一種光學無損檢測環形內壁表面的裝置的製作方法

2023-06-30 15:41:56 1

專利名稱：一種光學無損檢測環形內壁表面的裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種光學無損檢測環形內壁表面的裝置，屬於光學無損檢測技術領域。
背景技術：
數字剪切散斑幹涉技術是一種基於雷射的全場，非接觸表面變形(位移或應變)
的測量技術。把一個具有微小楔角的剪切鏡置於成像透鏡的前面，使得物體表面的一點在
像面上產生一對具有很小錯位的兩個像，由於物體表面被雷射照明，使得由於錯位產生的
兩幅剪切圖像相互幹涉而形成了一個包含隨機幹涉圖樣的剪切散斑場。錯位像在像平面上
互相干涉，形成散斑幹涉圖像並由CCD經圖像卡採集到計算機中，對變形前後兩幅散斑圖
像做相減或相關運算即可以在計算機上實時顯示物體變形信息的散斑條紋。 數字剪切散斑幹涉技術具有實時、全場、非接觸、無損、機構簡單、無需防震裝置等
優點。由於檢測結果不受待測樣品剛體運動影響，檢測儀無需防震裝置，為應用於生產檢測
線提供了技術基礎。同時，計算機圖像處理及分析系統使樣品中的缺陷可實時監測與測量，
快捷方便。對測量樣品的高精度以及對測量環境的較低要求成為數字剪切散斑幹涉技術成
熟應用於輪胎、複合材料和金屬領域的基礎，其可以檢測輪胎內部微小氣泡和胎體脫層等
典型缺陷，並可確定缺陷的斷面位置。 目前，基於數字剪切散斑原理的無損檢測方法及裝置所採用的圖像採集裝置均為 面陣CCD或面陣CMOS，例如，廣州華工百川自控科技有限公司公開號為CN1632543A的發 明專利，韓國輪胎株式會社公開號為CN1916563A的發明專利，Y. Y. H皿g等人於2005年在 Materials Science and Engineering上發表的"Shearography :An opticalmeasurement technique and applications"中利用散斑幹涉術測量物體變形及離面位移。另外，德國 Steinbichler公司生產的雷射數字剪切散斑輪胎無損檢測儀，可對整條輪胎進行檢測，一 個掃描周期可在2min內完成，缺陷解析度為lmm，檢測輪胎最大外直徑為1600mm，最大斷面 寬度為600mm。但該檢測儀檢測系統的感光器件也是由若干個面陣CCD組成。
作為散斑圖記錄介質的面陣CCD或CMOS面積一般較小，其像素總數有限。若利用 成像器件對較大視場成像，面陣CCD所採集的剪切散斑像的解析度會降低，進而降低了材 料缺陷的檢測靈敏度。因此基於面陣CCD的無損檢測，無法同時達到大視場面積和高靈敏 度的要求。另外，若待測材料表面起伏較大，超過成像系統的景深限制，而面陣CCD為一準 平面，成像在面陣CCD表面的像有一部分會產生離焦現象。由於受圖像記錄介質的影響，數 字剪切散斑幹涉技術的靈敏度及解析度不能進一步提高。

發明內容
要解決的技術問題 為了避免現有技術的不足之處，本發明提出一種一種光學無損檢測環形內壁表面 的裝置，根據待測樣品表面形貌可設計相應推掃軌道，以使推掃得到的待測樣品的像清晰在焦；同時，線陣CCD相對於相同解析度的面陣CCD價格便宜，感光面尺寸大，可大幅度降低
檢測成本。 技術方案 —種光學無損檢測環形內壁表面的裝置，其特徵在於包括雷射器1、擴束裝置2、 剪切元件4、成像裝置5、線陣CCD6、旋轉臺7、計算機8和細玻璃棒9 ;在被測環形內壁的軸 線上依設置細玻璃棒9、擴束裝置2、剪切元件4、成像裝置5、線陣CCD6和旋轉臺7 ;剪切元 件4成像裝置5、和線陣CCD6固定在旋轉臺7上，且線陣CCD6的主光軸與旋轉軸重合；細 玻璃棒9設置在環形內壁軸線距環形內壁中心小於200mm的位置，並平行於環形內壁軸線 放置；雷射器l的光軸與玻璃棒的中心軸線呈O.Or 20°角度放置；線陣CCD6採集的圖 像信號輸出至計算機8，計算機8的控制信號輸出至旋轉臺7控制旋轉臺7的旋轉；擴束裝 置2設置在雷射束經細玻璃棒產生的圓錐面光束方向位置上，調整擴束裝置2上下位置使 圓錐面光束均勻擴束到環形內壁整個表面；所述剪切元件4為夾角在0.01° 5°角度固 定的兩塊平面反射鏡組成，其交楞中心位於旋轉軸線與環形內壁高度中心交叉點上，且兩 鏡面與旋轉軸線夾角相同為45。 ±1° 。
所述雷射器1採用氦氖雷射器。
所述擴束裝置2採用手鐲狀環形柱透鏡。 帶鏡頭的線陣CCD 6為像素呈一維陣列分布的電荷耦合器件。
所述細玻璃棒12直徑範圍為5mm到10mm。
細玻璃棒採用光纖代替。 —種利用上述無損檢測環形內壁表面的裝置進行無損檢測環形內壁表面的方法， 其特徵在於具體步驟如下 步驟l :將雷射束以與玻璃棒的中心軸線呈O.Or 20°角度傾斜照明細玻璃棒 後形成以細玻璃棒為軸心的圓錐面光束，此圓錐面光束照射在柱透鏡上；
步驟2 :該圓錐面光束經手鐲狀環形柱透鏡擴束後，呈環狀照射在環形內壁表面 上，並在環形內壁表面形成一隨機散斑場； 步驟3 :散射光由雙平面鏡反射後經CCD鏡頭在CCD的光敏面上成一對錯位的像， 線陣CCD在旋轉平臺的控制下對像平面進行連續掃描採集，獲得環形內壁表面各個部位的 數字剪切散斑像； 步驟4:對包含待測樣品在內的樣品周圍區域抽真空，重複步驟1至步驟3，得到待 測樣品抽真空後環形內壁表面各個部位的數字剪切散斑像；所述樣品周圍的相對真空度為 0 -lOOKPa ; 步驟5 :對抽真空前後的兩幅圖像進行相關運算，得到圖像H ; 步驟6 :對圖像H採用均值濾波法或中值濾波法進行濾波，去除出現的多條沿線陣 CCD像素排列方向的與線陣CCD像素同寬的亮條紋得到圖像HI ; 步驟7 :當圖像H1中出現蝴蝶斑形狀的幹涉條紋時證明待測樣品出現損傷，否則 證明待測樣品無損。 在步驟4中將待測樣品加熱或冷卻，使其溫度改變1 IOO(TC ，得到樣品加熱後像
平面上的對應兩束光所成兩個散斑像的另 一 幅圖像。 在步驟5中對變形前後的兩幅圖像進行相減運算，得到圖像H。
5
有益效果 本發明提出的一種光學無損檢測環形內壁表面的裝置，以線陣CCD替代面陣CCD 後，為了解決線陣CCD推掃得到散斑像時出現的圖像質量問題，採用了對圖像採用均值濾 波法或中值濾波法進行濾波，去除出現的多條沿線陣CCD像素排列方向的與線陣CCD像素 同寬的亮條紋，得到高質量圖像。由於通過微位移平臺帶動線陣CCD對樣品的像平面進行 推掃採集從而獲得多幅一維圖像，再將其處理併合成一幅二維散斑圖，有效增大了所記錄 視場的面積。並且，通過改變線陣CCD推掃過程中微位移平臺的步進值大小來控制推掃精 度，若將所述微位移平臺的步進精度設置為小於線陣CCD的單元像素尺寸，還可以提高散 斑圖沿微位移平臺移動方向的採樣精度。此外，當待測樣品表面起伏較大時，利用傳統面陣 CCD獲得的散斑圖上的像會產生離焦，可導致對應於離焦部分的缺陷無法檢測。而利用線陣 CCD推掃方法，可以根據待測樣品表面設計相應的微位移平臺的移動軌道，沿所述移動軌道 推掃得到的散斑圖消除了散斑像的離焦現象，從而有效提高了缺陷檢測的靈敏度。


圖1 :本發明的光學無損檢測環形內壁表面的裝置原理示意圖； 1-雷射器、2_擴束裝置、3_待測樣品、4_剪切元件、5_成像裝置、6_帶鏡頭的線陣
CCD、7-旋轉臺、8_計算機、9_細玻璃棒。
具體實施例方式
現結合實施例、附圖對本發明作進一步描述 本實施例包括雷射器1、擴束裝置2、剪切元件4、成像裝置5、線陣CCD6、旋轉臺7、 計算機8和細玻璃棒9。 本實施例中，雷射器採用氦氖雷射器；待測樣品3為一物體的環形內壁為輪胎內 壁；細玻璃棒9的直徑為8mm，其設置在輪胎軸線距輪胎中心小於90mm的位置，並平行於輪 胎軸線放置細玻璃棒也可用光纖代替；雷射器1位於細玻璃棒一側，雷射器發出的細光束 與玻璃棒軸線之間成r到90°夾角，且光束照射玻璃棒靠近輪胎的末端。擴束裝置2採 用一手鐲狀環形柱透鏡，其設置在細玻璃棒產生的圓錐面光束方向，可將圓錐面光束均勻 擴束到環形待測樣品的整個表面。剪切元件4採用由兩塊平面反射鏡組成的一個雙平面反 射鏡，兩塊平面反射鏡相夾r到5°角度固定，其交楞中心位於旋轉軸線上，且兩鏡面與 旋轉軸線夾角相同，接近45度。所述雙平面反射鏡的作用可以將一束入射光波分為傳播方 向略有不同的兩束出射光波，並使兩齣射光束的傳播方向與入射光波垂直；成像裝置5採 用一焦距可調的CCD鏡頭，用於將待測內壁清晰成像在CCD表面；線陣CCD 6為一像素呈一 維陣列分布的電荷耦合器件，其像素排列方向與被雙平面鏡4反射的兩齣射光束的錯開方 向相同；微位移平臺7採用可旋轉的且移動精度可由計算機8調節的精密轉臺，所述雙平面 鏡、CCD鏡頭及CCD固定在精密旋轉臺上，且CCD鏡頭的主光軸與旋轉軸重合。
本實施例的主要工作過程為所述氦氖雷射器1發出的光束以一定角度傾斜照明 細玻璃棒9，產生以細玻璃棒為軸心的圓錐面光束，使此圓錐面光束恰好照射在柱透鏡上， 該圓錐面光束經手鐲狀環形柱透鏡2擴束後，呈環狀較均勻地照射在輪胎內壁上，並在輪 胎內壁表面形成一隨機散斑場。輪胎內壁的散射光由雙平面鏡4反射，經CCD鏡頭5在CCD6的光敏面上成一對錯位的像。所述精密旋轉平臺7在計算機8控制下旋轉一周，並帶動所 述線陣CCD 6對像平面進行連續掃描採集，獲得輪胎內壁各個部位的數字剪切散斑像。分 別採集所述樣品變形前後的兩幅剪切散斑圖，由所述計算機8通過相關算法和數字圖像處 理等手段進行數值運算，即可以獲得蝴蝶斑形狀的散斑幹涉條紋圖。 本實施例的有益效果是本實施例裝置特別適用於檢測環形物體內表面，例如輪 胎內壁等，通過採用環形光束照明以及位於旋轉臺的CCD旋轉採集可獲得環形內壁各個部 位的清晰的剪切散斑像。記錄過程中，光源和輪胎不同，可避免散斑場抖動，此外，本裝置也 可採用固定雙平面鏡和CCD系統不動，同步旋轉輪胎和照明光源的方式獲得全場散斑圖， 也可達到避免散斑場抖動的效果。本裝置中的線陣CCD可以用面陣CCD代替，採取分幅記 錄方式獲得全場散斑圖。
權利要求
一種光學無損檢測環形內壁表面的裝置，其特徵在於包括雷射器(1)、擴束裝置(2)、剪切元件(4)、成像裝置(5)、線陣CCD(6)、旋轉臺(7)、計算機(8)和細玻璃棒(9)；在被測環形內壁的軸線上依設置細玻璃棒(9)、擴束裝置(2)、剪切元件(4)、成像裝置(5)、線陣CCD(6)和旋轉臺(7)；剪切元件(4)、成像裝置(5)和線陣CCD(6)固定在旋轉臺(7)上，且線陣CCD(6)的主光軸與旋轉軸重合；細玻璃棒(9)設置在環形內壁軸線距環形內壁中心小於200mm的位置，並平行於環形內壁軸線放置；雷射器(1)的光軸與玻璃棒的中心軸線呈0.01°～20°角度放置；線陣CCD(6)採集的圖像信號輸出至計算機(8)，計算機(8)的控制信號輸出至旋轉臺(7)控制旋轉臺(7)的旋轉；擴束裝置(2)設置在雷射束經細玻璃棒產生的圓錐面光束方向位置上，調整擴束裝置(2)上下位置使圓錐面光束均勻擴束到環形內壁整個表面；所述剪切元件(4)為夾角在0.01°～5°角度固定的兩塊平面反射鏡組成，其交楞中心位於旋轉軸線與環形內壁高度中心交叉點上，且兩鏡面與旋轉軸線夾角相同為45°±1°。
2. 根據權利要求l所述的無損檢測環形內壁表面的裝置，其特徵在於所述雷射器(1)採用氦氖雷射器。
3. 根據權利要求1所述的無損檢測環形內壁表面的裝置，其特徵在於所述擴束裝置(2)採用手鐲狀環形柱透鏡。
4. 根據權利要求l所述的無損檢測環形內壁表面的裝置，其特徵在於所述線陣CCD(6)為像素呈一維陣列分布的電荷耦合器件。
5. 根據權利要求1所述的無損檢測環形內壁表面的裝置，其特徵在於所述細玻璃棒(12)直徑範圍為5mm到10mm。
6. 根據權利要求1或5所述的無損檢測環形內壁表面的裝置，其特徵在於細玻璃棒採用光纖代替。
7. —種利用權利要求1 6所述任一種無損檢測環形內壁表面的裝置進行無損檢測環形內壁表面的方法，其特徵在於具體步驟如下步驟i :將雷射束以與玻璃棒的中心軸線呈o.or 20°角度傾斜照明細玻璃棒後形成以細玻璃棒為軸心的圓錐面光束，此圓錐面光束照射在柱透鏡上；步驟2 :該圓錐面光束經手鐲狀環形柱透鏡擴束後，呈環狀照射在環形內壁表面上，並在環形內壁表面形成一隨機散斑場；步驟3 :散射光由雙平面鏡反射後經CCD鏡頭在CCD的光敏面上成一對錯位的像，線陣CCD在旋轉平臺的控制下對像平面進行連續掃描採集，獲得環形內壁表面各個部位的數字剪切散斑像；步驟4 :對包含待測樣品在內的樣品周圍區域抽真空，重複步驟1至步驟3，得到待測樣品抽真空後環形內壁表面各個部位的數字剪切散斑像；所述樣品周圍的相對真空度為0 -lOOKPa ;步驟5 :對抽真空前後的兩幅圖像進行相關運算，得到圖像H ;步驟6 :對圖像H採用均值濾波法或中值濾波法進行濾波，去除出現的多條沿線陣CCD像素排列方向的與線陣CCD像素同寬的亮條紋得到圖像& ;步驟7 :當圖像^中出現蝴蝶斑形狀的幹涉條紋時證明待測樣品出現損傷，否則證明待測樣品無損。
8. 根據權利要求7所述的無損檢測環形內壁表面的方法，其特徵在於在步驟4中將 待測樣品加熱或冷卻，使其溫度改變1 100(TC，得到樣品加熱後像平面上的對應兩束光 所成兩個散斑像的另一幅圖像。
9. 根據權利要求7所述的無損檢測環形內壁表面的方法，其特徵在於在步驟5中對 變形前後的兩幅圖像進行相減運算，得到圖像H。
全文摘要
本發明涉及一種光學無損檢測環形內壁表面的裝置，其特徵在於在被測環形內壁的軸線上依設置細玻璃棒、擴束裝置、剪切元件、成像裝置、線陣CCD和旋轉臺；剪切元件成像裝置、和線陣CCD固定在旋轉臺上，且線陣CCD的主光軸與旋轉軸重合；細玻璃棒設置在環形內壁軸線距環形內壁中心小於200mm的位置，並平行於環形內壁軸線放置；雷射器的光軸與玻璃棒的中心軸線呈0.01°～20°角度放置；線陣CCD採集的圖像信號輸出至計算機，計算機的控制信號輸出至旋轉臺控制旋轉臺的旋轉。利用線陣CCD推掃，根據待測樣品表面設計的微位移平臺的移動軌道，沿所述移動軌道推掃得到的散斑圖消除了散斑像的離焦現象，提高了缺陷檢測的靈敏度。
文檔編號G01N21/45GK101701922SQ20091021905
公開日2010年5月5日 申請日期2009年11月19日 優先權日2009年11月19日
發明者孫偉偉, 趙建林, 邸江磊 申請人:西北工業大學