光電檢測技術(shù)在無損探傷中的應(yīng)用.doc

光電檢測技術(shù)在無損探傷中的應(yīng)用摘要：無損檢測技術(shù)（Non-destructive testing），是利用聲、光、磁和電等特性，在不損害或不影響被檢對象使用性能的前提下，檢測被檢對象中是否存在缺陷或不均勻性，并給出缺陷的大小、位置、性質(zhì)和數(shù)量的所有技術(shù)手段的總稱。由于并不影響被檢對象的使用性能，無損檢測技術(shù)在這些年得到了飛速的發(fā)展。光電檢測技術(shù)是光電信息技術(shù)的主要技術(shù)之一它是以激光紅外光纖等現(xiàn)代光電子器件作為基礎(chǔ)通過對被檢測物體的光輻射經(jīng)光電檢測器接受光輻射并轉(zhuǎn)換為電信號，再經(jīng)過后續(xù)的處理，獲取有用信息的技術(shù)。光電檢測技術(shù)與無損檢測技術(shù)的結(jié)合，可以取兩者的優(yōu)點(diǎn)，得到越來越廣泛的應(yīng)用，在本文中將對常用的基于光電技術(shù)的無損檢測技術(shù)進(jìn)行概述。主要論述紅外檢測技術(shù)、機(jī)器視覺檢測技術(shù)、X射線檢測技術(shù)等幾種無損檢測技術(shù)。對他們的原理和適用范圍都做了詳細(xì)的論述，并舉例說明了每一種技術(shù)在實(shí)際生活中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：光電檢測，無損檢測，紅外成像，機(jī)器視覺，X射線檢測隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)以及復(fù)雜自動(dòng)控制系統(tǒng)和信息處理與技術(shù)的提高，光電檢測技術(shù)作為一門研究光與物質(zhì)相互作用發(fā)展起來的新興學(xué)科，已成為現(xiàn)代信息科學(xué)的一個(gè)極為重要的組成部分。光電檢測技術(shù)具測量精度高、速度快、非接觸、頻寬與信息容量極大、信息效率極高、以及自動(dòng)化程度高等突出特點(diǎn)，令其發(fā)展十分迅速，并推動(dòng)著信息科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。它將光學(xué)技術(shù)與現(xiàn)代電子技術(shù)相結(jié)合，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、家庭、醫(yī)學(xué)、軍事和空間科學(xué)技術(shù)等領(lǐng)域1。無損檢測技術(shù)是隨著高科技發(fā)展應(yīng)運(yùn)而生的一門新技術(shù),該技術(shù)不同于傳統(tǒng)的物理化學(xué)分析方法，它主要運(yùn)用物理學(xué)方法如光學(xué)、電學(xué)和聲學(xué)等手段對產(chǎn)品進(jìn)行分析，且不破壞樣品，在獲取了樣品信息時(shí)保證了樣品的完整性，無損檢測技術(shù)檢測速度較傳統(tǒng)的物理化學(xué)方法迅速，又能有效地判斷出從外觀無法得出的樣品內(nèi)部品質(zhì)信息。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，帶動(dòng)了化學(xué)計(jì)量學(xué)的發(fā)展，極大地促進(jìn)了無損檢測技術(shù)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用2。光電檢測技術(shù)也是一種非接觸的檢測技術(shù)，它的實(shí)施過程也不會(huì)對樣品造成傷害，能夠很好的獲取樣品的信息，所以說它也是一種無損檢測技術(shù)。光電檢測技術(shù)在機(jī)器零部件的探傷方面得到了廣泛的應(yīng)用，在機(jī)械零部件的無損檢測中常用的光電檢測技術(shù)有紅外成像技術(shù)、機(jī)器視覺技術(shù)和X射線無損檢測技術(shù)，在本文中將對這幾種技術(shù)以及他們在無損檢測中的應(yīng)用作詳細(xì)的介紹。1 光電檢測技術(shù)與無損檢測1.1光電檢測技術(shù)原理光電檢測技術(shù)是光電信息技術(shù)的主要技術(shù)之一，它是以激光、紅外、光纖等現(xiàn)代光電子其件作為基礎(chǔ)，通過對被檢測物體的光輻射，經(jīng)光電檢測器接受光輻射并轉(zhuǎn)換為電信號，由輸入電路、放大濾波等檢測電路提取有用信息，再經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換接口輸入計(jì)算機(jī)運(yùn)算處理，最后顯示輸出所需要的檢測物理量等參數(shù)，其工作原理如圖1.1所示1。 圖1.1 光電檢測系統(tǒng)工作原理光電檢測技術(shù)主要包括光電變換技術(shù)、光信息獲取與光測量技術(shù)以及測量信息的光電處理技術(shù)等。主要有如下特點(diǎn)：1）精度高。激光干涉法測量長度的精度可達(dá)0.05um/m；用激光測距法測量地球與月球之間距離的分辨力可以達(dá)到1m。2）高速度。光電檢測技術(shù)以光為媒介，而光的傳播速度非?？欤瑹o疑用光學(xué)方法獲取和傳遞信息是最快的。3）距離遠(yuǎn)、大量程。光是最便于遠(yuǎn)距離傳輸?shù)慕橘|(zhì)，尤其適用于遙控和遙測，如光電跟蹤等。4）非接觸測量。光照到被測物體上可以認(rèn)為是沒有測量力的，因此也無摩擦，可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測量，是各種測量方法中效率最高的。1.2光電檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢通過上面對光電檢測技術(shù)的原理和特點(diǎn)的分析，同時(shí)隨著各國在技術(shù)創(chuàng)新方面的日新月異，光電檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)在：向高精度方向發(fā)展：檢測精度向高精度方向發(fā)展，納米、亞納米高精度的光電檢測新技術(shù)是今后的發(fā)展熱點(diǎn)；向智能化方向發(fā)展：檢測系統(tǒng)向智能化方向發(fā)展，如光電跟蹤與光電掃描測量技術(shù)；向數(shù)字化方向發(fā)展：檢測結(jié)果向數(shù)字化，實(shí)現(xiàn)光電測量與光電控制一體化方向發(fā)展；向多元化方向發(fā)展：光電檢測儀器的檢測功能向綜合性、多參數(shù)、多維測量等多元化方向發(fā)展，并向人們無法觸及的領(lǐng)域發(fā)展，如微空間三維測量技術(shù)和大空間三維測量技術(shù)；向微型化方向發(fā)展：光電檢測儀器所用電子元件及電路向集成化方向發(fā)展，光電檢測系統(tǒng)朝著小型、快速的微型光機(jī)電檢測系統(tǒng)發(fā)展；向自動(dòng)化方向發(fā)展：檢測技術(shù)向自動(dòng)化、非接觸、快速在線測量方向發(fā)展，檢測狀態(tài)向動(dòng)態(tài)測量方向發(fā)展。光電檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢是與科技的整體發(fā)展趨勢相適應(yīng)的，還有一些是自己所特有的，整體上來說，是想著高精度、高速度方向發(fā)展。1.3無損檢測技術(shù)概述無損檢測NDT（Non-destructive testing），就是利用聲、光、磁和電等特性，在不損害或不影響被檢對象使用性能的前提下，檢測被檢對象中是否在缺陷或不均勻性，給出缺陷的大小、位置、性質(zhì)和數(shù)量的所有技術(shù)手段的總稱。NDT是指對材料或工件實(shí)施一種不損害信息，進(jìn)而判定被檢對象所處技術(shù)狀態(tài)，如合格與否、剩余壽命等或不影響其未來使用性能或用途的檢測手段2。通過使用NDT，能發(fā)現(xiàn)材料或工件內(nèi)部和表面所存在的缺陷，能測量工件的幾何特征和尺寸，能測量材料或工件的內(nèi)部組成、結(jié)構(gòu)、物理性能和狀態(tài)等。無損檢測方法可以分為常規(guī)無損檢測方法和非常規(guī)無損檢測方法。常規(guī)無損檢測方法有超聲檢測Uitrasonic Testing，射線檢測 Radiographic Testing，磁粉檢測 Magnetic particle Testing，滲透檢測 Penetrant Testing，渦流檢測 Eddy current Testing；非常規(guī)無損檢測技術(shù)有聲發(fā)射 Acoustic Emission，泄露檢測 Leak Testing，光全息照相 Optical Holography，紅外熱成像，微波檢測 Microwave Testing2。隨著這些年的飛速發(fā)展，無損檢測技術(shù)逐漸由定性檢測向定量檢測方向發(fā)展，在檢測過程中，不僅要探測出缺陷的有無及位置，還要測定出缺陷的類型、尺寸、形狀和取向。通過上面的分析，可以發(fā)現(xiàn)光電檢測技術(shù)和無損檢測技術(shù)的本質(zhì)都是通過傳感器獲取物件的狀態(tài)信息。通過傳感器檢測到的電信號，經(jīng)過后續(xù)的處理，從而得到物件的狀態(tài)信息，確定物件的運(yùn)行狀態(tài)。從這個(gè)層面上判斷，二者應(yīng)該有很大的交集，事實(shí)也是這樣的，光電檢測技術(shù)在無損檢測領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，主要包括紅外成像技術(shù)、機(jī)器視覺技術(shù)和X射線等技術(shù)。2 紅外成像無損檢測技術(shù)2.1紅外成像原理紅外線是介于可見光和微波之間的電磁波，它的波長范圍在0.77-1000um，頻率為3*1011-4*1014Hz。圖2.1表示整個(gè)電磁輻射光譜圖以及紅外線在光譜圖中的位置。在自然界中,任何高于絕對溫度-273。C的物體都是紅外輻射源，具有輻射現(xiàn)象。斯蒂芬-玻爾茲曼定律告訴我們，發(fā)射的紅外線強(qiáng)度為：W= T4其中是灰體發(fā)射系數(shù)，為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，T是物體的絕對溫度。紅外無損檢測是測量通過物體的熱量和熱流的傳遞，當(dāng)物體內(nèi)部存在裂縫或其它缺陷時(shí)，它將改變物體的熱傳導(dǎo)，使物體表面溫度分布出現(xiàn)差異或不均勻變化，利用這些差異或不均勻的變化圖像，可直觀地查出物體的缺陷位置。當(dāng)然具體的熱量輸入方式會(huì)有多種。圖2.2說明了熱量在在無缺陷和有缺陷物體中的分布情況3。 圖2.1 電磁輻射光譜圖 圖2.2 熱量在物體中的分布通過圖2.2可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)物體中存在缺陷時(shí)，熱量穿過物體的量和被物體反射的量都不再是均勻分布的，而從被測物某一點(diǎn)輻射的紅外人射垂直和水平的光學(xué)掃描鏡上，通過垂直及水平掃描鏡聚集到紅外線探測器上，把紅外線能量信號轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過放大器放大及信號處理器處理。經(jīng)過處理的信號反映出被測體表面溫度場的分布的紅外圖像信號，這個(gè)紅外圖像可以直接反映被測物體是否存在質(zhì)量缺陷等問題。紅外成像技術(shù)通常用于檢測金屬或非金屬材料質(zhì)量、探測內(nèi)部缺陷，尤其是對焊接缺陷的檢測，存在其他檢測方法無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。2.2焊接缺陷的檢測機(jī)械設(shè)備中，有些金屬結(jié)構(gòu)件由于焊接等原因質(zhì)量不合格，從而影響了機(jī)械強(qiáng)度和使用壽命，甚至釀成事故。對焊口缺陷的檢測，是保證焊接質(zhì)量的關(guān)鍵，但焊口表面起伏不平，采用射線、超聲波、渦流等方法都難于發(fā)現(xiàn)內(nèi)部的缺陷；而紅外熱成像技術(shù)不受物體表面形狀的限制，能快速、準(zhǔn)確地檢測出焊接區(qū)的各種缺陷。具體的原理已經(jīng)在前面進(jìn)行了詳細(xì)的論述，只是這里的熱源采用的電流發(fā)熱。實(shí)際的焊接區(qū)剖視圖如圖2.3所示4，（a）焊接區(qū)無缺陷，（b）焊接區(qū)有缺陷。若將一交流電壓加在焊接區(qū)的兩端，在焊口上會(huì)有交流電通過，由于電流的集膚效應(yīng)，靠近表面的電流會(huì)比下層大。由于電流的作用，焊口將產(chǎn)生一定的熱量，熱量的大小正比于材料的電阻率和電流密度的平方。在沒有缺陷的焊接區(qū)內(nèi)，電流分布是均勻的，各處產(chǎn)生的熱量大致相等，焊接區(qū)的表面溫度分布是均勻的。而存在缺陷的焊接區(qū)，由于缺陷的電阻很大，使這一區(qū)域損耗增加，溫度升高。通過紅外成像設(shè)備，可以很好的得到紅外圖像，從而準(zhǔn)確地判斷熱點(diǎn)，進(jìn)而斷定存在的焊接缺陷。 圖3.3零件焊接區(qū)剖視圖在檢測焊接缺陷時(shí)通常采用交流電加熱，這樣做的好處是可以通過改變電源的頻率來控制電流的透入深度。低頻電流透入較深，對發(fā)現(xiàn)內(nèi)部缺陷有利；高頻電流集膚效應(yīng)強(qiáng)，表面溫度特性比較明顯。3 機(jī)器視覺技術(shù)與無損檢測3.1機(jī)器視覺技術(shù)概述機(jī)器視覺是就是用機(jī)器代替人眼來做測量和判斷，它在半導(dǎo)體生產(chǎn)、汽車制造、醫(yī)藥包裝等工業(yè)生產(chǎn)過程中得到了廣泛應(yīng)用。在機(jī)器視覺系統(tǒng)中，機(jī)器視覺產(chǎn)品將被攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號，傳輸給圖像處理系統(tǒng)，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號，圖像系統(tǒng)對這些信號進(jìn)行各種運(yùn)算來抽取目標(biāo)特征，從而得到感興趣的目標(biāo)信息。人眼視覺系統(tǒng)的組成如圖3.1所示5。機(jī)器視覺系統(tǒng)與人眼視覺系統(tǒng)的原理相類似，也由信號采集、信號傳輸、信號處理等部分組成，由于機(jī)器視覺系統(tǒng)通常在工業(yè)中得到應(yīng)用，所以在工業(yè)機(jī)器視覺系統(tǒng)中，通常會(huì)包含一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可以得到常用的機(jī)器視覺系統(tǒng)組成如圖3.2所示1。 圖 3.1人眼視覺系統(tǒng) 圖3.2 機(jī)器視覺系統(tǒng)機(jī)器視覺系統(tǒng)最重要的一個(gè)部分是圖像處理與決策模塊，從邏輯上可分為三階段：圖像的預(yù)處理、特征提取、模式識別和理解。圖像的預(yù)處理是將由成像設(shè)備獲得的低質(zhì)量數(shù)字圖像(反差小、模糊、變形等)經(jīng)過噪聲過濾、 平滑處理、 圖像增強(qiáng)等處理變成易于進(jìn)行特征提取等后續(xù)操作的過程。圖像特征提取就是從經(jīng)過底層處理的圖像中提取有利于圖像識別和理解的主要特征量，用有限的特征來描述原始圖像中的目標(biāo), 圖像的特征包括形狀特征、紋理特征、結(jié)構(gòu)特征、顏色特征和分形特征等。特征提取主要方法有區(qū)域分割、邊緣檢測和紋理分析等。3.2機(jī)器視覺技術(shù)在鋼板缺陷監(jiān)測中的應(yīng)用機(jī)器視覺技術(shù)應(yīng)用于鋼板表面缺陷的在線無損檢測起源于80年代初。進(jìn)入90 年代后，基于線陣CCD器件的機(jī)器視覺技術(shù)無疑已成為鋼板表面缺陷在線檢測的主流技術(shù)，其應(yīng)用研究工作方興未艾。圖3.3是一個(gè)實(shí)際的鋼板表面機(jī)器視覺檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，也是目前應(yīng)用比較廣泛的鋼板缺陷檢測系統(tǒng)，主要包括光源及圖像傳感器子系統(tǒng)、數(shù)字信號預(yù)處理子系統(tǒng)、缺陷自動(dòng)分類子系統(tǒng)、圖形顯示子系統(tǒng)、質(zhì)量分析數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)、人機(jī)接口管理子系統(tǒng)等。具體的實(shí)現(xiàn)過程中有如下特點(diǎn)6：1） 采用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字CCD攝像機(jī)及照明光源部件,并在具體技術(shù)指標(biāo)的選擇上留有余量。目前，普遍采用像素為2 0484 096的線陣CCD傳感單元，照明光源根據(jù)具體待檢鋼板的表面形態(tài)，可采用高強(qiáng)度熒光燈、陣列鎢燈或光纖光源等。2） 通過采用標(biāo)準(zhǔn)化總線結(jié)構(gòu)和模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)，使系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)通用、功能靈活、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、改進(jìn)和升級十分方便。3） 低層視覺計(jì)算任務(wù)如平滑、增強(qiáng)、分割和描述等交由專用處理部件完成，目前的研究趨勢是采用高速 DSP器件作為處理部件，來完成圖像的簡單處理。4） 人們嘗試了各種基于符號系統(tǒng)模仿人類智能的傳統(tǒng)人工智能方法(如機(jī)器學(xué)習(xí))和從生物系統(tǒng)底層模擬智能的方法，以解決復(fù)雜的鋼板表面缺陷的自動(dòng)分類和識別問題。但現(xiàn)有的缺陷自動(dòng)分類器僅僅對某些具體的應(yīng)用背景及特定類型的缺陷顯示出其有效性。 圖3.3 鋼板表面機(jī)器視覺檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖1、圖像傳感器 2、操作員監(jiān)視器 3、數(shù)字信號預(yù)處理 4、缺陷自動(dòng)分類器 5、圖形顯示子系統(tǒng) 6、系統(tǒng)主控模塊 7、數(shù)據(jù)分析模塊 8、圖像管理子系統(tǒng) 9、人機(jī)接口部件 10、網(wǎng)絡(luò)接口部件 11、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng) 12、質(zhì)量控制計(jì)算機(jī)總體上說，鋼板表面缺陷機(jī)器視覺檢測系統(tǒng)是一個(gè)典型的機(jī)器視覺系統(tǒng)，它收集鋼板表面的圖像信息，通過對這些圖像信息進(jìn)行處理，提取出這些圖像中包含的具體信息，通過這些具體信息來判斷鋼板表面的缺陷狀況，這是光電檢測技術(shù)在無損檢測中又一應(yīng)用。4 X射線無損檢測4.1 X射線檢測原理X射線是一種類似于光、熱和無線電波的電磁輻射波，它的特點(diǎn)是波長短(工業(yè)X射線探傷中常用的波長范圍約在0.1-0.001 nm之間)。由于輻射物質(zhì)的波長越短，它穿透物質(zhì)的能力也愈大，所以X射線具有極大的穿透物質(zhì)的能力，正是利用這一特性進(jìn)行X射線檢測。圖4.1是一種常見的X射線檢測系統(tǒng)的系統(tǒng)構(gòu)造圖，X射線照射到物件上，由于它有極強(qiáng)的穿透能力，所以在下方的探測器可以檢測到穿過物件的X射線，通常會(huì)形成一幅圖像，其圖像灰度值與材料、厚度和內(nèi)部結(jié)構(gòu)密切相關(guān)7。正是由于通過圖像分析可以得到缺陷的具體形式，從而X射線在物價(jià)的內(nèi)部探傷中得到了廣泛的應(yīng)用。 圖4.1 X射線檢測4.1 X射線檢測在鑄件缺陷檢測中的應(yīng)用由于鑄造方法具有成本低廉、一次成形以及可以制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)大型件等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的眾多領(lǐng)域，特別是汽車制造業(yè)。在航空航天制造業(yè)中，很多部件也是鑄件。為保證產(chǎn)品質(zhì)量及節(jié)省成本，在生產(chǎn)流程的早期階段及時(shí)檢測出缺陷是很必要的。無損檢測由于可避免材料浪費(fèi)和提高生產(chǎn)效率，成為鑄件缺陷檢測的首選方法。到目前為止，研究最多且比較有效的方法包括超聲波探傷法、X射線透照法和射線層析攝影法。隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大和質(zhì)量檢測標(biāo)準(zhǔn)的提高，對射線檢測設(shè)備及相關(guān)技術(shù)的要求也越來越高。對于 X 射線檢測，新的研究重點(diǎn)在于不斷提高X 射線圖像的獲取技術(shù)，以及發(fā)展現(xiàn)代計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)，以使檢測過程在高速和真正完全自動(dòng)化的模式下進(jìn)行。一種常用的X射線檢測技術(shù)在鑄件缺陷檢測中的應(yīng)用是X射線圖像自動(dòng)缺陷檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)由四個(gè)部分組成8：試件支撐系統(tǒng)；X射線產(chǎn)生裝置；將X射線 能量轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器和圖像處理器。由于X射線得到的圖像的特殊性，相應(yīng)的獲取圖像的傳感器也有所不同，主要有兩種：一種是基于非定晶硅或硒傳感器陣列的平柵格；另一種則是基于線性二極管的陣列。圖4.2是通過X射線檢測技術(shù)獲取的鑄件圖片。 圖4.2 通過X射線檢測技術(shù)獲取的鑄件圖片通過圖4.2中的圖片，經(jīng)過后續(xù)的圖像處理，就可以得到鑄件中缺陷類型、位置和大小。X射線檢測系統(tǒng)也是一種機(jī)器視覺系統(tǒng)，只是成像的方式發(fā)生了改變，不再是通過簡單的光學(xué)成像來獲取缺陷的圖像，而是選擇新的成像方式，讓一些隱藏在物件內(nèi)部的缺陷也暴露出來。5 結(jié)束語在本文中簡單介紹了光電檢測技術(shù)在機(jī)械零部件無損檢測中的應(yīng)用，包括紅外成像技術(shù)、機(jī)器視覺技術(shù)和X射