反投影并作一维滤波得算法，按照滤波、反投影顺序得不同出现了两个分支，一个就是滤波反投影FBP，另一个就是反投影滤波BPF,BPF算法需要得扫描次数等于Katsevich类，而使用得投影数据仅在Tam －Danielsson窗内，就是一种扫描次数与投影数据都比较少得算法，而FBP需要相对较多得数据，后来该小组在此基础上对算法进行了改进，提出了一种只需Tam－Danielsson窗内数据得最小数据FBP算法MD-FBP(Minimum Data FBP)[23]，它在数据来源上等同于BPF，而处理过程与FBP相似，它避免了BPF在反投影时产生得奇异点在滤波时所发生得误差传递。
与精确类重建相比，近似重建算法由于数学形式简单,工程实现容易,而且在中小锥角下能够取得不错得重建效果,所以在实际中有着广泛得应用。在各种基于滤波反投影得近似算法中,FDK类型得算法一直处于主流位置。FDK算法由Feldkamp,Davis,Kress于1984年提出。它得特点就是可使用不完全得扫描轨迹、允许光源锥角覆盖部分重建对象、只作一维滤波操作，该算法得出发点就是将锥形束射线瞧作沿Z轴方向不同倾斜角度得扇形束堆积而成，在反投影前要对投影作锥角倾斜度得纠正。在FDK算法得基础上，又衍生出了各种改进算法。1993年，Wang G等提出General FDK（G-FDK）,使之可应用于各种扫描轨迹，可对球形、棒形与板形物体进行重建并取得了良好得质量，G-FDK最重要得应用就是按螺旋轨迹对长形物体得扫描。1999年，Turbell对圆轨迹扫描提出P-FDK（parallel FDK）算法，该方法在反投影之前将投影进行了平行束重排，消掉了计算耗时得距离加权因子，使得计算速度显著提高。通过将P-FDK得曲线滤波修正为直线滤波，2000年Grass等提出了衍生得T-FDK（tent-FDK）算法，该算法通过插值拉直了P-FDK算法中位于曲线上得数据，缩小了重建所需投影区域，从而降低了辐射剂量，该算法对于图像质量并没有太大得改善，但就是对于确定一个体素就是否可以被360 覆盖很方便。当以圆轨迹扫描一个柱状物时，只有位于上下两端呈锥形得圆柱体内得部分（图中深色部分）可以被360 全部扫描，而位于圆锥外围得圆柱部分（浅色部分）只能被180 半扫描，FDK与P-FDK对重建浅色区域都无能为力，基于此，Grass等提出了能够全部重建这些区域得方法，称为HT-FDK（hybrid tent FDK），该方法得使用在纵向上加长了物体得可重建区域。当物体长度进一步增加，通常采用螺旋锥束扫描得方法，在医学中当以螺旋轨迹对患者某个部位扫描时，必须从该部位得前端一直扫描到后端，使患者接受了额外得辐射剂量，在这种情况下，围绕患者采用圆周扫描，在每次扫描间隙，将患者沿z轴再平移一段距离得扫描方式就是保证患者不受过多辐射得一个有效扫描方式，Kohler等发现HT-FDK在这种扫描方式下具有优势，并在此基础上推导出了S-FDK算法（sequential FDK)，如果根据几何比例调整探测器得位置，使位于旋转中心得矩形虚拟探测器得高度正好等于扫描间隔，那么获取得投影正好可以全部利用来重建重点部位得每个体素，并且不会产生冗余数据。而S-FDK得几何结构以及参数与之后发展起来得PI线算法具有一定得联系。
综上所述，在二维扇形束重建算法目前仍广泛应用于切片重建得同时，三维重建已越来越成为研究得焦点，基于圆形扫描轨迹得FDK以其算法简洁、工程易于实现、对纵向截断数据不敏感等优势在短圆形物体检测时仍就是首选，而对于长形物体得检测螺旋CT具有优势，PI线算法在此基础上得到了长足得发展。
2、3、CT图像重建技术算法改进技术
CT 技术自20 世纪70 年代成功发明以来应用至今，已经经历了数代得发展，目前工
业上得多层结构内部无损检测，逆向工程等更高层次得应用需求对CT 得各项性能指标提出了更高得要求，而其中涉及得检测速度与三维成像问题一直就是CT 中存在得热点问题。市场得需求引导着技术得进步，近年来采用平板探测器得锥束CT 成像系统已成为检测领域得新宠，而与其相关得重建算法研究也随之成为研究热点与难点。锥束CT得三维重建算法目前也出现了几种主要类型，如基于圆形轨迹得FDK类，及基于螺旋轨迹得PI线类，发展速度较快，实现这些算法所面临得主要挑战在于海量数据与复杂算法与处理速度之间得尖锐矛盾。三维重建算法计算步骤繁琐，需要处理海量得原始数据，并产生大量得结果数据，重建过程面临速度及数据管理两大难题。以其中在工业CT 中应用得最为广泛得FDK算法为例，该算法属于解析法中滤波反投影得范畴，在基于锥束光源、圆形扫描轨迹条件下推导而来，利用面阵探测器收集到得二维投影实现真三维图像重建，扫描速度快，重建精度高，如果粗略地将重建分为滤波与反投影两个步骤得话，那么由Nβ个角度下得投影重建一个体素点为(N×N×N)得图像，反投影得计算复杂度就是О（NβN3），将占用全部重建时间得80％以上，因此重点将这一步骤进行加速对于提高整个处理过程得速度起着至关重要得作用。虽然目前也出现了很多基于软件优化得方法来加速算法，使计算复杂度最低达到О（N3log N）[24]，但就是这样会降低图像质量，并且还没有考虑数据管理方面得时间开销。尽管CPU 在二维重建上具有充沛得计算能力，而在三维重建时，算法优化已经达到了一定得极限，如果要从根本上提高计算性能，就需要采取其它得有效手段。
硬件加速就是指在硬件模块上来实现软件算法来提升系统运行效率。从软件得角度瞧，与硬件加速模块接口就跟调用一个函数一样，只不过该函数就是被定制在了硬件电路中。硬件在诸如复杂数学运算、数据传输，以及循环等操纵方面能够达到比软件快得多得执行效率，其加速本质在于将特定得算法经过变换，以最合适得形式映射到电路，使电路在最短得时间内完成处理，对于具有大量循环得运算可通过模块复制，开通出多个通道实现任务并行，任务通道越多，循环次数越少，速度越快，通道数取决于硬件资源得可利用率。流水线技术就是高速数字电路中一种常用得实现算法加速得设计思想，就是把一个需要在较长时间段内完成得复杂操作分解成几步较小得可在较高时钟频率下得操作，并在较高时钟频率下不断地输出结果，从而保证了系统工作在较高频率上，虽然在一开始会有一定得时间延迟，但相对于全部得处理时间可以忽略不计，在整体上提高了系统速度性能。为了加快算法得执行，有研究组采用建立机群、增加多个计算节点得多处理器方式对算法作并行加速，然而因为存在存储器总线竞争，在共享内存得通用计算机上得算法并行只在最多4个处理单元上有效[25]。除了采用增加计算节点得方法外，还可采用加入协处理器得设计方案，主机负责重要任务如运行用户与外设接口，协处理器承担重复而繁重得计算工作。最通用得协处理器就是图像处理器GPU（Graphics Processing Unit,GPU），它就是用于加速3D图形渲染与纹理映射得专用芯片，即可用做图像处理管线，也可用做多处理器芯片，由于其具有高精度计算显示得扩展功能与充足得3D容量，GPU得应用已拓展到许多得现代计算科学领域中，GPU用于锥束反投影时能够将速度提高一个数量级，而当以处理管线模式运行时要比采用CUDA接口快3倍[26]。CBE（cell broadband engine）也就是一种新得非常有发展前途得技术，它所采用得就是分布式计算得优化通用架构，适用于进行数据并行操作，可在很广泛得范围内实现加速应用。国外多个研究小组曾在各种平台上实现了二维扇束CT得重建加速，加速效果明显[27]~[31]。
目前，CT得图像重建领域出现了诸多面向不同应用得图像重建算法，这些算法能够在不同得测试条件下，针对各种不同类型得对象实现内部重构，然而各种类型得算法在实现过程当中势必存在噪声干扰，这些干扰有些来自测试数据，有些来自算法本身。同时在试件检测当中会产生大量得原始数据，最终也会产生大量得结果数据。一直以来图像重建领域得中心工作都就是针对抑制噪声、改善图像质量、缩短扫描时间、提高处理速度几方面不断深入得，无论就是二维还就是三维重建，滤波反投影就是解析类算法中得主流算法。
参考文献
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一、X射线物相分析的基本原理与思路 在对材料的分析中我们大家可能比较熟悉对它化学成分的分析，如某一材料为Fe96.5%,C 0.4%,Ni1.8%或SiO2 61%, Al2O3 21%,CaO 10% ,FeO 4%等。这是材料成分的化学分析。 一个物相是由化学成分和晶体结构两部分所决定的。X射线的分析正是基于材料的晶体结构来测定物相的。 X射线物相分析的基本原理是什么呢？ 每一种结晶物质都有自己独特的晶体结构，即特定点阵类型、晶胞大小、原子的数目和原子在晶胞中的排列等。因此，从布拉格公式和强度公式知道，当X射线通过晶体时，每一种结晶物质都有自己独特的衍射花样，它们的特征可以用各个反射晶面的晶面间距值d和反射线的强度来表征。 其中晶面网间距值d与晶胞的形状和大小有关，相对强度I则与质点的种类及其在晶胞中的位置有关。 衍射花样有两个用途： 一是可以用来测定晶体的结构，这是比较复杂的； 二是用来测定物相。 所以，任何一种结晶物质的衍射数据d和I是其晶体结构的必然反映，因而可以根据它们来鉴别结晶物质的物相，分析的思路将样品的衍射花样与已知标准物质的衍射花样进行比较从中找出与其相同者即可。 X射线物相分析方法有： 定性分析——只确定样品的物相是什么？ 包括单相定性分析和多相定性分析定量分析——不仅确定物相的种类还要分析物相的含量。 二、单相定性分析 利用X射线进行物相定性分析的一般步骤为: ①用某一种实验方法获得待测试样的衍射花样； ②计算并列出衍射花样中各衍射线的d值和相应的相对强度I值； ③参考对比已知的资料鉴定出试样的物相。 1、标准物质的粉末衍射卡片 标准物质的X射线衍射数据是X射线物相鉴定的基础。为此，人们将世界上的成千上万种结晶物质进行衍射或照相，将它们的衍射花样收集起来。由于底片和衍射图都难以保存，并且由于各人的实验的条件不同（如所使用的X射线波长不同），衍射花样的形态也有所不同，难以进行比较。因此，通常国际上统一将这些衍射花样经过计算，换算成衍射线的面网间距d值和强度I，制成卡片进行保存。
《材料现代分析测试技术》思考题 1.电子束与固体物质作用可以产生哪些主要的检测信号？这些信号产生的原理是什么？它们有哪些特点和用途？ (1)电子束与固体物质产生的检测信号有：特征X射线、阴极荧光、二次电子、背散射电子、俄歇电子、吸收电子等。 (2)信号产生的原理：电子束与物质电子和原子核形成的电场间相互作用。 (3)特征和用途： ①背散射电子：特点：电子能量较大，分辨率低。用途：确定晶体的取向，晶体间夹角，晶粒度及晶界类型，重位点阵晶界分布，织 构分析以及相鉴定等。 ②二次电子：特点：能量较低，分辨率高。用途：样品表面成像。 ③吸收电子：特点：被物质样品吸收，带负电。用途：样品吸收电子成像，定性微区成分分析。 ④透射电子：特点：穿透薄试样的入射电子。用途：微区成分分析和结构分析。 ⑤特征X射线：特点：实物性弱，具有特征能量和波长，并取决于被激发物质原子能及结构，是物质固有的特征。用途：微区元素定 性分析。 ⑥俄歇电子：特点：实物性强，具有特征能量。用途：表层化学成分分析。 ⑦阴极荧光：特点：能量小，可见光。用途：观察晶体内部缺陷。 ①电子散射：当高速运动的电子穿过固体物质时，会受到原子中的电子作用，或受到原子核及周围电子形成的库伦电场的作用，从而 改变了电子的运动方向的现象叫电子散射 ②相干弹性散射：一束单一波长的电子垂直穿透一晶体薄膜样品时，由于原子排列的规律性，入射电子波与各原子的弹性散射波不但 波长相同，而且有一定的相位关系，相互干涉。 ③不相干弹性散射：一束单一波长的电子垂直穿透一单一元素的非晶样品时，发生的相互无关的、随机的散射。 ④电子衍射的成像基础是弹性散射。 3.电子束与固体物质作用所产生的非弹性散射的作用机制有哪些？ 非弹性散射作用机制有：单电子激发、等离子激发、声子发射、轫致辐射 ①单电子激发：样品内的核外电子在收到入射电子轰击时，有可能被激发到较高的空能级甚至被电离，这叫单电子激发。 ②等离子激发：高能电子入射晶体时，会瞬时地破坏入射区域的电中性，引起价电子云的集体振荡，这叫等离子激发。 ③声子发射：入射电子激发或吸收声子后，使入射电子发生大角度散射，这叫声子发射。 ④轫致辐射：带负电的电子在受到减速作用的同时，在其周围的电磁场将发生急剧的变化，将产生一个电磁波脉冲，这种现象叫做轫 致辐射。 1）二次电子产生：单电子激发过程中，被入射电子轰击出来并离开样品原子的核外电子。应用：样品表面成像，显微组织观察，断口形貌观察等 2）背散射电子：受到原子核弹性与非弹性散射或与核外电子发生非弹性散射后被反射回来的入射电子。应用：确定晶体的取向，晶体间夹角，晶粒度及晶界类型，重位点阵晶界分布，织构分析以及相鉴定等。 3）成像的相同点：都能用于材料形貌分析成像的不同点：二次电子成像特点：（1）分辨率高（2）景深大，立体感强（3）主要反应形貌衬度。背散射电子成像特点：（1）分辨率低（2）背散射电子检测效率低，衬度小（3）主要反应原子序数衬度。 5.特征X射线是如何产生的，其波长和能量有什么特点，有哪些主要的应用？ 特征X-Ray产生：当入射电子激发试样原子的内层电子，使原子处于能量较高的不稳定的激发态状态，外层的电子会迅速填补到内层电子空位上，并辐射释放一种具有特征能量和波长的射线，使原子体系的能量降低、趋向较稳定状，这种射线即特征X射线。 波长的特点：不受管压、电流的影响，只决定于阳极靶材元素的原子序。 应用：物质样品微区元素定性分析
现代检测与控制技术大作业 题目：压力感应夜灯系统设计 学院：信息科学技术学院 专业：电子信息工程 姓名： 学号： 指导老师：王磊 完成时间：2015年5月16日
压力感应夜灯系统设计 摘要：本文结合生活实际对照明控制系统的功能需求进行了合理的预测,然后根据照明系统的发展趋势，通过综合的分析归纳，提出了一种压力控制照明系统的初步设计方案。 关键词：压力感应智能照明 一、引言 随着人民生活水平的不断提高，人们对工作和生活环境的要求越来越高，同时对照明系统的要求也越来越高。照明领域的能源消耗在总的能源消耗中占了相当大的比例，节约能源和提高照明质量是当务之急。传统照明技术受到了强烈冲击。一方面，由于信息技术和计算机的发展对照明技术的变化提供了技术支撑；另一方面，由于能源的紧缺，国家对照明节能越来越重视，新型的照明技术得以迅速发展，以满足使用者节约能源、舒适性、方便性的要求。 二、设计背景 从1983年第一座带有智能化概念的建筑物在美国落成后，楼宇智能化成为建筑电气发展的主流技术。各发达国家，如美国、日本及欧洲各国都对绿色节能照明提出了各自的工作计划及目标。为贯彻执行资源的开发和节约并举、将节约置于首位的方针。美国从2000年起投资5亿美元实施"国家智能照明计划"。美国能源部预测，到2010年前后，美国将有55%的白炽灯和荧光灯被半导体灯具替代，每年仅节电就可达350亿美元。世界著名的印制电路板生产公司、奥地利的AT&S也积极开发LED用于印制电路板，并打算将该类印制电路板作为未来的支柱产品。韩国政府则在实施将路灯更换成智能照明系统的计划。欧盟已经规定，自2009年9月1日起，所有超市不允许销售白炽灯泡，也不允许销售高压的荧光灯灯泡，只能销售节能灯。 90年前后，在国外智能照明蓬勃发展的背景下，真善美、松下以及SOK等众多企业相继投入大量人力物力进行相关产品的研发。国家主席胡锦涛访美期间参观世界首富比尔?盖茨位于西雅图的私人豪宅，所有电器设备均被连接成一个可控网络，涵盖了包括智能气象、智能照明、智能通风、智能电工和智能安防等各项“未来科学技术”，堪称世界智能家居的“未来之屋”。上海世博会上，大家见识到了不同的馆区不同的国家有着不同的风采，但是，不管是美国馆、加拿大
对现代检测系统的研究认识 XX XXXXXXXXX，XX XX XXX 摘要:本文主要介绍了现代检测系统的构成及应用，故障检测与诊断的方法；讨论了现代检测系统组建时，用到的各个部件；论述了系统故障检测部分以及用到的关键技术；提出了目前在虚拟仪器系统中较为常用的几种总线方式和应用特点；展望了现代检测技术的发展趋势。 关键词：现代检测系统；故障检测与诊断；虚拟仪器系统 The Research of Measurement and Diagnostic Systems XXXX XX XXXX city XXX Abstract: In this paper we introduce the constitution of modern detection systems and applications, fault detection and diagnosis methods; discuss the various components when formate modern detection systems; discuss in detail the fault detection sy stem components and key technologies which should be used; propose the more commonly used methods and application of several characteristics of the bus in the virtual instrumentation system currently;reveal the tendency of the modern detection’s developing. Keywords: modern detection systems; fault detection and diagnosis; virtual instrument system 0 引言 现代工业生产中，通常采用各种测量与诊断系统对生产全过程进行检查、监测以及故障诊断，来确保安全生产，保证产品质量，提高产品合格率，降低能耗，从而提高企业的生产效率和经济效益。所谓测量与诊断系统就是对被测对象进行信息提取、信号转换存储与传输、信号的显示记录和信号的分析处理，最终对被测对象做出诊断的系统。它可分为测量系统和检测系统两部分。测量系统主要有传感器、放大器、调理系统或数据采集等，检测系统主要包括信息的提取、转换、存储、传输、显示和分析处理等。 测量系统的基本特性为静态特性和动态特性。通过研究他们实现对测量系统的标定和最终实现不失真测量。对于测量到的数据进行分析检测，检测系统进行信号放大、电参量转换到现在的信号分析处理现代检测系统。而以计算机为基础的现代检测系统能够真正实现检测的自动化与智能化，从而使它能在更大范围内实现测量与诊断的应用。 1 现代检测系统的构成 目前，现代检测系统基本上都是用于各种物理或化学成分等参量的检测，通常由各种传感器将非电被测参量转换成电信号，然后经信号调理（信号转换、信号检波、信号滤波、信号放大等）、数据采集、信号处理后显示并输出，再加上系统所需的交、直流稳压电源和必要的输入设备便组成了一个完整的检测系统，其各部分关系如图0-1所示[2]。
现代测试技术及应用作业学号2013010106 姓名刘浩峰 专业核技术及应用 提交作业时间2014 12 10
无损检测中的CT重建技术 1无损检测 1.1无损检测概述 无损检测是工业发展必不可少的有效工具，在一定程度上反映了一个国家的工业发展水平，其重要性已得到公认。中国在1978年11月成立了全国性的无损检测学术组织——中国机械工程学会无损检测分会。此外，冶金、电力、石油化工、船舶、宇航、核能等行业还成立了各自的无损检测学会或协会；部分省、自治区、直辖市和地级市成立了省（市）级、地市级无损检测学会或协会；东北、华东、西南等区域还各自成立了区域性的无损检测学会或协会。 无损检测缩写是NDT（或NDE，non-destructive examination），也叫无损探伤，是在不损害或不影响被检测对象使用性能的前提下，采用射线、超声、红外、电磁等原理技术并结合仪器对材料、零件、设备进行缺陷、化学、物理参数检测的技术。利用材料内部结构异常或缺陷存在引起的热、声、光、电、磁等反应的变化，以物理或化学方法为手段，借助现代化的技术和设备器材，对试件内部及表面的结构、性质、状态及缺陷的类型、性质、数量、形状、位置、尺寸、分布及其变化进行检查和测试。无损检测是工业发展必不可少的有效工具，在一定程度上反映了一个国家的工业发展水平，无损检测的重要性已得到公认，主要有射线检验（RT）、超声检测（UT）、磁粉检测（MT）、液体渗透检测（PT）、涡流检测（ECT）、声发射（AE）和超声波衍射时差法（TOFD）。 1、射线照相法（RT）是指用X射线或γ射线穿透试件，以胶片作为记录信息的器材的无损 检测方法，该方法是最基本的，应用最广泛的一种非破坏性检验方法。工作原理是射线能穿透肉眼无法穿透的物质使胶片感光，当X射线或r射线照射胶片时，与普通光线一样，能使胶片乳剂层中的卤化银产生潜影，由于不同密度的物质对射线的吸收系数不同，照射到胶片各处的射线强度也就会产生差异，便可根据暗室处理后的底片各处黑度差来判别缺陷。RT的定性更准确，有可供长期保存的直观图像，总体成本相对较高，而且射线对人体有害，检验速度会较慢。 2、超声波检测（UT）原理是通过超声波与试件相互作用，就反射、透射和散射的波进行研 究，对试件进行宏观缺陷检测、几何特性测量、组织结构和力学性能变化的检测和表征，并进而对其特定应用性进行评价的技术。适用于金属、非金属和复合材料等多种试件的无损检测；可对较大厚度范围内的试件内部缺陷进行检测。如对金属材料，可检测厚度为1～2mm的薄壁管材和板材，也可检测几米长的钢锻件；而且缺陷定位较准确，对面积型缺陷的检出率较高；灵敏度高，可检测试件内部尺寸很小的缺陷；并且检测成本低、速度快，设备轻便，对人体及环境无害，现场使用较方便。缺点是对具有复杂形状或不规则外形的试件进行超声检测有困难；并且缺陷的位置、取向和形状以及材质和晶粒度都对检测结果有一定影响，检测结果也无直接见证记录。 3、磁粉检测（MT）原理是铁磁性材料和工件被磁化后，由于不连续性的存在，使工件表 面和近表面的磁力线发生局部畸变而产生漏磁场，吸附施加在工件表面的磁粉，形成在合适光照下目视可见的磁痕，从而显示出不连续性的位置、形状和大小。磁粉探伤适用于检测铁磁性材料表面和近表面尺寸很小、间隙极窄（如可检测出长0.1mm、宽为微米
现代材料测试技术 作业
第一章X射线衍射分析 一、填空题 1、X射线从本质上说，和无线电波、可见光、γ射线一样，也是一种。 2、尽管衍射花样可以千变万化，但是它们的基本要素只有三个：即、、。 3、在X射线衍射仪法中，对X射线光源要有一个基本的要求，简单地说，对光源的基本要求是、、。 4、利用吸收限两边相差十分悬殊的特点，可制作滤波片。 5、测量X射线衍射线峰位的方法有六种，它们分别是、、 、、、。 6、X射线衍射定性分析中主要的检索索引的方法有三种，它们分别是、 、。 7、特征X射线产生的根本原因是。 8、X射线衍射定性分析中主要的检索索引的方法有三种，它们分别是、 和字顺索引。 9、X射线衍射仪探测器的扫描方式可分、、三种。 10、实验证明，X射线管阳极靶发射出的X射线谱可分为两类：和 11、当X射线穿过物质时，由于受到散射，光电效应等的影响，强度会减弱，这种现象称为。 12、用于X射线衍射仪的探测器主要有、、、，其中和应 用较为普遍。 13、X射线在近代科学和工艺上的应用主要有、、三个方面 14、X射线管阳极靶发射出的X射线谱分为两类、。 15、当X射线照射到物体上时，一部分光子由于和原子碰撞而改变了前进的方向，造成散射线；另一部分光子可能被原子吸收，产生；再有部分光子的能量可能在与原子碰撞过程中传递给了原子，成为。 二、名词解释 X-射线的吸收、连续x射线谱、特征x射线谱、相干散射、非相干散射、荧光辐射、光电效应、俄歇电子、质量吸收系数、吸收限、X-射线的衰减 三、问答与计算 1、某晶体粉末样品的XRD数据如下，请按Hanawalt法和Fink法分别列出其所有可能的检索组。 2、产生特征X射线的根本原因是什么？ 3、简述特征X-射线谱的特点。 4、推导布拉格公式，画出示意图。 5、回答X射线连续光谱产生的机理。
《现代测试技术》课程总结 学校：太原科技大学 班级：力学141802班 姓名：曹华科 学号：201418020202
《现代测试技术》课程总结 经过这学期现代测试技术的学习，让我对测试技术有了一个全新的认识和理解。让我以前对现代测试技术浅薄的认知有了很大的变化，现代测试的飞速发展也让我对之充满信心。 随着自动化技术的高速发展，仪器及检测技术已成为促进当代生产的主流环节，同时也是生产过程自动化和经营管理现代化的基础，没有性能好、精度高、质量可靠的仪器测试到各种有关的信息，要实现高水平的自动化就是一句空话。随着自动化程度要求的不断提高，测试技的作用越来越明显。可以说，自动化的提高很大作用取决于现代测试技术的提高。科学技术的发展历史表明，许多新的发现和突破都是以测试为基础的。同时，其他领域科学技术的发展和进步又为测试提供了新的方法和装备，促进了测试技术的发展。 测试的基本任务是获取有用的信息，而信息又是蕴涵在某些随时间或空间变化的物理量中，即信号之中的。因此，首先要检测出被测对象所呈现的有关信号，再加以分析处理，最后将结果提交给观察者或其他信息处理装置、控制装置。测试技术已成为人类社会进步和各学科高级工程技术人员必须掌握的重要的基础技术。 测试系统是执行测试任务的传感器、仪器和设备的总称。当测试的目的、要求不同时，所用的测试装置差别很大。测试系统的基本特性是测试系统与其输入、输出的关系，它一般分为两类：静态特性和动态特性。在选用测试系统时，要综合考虑多种因素，其中最主要的一个因素是测试系统的基本特性是否能使其输入的被测物理量在精度要求范围内真实地反映出来。 基于计算机的测量师现代测试技术的特点。20多年来，仪器开始与计算机连接起来。如今，计算机已成为现代测试和测量系统的基础。随着计算机技术、大规模集成电路技术和通信技术的飞速发展，传感器技术、通信技术和计算机技术者3大技术的结合，使测试技术领域发生了巨大变化。 第一种结合是计算机技术与传感器技术的结合。其结果是产生了智能传感器，为传感器的发展开辟了全新的方向。多年来，智能传感器技术及其研究在国
现代测试技术在液压缸设计中的应用 摘要：随着自动化技术的高速发展及其对测试技术要求的不断提高，从而使测试技术作为一种新产品开发的重要手段，可以有效缩短新产品研发周期，提高产品研发成功率。本文以液压缸缓冲设计为例，介绍测试技术在液压缸中的应用。结果表明，采用测试技术能够直观、量化缓冲性能指标及结果，并能进行改进前后性能的对比，缩短了元件满足主机性能需要的试制周期。最后，通过对工程机械的研发过程的总结，提出现代测试技术的主要任务及其发展方向。 关键词：测试技术，液压缸，智能化，集成化，网络化 1 引言 我国工程机械主机技术仍落后于发达国家，为其配套的关键液压元件是制约其发展的主要因素，尽快缩短与国外技术的差距，已在行业形成共识。 随着自动化技术的高速发展，仪器及检测技术已成为促进当代生产的主流环节，同时也是生产过程自动化和经营管理现代化的基础，没有性能好、精度高、质量可靠的仪器测试到各种有关的信息，要实现高水平的自动化就是一句空话。因此，借鉴测试技术与传感技术在工程技术的成功应用，在液压件开发领域中引入测试技术的理念，将大幅度提高国产液压件的发展速度。 液压缸作为主要的执行元件，在某些主机上对其缓冲性能要求越来越高。利用较好的缓冲结构延长液压缸的寿命越来越受到关注。本文介绍利用测试与传感技术建立计算机辅助测试系统，如何研究液压缸缓冲结构的设计和定型。利用测试结果，调节液压缸缓冲参数和节流孔参数。通过测试不同工况下缓冲腔工作压力及行程等参数，实现仿真设计，确保样机性能验证结果的可信度。 2 测试技术及传感技术 在传统的产品开发模式中，进行产品的改进是被动的，是由主机厂使用过程中发现问题、提出问题并反馈，得到信息后再进行设计改进的。鉴于传统产品开发模式耗费开发周期时间长，被动改进，我们提出了新型产品开发模式如图1。 图1 新型产品开发模式 结合自身的需求，我们开发出一套适用于液压缸缓冲结构研发过程中的计算机辅助测试系统。图2为计算机辅助测试系统的构成示意图，由液压系统传感器和数据采集系统组成，被测液压缸为带缓冲的液压缸，在主机上进行规定动作试验，采用多功能数据采集模块及数据采集软件，完成两腔压力( 缓冲压力或工作压力) 位移-时间的采集和测量。
神经网络课程认识 本学期我们对人工神经网络进行了学习，在学习的过程中，我们对什么是神经网络，神经网络的发展史，神经网络的特点和功能以及神经网络的应用领域等多方面知识都有所了解。从开始的对人工神经网络的初步了解到最后模型的建立，我们对人工神经网络的认识不断加深。神经网络作为自动控制及智能控制专业的一个重要分支，掌握一些与其相关的基础知识对今后的学习会有较大的帮助。 具体的人工神经网络中，我们主要学习了单层感知器、标准BP网络、改进型的BP网络、自组织竞争神经网络以及离散型Hopfield网络（即DHNN 网络）。其中，我们重点学习了标准型BP网络。在后面的编程训练中，我们也以标准BP网络为模型，设计了一个较为简单的实际型编程问题。 接下来谈谈具体的学习情况： 在学习的过程中，我们首先学习了什么是人工神经网络。这是一个非线性动力学系统，其特色在于信息的分布式存储和并行协同处理。虽然单个神经元的结构极其简单，功能有限，但大量神经元构成的网络系统所能实现的行为却是极其丰富多彩的。以数学和物理的方法以及信息处理的角度对人脑神经网络进行抽象，并建立某种简化的模型就是人工神经网络。人工神经网络远不是人脑生物神经网络的真实写照，而只是对它的简化，抽象与模拟。揭示人脑的奥妙不仅需要各学科的交叉和各领域专家的协作，还需要测试手段的进一步发展。目前已经提出了上百种的神经网络模型，这种简化模型能放映出人脑的许多基本特征。综合人工神经网络的来源，特点及各种解释，
可以简单的表述为：人工神经网络是一种旨在模仿人脑结构及其功能的脑式智能信息处理系统。 神经网络的研究可以追溯到19世纪末期，其发展可分为启蒙时期，低潮时期，复兴时期及新时期四个阶段。人工神经网络是基于对人脑组织结构，活动机制的初步认识提出的一种新型信息处理体系。人工神经网络具有人脑的一些基本功能，也有其自身的一些特点。结构特点：信息处理的并行性，信息储存的分布性，信息处理单元的互连性，结构的可塑性。性能特点：高度的非线性，良好的容错性和计算机的非精确性。能力特征：自学习，自组织与自适应性。人工神经网络是借鉴于生物神经网络而发展起来的新型智能信息处理系统，由于其结构上“仿造”了人脑的生物神经系统，因而其功能上也具有了某种智能特点。由于神经网络具有分布储存信息和并行计算的性能，因此它具有对外界刺激信息和输入模式进行联想记忆的能力。这种能力是通过神经元之间的协同结构以及信息处理的集体行为而实现的。设计合理的神经网络通过对系统输入输出样本对进行自动学习，能够以任意精度逼近任意复杂的非线性映射，可以作为多维非线性函数的通用数学模型。神经网络对外界输入样本具有很强的识别和分类能力，可以很好的解决对非线性曲面的逼近，因此比传统的分类器具有更好的分类与识别能力。某些类型的神经网络可以把待求的问题的可变参数设计为网络的状态，将目标函数设计为网络的能量函数，经过动态演变过程达到稳定状态时对应的能量函数最小，从而其稳定状态就是问题的最优解。同时，神经网络的知识抽取能力使其能够在没有任何先验知识的情况下自动从输入数据中提取特征，发现规律，并通过自组织过程构建网络，使其适应于表达所发现的规律。人的先验知识可
材料现代测试技术 学院：材料科学与工程学院专业班级：材料科学02班 姓名：吴明玉 学号：20103412
SnO 基纳米晶气敏材料微观结构的表征 2 一．摘要 随着现代物理科学技术的迅速发展，现代分析测试技术的不断更新和进步为人们对材料结构和性能的深入研究提供了可能，从而促进人们对气敏材料机理有了更为客观的认识。本文主要以X衍射分析仪(XRD)，X射线光电子能谱(XPS)，扫描电镜(SEM)，高分辨电子显微镜(HRTEM)等现代材料测试技术为基础，设计出了可行的气敏材料微观结构表征方案。 关键词：XRD XPS SEM HRTEM 二．引言 材料是人类社会赖以生存和发展的物质基础,材料的发展关系到国民经济发展,国防建设和人民生活水平的提高。半导体SnO2气敏材料在防止火灾爆炸事故的发生、大气环境的检测以及工业生产有毒有害气体的检测等领域的发挥了巨大作用。但是，目前开发的半导体气敏材料仍存在着灵敏度不高、交叉敏感严重、长期使用敏感材料易中毒失效稳定性差、重复性不好等缺点。针对上述问题，研究者们做了大量工作。气敏材料的研究热点主要集中在改进、优化成膜工艺和对现有材料进行掺杂、改性、表面修饰等处理，以提高气体传感器的气敏性能，降低工作温度，提高选择性稳定性等性能。掺杂不仅可以提高元件的电导率，还可以提高稳定性和选择性，金属掺杂是最为常见的掺杂方式，掺杂物的电子效应可以起到催化活性中心的作用，降低被测气体化学吸附的活化能，有效提高气敏元件的灵敏度和缩短响应时间。 成分，结构，加工和性能是材料科学与工程的四个基本要素，成分和结构从根本上决定了材料的性能，对材料的成分和结构进行精确表征是实现材料性能控制的前提。材料的分析包括表面和内部组织形貌，晶体的相结构，化学成分和价键结构，相应地，材料分析方法有形貌分析，物相分析，成分与价键分析和分子结构分析。为了对SnO 掺杂金属离子复合材料的性能进行研究，本文设计出了 2 微观结构表征方案，为微观结构研究做好了铺垫。 三．正文 3.1材料的制备及表征方法 纳米材料，并对其分别进行Cd,Ni等金属的掺杂。通采用水热法制备SnO 2 过X衍射分析仪(XRD)，X射线光电子能谱(XPS)等,得到薄膜的晶体结构以及表面的化学组成，原子价态，表面能态分布信息；通过扫描电镜(SEM)等得到材料的表面微观形貌信息；通过高分辨电子显微镜(HRTEM)得到材料的晶体取向， 3.2表征方案 3.2.1X衍射分析仪(XRD)
《现代分析测试技术》复习知识点 一、名词解释 1. 原子吸收灵敏度、指产生1％吸收时水溶液中某种元素的浓度 2. 原子吸收检出限、是指能产生一个确证在试样中存在被测定组分的分析信号所需要的该组分的最小浓度或最小含量 3．荧光激发光谱、4．紫外可见分光光度法 5．热重法、是在程序控制温度下，测量物质质量与温度关系的一种技术。 6．差热分析、是在程序控制温度下，测量物质与参比物之间的温度差与温度关系的一种技术。 7．红外光谱、如果将透过物质的光辐射用单色器加以色散，使光的波长按大小依次排列，同时测量在不同波长处的辐射强度，即得到物质的吸收光谱。如果用的是光源是红外辐射就得到红外吸收光谱(Infrared Spectrometry)。 8．拉曼散射，但也存在很微量的光子不仅改变了光的传播方向，而且也改变了光波的频率，这种散射称为拉曼散射。 9．瑞利散射、当一束激发光的光子与作为散射中心的分子发生相互作用时，大部分光子仅是改变了方向，发生散射，而光的频率仍与激发光源一致，这种散射称为瑞利散射 10．连续X射线：当高速运动的电子击靶时，电子穿过靶材原子核附近的强电场时被减速。电子所减少的能量（△E）转为所发射X 射线光子能量（hν），即hν＝△E。 这种过程是一种量子过程。由于击靶的电子数目极多，击靶时间不同、穿透的深浅不同、损失的动能不等，因此，由电子动能转换为X 射线光子的能量有多有少，产生的X 射线频率也有高有低，从而形成一系列不同频率、不同波长的X 射线，构成了连续谱 11．特征X射线、原子内部的电子按泡利不相容原理和能量最低原理分布于各个能级。在电子轰击阳极的过程中，当某个具有足够能量的电子将阳极靶原子的内层电子击出时，于是在低能级上出现空位，系统能量升高，处于不稳定激发态。较高能级上的电子向低能级上的空位跃迁，并以光子的形式辐射出标识X 射线 13．相干散射、当入射X射线光子与原子中束缚较紧的电子发生弹性碰撞时，X射线光子的能量不足以使电子摆脱束缚，电子的散射线波长与入射线波长相同，有确定的相位关系。这种散射称相干散射或汤姆逊（Thomson）散射。 14．非相干散射，，当入射X射线光子与原子中束缚较弱的电子（如外层电子）发生非弹性碰撞时，光子消耗一部分能量作为电子的动能，于是电子被撞出原子之外，同时发出波长变长、能量降低的非相干散射或康普顿（Compton）散射
一、DTA的基本原理 （1）差热分析是在程序控制温度下，测量物质与参比物之间的温度差与温度关系的一种技术。差热分析曲线描述了样品与参比物之间的温差(ΔT)随温度或时间的变化关系。 （2）影响差热分析的主要因素 1 气氛和压力的选择 气氛和压力可以影响样品化学反应和物理变化的平衡温度、峰形，因此必须根据样品的性质选择适当的气氛和压力，有的样品易氧化，可以通入N2、Ne等惰性气体。 2 升温速率的影响和选择： 升温速率不仅影响峰温的位置，而且影响峰面积的大小： 快的升温速率下峰面积变大，峰变尖锐。使试样分解偏离 平衡条件的程度也大，易使基线漂移,并导致相邻两个峰重 叠，分辨力下降。慢的升温速率，基线漂移小，使体系接 近平衡条件，得到宽而浅的峰，也能使相邻两峰更好地分 离，因而分辨力高。但测定时间长，需要仪器的灵敏度高。 升温速率对高岭土差热曲线的影响 : 升温速率越大，峰形越尖，峰高也增加，峰顶温度也越高 3试样的预处理及粒度 试样用量大，易使相邻两峰重叠，降低了分辨力。一般尽可能减少用量，最多大至毫克。样品的颗粒度在100目～200目左右，颗粒小可以改善导热条件，但太细可能会破坏样品的结晶度。对易分解产生气体的样品，颗粒应大一些。参比物的颗粒、装填情况及紧密程度应与试样一致，以减少基线的漂移。 试样量越大，差热峰越宽，越圆滑。其原因是因为加热过程中，从试样表面到中心存在温度梯度，试样越多，梯度越大，峰也就越宽。 4 参比物的选择 要获得平稳的基线，要求参比物在加热或冷却过程中不发生任何变化，在整个升温过程中其比热、导热系数、粒度尽可能与试样一致或相近。
常用α-三氧化二铝Al2O3)或煅烧过的氧化镁（MgO）或石英砂作参比物。如果试样与参比物的热性质相差很远，则可用稀释试样的方法解决；常用的稀释剂有SiC、铁粉、Fe2O3、玻璃珠Al2O3等。 5 纸速的选择 在相同的实验条件下，同一试样如走纸速度快，峰的面积大，但峰的形状平坦，误差小;走纸速率小，峰面积小。因此，要根据不同样品选择适当的走纸速度。不同条件的选择都会影响差热曲线，除上述外还有许多因素，诸如样品管的材料、大小和形状、热电偶的材质以及热电偶插在试样和参比物中的位置等。 二．热重分析 (Thermogravimetric Analysis) （1）热重法(Thermogravimetry, TG)是在程序控温下，测量物质的质量与温度或时间的关系的方法，通常是测量试样的质量变化与温度的关系。热重分析的结果用热重曲线(Curve)或微分热重曲线表示。 （2）影响热重测定的因素 1. 升温速度 升温速度越快，温度滞后越大，Ti及Tf越高，反应温度区间也越宽。对于无机材料试样，建议采用的升温速度一般为10－20K·min-1。 2．气氛 常见的气氛有空气、O2、N2、He、H2、CO2 、Cl2和水蒸气等。样品所处气氛的不同导致反应机理的不同。气氛与样品发生反应，则TG曲线形状受到影响。例如PP使用N2时，无氧化增重。气氛为空气时，在150-180 C出现氧化增重。 3.样品的粒度和用量 样品的粒度不宜太大、装填的紧密程度适中为好。同批试验样品，每一样品的粒度和装填紧密程度要一致。 4．试样皿（坩锅） 试样皿的材质有玻璃、铝、陶瓷、石英、金属等，应注意试样皿对试样、中间产物和最终产物应是惰性的。如聚四氟乙烯类试样不能用陶瓷、玻璃和石英类试样皿，因相互间会形成挥发性碳化物。白金试样皿不适宜作含磷、硫或卤素的聚合物的试样皿，因白金对该类物质有加氢或脱氢活性。 5 温度的标定 热天平可采用不同居里温度的强磁体来标定。标定时在热天平外加一磁场，坩埚中放入标准磁性物质。磁性物质的居里点是金属从铁磁性向顺磁性相转变的温度，在居里点产生表观失重。 三．示差扫描量热法Differential Scanning Calorimeter，DSC （1）差示扫描量热法(DSC)是在程序控温下，测量物质和参比物之间的能量差随温度变化关系的一种技术（国际标准ISO 11357-1）。根据测量方法的不同，又分为功率补偿型DSC和热流型DSC两种类型。常用的功率补偿DSC是在程序控温下，使试样和参比物的温度相等，测量每单位时间输给两者的热能功率差与温度的关系的一种方法。 （2）与在DTA曲线中，吸热效应用谷来表示，放热效应用峰来表示所不同的是：在DSC曲线中，吸热(endothermic)效应用凸起正向的峰表示凹下的谷表示 (热焓增加)，放热(exothermic)效应用凹下的谷表示(热焓减少)。 三．扫描电子显微镜（SEM） 透射电镜的成像——电子束穿过样品后获得样品衬度的信号（电子束强度），利用电磁透镜（三级）放大成像
《近代材料测试方法》复习题 1．材料微观结构和成分分析可以分为哪几个层次？分别可以用什么方法分析？ 答：化学成分分析、晶体结构分析和显微结构分析 化学成分分析——常规方法（平均成分）：湿化学法、光谱分析法 ——先进方法（种类、浓度、价态、分布）：X射线荧光光谱、电子探针、 光电子能谱、俄歇电子能谱 晶体结构分析：X射线衍射、电子衍射 显微结构分析：光学显微镜、透射电子显微镜、扫面电子显微镜、扫面隧道显微镜、原 子力显微镜、场离子显微镜 2．X射线与物质相互作用有哪些现象和规律？利用这些现象和规律可以进行哪些科学研究工作，有哪些实际应用？ 答：除贯穿部分的光束外，射线能量损失在与物质作用过程之中，基本上可以归为两大类：一部 分可能变成次级或更高次的X射线，即所谓荧光X射线，同时，激发出光电子或俄歇电子。另一部分消耗在X射线的散射之中，包括相干散射和非相干散射。此外，它还能变成热量逸出。 （1）现象/现象：散射X射线（想干、非相干）、荧光X射线、透射X射线、俄歇效 应、光电子、热能 （2）①光电效应：当入射X射线光子能量等于某一阈值，可击出原子内层电子，产 生光电效应。
应用：光电效应产生光电子，是X射线光电子能谱分析的技术基础。光电效应 使原子产生空位后的退激发过程产生俄歇电子或X射线荧光辐射是 X射线激发俄歇能谱分析和X射线荧光分析方法的技术基础。 ②二次特征辐射（X射线荧光辐射）：当高能X射线光子击出被照射物质原子的 内层电子后，较外层电子填其空位而产生了次生特征X射线（称二次特征辐射）。 应用：X射线被物质散射时，产生两种现象：相干散射和非相干散射。相干散射 是X射线衍射分析方法的基础。 3．电子与物质相互作用有哪些现象和规律？利用这些现象和规律可以进行哪些科学研究工作，有哪些实际应用？ 答：当电子束入射到固体样品时，入射电子和样品物质将发生强烈的相互作用，发生弹性散射和非弹性散射。伴随着散射过程，相互作用的区域中将产生多种与样品性质有关的物理信息。 （1）现象/规律：二次电子、背散射电子、吸收电子、透射电子、俄歇电子、特征X射 线 （2）获得不同的显微图像或有关试样化学成分和电子结构的谱学信息 4．光电效应、荧光辐射、特征辐射、俄歇效应，荧光产率与俄歇电子产率。 特征X射线产生机理。 光电效应：当入射X射线光子能量等于某一阈值，可击出原子内层电子，产生光电效应。 荧光辐射：被打掉了内层电子的受激原子，将发生外层电子向内层跃迁的过程，同时辐射出波长严格一定的特征X射线。这种利用X射线激发而产生的特征辐射为二次特
现代测试技术及应用集团文件发布号：（9816-UATWW-MWUB-WUNN-INNUL-DQQTY-
现代测试技术及应用作业 学号 姓名刘浩峰 专业核技术及应用 提交作业时间 2014 12 10 无损检测中的CT重建技术 1无损检测 1.1无损检测概述 无损检测是工业发展必不可少的有效工具，在一定程度上反映了一个国家的工业发展水平，其重要性已得到公认。中国在1978年11月成立了全国性的无损检测学术组织——中国机械工程学会无损检测分会。此外，冶金、电力、石油化工、船舶、宇航、核能等行业还成立了各自的无损检测学会或协会；部分省、自治区、直辖市和成立了省（市）级、地市级无损检测学会或协会；东北、华东、西南等区域还各自成立了区域性的无损检测学会或协会。 无损检测缩写是（或NDE，non-destructive examination），也叫，是在不损害或不影响被检测对象使用性能的前提下，采用、、、等原理技术并结合仪器对材料、零件、设备进行缺陷、化学、物理参数检测的技术。利用材料内部结构异常或存在引起的热、声、光、电、磁等反应的变化，以物理或化学方法为手段，借助现代化的技术和设备器材，对试件内部及表面的结构、性质、状态及缺
陷的类型、性质、数量、形状、位置、尺寸、分布及其变化进行检查和测试。无损检测是工业发展必不可少的有效工具，在一定程度上反映了一个国家的工业发展水平，无损检测的重要性已得到公认，主要有（RT）、（UT）、（MT）、液体渗透检测（PT）、涡流检测（ECT）、声发射（AE）和超声波衍射时差法（TOFD）。 1、射线照相法（RT）是指用或γ射线穿透试件，以胶片作为记录信息的器材 的无损检测方法，该方法是最基本的，应用最广泛的一种非破坏性检验方法。工作原理是射线能穿透肉眼无法穿透的物质使胶片感光，当X射线或r 射线照射胶片时，与普通光线一样，能使胶片乳剂层中的卤化银产生潜影，由于不同密度的物质对射线的吸收系数不同，照射到胶片各处的射线强度也就会产生差异，便可根据暗室处理后的底片各处黑度差来判别缺陷。RT的定性更准确，有可供长期保存的直观图像，总体成本相对较高，而且射线对人体有害，检验速度会较慢。 2、超声波检测（UT）原理是通过超声波与试件相互作用，就反射、透射和散 射的波进行研究，对试件进行宏观、几何特性测量、组织结构和力学性能变化的检测和表征，并进而对其特定应用性进行评价的技术。适用于金属、非金属和复合材料等多种试件的无损检测；可对较大厚度范围内的试件内部缺陷进行检测。如对，可检测厚度为1～2mm的薄壁管材和板材，也可检测长的钢锻件；而且缺陷定位较准确，对面积型缺陷的检出率较高；灵敏度高，可检测试件内部尺寸很小的缺陷；并且检测成本低、速度快，设备轻便，对人体及环境无害，现场使用较方便。缺点是对具有复杂形状或不规则外形的试件进行超声检测有困难；并且缺陷的位置、取向和形状以及材质和晶粒度都
名词解释： 分子振动：分子中原子（或原子团）以平衡位置为中心的相对（往复）运动。伸缩振动：原子沿键轴方向的周期性（往复）运动；振动时键长变化而键角不变。（双原子振动即为伸缩振动） 变形振动又称变角振动或弯曲振动：基团键角发生周期性变化而键长不变的振动。 晶带：晶体中，与某一晶向[uvw]平行的所有（HKL）晶面属于同一晶带，称为[uvw]晶带。 辐射的吸收：辐射通过物质时，其中某些频率的辐射被组成物质的粒子（原子、离子或分子等）选择性地吸收，从而使辐射强度减弱的现象。 辐射被吸收程度对ν或λ的分布称为吸收光谱。 辐射的发射：物质吸收能量后产生电磁辐射的现象。 作为激发源的辐射光子称一次光子，而物质微粒受激后辐射跃迁发射的光子(二次光子)称为荧光或磷光。吸收一次光子与发射二次光子之间延误时间很短(10-8~10-4s)则称为荧光；延误时间较长(10-4~10s)则称为磷光。 发射光谱:物质粒子发射辐射的强度对ν或λ的分布称为发射光谱。光致发光者，则称为荧光或磷光光谱 辐射的散射：电磁辐射与物质发生相互作用，部分偏离原入射方向而分散传播的现象 散射基元:物质中与入射的辐射相互作用而致其散射的基本单元 瑞利散射（弹性散射）：入射线光子与分子发生弹性碰撞作用，仅光子运动方向改变而没有能量变化的散射。 拉曼散射（非弹性散射）：入射线(单色光)光子与分子发生非弹性碰撞作用，在光子运动方向改变的同时有能量增加或损失的散射。 拉曼散射线与入射线波长稍有不同，波长短于入射线者称为反斯托克斯线，反之则称为斯托克斯线 光电离：入射光子能量(hν)足够大时，使原子或分子产生电离的现象。 光电效应:物质在光照射下释放电子(称光电子)的现象又称(外)光电效应。 光电子能谱:光电子产额随入射光子能量的变化关系称为物质的光电子能谱 分子光谱：由分子能级跃迁而产生的光谱。
第0讲思考题 1. 试举例说明测试技术的概念 测试是人们认识客观事物的方法。测试过程是从客观事物中摄取有关信息的认识过程。凡需要观察事物的状态、变化和特征等等，并要对它进行定量的描述时，都需要测试。测试包含“测量”与“试验”。“测量”—以确定被测物属性量值为目的的全部操作；“试验”—为了解某物的性能或某事的结果而进行的尝试性活动。如机械振动测试，温度测试等。 2. 结合自己所从事的方向或自己感兴趣的方向，举出一个简单的测试系统的例子，并说明测试技术在该研究方向中的作用。 现代的一些内燃发电机组中，内燃机的一些基本参数控制就是由测试系统和控制系统联合实现的。如，内燃机的转速、水温和油压就是通过转速传感器、温度传感器和压力传感器在机器运行过程中采集到机器的转速、水温和油压的数据，这些数据一方面输送到显示仪器进行显示，另一方面送到处理系统进行分析计算，当这些数据超过预设的限制时，处理系统就会作出报警或自动停机等相应处理。 3. 试列举测试技术的发展史及发展趋势。 自古以来，测试技术就渗透于人们的生产活动和日常生活中，如我国西汉初的侯风地动仪用来测量地震方位；东汉阳嘉元年日晷是利用日影计时，1664年发明的机械计算机，以及后来的电子管，晶体管，集成电路，使测试技术向着智能化、网络化的方向发展。测试技术将向以下方向发展：新型传感技术，测试系统智能化技术，虚拟仪器技术，网络化仪器技术。 4. 试举例说明测试技术离不开实验环节。 从测试的概念看，测试包含“测量”与“试验”。“试验”—为了解某物的性能或某事的结果而进行的尝试性活动。例如：机床主轴径向跳动测试，它包括测量过程：确定径向跳动具体量值。试验过程：机床主轴径向跳动超标否，如果不通过实验就看不出是否超标。 5. 试说出在本科阶段“测试技术”的学习中，学习了哪些知识？ 信号的基本概念，测试系统的基本概念，传感器的基本类型，信号处理的基本知识，机械工程量测试系统介绍 第1讲思考题 1. 解释术语——信息、消息、信号。 信息：它是事物运动的状态和方式，是用来消除不确定性的东西，它本身不具有能量。有可以识别、转化、传输的特性和存储性、共享性、永不枯竭性。 消息：由文字、符号、数字或语音构成的序列，消息是信息的外壳，信息是消息的内核。信息一定含于消息之中，但消息不一定有信息。 信号：传输信息的载体，它蕴涵着信息，它本身具有能量。 2. 宇宙三要素是什么？ 物质、能量和信息 3. 现代科学技术中三大支柱是什么？信息科学的主体结构是什么？信息技术包括哪些技术？ 信息科学与材料科学、能量科学三者成为当代科学技术的主要支柱。信息科学的主体结构是信息论、控制论、系统论，人工智能是三者的综合利用。信息技术包括测试技术、通信技术和计算机技术 4. 试说明测试系统是一种广义通讯系统。 首先，广义通信系统是指适合于所有信息流通的系统。比较其模型和测试系统的模型，如下图：