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光电检测技术在无损探伤中的应用

随着现代科学技术以及复杂自动控制系统和信息处理与技术的提高,光电检测技术作为一门研究光与物质相互作用发展起来的新兴学科,已成为现代信息科学的一个极为重要的组成部分。光电检测技术具测量精度高、速度快、非接触、频宽与信息容量极大、信息效率极高、以及自动化程度高等突出特点,令其发展十分迅速,并推动着信息科学技术的发展。它将光学技术与现代电子技术相结合,广泛应用于工业、农业、家庭、医学、军事和空间科学技术等领域。

无损检测技术是随着高科技发展应运而生的一门新技术,该技术不同于传统的物理化学分析方法,它主要运用物理学方法如光学、电学和声学等手段对产品进行分析,且不破坏样品,在获取了样品信息时保证了样品的完整性,无损检测技术检测速度较传统的物理化学方法迅速,又能有效地判断出从外观无法得出的样品内部品质信息。随着计算机技术的迅速发展,带动了化学计量学的发展,极大地促进了无损检测技术在工农业生产中的广泛应用。

光电检测技术也是一种非接触的检测技术,它的实施过程也不会对样品造成伤害,能够很好的获取样品的信息,所以说它也是一种无损检测技术。光电检测技术在机器零部件的探伤方面得到了广泛的应用,在机械零部件的无损检测中常用的光电检测技术有红外成像技术、机器视觉技术和X射线无损检测技术,在本文中将对这几种技术以及他们在无损检测中的应用作详细的介绍。


一、光电检测技术与无损检测

(一)光电检测技术原理

光电检测技术是光电信息技术的主要技术之一,它是以激光、红外、光纤等现代光电子其件作为基础,通过对被检测物体的光辐射,经光电检测器接受光辐射并转换为电信号,由输入电路、放大滤波等检测电路提取有用信息,再经模/数转换接口输入计算机运算处理,最后显示输出所需要的检测物理量等参数,其工作原理如图1.1所示。

1.1 光电检测系统工作原理

光电检测技术主要包括光电变换技术、光信息获取与光测量技术以及测量信息的光电处理技术等。主要有如下特点:

1.精度高。激光干涉法测量长度的精度可达0.05um/m;用激光测距法测量地球与月球之间距离的分辨力可以达到1m

2.高速度。光电检测技术以光为媒介,而光的传播速度非常快,无疑用光学方法获取和传递信息是最快的。

3.距离远、大量程。光是最便于远距离传输的介质,尤其适用于遥控和遥测,如光电跟踪等。

4.非接触测量。光照到被测物体上可以认为是没有测量力的,因此也无摩擦,可以实现动态测量,是各种测量方法中效率最高的。

 

(二)光电检测技术的发展趋势

通过上面对光电检测技术的原理和特点的分析,同时随着各国在技术创新方面的日新月异,光电检测技术的发展趋势主要表现在:

向高精度方向发展:检测精度向高精度方向发展,纳米、亚纳米高精度的光电检测新技术是今后的发展热点;

向智能化方向发展:检测系统向智能化方向发展,如光电跟踪与光电扫描测量技术;

向数字化方向发展:检测结果向数字化,实现光电测量与光电控制一体化方向发展;

向多元化方向发展:光电检测仪器的检测功能向综合性、多参数、多维测量等多元化方向发展,并向人们无法触及的领域发展,如微空间三维测量技术和大空间三维测量技术;

向微型化方向发展:光电检测仪器所用电子元件及电路向集成化方向发展,光电检测系统朝着小型、快速的微型光机电检测系统发展;

向自动化方向发展:检测技术向自动化、非接触、快速在线测量方向发展,检测状态向动态测量方向发展。

光电检测技术的发展趋势是与科技的整体发展趋势相适应的,还有一些是自己所特有的,整体上来说,是想着高精度、高速度方向发展。

(三)无损检测技术概述

无损检测NDTNon-destructive testing),就是利用声、光、磁和电等特性,在不损害或不影响被检对象使用性能的前提下,检测被检对象中是否在缺陷或不均匀性,给出缺陷的大小、位置、性质和数量的所有技术手段的总称。NDT是指对材料或工件实施一种不损害信息,进而判定被检对象所处技术状态,如合格与否、剩余寿命等或不影响其未来使用性能或用途的检测手段。

通过使用NDT,能发现材料或工件内部和表面所存在的缺陷,能测量工件的几何特征和尺寸,能测量材料或工件的内部组成、结构、物理性能和状态等。无损检测方法可以分为常规无损检测方法和非常规无损检测方法。常规无损检测方法有超声检测Uitrasonic Testing,射线检测 Radiographic Testing,磁粉检测 Magnetic particle Testing,渗透检测 Penetrant Testing,涡流检测 Eddy current Testing;非常规无损检测技术有声发射 Acoustic Emission,泄露检测 Leak Testing,光全息照相 Optical Holography,红外热成像,微波检测 Microwave Testing

随着这些年的飞速发展,无损检测技术逐渐由定性检测向定量检测方向发展,在检测过程中,不仅要探测出缺陷的有无及位置,还要测定出缺陷的类型、尺寸、形状和取向。

通过上面的分析,可以发现光电检测技术和无损检测技术的本质都是通过传感器获取物件的状态信息。通过传感器检测到的电信号,经过后续的处理,从而得到物件的状态信息,确定物件的运行状态。从这个层面上判断,二者应该有很大的交集,事实也是这样的,光电检测技术在无损检测领域得到了广泛的应用,主要包括红外成像技术、机器视觉技术和X射线等技术。

二、红外成像无损检测技术

(一)红外成像原理

红外线是介于可见光和微波之间的电磁波,它的波长范围在0.77-1000um,频率为。图2.1表示整个电磁辐射光谱图以及红外线在光谱图中的位置。

在自然界中,任何高于绝对温度的物体都是红外辐射源,具有辐射现象。斯蒂芬-玻尔兹曼定律告诉我们,发射的红外线强度为:

 

其中是灰体发射系数,为斯蒂芬-玻尔兹曼常数,T是物体的绝对温度。

红外无损检测是测量通过物体的热量和热流的传递,当物体内部存在裂缝或其它缺陷时,它将改变物体的热传导,使物体表面温度分布出现差异或不均匀变化,利用这些差异或不均匀的变化图像,可直观地查出物体的缺陷位置。当然具体的热量输入方式会有多种。图2.2说明了热量在在无缺陷和有缺陷物体中的分布情况。

 

 2.1 电磁辐射光谱图

 

 2.2 热量在物体中的分布

通过图2.2可以发现,当物体中存在缺陷时,热量穿过物体的量和被物体反射的量都不再是均匀分布的,而从被测物某一点辐射的红外人射垂直和水平的光学扫描镜上,通过垂直及水平扫描镜聚集到红外线探测器上,把红外线能量信号转换成电信号,经过放大器放大及信号处理器处理。经过处理的信号反映出被测体表面温度场的分布的红外图像信号,这个红外图像可以直接反映被测物体是否存在质量缺陷等问题。

红外成像技术通常用于检测金属或非金属材料质量、探测内部缺陷,尤其是对焊接缺陷的检测,存在其他检测方法无法比拟的优点。

(二)焊接缺陷的检测

机械设备中,有些金属结构件由于焊接等原因质量不合格,从而影响了机械强度和使用寿命,甚至酿成事故。对焊口缺陷的检测,是保证焊接质量的关键,但焊口表面起伏不平,采用射线、超声波、涡流等方法都难于发现内部的缺陷;而红外热成像技术不受物体表面形状的限制,能快速、准确地检测出焊接区的各种缺陷。具体的原理已经在前面进行了详细的论述,只是这里的热源采用的电流发热。实际的焊接区剖视图如图2.3所示,(a)焊接区无缺陷,(b)焊接区有缺陷。若将一交流电压加在焊接区的两端,在焊口上会有交流电通过,由于电流的集肤效应,靠近表面的电流会比下层大。由于电流的作用,焊口将产生一定的热量,热量的大小正比于材料的电阻率和电流密度的平方。在没有缺陷的焊接区内,电流分布是均匀的,各处产生的热量大致相等,焊接区的表面温度分布是均匀的。而存在缺陷的焊接区,由于缺陷的电阻很大,使这一区域损耗增加,温度升高。通过红外成像设备,可以很好的得到红外图像,从而准确地判断热点,进而断定存在的焊接缺陷。

 

3.3零件焊接区剖视图

在检测焊接缺陷时通常采用交流电加热,这样做的好处是可以通过改变电源的频率来控制电流的透入深度。低频电流透入较深,对发现内部缺陷有利;高频电流集肤效应强,表面温度特性比较明显。

三、机器视觉技术与无损检测

(一)机器视觉技术概述

机器视觉是就是用机器代替人眼来做测量和判断,它在半导体生产、汽车制造、医药包装等工业生产过程中得到了广泛应用。在机器视觉系统中,机器视觉产品将被摄取目标转换成图像信号,传输给图像处理系统,根据像素分布和亮度、颜色等信息,转变成数字化信号,图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标特征,从而得到感兴趣的目标信息。

人眼视觉系统的组成如图3.1所示。机器视觉系统与人眼视觉系统的原理相类似,也由信号采集、信号传输、信号处理等部分组成,由于机器视觉系统通常在工业中得到应用,所以在工业机器视觉系统中,通常会包含一个执行机构,可以得到常用的机器视觉系统组成如图3.2所示。

 

  3.1人眼视觉系统

 

3.2 机器视觉系统

机器视觉系统最重要的一个部分是图像处理与决策模块,从逻辑上可分为三阶段:图像的预处理、特征提取、模式识别和理解。图像的预处理是将由成像设备获得的低质量数字图像(反差小、模糊、变形等)经过噪声过滤、 平滑处理、 图像增强等处理变成易于进行特征提取等后续操作的过程。图像特征提取就是从经过底层处理的图像中提取有利于图像识别和理解的主要特征量,用有限的特征来描述原始图像中的目标, 图像的特征包括形状特征、纹理特征、结构特征、颜色特征和分形特征等。特征提取主要方法有区域分割、边缘检测和纹理分析等。

(二)机器视觉技术在钢板缺陷监测中的应用

机器视觉技术应用于钢板表面缺陷的在线无损检测起源于80年代初。进入90 年代后,基于线阵CCD器件的机器视觉技术无疑已成为钢板表面缺陷在线检测的主流技术,其应用研究工作方兴未艾。

3.3是一个实际的钢板表面机器视觉检测系统的结构框图,也是目前应用比较广泛的钢板缺陷检测系统,主要包括光源及图像传感器子系统、数字信号预处理子系统、缺陷自动分类子系统、图形显示子系统、质量分析数据统计与数据库管理子系统、人机接口管理子系统等。具体的实现过程中有如下特点:

1.采用标准数字CCD摄像机及照明光源部件,并在具体技术指标的选择上留有余量。目前,普遍采用像素为2 0484 096的线阵CCD传感单元,照明光源根据具体待检钢板的表面形态,可采用高强度荧光灯、阵列钨灯或光纤光源等。

2.通过采用标准化总线结构和模块化设计技术,使系统硬件结构通用、功能灵活、运行稳定可靠、改进和升级十分方便。

3.低层视觉计算任务如平滑、增强、分割和描述等交由专用处理部件完成,目前的研究趋势是采用高速 DSP器件作为处理部件,来完成图像的简单处理。

4.人们尝试了各种基于符号系统模仿人类智能的传统人工智能方法(如机器学习)和从生物系统底层模拟智能的方法,以解决复杂的钢板表面缺陷的自动分类和识别问题。但现有的缺陷自动分类器仅仅对某些具体的应用背景及特定类型的缺陷显示出其有效性。

 

 3.3 钢板表面机器视觉检测系统的结构框图

1、图像传感器  2、操作员监视器  3、数字信号预处理  4、缺陷自动分类器   5、图形显示子系统   6、系统主控模块    7、数据分析模块    8、图像管理子系统   9、人机接口部件   10、网络接口部件  11、存储数据库系统   12、质量控制计算机

 

总体上说,钢板表面缺陷机器视觉检测系统是一个典型的机器视觉系统,它收集钢板表面的图像信息,通过对这些图像信息进行处理,提取出这些图像中包含的具体信息,通过这些具体信息来判断钢板表面的缺陷状况,这是光电检测技术在无损检测中又一应用。

四、X射线无损检测

(一)X射线检测原理

X射线是一种类似于光、热和无线电波的电磁辐射波,它的特点是波长短(工业X射线探伤中常用的波长范围约在0.1-0.001 nm之间)。由于辐射物质的波长越短,它穿透物质的能力也愈大,所以X射线具有极大的穿透物质的能力,正是利用这一特性进行X射线检测。

4.1是一种常见的X射线检测系统的系统构造图,X射线照射到物件上,由于它有极强的穿透能力,所以在下方的探测器可以检测到穿过物件的X射线,通常会形成一幅图像,其图像灰度值与材料、厚度和内部结构密切相关。正是由于通过图像分析可以得到缺陷的具体形式,从而X射线在物价的内部探伤中得到了广泛的应用。

 

4.1 X射线检测

(二)X射线检测在铸件缺陷检测中的应用

由于铸造方法具有成本低廉、一次成形以及可以制造复杂结构大型件等优点,被广泛应用于工业生产的众多领域,特别是汽车制造业。在航空航天制造业中,很多部件也是铸件。为保证产品质量及节省成本,在生产流程的早期阶段及时检测出缺陷是很必要的。无损检测由于可避免材料浪费和提高生产效率,成为铸件缺陷检测的首选方法。到目前为止,研究最多且比较有效的方法包括超声波探伤法、X射线透照法和射线层析摄影法。

随着生产规模的扩大和质量检测标准的提高,对射线检测设备及相关技术的要求也越来越高。对于 X 射线检测,新的研究重点在于不断提高X 射线图像的获取技术,以及发展现代计算机软硬件技术,以使检测过程在高速和真正完全自动化的模式下进行。

一种常用的X射线检测技术在铸件缺陷检测中的应用是X射线图像自动缺陷检测系统。该系统由四个部分组成:试件支撑系统;X射线产生装置;将X射线 能量转换为电信号的传感器和图像处理器。由于X射线得到的图像的特殊性,相应的获取图像的传感器也有所不同,主要有两种:一种是基于非定晶硅或硒传感器阵列的平栅格;另一种则是基于线性二极管的阵列。

 

4.2 通过X射线检测技术获取的铸件图片

通过图4.2中的图片,经过后续的图像处理,就可以得到铸件中缺陷类型、位置和大小。

X射线检测系统也是一种机器视觉系统,只是成像的方式发生了改变,不再是通过简单的光学成像来获取缺陷的图像,而是选择新的成像方式,让一些隐藏在物件内部的缺陷也暴露出来。

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