光電檢測(cè)技術(shù)在無損探傷中的應(yīng)用

1、南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院現(xiàn)代設(shè)備管理課程論文學(xué)生姓名： 學(xué)號(hào)： 1101020133專業(yè)：11工業(yè)工程論文 題目：光電檢測(cè)技術(shù)在無損探傷屮的應(yīng)用指導(dǎo)教師：教師評(píng)價(jià)：論文選題符合工業(yè)工程專業(yè)課程考核要求，具有一定的 理論意義和實(shí)用價(jià)值，作者閱讀較廣泛,參考文獻(xiàn)較充 足。很好口較好口一般口 尚可口差口論文觀點(diǎn)正確，結(jié)構(gòu)較合理，層次較清晰，邏輯性強(qiáng)， 論述較全面，工作量較充實(shí)，結(jié)論具有一定的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo) 意義。很好口較好口一般口 尚可口差口該牛平時(shí)學(xué)習(xí)較認(rèn)真，善于思考，到課率高，不遲到早 退。文章語言表達(dá)較好，格式符合規(guī)范要求，體現(xiàn)了較 好的學(xué)風(fēng)。很好口較好口一般口 尚可口差口簽名：20年 月目 錄1引

2、言12光電檢測(cè)技術(shù)簡(jiǎn)介23光電檢測(cè)技術(shù)與無損檢測(cè)33. 1光電檢測(cè)技術(shù)原理33. 2光電檢測(cè)技術(shù)的現(xiàn)狀43.3無損檢測(cè)技術(shù)概述53.4光電檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)64紅外成像無損檢測(cè)技術(shù)84. 1紅外成像原理84.2焊接缺陷的檢測(cè)105機(jī)器視覺技術(shù)與無損檢測(cè)115.1機(jī)器視覺技術(shù)概述115.2機(jī)器視覺技術(shù)在鋼板缺陷監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用136 x射線無損檢測(cè)156. 1 x射線檢測(cè)原理156.2 x射線檢測(cè)在鑄件缺陷檢測(cè)中的應(yīng)用167激光超聲檢測(cè)187. 1激光超聲檢測(cè)的原理187. 1. 1灼燒區(qū)197. 1.2熱彈區(qū)197.2激光超聲檢測(cè)技術(shù)207.2. 1激勵(lì)用激光器207.2.2光學(xué)接受技術(shù)21結(jié)束語

3、24參考文獻(xiàn)261引言無損檢測(cè)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(duì)象使用性能的前提下，檢測(cè)被檢對(duì)象屮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(duì)象的使用 性能，無損檢測(cè)技術(shù)在這些年得到了飛速的發(fā)展。光電檢測(cè)技術(shù)是光電信息技術(shù)的主要技 術(shù)z它是以激光紅外光纖等現(xiàn)代光電了器件作為基礎(chǔ)通過對(duì)被檢測(cè)物體的光輻射經(jīng)光 電檢測(cè)器接受光輻射并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再經(jīng)過后續(xù)的處理，獲取有用信息的技術(shù)。光電檢 測(cè)技術(shù)與無損檢測(cè)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(duì)

4、常用的基于光電技術(shù)的無損檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行概述。主要論述紅外檢測(cè)技術(shù)、機(jī)器視覺檢測(cè) 技術(shù)、x射線檢測(cè)技術(shù)等幾種無損檢測(cè)技術(shù)。對(duì)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(cè)，無損檢測(cè)，紅外成像，機(jī)器視覺，x射線檢測(cè)2光電檢測(cè)技術(shù)簡(jiǎn)介隨著現(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(cè)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(cè)技術(shù)具測(cè)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i分迅速，并推動(dòng)著信息科學(xué)技術(shù)的 發(fā)展。

5、它將光學(xué)技術(shù)與現(xiàn)代電了技術(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。無損檢測(cè)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(duì)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(cè)技術(shù)檢測(cè)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(cè)技術(shù)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的廣 泛應(yīng)用。光電檢測(cè)技術(shù)也是一種非接觸的檢測(cè)技術(shù)，它的實(shí)施過程也不會(huì)對(duì)樣品造成傷害，能 夠很好的獲取樣品的信息，

6、所以說它也是一種無損檢測(cè)技術(shù)。光電檢測(cè)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(cè)中常用的光電檢測(cè)技術(shù)冇紅外成 像技術(shù)、機(jī)器視覺技術(shù)和x射線無損檢測(cè)技術(shù)，在本文屮將對(duì)這兒種技術(shù)以及他們?cè)跓o損 檢測(cè)小的應(yīng)用作詳細(xì)的介紹。3光電檢測(cè)技術(shù)與無損檢測(cè)3.1光電檢測(cè)技術(shù)原理光電檢測(cè)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(duì)被檢測(cè)物體的光輻射，經(jīng)光電檢測(cè)器接受光輻射并轉(zhuǎn)換為電信號(hào), 由輸入電路、放大濾波等檢測(cè)電路捉取有用信息，再經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換接口輸入計(jì)算機(jī)運(yùn)算處 理，最后顯示輸出所需耍的檢測(cè)物理量等參數(shù)，其工作原理如圖3.1所示。光學(xué)變

7、換電信號(hào)處理顯 禾電路處理圖3.1光電檢測(cè)系統(tǒng)工作原理光電檢測(cè)技術(shù)主要包括光電變換技術(shù)、光信息獲取與光測(cè)量技術(shù)以及測(cè)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(cè)量長度的精度可達(dá)0. 05um/m；用激光測(cè)距法測(cè)量地球與川球z間距離的分辨力可以達(dá)到101。2高速度。光電檢測(cè)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(cè)，如光電跟蹤等°4非接觸測(cè)量。光照到被測(cè)物體上可以認(rèn)為是沒有測(cè)量力的，因此也無摩擦，可以實(shí) 現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量，是各種測(cè)量方法屮效率最高的。3.2光電檢測(cè)技術(shù)

8、的現(xiàn)狀隨著科技發(fā)展的fi新川異，光電檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展出納米、亞納米高精度的光電測(cè)量 新技術(shù)；小型、快速的微型光、機(jī)、電檢測(cè)系統(tǒng)在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛。非接觸、快 速在線測(cè)量已經(jīng)取代原始的接觸式，較緩慢的檢測(cè)技術(shù)，并向微空間三維測(cè)量技術(shù)和大空 間三維測(cè)量技術(shù)方向發(fā)展；閉環(huán)控制的光電檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)光電測(cè)量與光電控制一體化。 向人們無法觸及的領(lǐng)域發(fā)展。光電跟蹤與光電掃描測(cè)量技術(shù)等先進(jìn)的光電檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)步 和廣泛應(yīng)用將對(duì)人們生活，工業(yè)生產(chǎn)甚至國防科技產(chǎn)生巨大影響和改革。隨著光纖傳感技 術(shù)的飛速發(fā)展，光纖氣體傳感器也得到了廣泛的研究和應(yīng)用。它具有靈敏度高、響應(yīng)速度 快、防燃防爆、不受電磁干擾、叮以實(shí)現(xiàn)

9、光信號(hào)的長距離傳輸和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)遙測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，所 以對(duì)光電檢測(cè)方法研究的關(guān)注也一一直在增加。隨著光纖光柵傳感器的廣泛應(yīng)用，光纖光柵傳感信號(hào)的檢測(cè)系統(tǒng)也有了很大的發(fā)展。 相比于傳統(tǒng)采用單色儀、光譜儀掃描等方式來檢測(cè)光纖光柵傳感信號(hào)的方式，采用光電轉(zhuǎn) 換方式，即把對(duì)光強(qiáng)信號(hào)的測(cè)量傳變?yōu)閷?duì)電壓信號(hào)的測(cè)量方式冇它的優(yōu)越性，它具冇檢測(cè)設(shè)備制造成本低、方便攜帶、可以實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)時(shí)變化信號(hào)高速檢測(cè)和擁有更廣的工程應(yīng)用等 優(yōu)點(diǎn)光電檢測(cè)技術(shù)在人類基因工程方面也有著廣泛的發(fā)展，如利用可見光信號(hào)強(qiáng)弱的變化 檢測(cè)dna雜交信號(hào)。這種新型的dna光電檢測(cè)系統(tǒng)同樣是由兼容探針dna自組裝的硅 集成電路構(gòu)成。而在該系統(tǒng)中目標(biāo)dna序

10、列與磁珠連接，目標(biāo)dna序列與探針dna分 子雜交后，磁珠就會(huì)覆蓋在載體表面形成暗區(qū)。而載體下方的光電二極管陣列此吋便口j以 檢測(cè)岀dna雜交反應(yīng)前后的光信號(hào)變化，輸出dna雜交信號(hào)。新型抗干擾式光電檢測(cè)頭通過優(yōu)化紅外發(fā)射管工作參數(shù)和采用脈沖選通門控檢波電 路，有效地抑制了電氣干擾噪聲，提高了檢測(cè)頭的抗干擾性能和工作可靠性。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表 明了其有效性。同時(shí)，該種光電檢測(cè)頭已經(jīng)在多個(gè)大型機(jī)電設(shè)備制造廠家應(yīng)用，工廠實(shí)際 應(yīng)用結(jié)果表明：新型的光電檢測(cè)頭誤動(dòng)作率不到老產(chǎn)品的千分之一，抗電氣干擾能力顯著 捉高，具備了工業(yè)級(jí)的高可靠性能。3.3無損檢測(cè)技術(shù)概述無損檢測(cè)ndt (non-dcstructivc

11、 testing),就是利用聲、光、磁和電等特性,在不 損害或不影響被檢對(duì)象使用性能的前提下，檢測(cè)被檢對(duì)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(duì)材料或工件實(shí)施一種 不損害信息，進(jìn)而判定被檢對(duì)彖所處技術(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(cè)手段。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(cè)量工件的幾何特征 和尺寸，能測(cè)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(cè)方法可以分 為常規(guī)無損檢測(cè)方法和非常規(guī)無損檢測(cè)方法。常規(guī)無損檢測(cè)方法有超聲檢測(cè)ultrasonic testing,射線檢測(cè) ra

12、diographic testing,磁粉檢測(cè) magnetic particle testing,滲 透檢測(cè)penetrate testing,渦流檢測(cè)eddy current testing；非常規(guī)無損檢測(cè)技術(shù)有 聲發(fā)射 acoustic emission,泄露檢測(cè) leak testing,光全息照相 optical holography, 紅外熱成像，微波檢測(cè)microwave testing。隨著這些年的飛速發(fā)展，無損檢測(cè)技術(shù)逐漸曲定性檢測(cè)向定量檢測(cè)方向發(fā)展，在檢測(cè) 過程屮，不僅要探測(cè)岀缺陷的有無及位置，還要測(cè)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(cè)技術(shù)和無

13、損檢測(cè)技術(shù)的木質(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(cè)到的電信號(hào)，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)該冇很大的交集，事實(shí)也是這樣的, 光電檢測(cè)技術(shù)在無損檢測(cè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，主要包扌舌紅外成像技術(shù)、機(jī)器視覺技術(shù) 和x射線等技術(shù)。3.4光電檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)隨著世界各國的激烈競(jìng)爭(zhēng)止以口新月異的速度突飛猛進(jìn)及科研技術(shù)的提高，檢測(cè)技術(shù) 在國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)行業(yè)中，起著舉足輕重的作用，無論科學(xué)研究、產(chǎn)品質(zhì)量及自動(dòng)控制都 需要檢測(cè)，利用現(xiàn)代光電子技術(shù)作為檢測(cè)手段，具有無接觸、無損、遠(yuǎn)距離、抗干擾能力 強(qiáng)、受環(huán)境影響小、檢測(cè)速度快、測(cè)量精度高

14、等優(yōu)越性，是當(dāng)今檢測(cè)技術(shù)發(fā)展的主要方向。 光電檢測(cè)技術(shù)將向著高精度、智能化、數(shù)字化、多元化、微型化、自動(dòng)化方向發(fā)展。所謂 高精度是指檢測(cè)精度向高精度方向發(fā)展，納米、亞納米高精度的光電測(cè)量新技術(shù)是今后的 發(fā)展熱點(diǎn)；智能化是指檢測(cè)系統(tǒng)向智能化方向發(fā)展，如光電跟蹤與光電掃描測(cè)量技術(shù)；數(shù) 字化是指檢測(cè)結(jié)果向數(shù)字化，實(shí)現(xiàn)光電測(cè)量與光電控制一體化方向發(fā)展；多元化是指光電 檢測(cè)儀器的檢測(cè)功能向綜合性、多參數(shù)、多維測(cè)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(cè)量技術(shù)和大空間三維測(cè)量技術(shù)；微型化是指光電檢測(cè)儀器所 用電子元件及電路向集成化方向發(fā)展；微型化是指光電檢測(cè)系統(tǒng)朝著小型、快速的微型光

15、、 機(jī)、電檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)展；口動(dòng)化是指檢測(cè)技術(shù)向口動(dòng)化，非接觸、快速在線測(cè)量方向發(fā)展， 檢測(cè)狀態(tài)向動(dòng)態(tài)測(cè)量方向發(fā)展。以激光器為基礎(chǔ)的光電檢測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)成為最主要的發(fā)展方向。隨著精密度和功能待性 的提高，它將不斷取代那些昂貴且復(fù)雜的檢測(cè)方案。由于激光技術(shù)的不斷提高和成本的穩(wěn) 定下降，可以肯定,激光光電檢測(cè)技術(shù)將fi益成為光電用戶的首選方案。激光超聲檢測(cè)技術(shù) 是光電檢測(cè)技術(shù)的另一重要的發(fā)展方向。這一技術(shù)利用高能量的激光脈沖與物質(zhì)表面的瞬 時(shí)熱作用，在固體表面產(chǎn)生熱特性區(qū)，然后利用這種小熱層在材料內(nèi)部向四周熱膨脹擴(kuò)散 產(chǎn)生熱應(yīng)力，從而通過這種熱應(yīng)力產(chǎn)生超聲波。與常規(guī)超聲檢測(cè)方法比較，激光超聲技術(shù) 具有卜列

16、優(yōu)點(diǎn)：激光超聲不需耍耦合劑，避免了耦合劑對(duì)測(cè)量范圍和精度的影響；激光超 聲口j實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離操作，可用于高溫環(huán)境及腐蝕性強(qiáng)、冇放射性等惡劣條件，并可以實(shí)現(xiàn)快 速掃描，對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)快速運(yùn)動(dòng)的工件的在線檢測(cè)；激光超聲的盲區(qū)小于100微米，可用于 測(cè)量薄工件。激光超聲的頻率帶寬較常規(guī)的換能器寬，具冇測(cè)量微小缺陷裂紋的能力；激 光超聲可用于表面幾何形狀復(fù)雜及受限制的空間，如焊縫根部小直徑管道等；空間分辨率 高，有利于缺陷的精確定位及尺寸量度，并可作為聲源應(yīng)用于理論研究。智能光電檢測(cè)系統(tǒng)也成為了另一個(gè)很重要的發(fā)展方向。智能光電檢測(cè)系統(tǒng)由智能信號(hào) 處理系統(tǒng)、光電傳感系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)、輸出系統(tǒng)和接口單元等組成。它以

17、智能信號(hào)處理系 統(tǒng)為核心，集成了光學(xué)采集、光學(xué)變換、光電轉(zhuǎn)換、電路調(diào)理、外圍接口及信息輸出等技 術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)光信息采集、光電信號(hào)轉(zhuǎn)換、信號(hào)探測(cè)、邏輯運(yùn)算與推理、記憶存儲(chǔ)及信息 傳輸?shù)裙δ?，并自?dòng)完成自檢自校和自我診斷與調(diào)整等功能。智能光電檢測(cè)系統(tǒng)由于環(huán)境 適應(yīng)能力強(qiáng)，測(cè)量范圍廣，測(cè)量精確度高，尤其是強(qiáng)化了人工智能系統(tǒng)，可以白動(dòng)對(duì)噪聲、 溫度、電壓波動(dòng)及光源的變化進(jìn)行修正，加上良好的人機(jī)交互界面，人大簡(jiǎn)化了操作程序, 提高了數(shù)值處理和分析的效率。4紅外成像無損檢測(cè)技術(shù)4.1紅外成像原理紅外線是介于可見光和微波z間的電磁波，它的波長范圍在0. 77-1000um,頻率為11143*10hzo圖4.

18、1表示整個(gè)電磁輻射光譜圖以及紅外線在光譜圖屮的位置。在自然界屮，任何高于絕對(duì)溫度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：其屮是灰體發(fā)射系數(shù)，為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，t是物體的絕對(duì)溫度。紅外無損檢測(cè)是測(cè)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4. 2說明了熱量在在無缺陷和冇缺陷物體屮的分布情況。入射反射入射反射入射表面沮虞分布(隔熱性缺陷袤而溫度分布° (無

19、缺陷)w 1fi) a£f11iffit(a)均虞體二trmxmmr.反裏面沿度分布 透射“(b)非均質(zhì)體反射入射s)均質(zhì)體入射液(隔熱性缺陷)(b)非均質(zhì)體入射波(導(dǎo)熱性第徂(c)非均質(zhì)體反哀面溫度分布透射 蟲1上1丄1鼻上)丄1反農(nóng)面溫度分布圖4. 2熱量在物體中的分布通過圖4. 2可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)物體屮存在缺陷吋，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(cè)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(cè)器上，把紅外線能量信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過放大器 放人及信號(hào)處理器處理。經(jīng)過處理的信號(hào)反映岀被測(cè)體表面溫度場(chǎng)的分布的紅外圖像信

20、 號(hào)，這個(gè)紅外圖像可以直接反映被測(cè)物體是否存在質(zhì)量缺陷等問題。紅外成像技術(shù)通常用丁檢測(cè)金屈或非金屈材料質(zhì)量、探測(cè)內(nèi)部缺陷，尤英是對(duì)焊接缺 陷的檢測(cè)，存在其他檢測(cè)方法無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。4.2焊接缺陷的檢測(cè)電流焊接區(qū)/址u)圖4. 3零件焊接區(qū)剖視圖機(jī)械設(shè)備中，冇些金屬結(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(duì)焊口缺陷的檢測(cè)，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(cè)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)

21、熱。實(shí)際的焊接區(qū)剖視圖如圖4. 3所示，(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，熱量的人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)的表而溫度分布是均勻的。 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。(b)在檢測(cè)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

22、的頻率來 控制電流的透入深度。低頻電流透入較深，對(duì)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。5機(jī)器視覺技術(shù)與無損檢測(cè)5.1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(cè)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(hào)，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(hào)，圖像系統(tǒng)對(duì)這些信號(hào)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5.1所示。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(hào)采集、信號(hào)傳輸、信號(hào)處理等部分組成，由于機(jī)

23、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5. 2所示。圖5.1人眼視覺系統(tǒng)圖5. 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、特征捉取、模式識(shí)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)過底層處理的圖像屮提取有利于圖 像識(shí)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、

24、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(cè)和紋理分析等。5. 2機(jī)器視覺技術(shù)在鋼板缺陷監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)的主流技術(shù)，其應(yīng)用 研究工作方興未艾。圖5. 3是一個(gè)實(shí)際的鋼板表而機(jī)器視覺檢測(cè)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(cè)系統(tǒng)，主要包括光源及圖像傳感器子系統(tǒng)、數(shù)字信號(hào)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)：1.采用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字ccd攝

25、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、陣列鴿燈或光纖光源等。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(jí)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(shì)是采用高速dsp器件作為處理部件，來完成圖像的簡(jiǎn)單處理。4.人們嘗試了各種基于符號(hào)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(shí)別問題。

26、但 現(xiàn)有的缺陷自動(dòng)分類器僅僅對(duì)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。78910圖5. 3鋼板表面機(jī)器視覺檢測(cè)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(hào)預(yù)處理4、缺陷自動(dòng)分類器 5、圖形顯示了系 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(cè)系統(tǒng)是一個(gè)典型的機(jī)器視覺系統(tǒng)，它收集鋼板 表而的圖像信息，通過對(duì)這些圖像信息進(jìn)行處理，提取出這些圖像小包含的具體信息，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(cè)技術(shù)在無損檢測(cè)中又一應(yīng)用。6 x射線

27、無損檢測(cè)6.1 x射線檢測(cè)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 mn之間）。出于輻射物質(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(cè)。圖6.1是一種常見的x射線檢測(cè)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(cè)器可以檢測(cè)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)。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。x射線源入射x射

28、線緣探測(cè)器計(jì)算機(jī)變頻器&-圖像采集卡圖6. 1 x射線檢測(cè)6.2 x射線檢測(cè)在鑄件缺陷檢測(cè)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)人型件等優(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)省成木，在生產(chǎn)流程的早期階段及時(shí)檢測(cè)出缺陷是很必要的。無 損檢測(cè)曲于可避免材料浪費(fèi)和提高生產(chǎn)效率，成為鑄件缺陷檢測(cè)的首選方法。到目詢?yōu)橹? 研究最多口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。隨著牛產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大和質(zhì)量檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的提高，對(duì)射線檢測(cè)設(shè)備及相關(guān)技術(shù)的要求也越 來越高。對(duì)于x射線檢測(cè)，新的

29、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)軟帔件技術(shù)，以使檢測(cè)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(cè)技術(shù)在鑄件缺陷檢測(cè)中的應(yīng)用是x射線圖像口動(dòng)缺陷檢測(cè)系 統(tǒng)。該系統(tǒng)出四個(gè)部分組成：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(hào)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 冇所不同，主要冇兩種：一種是基于非定品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6. 2通過x射線檢測(cè)技術(shù)獲取的鑄件圖片通過圖6. 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(cè)系統(tǒng)也是-種

30、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(jiǎn) 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。7激光超聲檢測(cè)激光可以實(shí)現(xiàn)非接觸式的高靈敏度測(cè)量，但不能通過汕透明材料的內(nèi)部，而超聲波的 檢測(cè)方法可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)部質(zhì)量的檢測(cè)，因此，用激光激發(fā)超聲波使z通過被檢測(cè)試件的內(nèi)部, 再用激光技術(shù)來接收這種超蘆波的信號(hào)，把兩者結(jié)合起來，發(fā)展出一種新的檢測(cè)方法-激 光超聲檢測(cè)方法，解決常規(guī)超聲檢測(cè)難以解決的問題。與常規(guī)超聲檢測(cè)方法比較，激光超聲技術(shù)具冇下列優(yōu)點(diǎn)：激光超聲不需要耦合劑，避 免了耦合劑對(duì)測(cè)量范圍和精度的影響；激光超聲可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離操作，可用于高溫環(huán)境及腐

31、 蝕性強(qiáng)、有放射性等惡劣條件，并可以實(shí)現(xiàn)快速掃描，對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)快速運(yùn)動(dòng)的工件的在線 檢測(cè)；激光超聲的盲區(qū)小于100微米，可用于測(cè)量薄工件。激光超聲的頻率帶寬較常規(guī)的 換能器寬，具有測(cè)量微小缺陷裂紋的能力；激光超聲可用于表面幾何形狀復(fù)雜及受限制的 空間，如焊縫根部小直徑管道等；空間分辨率高，冇利于缺陷的精確定位及尺寸量度，并 可作為聲源應(yīng)用于理論研究。7.1激光超聲檢測(cè)的原理激光超聲是利用高能量的激光脈沖與物質(zhì)表面的瞬時(shí)熱作用，在同體表面產(chǎn)生熱特性 區(qū)，然后利用這種小熱層在材料內(nèi)部向四周熱膨脹擴(kuò)散產(chǎn)生熱應(yīng)力，從而通過這種熱應(yīng)力 產(chǎn)生超聲波。激光作用在材料上產(chǎn)生兩個(gè)熱特性區(qū)：灼燒區(qū)、熱彈區(qū)。7. 1

32、. 1灼燒區(qū)入射激光束圖7. 1大功率激光器產(chǎn)生的超聲波如圖7.1所示，在高的能量作用卜：物體的溫度升高超過了其蒸發(fā)溫度，原了以高速 離開物體表面，產(chǎn)生一個(gè)動(dòng)量，這種產(chǎn)生超聲的模式稱為熱蝕效應(yīng)。7. 1.2熱彈區(qū)圖7. 2小功率激光器產(chǎn)生的超聲波如圖7. 2所示，當(dāng)激光器的能量不足在表面上形成腐蝕現(xiàn)象時(shí)，在固體表面產(chǎn)生熱特 性區(qū)，從而在物體內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力波即超聲波，較低的吸收率下，表面吸收的熱量沒有超過 其融化溫度，產(chǎn)生源是一個(gè)短暫的膨脹過程，與這個(gè)膨脹相關(guān)的壓力波絕大部分低于彈性 范圍內(nèi)，這種模式稱為熱彈效應(yīng)。通常所說的激光超聲指的是熱彈區(qū)，由于用于激勵(lì)的脈沖激光器與被檢測(cè)物體表而z 間不需耍

33、任何機(jī)械連接和接觸，因此，這種方法具有很好的工程應(yīng)用潛力和前景。當(dāng)采用 光學(xué)方法接收激光朿在被檢測(cè)材料中產(chǎn)生的超蘆波時(shí)，這種方法可以完全實(shí)現(xiàn)非接觸的超 聲檢測(cè)。7.2激光超聲檢測(cè)技術(shù)7.2.1激勵(lì)用激光器激光超聲系統(tǒng)是一個(gè)集光、機(jī)、電、算的復(fù)雜的檢測(cè)系統(tǒng)，主要由兩部分組成，即超 聲波的產(chǎn)生與接收。產(chǎn)生超聲波的激光器目前主要有：a) nd： yag激光器，該激光器產(chǎn)生 的激光波長是1064nm，激光器的能量為300mj,發(fā)出的激光光斑直徑是6. 5mm,該激光器激 勵(lì)出的超聲波的脈寬是5ns； b) co?激光器，該激光器的光脈沖持續(xù)吋間為70ns,根據(jù)制造 需要，c02激光束的形狀是長方形的，

34、光斑直徑大約5伽】左右；c) xecl (308nm)激光器， 激勵(lì)出的脈寬是40ns, xccl激光器與co?激光器有相似的光束形狀，光斑直徑大約是3mm。 在對(duì)碳纖維樹脂基復(fù)合材料檢測(cè)時(shí)，復(fù)合材料對(duì)這兒種波長的激光器有不同的吸收特性和 燒蝕閾值，選用nd： yag激光器比較常見。7.2.2光學(xué)接受技術(shù)非接觸的超聲波接收技術(shù)較多，常用的方法有電磁聲換能器（emat）,電容換能器（msat）及空氣換能器等，但是這些非接觸光學(xué)探測(cè)方法的應(yīng)用除了各自的局限性（如emat 要求被檢測(cè)樣詁為導(dǎo)體；esat要求樣品表面拋光；空氣換能器帶寬較窄等）之外，其共同 的特點(diǎn)是雖然是非接觸式的，但相隔距離不能很遠(yuǎn)

35、（幾毫米到幾十個(gè)毫米），探測(cè)靈敏度 隨樣品及換能器間的距離增大而降低。耍真止實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的非接觸式檢測(cè)只能采用光學(xué)檢 測(cè)技術(shù)。非干涉的刀口技術(shù)要求樣品表面非常光潔，難以用于粗糙表面。所以要想實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn) 距離的檢測(cè)，常用光學(xué)干涉技術(shù)，常用下面兩種干涉方法來實(shí)現(xiàn)超聲波的接收：（1）光外井技術(shù)光外差方法通常用的是邊克遜干涉儀，探測(cè)的表面是鏡面，圖7. 3是外差干涉儀的原 理圖。激光器圖7.3外差干涉儀示意圖光外差方法對(duì)頻率的響應(yīng)受探測(cè)器截止頻率影響，因此大于探測(cè)器截止頻率的超聲振 動(dòng)應(yīng)該有補(bǔ)償措施，用一個(gè)機(jī)電反饋回路來實(shí)現(xiàn)這種補(bǔ)償效果。外差干涉法對(duì)表面的位移 敏感，但是卻無法消除工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)各種振動(dòng)對(duì)探測(cè)的干

36、擾，此外，這種方法對(duì)光點(diǎn)的尺寸大 小有非常苛刻的限制，只有光點(diǎn)尺寸達(dá)到一個(gè)散斑大小時(shí)才能達(dá)到最佳的檢測(cè)效果，因此 光外差方法只能用于實(shí)驗(yàn)室條件卜光滑表面的超蘆振動(dòng)的檢測(cè)，在外現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中常用的是 速度干涉儀。（2）速度干涉儀速度干涉儀也叫做時(shí)間延遲干涉儀，它是基于多普勒頻移原理而應(yīng)用的一種光學(xué)檢測(cè)方法，如圖7. 4所示。圖7. 4激光接收系統(tǒng)原理圖當(dāng)激光照射在振動(dòng)物體表面時(shí)，根據(jù)多普勒頻移的原理，發(fā)射或散射光的頻率發(fā)生了 變化，變化的頻率里加載了超聲波的振動(dòng)頻率，干涉儀把頻率的變化轉(zhuǎn)變成光的強(qiáng)度的變 化，經(jīng)過一系列的處理手段，轉(zhuǎn)變成電信號(hào)在示波器上顯示出來，分析信號(hào)的特征就可以 得到對(duì)被檢測(cè)試件內(nèi)部的情況。圖7. 5工作原理及輸出信號(hào)的光強(qiáng)光頻率的關(guān)系速度干涉儀對(duì)檢測(cè)物體表面的速度特別敏感