管道內壁疵病檢測裝置研究設計論文

管道內壁疵病檢測裝置TheDeviceforDetectingFlawontheInnerWallofPiper姓名:楊剛班級:0722338指導教師:王金波目錄第一章緒論 11.1引言 11.2檢測技術要求 2第二章檢測儀的原理及方案選擇 32.1檢測儀的方案選擇 32.2檢測儀的工作原理 6第三章牽引車的結構設計和方案設計 83.1牽引車的總體結構 83.2電機的選擇 93.3蝸輪,蝸桿傳動系統(tǒng)的設計 103.4齒輪傳動部分方案的選擇 143.5滾輪壓簧設計 19第四章光電探頭的設計 254.1光電部分的總體設計 254.2光電探頭結構方案選擇 254.3光電探頭的光學系統(tǒng)設計 264.4CCD的基本原理及特性 274.5光電接受器件CCD的選擇 294.6掃描電機的選擇 30第五章 微機控制與圖象處理系統(tǒng) 315.1微機硬件系統(tǒng)設計 315.2計算機軟件系統(tǒng)設計 32結論 35結束語 36致謝 37參考文獻 38摘要本文介紹了一種用于提取管道內表面疵病信息的方法和裝置,該裝置利用光學系統(tǒng)和CCD器件提取管道內表面疵病信息,由計算機完成表面疵病信息的圖象處理識別分類。論述了該裝置的設計思想與實施要點。該裝置主要用于各種細長鋼管內壁質量的實時自動檢測,能實現輸入信息的數字轉換、圖象處理、識別分類和輸出顯示等功能。論文對該裝置的各個部分進行了詳細的論述,其中主要對機械部分以及光學探頭兩個方面進行了詳細的介紹。在機械部分中,主要對蝸輪蝸桿傳動符、齒輪傳動系統(tǒng)、彈簧的強度校核這三個方面進行了設計。在光學探頭部分中主要對電機的選用,CCD器件和光路這三個方面進行了介紹。在電機的選用中,對電機的各方面參數進行了計算,同時,也給出了電機的一些基本參數。在CCD器件的選用中,對CCD器件的原理和部分特性進行了介紹。在對光學系統(tǒng)設計中,給出了具體的光路圖和光學元件。關鍵詞:內表面疵病光學探頭CCD圖象處理ABSTRACTAmethodanddeviceforextractingtheinformationofflawsfromtheinnerwallsofpipesarepresentedinthispaper,thedevicegetsfaultworkofconductinnerfacebyopticalsystemandCCDparts,classifyingtheinformationoffaultworkwiththeimagingprocessingofcomputer,anddescribes.ThedeviceisPrimarilyusedforreal?timeautomaticinspectingqualitytotheinnerwallsofthelongandthinsteelpipes.Itcanperformanumberoffundamentalfunctionwhichincludedigitalchangesofinputinformation,imageprocessing,recognitionclassificationandoutputdisplayThispaperstateseachsectionofthedeviceindetail,emphasizingonthemechanicalpartandopticalprobe.Inmechanicalpart,itintroducestheessentialtheoryandfeatureofthreesides:wormandwormwheelsystem,geardrivesystemandstrengthrecheckingofspring.Alsodoesitservetheaccuratecalculatingontheaccessoryofthesethreesides.Inopticalprobepart,itprovestheselectionofelectricmachinery,CCDpartsandopticalpath.Calculatingandservingtheparameterofelectricmachineryisthemainbodyinthepartofselectionofelectricmachinery.NarratingthetheoryandpartialfeatureoftheCCDpartsisthecoreinthepartofCCDparts.Showingtheconcretegraphandthetendencyofopticalpathisthenuclearinthelastpart.Keywords:DetectingflawontheinnerwallOpticalprobeCCDImageprocessing第一章緒論1.1引言近年來,隨著我國石油與化學工業(yè)管道施工技術的發(fā)展,對鋼管內防腐表面處理質量的檢測及其可靠性提出了越來越高的要求。傳統(tǒng)的用人眼主觀檢測鋼管內表面質量的方法已經無法保證管道內防腐表面處理質量,而且檢測效率低,可靠性差,檢測時需鋸斷大量的優(yōu)質鋼管,故檢測費用較高。管道內表面質量的檢測成為困擾石化工業(yè)管道施工技術發(fā)展的一大難題。然而利用本文所述的管道內表面質量光電檢測儀卻可以很好的解決這一問題。使用本文所述儀器在保證被檢鋼管完整的前提下,由專門的光電裝置自行進入被檢鋼管內部,多處提取被檢鋼管內表面的光信息,最后以電信號形式將所提取的信息送入計算機處理系統(tǒng),由該系統(tǒng)給出檢測結果。應用這種儀器可以檢測內徑5n至100mm,長度18m的各種鋼管內表面除銹后的質量;這種檢測具有無損、省時,省力、檢測結果可靠等特點。本文主要介紹這種光電檢測儀的工作原理與組成以及光電系統(tǒng)的設計。該檢測儀由光電測頭和牽引車等兩部分構成。儀器工作時首先由牽引車帶動光電測頭在被檢鋼管內移動;每前進0.5m或lm后,牽引車制動。光電測頭此時由步進電機帶動,低速旋轉90°,在鋼管內表面90°范圍內掃描。光電測頭內的白熾燈照射到鋼管內表面上,帶有內表面質量信息的反射光,經棱鏡反射入物鏡并成像在CCD上,然后由CCD把反映鋼管內表面錨紋度和殘余銹斑狀況的光信息轉變?yōu)殡娦畔?通過電纜傳送至計算機系統(tǒng),經微機處理,由適當的軟件對鋼管內表面錨紋度圖像信息進行分類識別錨紋度的等級標準已存儲在微機內,最后由打印機把鋼管內表面的錨紋度和殘余銹斑的數字化圖像可由微機屏幕實時顯示。本文所述的光電檢測儀樣機已在大慶油田應用。這種光電檢測儀對于保證與提高管道內防腐表面處理質量,延長鋼管使用壽命,提高管道防腐技術水平與降低管道施工成本有重要意義。在石油和化學工業(yè)中有著廣闊的應用前景。如果對其軟件系統(tǒng)作適當開發(fā),在鋼鐵工業(yè)和塑料工業(yè)中對鋼管和塑料管內表面質量進行檢測也將是可行的。1.2檢測技術要求1.檢測管道規(guī)格:直徑60,長度10m;2.牽引車速大于2m/分。儀器每隔1米取樣一次。3.檢測儀能將被測鋼管內壁粗糙度區(qū)分出A,AB,B,BC,C五個等級。4.計算機屏幕實時顯示鋼管內壁數字化圖象,打印記錄內壁粗糙度級別和位置。第二章檢測儀的原理及方案選擇2.1檢測儀的方案選擇(1).管道中的損傷一般將損傷分為直接損傷和間接損傷。直接損傷與管壁本身有關,這類損傷對管道系統(tǒng)有直接的影響,比如腐蝕、裂紋或鑿縫等;間接損傷是指材料或系統(tǒng)可能有破壞或故障,而且這類損傷會隨著時間的推移而引起直接損傷,比如陰極保護失效、內外防腐層破壞。管道的損傷又可分為幾何變形、金屬損耗、裂紋或類似裂紋的損傷。(2).管道裂紋許多研究已經發(fā)現管道裂紋的形成、發(fā)展及避免的方法。核能和航天工業(yè)已經廣泛應用斷裂力學進行研究。例如,作用于液體管道的循環(huán)載荷就可能導致斷裂或疲勞腐蝕;當金屬所受應力強度超過其本身能承受的強度時,應力腐蝕裂紋就會產生,影響應力腐蝕裂紋SCC敏感度的參數包括管壁的應力狀態(tài)、管材特性、管道的周邊環(huán)境包括覆蓋層、土壤特性等。為了保證輸送管道、尤其是高壓輸氣管道的安全,研究裂紋生長規(guī)律是至關重要的。在管道所受應力中,環(huán)向應力是最關鍵的,由于環(huán)向應力的作用,任何裂紋繼而都會向縱向,即軸向發(fā)展。當然也有例外,如在管道環(huán)縫焊接處可能會發(fā)生環(huán)向應力腐蝕裂紋。運行管道產生的裂紋可分為病勞裂紋、應力腐蝕裂紋接近中性或高pH值的應力腐蝕裂紋、氫脆裂紋、硫化氫應力腐蝕裂紋、焊接熱效應區(qū)裂紋。這些裂紋不僅可出現在縱向焊縫、熱效應區(qū)HAZ上,還會出現在管材上。氫脆裂紋通常出現在酸性環(huán)境中。氫原子通過擴散進人材質后,在材質的空穴中重新組合形成分子并引起內部壓力的增加。由于材質的脆性和空穴或裂紋各端受到了三向應力,裂紋發(fā)生延伸。由于這種裂紋平行于管道,因此可被具有最小側量范圍的超聲波腐蝕檢測儀檢測出。但由于超聲波束方向平行于徑向裂紋,因此不能檢測到徑向氫脆裂紋,只能通過推導得出。裂紋可由其他損傷引起,如凹痕、劃痕等。雖然裂紋的研究非常復雜,但無論是宏觀地研究如斷裂力學,還是微觀的研究如冶金學、位移理論,都是非常有意義的。材料缺陷除裂紋之外還有分層,這種缺陷通常出現在無縫鋼管中。通過透視檢驗可以看出這種位于管壁中的缺陷類似于裂紋。管壁分層是在管道預制過程產生的,它是裂紋的一種。由于分層通常與管道表面平行,如與環(huán)應力平行,因此一般觀點認為管道分層沒有多大影響,也就是說它不會造成管道的破壞。但是如果這種分層與管道表面不平行,或者分層伸入環(huán)向焊縫,那么情況就不一樣了。對于前者,分層會穿透到管壁面形成裂紋;后者,分層能與其他管壁損傷相互作用而破壞管道。概括起來,管道裂紋的幾何形狀主要有:(a).管壁內外表面上向縱向發(fā)展的徑向裂紋常出現在縱向焊接的熱效應區(qū)HAZ上,其中也包括應力腐蝕裂紋scc。(b).管壁內外表面土向切向發(fā)展的徑向裂紋常出現在管道承受彎曲載荷的環(huán)向焊縫處。(c).圓周方向上的不同幾何尺寸的內裂紋。在輸送酸性氣體管道中由于氫的滲透而逐步發(fā)展的裂紋。2.1.2.管道內表面質量的檢測方法隨著無損探傷技術的發(fā)展及市場上各類型檢測儀的增加,要準確地選擇滿足特定檢測需求的檢測儀變得越來越困難,尤其是不同類型檢測儀的部分檢測功能的重疊更增加了選型的難度。比如,金屬損耗檢測儀可以檢測一定類型的裂紋,而裂紋檢測儀也可依據一定的檢測條件分辨出壓痕和其他的幾何變形。裂紋檢測的問題在于沒有一種設備可以準確檢測出各種類型的裂紋及其幾何尺寸。例如,目前市場上可以購到的超聲波無損探傷儀只能檢測管壁和焊縫的包括應力腐蝕的縱向裂紋。如需檢測管道環(huán)縫焊接處潛在的徑向裂紋,就需調整傳感器位置,使超聲波可檢測不同方向的裂紋。一個不規(guī)則裂紋或損傷的幾何形狀就需要采用不同類型的檢測儀進行檢測。(1).超聲波檢測儀目前,市場上有多種利用超聲波檢測技術檢測裂紋的檢測儀。其中有2種專門用于裂紋檢測,其他的既可以用于檢測金屬損耗,也可用于檢測和定位特定幾何形狀的裂紋。(2).彈性波檢測儀最初,在線檢測儀主要用于金屬損耗的檢測和確定其尺寸,如漏磁檢測儀是19世紀80年代初期智能清管器采用的惟一儀器。但是很快就發(fā)現這種技術并不是最佳的測量管道二維縱向損傷如應力腐蝕和疲勞裂紋的技術。另一方面,超聲波檢測技術是最適合于材料缺陷檢測的技術。所以,英國天然氣公司利用超聲波技術開發(fā)裂紋檢測儀,這種技術同樣可用于氣體管道。該方法主要創(chuàng)新在于利用輪式探測儀屏蔽超聲波傳感器。在發(fā)展過程中,這種儀器所面臨的主要問題是數據的處理。在裂紋檢測過程中,所產生的數據遠遠超過任何類型的金屬損耗檢測數據。經過對這些數據的處理以完成真假缺陷的判定、真裂紋與類似裂紋缺陷的區(qū)分以及確定裂紋的尺寸和位置等。(3).斜射法超聲波探傷儀或超聲波探傷儀利用斜射法的超聲波探傷儀于19世紀90年代引人市場。這種儀器不僅可應用于應力腐蝕裂紋的檢測,還可用于檢測發(fā)生于基材和較長焊縫上的裂紋。通過觀察管壁上超聲波傳感器的排列就可判斷出裂紋。傳感器在管壁內成一定角度安裝以保證管壁內的超聲波束在45。范圍內傳播,能完成這種功能的排列為最優(yōu)排列方式。其傳感器利用聲波反射原理工作。根據儀器的尺寸,一個超聲波探傷儀大致需要1024個以上的超聲波傳感器。這種儀器可測量的最小值是長度為30mm,深度為1mm的裂紋。實踐證明其性能極為優(yōu)良,大量數據證實其在長度上的檢測精度達到100%,深度上的精度超過85%標準設置的超聲波探傷儀用來檢測軸向裂紋,即檢測管道縱向裂紋無論其位于內表面、外表面或壁內部。通過調整傳感器位置,將其旋轉90°,探傷儀就可檢測環(huán)向裂紋。2.2檢測儀的工作原理2.2.1檢測儀的總體結構這種光電檢測裝置由牽引車、光電測頭和微機控制與圖象處理系統(tǒng)等三個主要部分組成;以CCD作為傳感器,使用IBMPC/AT286作為主控系統(tǒng)。其結構原理如圖1所示。圖2-1檢測儀的結構原理圖2.2.2檢測儀的工作過程光電檢測裝置工作時,首先由牽引車1帶動光電測頭在被檢測鋼管內移動;每前進一定距離后、牽引車制動。然后,光電測頭由步進電動機2驅動開始旋轉,在鋼管內壁90。范圍內掃描。此時,光電測頭內的白熾燈3發(fā)出的光透過探測窗7照射到被檢測鋼管的內表面上,帶有鋼管內壁疵病信息的反射光經探測窗7和反射棱鏡4進人物鏡5,并成象在探測器件CCD6上。然后由CCD把反映鋼管內壁疵病的光信息變?yōu)殡娦盘?通過電纜l0和接口電路送入微機控制與圖象處理系統(tǒng),由適當的軟件對鋼管內壁疵病的數字化圖象信息進行識別分類;最后由打印機把被檢測鋼管內壁疵病的等級打印出來。第三章牽引車的結構設計和方案設計牽引車的總體結構如圖2所示。其主體部分由支撐輪、牽引車外殼、蝸輪蝸桿系統(tǒng)、直齒傳動系統(tǒng)、直流電機等,幾部分組成。牽引車運動時,由直溜電機作為力源,帶動直齒轉動,直齒與蝸桿連接。通過蝸輪蝸桿系統(tǒng),將橫向傳動轉換為縱向運動,從而使小車運動起來。在小車的總體設計時,首先要考慮電機的性能參數,如:功率、力矩、轉速、外行尺寸等。然后,要對直齒輪傳動系統(tǒng)和蝸輪蝸桿系統(tǒng)進行計算。由于再本次設計中,對儀器的外行尺寸要求的較小,所以在第二步計算中可以不考慮強度方面的計算,但要給出對外行尺寸的精確計算。最后,要對支撐輪中的彈簧進行強度計算。在牽引車的結構總體設計中,要充分考慮到裝配時孔軸之間的配合關系。還要考慮到牽引車的外行設計時,要注意到外殼的工藝問題。主要是要注意,在棱角部位的圓角和倒角的設計。還要考慮螺釘孔的位置問題,一定要把螺釘孔開在便于裝配的位置上。最后,應該考慮到牽引車的內部零件的裝配問題,在外殼的設計中,應注意開口位置是否合理,大小是否合適,盡量使儀器在安裝時可以作到方便、快潔。在設計的最后階段,要注意到直齒的軸線與蝸桿軸線的同軸度是否良好,只有當直齒的軸線與蝸桿軸線之間具有良好的同軸度,才能使牽引車在運動時具有良好的穩(wěn)定性。圖3-1牽引車的總體結構圖16螺釘17.車體端蓋18.電機座3.2電機的選擇根據牽引車的總體外行尺寸,設計中取牽引車總重1kg。車輪外緣的橡膠包裹用以增大牽引車與管道內壁的摩擦系數,設計中取0.6。車輪半徑為18mm。光學部分的總重取1kg,0.3。電纜0.2kg,0.3。計算儀器總摩擦力矩:根據電機力距大小,同時考慮牽引車的總體尺寸,決定定做一個微型電機。電機參數如下:轉速:1200r/min轉距:129kgcm]圖3-2電機圖確定爬行速度2m/min左右,確定車輪半徑r18mm所以總傳動比分配傳動比:分給蝸輪,蝸桿的傳動比60。則分配給齒輪系統(tǒng)的傳動比。3.3蝸輪,蝸桿傳動符的設計蝸桿傳動圖3-3常用于傳遞空間兩交錯軸不平行又不相交間的運動和功率,兩軸的軸交角一般為90°。通常是蝸桿1為主動件,蝸輪2作主動件的情況很少。蝸桿傳動廣泛地用于各種機械和儀器中,它具有下列優(yōu)點:l一級傳動就可以得到很大的傳動比,在動力傳動中,一般i7~80,在分度機構中可達500以上;2工作平穩(wěn)無噪聲;3可以自鎖,這對于某些設備是很有意義的。缺點是:1傳動效率低,自鎖蝸桿傳動的效率低干50%;(2)因效率低,發(fā)熱大,故不適用于功率過大一般不超過100KW長期連續(xù)工作處;3需要比較貴重的青銅制造蝸輪齒圈。根據蝸桿的形狀,蝸桿傳動可分為圓柱蝸桿傳動(圖3-3)和環(huán)面蝸桿傳動舊稱球面蝸桿傳動,圖3-4兩種。圓柱蝸桿由于制造簡單,所以在機械傳動中廣泛應用。環(huán)面蝸桿傳動的潤滑條件較好,效率高,但制造較難,多用于大功率傳動。圖3-3圖3-43.3.2蝸輪、蝸桿的設計參考《儀器儀表設計手冊》,蝸輪,蝸桿設計中選取模數m0.5,蝸桿頭數,分度圓直徑,蝸輪齒數,則:(1)蝸桿參數的確定圖3-5蝸桿零件圖齒距:。中心距:。齒型角:。蝸桿導程:。齒頂圓直徑:。齒根圓直徑:。分度圓柱上的螺旋導角:,3°34′34〃。蝸桿長:。齒高:。(2)蝸輪參數的確定:圖3-6蝸輪零件圖分度圓直徑:。齒頂圓直徑:。齒高:。齒根圓直徑:。輪側切面中心角之半:147°1′32〃齒面曲率半徑:。齒根寬:。蝸輪寬:。輪緣外徑:。3.4齒輪傳動部分方案的選擇3.4.1齒輪傳動的應用和種類齒輪傳動是近代機械制造中用得最多的傳動形式之一。和其他傳動形式比較,它具有下列優(yōu)點:1能保證傳動比恒定不變;2適用的載荷與速度范圍很廣,傳遞的功率可由很小到幾萬千瓦,圓周速度可達150m/s(3)結構緊湊;4效率高,一般效率0.94~0.99;5工作可靠且壽命長。其主要缺點是:1對制造及安裝精度要求較高;2當兩軸間距離較大時,.采用齒輪傳動較笨重。近年來,由于齒輪制造技術的迅速發(fā)展,加工精度的不斷提高,齒輪的應用范圍更加擴大,因此,齒輪在機械制造業(yè)中的重要性就更為顯著。齒輪的分類方法很多,為了便于研究其傳動原理和設計,可按下述幾種法分類。按照兩輪軸的相對位置可以分為:l圓柱齒輪傳動它用于平行軸間的傳動。按照輪齒和輪軸的相對位置,圓柱齒輪又可分為直齒圓往齒輪圖3-7、斜齒圓柱齒輪圖3-8a及人字齒輪圖3-8b。此外,按照輪齒排列在圓往體的外表面、內表面或平板上,它又可分為外齒輪圖3-7、內齒輪圖3-9及齒條圖3-10。圖3-7圖3-8圖3-9圖3-102錐齒輪傳動它用于相交軸間的傳動。錐齒輪也分為直齒圖3-11、斜齒和弧齒錐齒輪。3交錯軸斜齒輪傳動它用于空間既不平行又不相交的兩交錯軸間的傳動圖3-12。交錯軸斜齒輪傳動只能傳遞小功率,一般用于傳遞運動。圖3-11圖3-12圖3-134蝸桿傳動它用于交錯軸間的傳動圖3-13。兩軸交錯角通常為9O°按照齒輪傳動的工作情況叮以分為:l開式齒輪傳動齒輪是外露的,灰塵等容易落人,只能定期添加潤滑劑潤滑,所以輪齒易磨損,多用于低速傳動。2閉式齒輪傳動齒輪全部裝在潤滑良好的密封剛性箱體內,所以潤滑條件好,裝配易精確,多用于重要的傳動。按照齒輪的圓周速度可以分為:l低速傳動,圓周速度v<3m/s;2中速傳動,v3~15m/s;3高速傳動,t>15m/s。3.4.2齒輪嚙合的基本定律齒輪傳動最基本的要求是其瞬時角速比或稱傳動比必須恒定不變。否則當主動輪以等角速度回轉時,從動輪的角速度為變數,因而產生慣性力,影響輪齒的強度,使其過早破壞,同時也引起振動,影響其工作精度?，F討論齒廓的形狀符合什么條件,才能保證齒輪傳動的瞬時角速比為常數的問題。圖3-14所示為兩嚙合齒輪的齒廓和在K點接觸的情形。設兩輪的角速度分別為和,則齒廓上K點的速度;齒廓上K點速度。過K點作兩齒廓的公法線NN與連心線交于P點,為了保證兩輪連續(xù)和平穩(wěn)的運動,和在NN上的分速度應相等。過作NN平行線,并與的延長線交于Z點。因△Kab與△的三邊互相垂直,故△Kab∽△KZ,因而(3-1)(3-2)即(3-3)又因在△中‖,故(3-4)因而得(3-5)上式說明兩輪的角速度與連心線被齒廓在接觸點處的公法線所分得的兩線段成反比。由此可見,要使兩輪的角速度比恒定不變,則應該使恒為常數。但因兩輪的軸心及為定點,及為定長,故欲滿足上述要求,必須使P成為連心線上的一個固定點。此固定點P成為節(jié)點。因此,欲使齒輪傳動得到定傳動比,齒廓的形狀必須符合下列條件:不論輪齒齒廓在任何位置接觸,過接觸點所作齒廓的公法線均須通過節(jié)點P。這就是齒廓嚙合的基本定律。理論上,符合上述條件的齒廓曲線有無窮多,但齒廓曲線的選擇還應考慮制造、安裝等要求。工程上通用的齒廓曲線多為漸開線、擺線和圓弧。由于漸開線齒廓易于制造,故大多數的齒輪都是用漸開線作為齒廓曲線的,擺線齒輪僅用于儀表中。如圖9-8所示,分別以和為圓心及及為半徑作兩個圓,并由式(3-1)可得(3-6)即通過節(jié)點的兩圓具有相同的圓周速度,它們之間作純滾動,這兩圓稱為齒輪的節(jié)圓。圖3-14根據設計任務,要求整個系統(tǒng)應體積小,既能在50的鋼管內壁內自由出入;牽引車的速度應大于2米/分,并有一定牽引力。因此,選用電動機作為儀器運動的力源。其傳動任務結構可能有兩種方案:(1).利用錐齒輪付傳動。這種方案的優(yōu)點是傳動平穩(wěn),可靠,傳動效率高。缺點是工藝較復雜,制造費用高。(2).采用螺旋齒輪付傳動。這種方案的優(yōu)點是傳動鏈短,體積小,制造簡單,工藝流程短,制造費用小?？朔说谝环桨钢圃熨M用高的缺點,因此是被選用的方案。圖3-15直齒圓柱齒輪傳動取模數,齒數,,則:壓力角:。分度圓直徑:。齒頂高:。齒根高:。齒全高:。頂隙:。齒頂圓直徑:,。齒根圓直徑:,。基圓直徑:。齒距:。齒厚:。標準中心距:。齒寬:。3.5滾輪壓簧設計彈簧是一種彈性元件,它廣泛應用在各種機器中。和多數零件的要求相反,彈簧要求剛性小、彈性高,受外力后能有相當大的變形,而隨著載荷的卸除,變形消失,能恢復原狀。彈簧的功用有:(1)緩沖及減振,例如車輛彈簧.,各種緩沖器或彈性聯軸器中的彈簧(2)控制機構的運動或零件的位置,例如凸輪機構、摩擦輪機構、離合器、閥門以及各種調速器中所用的彈簧;(3)貯存能量,例如鐘表、儀器中的彈簧;(4)測量力和轉矩,例如彈簧秤及發(fā)動機示功器中所用的彈簧等。圖3-16彈簧的類型很多,根據外形來分,彈簧主要有板彈簧和螺旋彈簧兩種。板彈簧是由幾片寬度相同長度不同的彈簧鋼板疊合而成,如圖(3-16)所示。螺旋彈簧是用金屬絲按螺旋線卷繞而成。由于用圓截面金屬絲繞成圓柱形的螺旋彈簧制造簡便,因此它在機器中應用最廣,如圖3-17、3-18和3-19所示。根據所承受的載荷類別不同螺旋彈簧可分為:(1)拉伸彈簧(圖3-17)用來承受軸向拉力;(2)壓縮彈簧(圖3-18)用來承受軸向壓力;3扭轉彈簧(圖3-19)用來承受轉矩。圖3-17圖3-18拉伸彈簧的末端形狀要根據裝配情況而定,如圖3-17所示為幾種常用的結構,其中圖3-17b、c所示的結構較好,其末端的彈簧絲不至于如圖3-17a所示那樣因彎扭而降低其強度,但成本較高。圖3-19圖17所示為壓縮彈簧的典型端部結構,其中圖17a所示的端部不磨平,但兩端各有~圈并緊,使彈簧站得平直,這幾圈不參預工作變形,稱為支承圈又稱死圈。重要用途的壓縮彈簧端部結構應如圖17b所示,它不僅有支承圈,并且末端磨平。圖3-19所示為扭轉彈簧兩端用以傳遞轉矩的兒種掛鉤形式。3.5.2彈簧的制造、材料和許用應力(1).彈簧的制造螺旋彈簧的制造過程包括:卷繞、兩端面加工指壓縮彈簧或掛鉤的制作指拉伸彈簧和扭轉彈簧,熱處理和工藝性試驗等。大量生產時,卷繞工作在自動機床上進行;小批生產則常在普通車床上或者用手工卷繞器在心軸上卷制。彈簧的卷繞方法可以分冷卷和熱卷。當彈簧絲直徑小于或等于8mm時常用冷卷方法。冷卷時將預先熱處理好的材料在常溫下卷成,一般不再淬火,只加以低溫回火消除內應力。彈簧絲直徑較大而彈簧直徑較小的彈簧則常用熱卷,卷成后必須進行淬火與回火處理。彈簧在卷繞和熱處理后要進行表面檢驗及工藝性試驗來鑒定彈簧的質量。彈簧制成后如再進行特殊處理如強壓處理或噴丸處理,可以提高彈簧的承載能力和疲勞壽命。(2).彈簧的材料彈簧在機器中常起著重要的作用,常承受交變載荷和沖擊載荷,所以對彈簧的材料提出較高的要求,一般應具有高的彈性極限、疲勞極限、一定的沖擊韌性、塑性和良好的熱處理性能等。常用的彈簧材料有優(yōu)質碳素鋼、合金鋼、不銹鋼和有色金屬合金。碳素彈簧鋼價廉又易于獲得,故應用最廣,如65、70、85等碳素彈簧鋼,經熱處理后力學性能較好,但當彈簧絲直徑大于12mm時,不易淬透,故僅適用于制造小尺寸的彈簧。承受變載荷和沖擊載荷的彈簧應采用合金彈簧鋼,常用的有硅錳鋼和鉻釩鋼等,但價格較貴。在潮濕、酸性或其他腐蝕性介質中工作的彈簧,宜采用有色金屬合金,如硅青銅、錫青銅等。也還有用工程朔料制造彈簧。表3-1碳素彈簧鋼絲的抗拉強度(Mpa)注:B級適用于低應力彈簧;C級適用于等應力彈簧;D級適用于直徑范圍為6mm以下的高應力彈簧。選擇彈簧材料時應充分考慮彈簧的工作條件載荷的大小及性質,工作溫度和周圍介質的情況、功用、重要性和經濟性等因素。一般應優(yōu)先采用碳素彈簧鋼絲。(3).彈笠的許用應力影響彈簧許用應力的因素很多,除了材料種類外,還有材料質量、熱處理方法、載荷性質、彈簧的一「作條件和重要程度以及彈簧絲的直徑等。通常,按載荷性質彈簧可分為三類:Ⅰ類------受變載荷作用次數在次以上或很重要的彈簧,如內燃機氣門彈簧、電磁閘瓦制動器彈簧;Ⅱ類-----受變載荷作用次數在~次及受沖擊載荷的彈簧,如調速器彈簧、一般車輛彈簧;Ⅲ類------受變載荷作用次數在次以下的,即基本上受靜載荷的彈簧,如一般安全閥門彈簧、摩擦式安全離合器彈簧等。3.5.3強度計算:最大工作負荷:。工作行程:。選取材料為65Mn。(1).由《光學儀器設計手冊》表T-6查得所以允許極限負荷則最小工作負荷~彈簧設計取(2).查表7-9進行初選(3).彈簧鋼度(4).彈簧壓數(5).實際鋼度(6).最小工作負荷(7).端部結構選為:并緊摩平?？側?8).自由高度(9).最大工作負荷下的變形量(10).最小工作負荷下的變形量(11).最大工作負荷下的高度(12).最小工作負荷下的高度(13).彈簧展開長度第四章光電探頭的設計4.1光電部分的總體設計4.1.1光電部分的構成圖4-14.1.2光電部分的工作過程如上圖所示為,光電部分的總體結構圖。光電部分在進行測量時,由步進電機帶動光電探頭進行旋轉。光源發(fā)出光線打到反射棱鏡上,光線經過棱鏡照射到管壁上,然后管壁反射回來的光線又經過反射棱鏡,最后照射到CCD攝相頭上。4.2光電探頭結構方案選擇管道內表面經噴沙處理后,形成的粗糙度是分段均勻的,既鋼管的噴沙端口最粗糙,中部較細,末端最細。因為是強力噴沙,所以管道內表面粗糙度再同一斷面是均勻的。因此,我們有三種設計思想:(1).光電探頭旋轉掃描360°,其特點是取樣概率大,準確度高,但由于旋轉一周掃描給掃描信號電纜的處理帶來了困難,在實際應用中即復雜又不經濟,且各斷面粗糙度基本均勻,不必要360°的旋轉。(2).光電探頭旋轉掃描90°,即牽引車一次制動時,光電探頭向一個方向旋轉90°,在下一次制動時光電探頭再向相反方向旋轉掃描90°,以此類推來實現對整個管道內壁的完整測量,其優(yōu)點可避免360°掃描電纜帶來的弊端,而且取樣概率可以較好的滿足設計要求。(3).光電探頭進行45°掃描,其中優(yōu)點是可以消除電纜纏繞的影響,掃描概率滿足要求,但電機反轉次數多且每次制動后掃描時間長,工作效率底。經比較,選擇第二種方案。根據技術要求設計儀器。4.3光電探頭的光學系統(tǒng)設計4.3.1光學系統(tǒng)的結構圖4-2光學原理圖4.3.2光學系統(tǒng)的工作過程光學系統(tǒng)原理如上圖所示,光源發(fā)出的光經直角反射棱鏡反射至鋼管表面,鋼管表面反射的光信息經直角反射棱鏡后打在CCD攝相頭上,CCD攝相頭把反映鋼管內表面質量的光信號轉變?yōu)殡娦盘?傳遞到計算機系統(tǒng)。經微機處理,由適當的軟件對圖象信息進行分類識別,最后由打印機打印出。被測鋼管內表面的粗糙度可以由微機屏幕適時顯示出來。在光電探頭中的反射棱鏡也可以選用梯形反射棱鏡。但在選用梯形棱鏡時,最好在棱鏡與CCD接收設備間加裝透鏡組。而且,梯形棱鏡比直角棱鏡的制造工藝復雜,所以選擇直角棱鏡。在本設計中由于要縮小光電探頭的整體體積,而且當CCD攝相頭接收表面與直角棱鏡的棱之間的距離在20cm以內時,在CCD攝相頭與棱鏡之間不用安裝透鏡系統(tǒng)?？紤]到該儀器可能要對多種直徑的管道進行測量,所以將CCD攝相頭裝在螺紋套筒上,以便調節(jié)CCD攝相頭與棱鏡之間的距離。4.4CCD的基本原理及特性4.4.1CCD的基本原理同其它光電效應探測器一樣,CCD技術也以光電效應為基礎。同的是,CCD是以電荷而不是以電流或電壓作為信號。構成CCD與大多數光電器件的基本單元是MOS金屬--氧化物--半導體結構圖4-3。在一定的偏壓下,MOS結構成為可存儲電荷的分立勢阱。當光照射到硅片上時,光電效應產生的電荷將存儲在MOS勢阱中。這些勢阱構成了CCD的探測微元。將按一定規(guī)則變化的電壓加到CCD的各電極上時,電極下的電荷將沿半導體表面朝一定方向移動。所謂電荷藕合便是指勢阱中的電荷從一個電極移向另一個電極的過程。圖4-3敏元上成像時,CCD器件便將光敏元上的光信號轉換成與光強成正比例的電荷量,用一定頻率的時鐘脈沖對CCD進行驅動,在CCD的輸出端便可獲得被測目標的視頻信號.視頻信號中每一個離散信號的大小對應著一個光敏元所接收光強的強弱,而信號輸出的時序則對應CCD光敏元位置的順序.CCD用自身電子掃描方式完成了信息從空間域到時間域的轉換。在實際應用中,一個CCD檢測系統(tǒng)包括以下幾個部分,光學成像物鏡、CCD敏感元件、CCD驅動器、視頻處理器、計算機接口及圖像處理軟件.圖4-4是一個用線陣CCD作為光電轉換器,通過機電混合掃描方法獲得二維圖像的檢測系統(tǒng)示意圖.圖4-44.4.2CCD的主要特性CCD具有體積小、重量輕、功耗低、堅固耐用、輸出方便、抗外界干擾性強等特征.但是CCD的優(yōu)良性能遠不止這些,CCD在光譜學以及多道分析中的應用則和其具有的以下重要特性有關:(1)光譜響應范圍寬.一般的CCD器件可工作在0.4-l.lcm的波長范圍內,最大響應約在0.9m.在紫外區(qū),由于硅片自身的吸收,量子效率下降,但采用背部照射減薄的CCD,工作波長極限可達0.1m。(2)靈敏度高.CCD具有很高的單元光電量子產率,正面照射的CCD的量子產率可達20%,若采用背部照射減薄的CCD,其單元量子產率高達90%以上.另外,CCD的暗電流很小,檢測噪聲也很低.因此,即使在低照度10-Zlx下,CCD也能順利完成光電轉換和信號輸出.(3)動態(tài)響應范圍寬.CCD的動態(tài)響應范圍在4個數量級以上,最高可達8個數量級。(4)光敏元的幾何位置精度高,因此CCD非常適合于幾何尺寸的測量(5)容易與計算機聯機,從而組成一個功能強大的自動化測量系統(tǒng)另外,CCD還具有抗過度曝光的性能.過強的光會使CCD的光敏元飽和,但不會導致芯片損壞,而且CCD的積分時間可以從幾毫秒到上千秒,用戶可根據實際情況任意選擇。選擇小的積分時間如20ms,CCD有可能應用于某些快速反應研究過程中。由于CCD的暗電流很小,因此在許多應用情況下,可以在室溫下使用而不必配備冷卻系統(tǒng)。與PDA、PMT的性能比較作為多道集成光信號檢測器,PDA光電二極管陣列和CCD在靈敏度和動態(tài)范圍上皆優(yōu)于傳統(tǒng)的光子計數光電倍增管PMT,CCD與PDA的共同特性是它們都能存儲光照射到檢測器上所產生的光致電荷,這一點與PMT不同.對于PMT,光照射到陰極將產生一個光電流與PMT相比,CCD與PDA具有可進行多道分析的天然優(yōu)勢,而且在波長選擇,操作可靠性等方面也優(yōu)于PMTCCD與PDA相比,在弱光檢測方面前者明顯優(yōu)于后者,在過去幾十年中,PDA在光譜分析應用中受到普遍的重視,與其具有的多道特性及其具有較高的量子產率和測定強光能力有關.但PDA的暗電流和噪聲依然較大,從而限制了它在微弱光信號檢測領域的應用。另外,CCD的價格遠低于PDA,因此,與PDA相比,CCD是一種更靈敏,更廉價的多道陣列式檢測器。4.5光電接受器件CCD的選擇要檢驗管道內表面噴砂除銹后錨絞度的A,AB,B,BC,C五個級數,采用運算速度高,容量大的IBM386微型計算機。管道內表面粗糙不平的深度為0.02~0.01mm,為此我們選用象速間距為0.014mm象數為512位/m線陣CCD器件,則CCD器件的陣列長BM度為:光電探頭對每一檢測位置作90°扇形掃描,則對內徑的鋼管每次掃描的弧長為:則每次掃描的面積為:4.6掃描電機的選擇光電探頭在每前進1米后作90°旋轉掃描。掃描后所獲得的光信號由512象素的CCD器件接受并轉換電信號輸入IBM386微型計算機中處理。為與接受器件CCD的轉換速度相匹配。我們選用了42BYGH型步進電機作為光測頭旋轉掃描的電機。查電機手冊可知:電機的步距角選為每步15°。空載起功率為3000步/秒最大靜轉距為2kg?cm則每次掃描所用時間為:秒微機控制與圖象處理系統(tǒng)微機控制與圖象處理系統(tǒng)的設計包括硬件系統(tǒng)設計和軟件系統(tǒng)設計兩部分。5.1微機硬件系統(tǒng)設計微機硬件系統(tǒng)設計為圖象數字化設備、圖象處理器和輸出裝置三部分。系統(tǒng)結構原理如圖5-1以下為其設計要點。5.計算機是系統(tǒng)的核心。除作為主控系統(tǒng)外,其更重要的用途是作為圖象處理器。主要功能是對數字化后的圖象進行各種形式的運算處理。對其要求是通用性強、運算速度快、具有相當規(guī)模的存儲量和豐富的軟件功能。為此,本系統(tǒng)選用了IBMPC/AT286機,并利用其CRT彩色監(jiān)視器和外設打印機作為輸出裝置。圖5-1硬件系統(tǒng)結構原理圖5.1.2圖象數字化設備圖象數字化設備由光電測頭及其控制電路、視頻放大器、采樣保持器和A/D轉換器組成。在光電測頭中,采用CCD作為圖象傳感器。本系統(tǒng)利用軟硬件控制接口設計了集成化的CCD驅動電路,可用來提供CCD在獲取信號過程中所需要的五種主要驅動信號滿足了CCD在高頻條件下進行快速圖象掃描的要求。光電測頭和牽引車的傳動控制由位移動控制電路完成。視頻放大器的功能是對CCD輸出的微弱信號進行直流分量恢復和共模干擾噪聲的抑制并進行放大處理,以滿足A/D轉換器對電壓幅度的要求。采樣保持電路S/H的功能是在指定的時刻內對輸入信號進行采樣處理,并將采樣電平保持下來成為離散信號。系統(tǒng)中的A/D轉換器可對輸入信號按幅度大小進行量化和編碼,然后輸出符合計算機要求的數字信號?？紤]到CCD的視頻輸出大約為1.25μs/象素,為了與之匹配,選擇了采樣保持時間和轉換時間均小于lμs的AD-585高速采樣保持器和AD-7821八位高速A/D轉換器,以獲得象素可分為256個灰度等級的數據輸出。5.1.3接口控制電路為滿足系統(tǒng)在數據采集、信號處理和CRT顯示刷新過程中貯存容量的要求,設計了一個存儲量為256KB的圖象存儲器,可以用來貯存一幀Bit的高清晰度圖象。5.1.4系統(tǒng)輸出裝置在系統(tǒng)的輸出裝置中,主機13英寸的彩色監(jiān)視器是系統(tǒng)輸出的軟拷貝,以字符顯示方式