一种光学无损检测环形内壁表面的装置

摘要

本发明涉及一种光学无损检测环形内壁表面的装置，其特征在于：在被测环形内壁的轴线上依设置细玻璃棒、扩束装置、剪切元件、成像装置、线阵CCD和旋转台；剪切元件成像装置、和线阵CCD固定在旋转台上，且线阵CCD的主光轴与旋转轴重合；细玻璃棒设置在环形内壁轴线距环形内壁中心小于200mm的位置，并平行于环形内壁轴线放置；激光器的光轴与玻璃棒的中心轴线呈0.01°～20°角度放置；线阵CCD采集的图像信号输出至计算机，计算机的控制信号输出至旋转台控制旋转台的旋转。利用线阵CCD推扫，根据待测样品表面设计的微位移平台的移动轨道，沿所述移动轨道推扫得到的散斑图消除了散斑像的离焦现象，提高了缺陷检测的灵敏度。

权利要求

1.一种光学无损检测环形内壁表面的装置，其特征在于包括激光器(1)、扩束装置(2)、剪切元件(4)、成像装置(5)、线阵CCD(6)、旋转台(7)、计算机(8)和细玻璃棒(9)；在被测环形内壁的轴线上依设置细玻璃棒(9)、扩束装置(2)、剪切元件(4)、成像装置(5)、线阵CCD(6)和旋转台(7)；剪切元件(4)、成像装置(5)和线阵CCD(6)固定在旋转台(7)上，且线阵CCD(6)的主光轴与旋转轴重合；细玻璃棒(9)设置在环形内壁轴线距环形内壁中心小于200mm的位置，并平行于环形内壁轴线放置；激光器(1)的光轴与玻璃棒的中心轴线呈0.01°～20°角度放置；线阵CCD(6)采集的图像信号输出至计算机(8)，计算机(8)的控制信号输出至旋转台(7)控制旋转台(7)的旋转；扩束装置(2)设置在激光束经细玻璃棒产生的圆锥面光束方向位置上，调整扩束装置(2)上下位置使圆锥面光束均匀扩束到环形内壁整个表面；所述剪切元件(4)为夹角在0.01°～5°角度固定的两块平面反射镜组成，其交楞中心位于旋转轴线与环形内壁高度中心交叉点上，且两镜面与旋转轴线夹角相同为45°±1°。

2.根据权利要求1所述的无损检测环形内壁表面的装置，其特征在于：所述激光器(1)采用氦氖激光器。

3.根据权利要求1所述的无损检测环形内壁表面的装置，其特征在于：所述扩束装置(2)采用手镯状环形柱透镜。

4.根据权利要求1所述的无损检测环形内壁表面的装置，其特征在于：所述线阵CCD(6)为像素呈一维阵列分布的电荷耦合器件。

5.根据权利要求1所述的无损检测环形内壁表面的装置，其特征在于：所述细玻璃棒(12)直径范围为5mm到10mm。

6.根据权利要求1或5所述的无损检测环形内壁表面的装置，其特征在于：细玻璃棒采用光纤代替。

7.一种利用权利要求1～6所述任一种无损检测环形内壁表面的装置进行无损检测环形内壁表面的方法，其特征在于具体步骤如下：步骤1：将激光束以与玻璃棒的中心轴线呈0.01°～20°角度倾斜照明细玻璃棒后形成以细玻璃棒为轴心的圆锥面光束，此圆锥面光束照射在柱透镜上；

步骤2：该圆锥面光束经手镯状环形柱透镜扩束后，呈环状照射在环形内壁表面上，并在环形内壁表面形成一随机散斑场；

步骤3：散射光由双平面镜反射后经CCD镜头在CCD的光敏面上成一对错位的像，线阵CCD在旋转平台的控制下对像平面进行连续扫描采集，获得环形内壁表面各个部位的数字剪切散斑像；

步骤4：对包含待测样品在内的样品周围区域抽真空，重复步骤1至步骤3，得到待测样品抽真空后环形内壁表面各个部位的数字剪切散斑像；所述样品周围的相对真空度为0～-100KPa；

步骤5：对抽真空前后的两幅图像进行相关运算，得到图像H；

步骤6：对图像H采用均值滤波法或中值滤波法进行滤波，去除出现的多条沿线阵CCD像素排列方向的与线阵CCD像素同宽的亮条纹得到图像H1；

步骤7：当图像H1中出现蝴蝶斑形状的干涉条纹时证明待测样品出现损伤，否则证明待测样品无损。

8.根据权利要求7所述的无损检测环形内壁表面的方法，其特征在于：在步骤4中将待测样品加热或冷却，使其温度改变1～1000℃，得到样品加热后像平面上的对应两束光所成两个散斑像的另一幅图像。

9.根据权利要求7所述的无损检测环形内壁表面的方法，其特征在于：在步骤5中对变形前后的两幅图像进行相减运算，得到图像H。

说明书

技术领域

本发明涉及一种光学无损检测环形内壁表面的装置，属于光学无损检测技术领域。

背景技术

数字剪切散斑干涉技术是一种基于激光的全场，非接触表面变形(位移或应变)的测量技术。把一个具有微小楔角的剪切镜置于成像透镜的前面，使得物体表面的一点在像面上产生一对具有很小错位的两个像，由于物体表面被激光照明，使得由于错位产生的两幅剪切图像相互干涉而形成了一个包含随机干涉图样的剪切散斑场。错位像在像平面上互相干涉，形成散斑干涉图像并由CCD经图像卡采集到计算机中，对变形前后两幅散斑图像做相减或相关运算即可以在计算机上实时显示物体变形信息的散斑条纹。
数字剪切散斑干涉技术具有实时、全场、非接触、无损、机构简单、无需防震装置等优点。由于检测结果不受待测样品刚体运动影响，检测仪无需防震装置，为应用于生产检测线提供了技术基础。同时，计算机图像处理及分析系统使样品中的缺陷可实时监测与测量，快捷方便。对测量样品的高精度以及对测量环境的较低要求成为数字剪切散斑干涉技术成熟应用于轮胎、复合材料和金属领域的基础，其可以检测轮胎内部微小气泡和胎体脱层等典型缺陷，并可确定缺陷的断面位置。
目前，基于数字剪切散斑原理的无损检测方法及装置所采用的图像采集装置均为面阵CCD或面阵CMOS，例如，广州华工百川自控科技有限公司公开号为CN1632543A的发明专利，韩国轮胎株式会社公开号为CN1916563A的发明专利，Y.Y.Hung等人于2005年在Materials Science and Engineering上发表的“Shearography：An opticalmeasurement technique and applications”中利用散斑干涉术测量物体变形及离面位移。另外，德国Steinbichler公司生产的激光数字剪切散斑轮胎无损检测仪，可对整条轮胎进行检测，一个扫描周期可在2min内完成，缺陷分辨率为1mm，检测轮胎最大外直径为1600mm，最大断面宽度为600mm。但该检测仪检测系统的感光器件也是由若干个面阵CCD组成。
作为散斑图记录介质的面阵CCD或CMOS面积一般较小，其像素总数有限。若利用成像器件对较大视场成像，面阵CCD所采集的剪切散斑像的分辨率会降低，进而降低了材料缺陷的检测灵敏度。因此基于面阵CCD的无损检测，无法同时达到大视场面积和高灵敏度的要求。另外，若待测材料表面起伏较大，超过成像系统的景深限制，而面阵CCD为一准平面，成像在面阵CCD表面的像有一部分会产生离焦现象。由于受图像记录介质的影响，数字剪切散斑干涉技术的灵敏度及分辨率不能进一步提高。

发明内容

要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种一种光学无损检测环形内壁表面的装置，根据待测样品表面形貌可设计相应推扫轨道，以使推扫得到的待测样品的像清晰在焦；同时，线阵CCD相对于相同分辨率的面阵CCD价格便宜，感光面尺寸大，可大幅度降低检测成本。
技术方案
一种光学无损检测环形内壁表面的装置，其特征在于包括激光器1、扩束装置2、剪切元件4、成像装置5、线阵CCD6、旋转台7、计算机8和细玻璃棒9；在被测环形内壁的轴线上依设置细玻璃棒9、扩束装置2、剪切元件4、成像装置5、线阵CCD6和旋转台7；剪切元件4成像装置5、和线阵CCD6固定在旋转台7上，且线阵CCD6的主光轴与旋转轴重合；细玻璃棒9设置在环形内壁轴线距环形内壁中心小于200mm的位置，并平行于环形内壁轴线放置；激光器1的光轴与玻璃棒的中心轴线呈0.01°～20°角度放置；线阵CCD6采集的图像信号输出至计算机8，计算机8的控制信号输出至旋转台7控制旋转台7的旋转；扩束装置2设置在激光束经细玻璃棒产生的圆锥面光束方向位置上，调整扩束装置2上下位置使圆锥面光束均匀扩束到环形内壁整个表面；所述剪切元件4为夹角在0.01°～5°角度固定的两块平面反射镜组成，其交楞中心位于旋转轴线与环形内壁高度中心交叉点上，且两镜面与旋转轴线夹角相同为45°±1°。
所述激光器1采用氦氖激光器。
所述扩束装置2采用手镯状环形柱透镜。
带镜头的线阵CCD 6为像素呈一维阵列分布的电荷耦合器件。
所述细玻璃棒12直径范围为5mm到10mm。
细玻璃棒采用光纤代替。
一种利用上述无损检测环形内壁表面的装置进行无损检测环形内壁表面的方法，其特征在于具体步骤如下：
步骤1：将激光束以与玻璃棒的中心轴线呈0.01°～20°角度倾斜照明细玻璃棒后形成以细玻璃棒为轴心的圆锥面光束，此圆锥面光束照射在柱透镜上；
步骤2：该圆锥面光束经手镯状环形柱透镜扩束后，呈环状照射在环形内壁表面上，并在环形内壁表面形成一随机散斑场；
步骤3：散射光由双平面镜反射后经CCD镜头在CCD的光敏面上成一对错位的像，线阵CCD在旋转平台的控制下对像平面进行连续扫描采集，获得环形内壁表面各个部位的数字剪切散斑像；
步骤4：对包含待测样品在内的样品周围区域抽真空，重复步骤1至步骤3，得到待测样品抽真空后环形内壁表面各个部位的数字剪切散斑像；所述样品周围的相对真空度为0～-100KPa；
步骤5：对抽真空前后的两幅图像进行相关运算，得到图像H；
步骤6：对图像H采用均值滤波法或中值滤波法进行滤波，去除出现的多条沿线阵CCD像素排列方向的与线阵CCD像素同宽的亮条纹得到图像H1；
步骤7：当图像H1中出现蝴蝶斑形状的干涉条纹时证明待测样品出现损伤，否则证明待测样品无损。
在步骤4中将待测样品加热或冷却，使其温度改变1～1000℃，得到样品加热后像平面上的对应两束光所成两个散斑像的另一幅图像。
在步骤5中对变形前后的两幅图像进行相减运算，得到图像H。
有益效果
本发明提出的一种光学无损检测环形内壁表面的装置，以线阵CCD替代面阵CCD后，为了解决线阵CCD推扫得到散斑像时出现的图像质量问题，采用了对图像采用均值滤波法或中值滤波法进行滤波，去除出现的多条沿线阵CCD像素排列方向的与线阵CCD像素同宽的亮条纹，得到高质量图像。由于通过微位移平台带动线阵CCD对样品的像平面进行推扫采集从而获得多幅一维图像，再将其处理并合成一幅二维散斑图，有效增大了所记录视场的面积。并且，通过改变线阵CCD推扫过程中微位移平台的步进值大小来控制推扫精度，若将所述微位移平台的步进精度设置为小于线阵CCD的单元像素尺寸，还可以提高散斑图沿微位移平台移动方向的采样精度。此外，当待测样品表面起伏较大时，利用传统面阵CCD获得的散斑图上的像会产生离焦，可导致对应于离焦部分的缺陷无法检测。而利用线阵CCD推扫方法，可以根据待测样品表面设计相应的微位移平台的移动轨道，沿所述移动轨道推扫得到的散斑图消除了散斑像的离焦现象，从而有效提高了缺陷检测的灵敏度。

附图说明

图1：本发明的光学无损检测环形内壁表面的装置原理示意图；
1-激光器、2-扩束装置、3-待测样品、4-剪切元件、5-成像装置、6-带镜头的线阵CCD、7-旋转台、8-计算机、9-细玻璃棒。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
本实施例包括激光器1、扩束装置2、剪切元件4、成像装置5、线阵CCD6、旋转台7、计算机8和细玻璃棒9。
本实施例中，激光器采用氦氖激光器；待测样品3为一物体的环形内壁为轮胎内壁；细玻璃棒9的直径为8mm，其设置在轮胎轴线距轮胎中心小于90mm的位置，并平行于轮胎轴线放置细玻璃棒也可用光纤代替；激光器1位于细玻璃棒一侧，激光器发出的细光束与玻璃棒轴线之间成1°到90°夹角，且光束照射玻璃棒靠近轮胎的末端。扩束装置2采用一手镯状环形柱透镜，其设置在细玻璃棒产生的圆锥面光束方向，可将圆锥面光束均匀扩束到环形待测样品的整个表面。剪切元件4采用由两块平面反射镜组成的一个双平面反射镜，两块平面反射镜相夹1°到5°角度固定，其交楞中心位于旋转轴线上，且两镜面与旋转轴线夹角相同，接近45度。所述双平面反射镜的作用可以将一束入射光波分为传播方向略有不同的两束出射光波，并使两出射光束的传播方向与入射光波垂直；成像装置5采用一焦距可调的CCD镜头，用于将待测内壁清晰成像在CCD表面；线阵CCD 6为一像素呈一维阵列分布的电荷耦合器件，其像素排列方向与被双平面镜4反射的两出射光束的错开方向相同；微位移平台7采用可旋转的且移动精度可由计算机8调节的精密转台，所述双平面镜、CCD镜头及CCD固定在精密旋转台上，且CCD镜头的主光轴与旋转轴重合。
本实施例的主要工作过程为：所述氦氖激光器1发出的光束以一定角度倾斜照明细玻璃棒9，产生以细玻璃棒为轴心的圆锥面光束，使此圆锥面光束恰好照射在柱透镜上，该圆锥面光束经手镯状环形柱透镜2扩束后，呈环状较均匀地照射在轮胎内壁上，并在轮胎内壁表面形成一随机散斑场。轮胎内壁的散射光由双平面镜4反射，经CCD镜头5在CCD 6的光敏面上成一对错位的像。所述精密旋转平台7在计算机8控制下旋转一周，并带动所述线阵CCD 6对像平面进行连续扫描采集，获得轮胎内壁各个部位的数字剪切散斑像。分别采集所述样品变形前后的两幅剪切散斑图，由所述计算机8通过相关算法和数字图像处理等手段进行数值运算，即可以获得蝴蝶斑形状的散斑干涉条纹图。
本实施例的有益效果是：本实施例装置特别适用于检测环形物体内表面，例如轮胎内壁等，通过采用环形光束照明以及位于旋转台的CCD旋转采集可获得环形内壁各个部位的清晰的剪切散斑像。记录过程中，光源和轮胎不同，可避免散斑场抖动，此外，本装置也可采用固定双平面镜和CCD系统不动，同步旋转轮胎和照明光源的方式获得全场散斑图，也可达到避免散斑场抖动的效果。本装置中的线阵CCD可以用面阵CCD代替，采取分幅记录方式获得全场散斑图。