（光学专业论文）轮箍表面荧光磁粉探伤系统.pdf

摘要 摘要 轮箍表面荧光磁粉探伤系统是基于暗室条件下的图像采集、图像处理、缺陷 自动检测的新一代的工业在线缺陷检测系统。c c 0 采集图像的实时在线处理和可 疑缺陷的实时报警是该系统的创新之处，为其他金属表面缺陷检测( 钢板、炮膛 等) 提供了范例。 文章详细介绍了基于c c 9 成像的轮箍表面荧光磁粉探伤计算机图像显示系 统的工作原理和结构组成，对系统内的紫外频谱、荧光磁粉激发频谱及c c d 摄像 机工作波段进行了分析，确定了紫外光源的种类和c c d 的型号、工作波段及参 数。系统采用最大谱功率为3 6 5 r t r n 的紫外光源和检测级高像素、高灵敏度面阵 c c d 摄像机。为了尽量杜绝可见光照射到轮箍上，在紫外光源前加了一块滤光玻 璃，其对波长小于3 0 0 n m 的有害紫外线及大于4 2 0 n m 的无用可见光都起到良好的 截止作用，对谱功率较为集中的3 6 5 n m 紫外光线也具有较高的透过率，有效的提 高了整个系统的精确度和灵敏度。为了降低图像中水滴、水迹、刀痕、表面污染 等伪缺陷的影响，同时消除光源和c c o 相机抖动的影响，在图像进行处理方面， 通过对获取的图像特征进行了研究分析，设计了一套图像实时处理和检测的软 件。该软件先要对图像进行平滑处理，以有效的抑制噪声和伪缺陷的干扰。平滑 在抑制噪声和伪缺陷的同时也使得整个图像变模糊了，再用导数的方法来给图像 提取边缘，即把图像灰度值变化的地方凸现出来。最后选取一个闽值，把图像二 值化即可得到一个去除了噪声和伪缺陷的缺陷图像。检测过程中遇到真正缺陷 时，系统就会产生声响报警。 论文在详细地分析了国内外研究现状和发展趋势的基础上，针对实际生产过 程，结合荧光磁粉探伤技术和c c d 技术，设计了一套检测精确、运行成本低、 能够适应轮箍检测现场条件的系统。加上合适的图像处理软件就可以实现对轮箍 表面缺陷的精确检测。 关键词：无损检测 图像处理 c c d磁粉探伤 轮箍表向荧光磁粉探伤系统 a b s t r a c t t i l ew h e e lb a n ds u r f a c ep h o s p h o rm a g n e tp o w d e , f l a wd e t e c t i o ns y s t e mi san e w g e n e r a t i o no fi n d u s t r i a lo n l i n ef l a wd e t e c t i o ns y s t e m ，w h i c hh a si m a g e sc o l l e c t i o n b a s e d0 nd a r k r o o mc o n d i t i o n s i m a g ep r o c e s s i n g a u t o m a t i cd e t e c t i o no ft h ef l a w t h e i n n o v a t i o n so ft h i ss y s t e ma r et h er e a l - t i m eo n l i n ep r o c e s s i n go fc c dc o l l e c t i n g i m a g e sa n dr e a l t i m ea l e r t i n go fs u s p i c i o u si m a g e w h i c hp r o v i d e se x a m p l e sf o rt h e f l a wd e t e c t i o no t o t h e rm e t a ls u r f a c e ( s t e e l a r t i l l e o g u n s ，e t c ) b a s e do nc c di m a g i n g ，t h eo p e r a t i o np r i n c i p l ea n ds t r u c t u r eo ft h ep h o s p h o r m a g n e tp o w d e rf l a wd e t e c t i o ns y s t e mo faw h e e lb a n ds u r f a c ea n dt h ed i s p l a ys y s t e m o fc o m p u t e ri m a g eh a v eb e e ni n t r o d u c e di nd e t a i li nt h i sp a p e r t h eu v s p e c t r u m ，t h e e x c i t e ds p e c t r u mo ft h ep h o s p h o rm a g n e tp o w d e ra n dt h ew o r k i n gw a v e b a n do fc c d c a m e r ah a v eb e e na n a l y z e di nt h i ss y s t e m ，t h et y p eo fu l t r a v i o l e ts o u r c e ，c c dm o d e l s w o r k b a n da n dp a r a m e t e r sa r ed e t e r m i n e d t h i ss y s t e mu s e st h e3 6 5 m nu l t r a v i o l e t s o u r c eo ft h el a r g e s ts p e c t r a lp o w e rs y s t e mu s e df o rt h e3 6 5 n ma n dh i g h - l e v e lt e s t i n g p i x e l s ，h i g hs e n s i t i v i t yc c dc a m e r a ，i no r d e rt os t o pt h ev i s i b l el i g h tt os h i n et h e w h e e lb a n d ，w ea d dag l a s sf i l t e ri nf r o n to ft h eu l t r a v i o l e ts o u r c e ，w h i c hc a nf i l t e r e f f e c t i v e l ys m a l l e rt h a nt h e3 0 0 n mh a r m f u lu l t r a v i o l e tr a y a n db i g g e rt h a n4 2 0 n mt h e u s e l e s sv i s i b l el i g h t ，a l s oh a st h eh i g ht r a n s m i s s i b i l i t yt ot h es p e c t r u mp o w e rm o r e c e n t r a l i z e d3 6 5 n mu l t r a v i o l e tl i g h ti te n h a n c e se f f e c t i v e l yo v e r a l ls y s t e mp r e c i s i o n a n ds e n s i t i v i t y i no r d e rt or e d u c et h ei n f l u e n c eo ft h ep s e u d o f l a wi nt h ei m a g e ，s u c h a st h ew a t e rd r o p ，s l a s h ，s u r f a c ep o l l u t i o na n ds o0 n ，a n de l i m i n a t et h el i g h ts o u r c e a n dt h ec c dc a m e r av i b r a t i o ni n f l u e n c e ，w eh a v ed e s i g n e das e to fi m a g er e a l t i m e p r o c e s s i n ga n dt h ee x a m i n a t i o ns o f t w a r et h r o u g hr e s e a r c h i n ga n da n a l y z i n gt h ei m a g e c h a r a c t e r i s t i co nt h ep r o c e s s i n ga s p e c to fi m a g e f i r s t ，t h i ss o f t w a r em u s tc a r r y ；o n s m o o t hp r o c e s s i n gt ot h ei m a g e e l i m i n a t ee f f e c t i v e l yn o i s ea n dp s e u d o f l a w d i s t u r b a n c e s m o o t hp r o c e s s i n gc a u s e st h ee n t i r ei m a g ea m b i g u i t ya tt h es a m et i m et o e l i m i n a t en o i s ea n dp s e u d o - f l a w , t h e nw ew i t h d r a wt h ee d g ew i t ht h ed e r i v a t i v e ， n a m e l y t h ec h a n g ep l a c e so ft h ei m a g es h a d eo fg r a y a r ed i s c o v e r e d f i n a l l y ， s e l e c t i n gat h r e s h o l dv a l u e t h o u g ht w ov a l u e sp r o c e s s i n g ，w ec a no b t a i n e dt h ei m a g e r e m o v e dt h en o i s ea n dt h ep s e u d o - f l a w i nt h ee x a m i n a t i o np r o c e s s w h e nt h et r u e f l a w sa r et b u n d t h es y s t e mc a nh a v et h es o u n dt or e p o r tt ot h ec h e c k e r a f t e rt h ep a p e rh a sa n a l y z e dt h ed o m e s t i ca n df o r e i g np r e s e n tr e s e a r c hs i t u a t i o n a n dd e v e l o p m e n tl e n d e n c yi nd e t a i l ，i nv i e wo ft h ea c t u a lp r o d u c t i o np r o c e s s ，t h e u n i o nf l u o r e s c e n c em a g n e t i cp o w d e rt e s tt e c h n o l o g ya n dt h ec c dt e c h n o l o g y w e d e s i g nas e to fs y s t e m w h i c hh a se x a m i n a t i o n sp r e c i s e l y - , l o wm o v e m e n tc o s t ，a d a p t e d t h ew , h e e lb a n dt oe x a m i n et h ef i e l dc o n d i t i o n w ec a nr e a l i z et h ew h e e lb a n ds u r f a c e f l a wp r e c i s ee x a m i n a t i o na d do i las u i t a b l ei m a g ep r o c e s s i n gs o f t w a r e k e y w o r d s ：n o n d e s t r u c t i v et e s t i n g l m a g ep r o c e s s i n g c c d m a g n e t i c p o w e r d e t e c t i o n 轮箍表面荧光磁粉探伤系统 绪论 l 课题背景 轮箍是火车的重要部件，轮箍的表面的裂缝等缺陷是造成行车事故的潜在威 胁，所以在产品出场前必须对它的表面进行检测。传统荧光磁粉探伤采用的是人 工观察，检测人员长期处在紫外光照射下，不仅工作环境条件差，且长时间的观 察会使眼睛产生疲劳，从而易造成漏检。我们以c c d 成像的方式替代人工直接观 察【l 】，通过计算机对所摄图像进行适当处理，消除水迹等伪缺陷，同时对可疑缺 陷进行增强显示并及时予以发声提醒，不仅彻底改善了检测人员工作环境问题， 而且可以最大程度避免漏检事故发生。 2 国内外研究现状及发展趋势 1 ) 无损检测技术的发展 无损检测是建立在现代科学技术基础上的一门应用型技术学科，它以不损坏 被检测物体内部结构为前提，应用物理的方法，检测物体内部或表面的物理性能、 状态特性以及内部结构，检查物质内部是否存在不连续性( 即缺陷) ，从而判断 被检测物体是否合格，进而评价其适用性。无损检测学科几乎涉及到了物理科学 中的光学、电磁学、声学、原子物理学以及计算机、数据通讯等学科，在冶金、 机械、石油、化工、航空、航天各个领域有广泛的应用【2 】。 以1 8 9 5 年伦琴发现x 射线为标志，无损检测作为一门多学科的综合技术 正式开始进入工业化大生产的实际应用领域。 1 9 0 0 年法国海关开始应用x 射线检验物品，1 9 2 2 年美国建立了世界第一 个工业射线实验室，用x 射线检查铸件质量，以后在军事工业和机械制造业等 领域得到广泛的应用，射线检测至今仍然是许多工业产品质量控制的重要手段。 1 9 1 2 年超声波探测技术最早在航海中用于探查海面上的冰山，1 9 2 9 年超声 波技术用于产品缺陷的检验，至今仍是锅炉压力容器、铁轨、重要机械产品的主 要检测手段。 绪论 3 0 年代用磁粉检测方法来检测车辆的曲柄等关键部件，以后在钢结构件上 广泛应用磁粉探伤方法，使磁粉检测得以普及到各种铁磁性材料的表面检测。 经典的电磁感应定律和涡流电荷集肤效应的发现，促进了现代导电材料涡流 检测方法的产生。1 9 3 5 年第一台涡流探测仪器研究成功。五十年代初，德国科 学家霍斯特发表了一系列有关电磁感应的论文，开创了现代涡流检测的新篇章。 到了二十世纪中期，在现代化工业大生产促进下，建立了以射线检测( r t ) 、 超声检测( u t ) 、磁粉检测( m t ) 、渗透检测( p t ) 和电磁检测( e t ) 五大常 规检测方法为代表的无损检测体系。随着现代科学技术的不断发展和相互间的渗 透，新的无损检测技术不断涌现，新的无损检测方法层出不穷，建立起一套较完 整的无损检测体系，覆盖工业化大生产的大部分领域。 二十世纪后期，以计算机和新材料为代表的新技术，促进无损检测技术的快 速发展，例如，射线实时成像检测技术，工业c t 技术的出现，使射线检测不 断拓宽其应用领域。随着纳米技术的发展，射线成像技术将获进一步的提升。目 前无损检测技术正向更高层次的无损评价方向发展【3 】。 2 ) 无损检测技术在轮箍检测中的应用与发展 目前，对轮箍等的自动检测有磁粉、涡流及超声方法。用超声方法检测灵敏 度高，可靠性好。对内部缺陷检测同样灵敏，但缺点是要求工件表面光洁，无油 污，检验速度较慢，设备复杂，价格昂贵。且轮箍表面常有油污和锈蚀，油污清 除也难以达到超声检测要求。因此，国内较少采用。涡流法检测速度快，对表面 油污不敏感，但检测灵敏度低，干扰因素多，判断性差。磁粉法表面检测灵敏度 高，显示直观，对超声、涡流、渗透检测无法达到的轴端检测。磁粉法易于实现， 但仍需要肉眼观察且环境较脏。在通常情况下，对轮箍进行检测多采用磁粉法， 且用的是荧光磁粉。但现有的磁粉检测方法存在着不可避免的缺陷，具体如下： i 、荧光磁粉检测法主要依据观察缺陷形成的磁痕，来判断缺陷的存在与否 及其分布的严重程度。因此，磁痕与周围背景之f b j 的亮度或颜色差别是十分重要 的，这种差别称为对比度。它们对光的反射的相对量称为对比率。其差别越大越 容易识别，其差别越小越不容易识别，越容易出错误。因此，识别率的高低在一 定程度上受人的视觉特性影响。 2 、荧光磁粉检测是在暗处进行的，且作业空间狭小，人眼不易靠近，容易 轮箍表面荧光磁粉探伤系统 使缺陷漏检。而且人在黑暗的环境中紧张、持久、单调地操作，很容易疲劳，以 至会造成人为的漏检。 3 、在实施荧光磁粉检测时必须配备专用的紫外线灯，这给检测工作带来了 一些不便。另外，由于紫外线灯辐射的长波紫外线，对人体皮肤及眼晶体有伤害 作用，在使用紫外线灯时必须注意光束不能直接照射人眼或皮肤。 针对上述问题我们提出了这种安装维修方便、结构简单、成本低，可对轮箍 进行实时检测的荧光磁粉探伤系统。从系统工作流程图上看，该检测系统分现场 摄像和后处理及显示两部分组成。现场摄像部分置于暗室内，包括：照明光源、 c c d 摄像探头、机械旋转、荧光磁粉喷洒等设备；后处理及显示部分可置于控制 室，包括：计算机图像采集及处理、显示输出、记录等。 照明光源：选择进口u v l a r g ea r e ab i a c k1 i g h tl a m pt y p e3 8 4 8 0 0 2 高 质量高照度的紫外灯，并且要求紫外灯发光光谱要大致符合zns ：zn ，pb 荧光粉的激发光谱。在紫外灯后加滤光片来滤除l e d 所发出的可见光，减少亮场 背景。紫外灯的放置位置与c c d 摄像机的放置位置不能关于轮箍的法线面对称， 这样可以避免大量的反射光进入摄像机，并且对荧光粉的辐射光接受的影响不 大。 绪论 图( 1 ) 系统j r 作流程图 c c d 摄像系统：采用检测级高像素、高灵敏度面阵摄像机，由于c c d 摄像 机对长波紫外也有较高的响应灵敏度，为避免由此产生的明场干扰，本系统在 c c d 光学镜头前加装了波长为4 5 0 r i m 的短波截止片。 荧光磁粉喷洒及机械旋转系统：轮箍被电流磁化后，荧光磁粉会被均匀的喷 洒在轮箍的表面上。固定于同一侧的两个c c d 分别检测轮箍的左右半幅，当轮 箍转动起来，两侧的c c d 就可以检测出整个轮箍。 图像采集及处理系统：本系统由处理软件、计算机和报警系统组成。把c c l ) 摄像机通过视频线连接到计算机上，就可以在计算机上看到轮箍的原始图像，软 件处理后会使图像的背景和缺陷更加明显化，当计算机读取到可疑缺陷时，就会 产生声响报警并打印出缺陷图像。 本系统的主要优点在于： 1 本系统是一种非接触实时检测装置，通过采用c c d 检测技术，能够实现 对车轮的内、外侧面，包括辐板、轮辋的检测。为以后类似的金属表面检测提供 了范例，大大扩展了荧光磁粉探伤的应用范围及功能。 2 采用了检测级高像素、高灵敏度面阵摄像机，提高了检测精度，最大程 度的避免了缺陷漏检。 3 系统原理简单，结构精简，便于维修，极大地降低了检测成本。 3 论文主要工作 在本文中，我们重点研究以下两点内容： 1 c c d 成像的机理与荧光磁粉探伤的基本原理。 2 图像预处理软件在缺陷检测中的应用。 第1 章介绍c c d 的工作原理；第2 章介绍荧光磁粉探伤和图像预处理的基 本原理；第3 章针对荧光磁粉特性进行了分析研究，确定了紫外光源和c c d 的 选型及工作波段，设计了一套图像预处理软件；第4 章作总结。 4 论文创新之处 基于c c d 成像的轮箍表面荧光磁粉探伤系统的创新之处在于： 1 从文献查新的结果来看，目前尚未见到国内有关同类产品的报道： 2 本文提出用c c d 摄像和图像的在线处理软件，可以实时的检测轮箍的缺 轮箍表面荧光磁粉探伤系统 陷，最大程度避免漏检。 n 第1 章c c dr 作原理及选型 第1 章c c d 工作原理及选型 电荷耦合器件( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) 的突出特点是以电荷作为信号，而 不同于其他大多数器件是以电流或电压为信号。c c d 的基本功能是电荷的存储 和电荷的转移。因此，其工作过程中的主要问题是信号电荷产生存储传输和检测。 c c d 有两种基本类型：一是电荷包存储在半导体与绝缘层之间的界面，并沿界 面传输，这类器件称为表面沟道c c d ( 简称s c c d ) ；二是电荷包存储在离半导 体表面一定深度的体内，并在半导体体内沿一定方向传输，这类器件称为体沟道 或埋沟道器件( 简称b c c d ) 。下面我们以s c c d 为例来说明c c d 工作原理 5 】。 1 1 电荷的存储与耦合 1 1 1 电荷存储 c c d 的基本构成单元是m o s ( 金属一氧化物一半导体) 结构。如图1 1 f a ) 所示，在栅极施加正偏压u g 之前，p 型半导体中空穴多数载流子的分布是均匀 的。当栅极施加正偏压u g ( 此时u g 小于p 型半导体的阈值电压u t 1 ) 后，空穴 被排斥，产生耗尽区，如图1 - 1 ( b ) 所示。偏压u g 继续增加，耗尽区将进一步向 半导体内延伸。当u g u 。h 时，半导体与绝缘体界面上的电势( 常称为表面势， 用中s 表示) 变得如此之高，以致于将半导体内的电子( 少数载流子) 吸引到表 面形成一层极薄的( 约1 0 。2 m m ) 但电荷浓度很高的反型层，如图l - 1 ( c ) 所示。反 型层电荷的存在表明了m o s 结构存储电荷的功能。但是，当栅极电压由零突变 到高于阂值电压u t h 时，轻掺杂半导体中的少数载流子很少，不能立即建立反型 层。在不存在反型层的情况下，耗尽区将进一步向体内延伸，而且栅极和衬底之 间的绝大部分电压降落在耗尽区上，如果随后可以获得少数载流子，那么耗尽区 将收缩，表面势下降，氧化层上的电压增加。 表面势m s 随着反型层电荷浓度q i n v 和栅极电压u g 的变化而变化，如果表 面势巾s 与反型电荷浓度q t n s 的对应曲线直线性好，说明这两者之间有着良好的 反比例线性关系。这种线性关系很容易用半导体物理中的“势阱”概念来描述。 轮箍表面荧光磁粉探伤系统 电子所以被加有栅极电压u g 的m o s 结构吸引到氧化层与半导体的交界面处， 是因为那里的势能最低。在没有反型层电荷时，势阱的“深度”与栅极电压u g 的关系恰如s 与u g 的线性关系，如图1 - 2 ( a ) 空势阱的情况。图1 - 2 ( b ) 为反型层 电荷填充1 3 势阱时，表面势收缩。当反型层电荷足够多，使势阱被填满时， 中s 降到2 噼。此时表面势不再束缚多余的电子，电子将产生“溢出”现象这样 表面势可作为势阱深度的量度，而表面势又与栅极电压u g 、氧化层的厚度d o x 有关。势阱的横截面积取决于栅极电极的面积a 。m o s 电容存储信号电荷的容 量 q = c “u g 爿 ( 1 1 ) 氧谱靴层酉 p 塑半导倬 ( a ) d 、匕1 自审 耗尽r ( b ) 反型层 ( c ) ( a ) 栅极电压为零( b ) 栅极电压小丁阈值电压( c ) 栅极电压大丁闽值电压 图1 1 单个c c d 栅极电压变化对耗尽区的影响 u g u o = 5 v 魄= 1 呻 【a 】 ( a ) 空势阱( b ) 填充1 3 的势阱( c ) 全满势阱 图1 - 2 势阱 1 1 2 电荷耦合 下面以图1 3 为例，讲解c c d 中势阱及电荷如何从一个位置移到另一个位 番 o 4 8 2 6 第1 章c c di ：作原理及选型 置。如图l 一3 所示，图中为c c d 中四个彼此靠得很近得电极。假定开始时有一 些电荷存储在偏压为i o v 的第一个电极下面的深势阱里，其他电极上均加有大 于阈值的较低电压( 例如2 v ) 。设图1 - 3 ( a ) 为零时刻( 初始时刻) 。经过t l 时刻 后各电极上的电压变为图2 - 3 ( b ) 所示，第一个电极仍保持为1 0 v ，第二个电极上 的电压由2 v 变为1 0 v ，因为这两个电极靠得很紧( 间隔只有几微米) ，它们各 自的对应势阱将合并在一起，原来在第一个电极下的电荷变为这两个电极下势阱 所共有，如图1 3 ( b ) 和( c ) 所示。若此后电极上的电压变为图1 - 3 ( d ) 所示，第一个 电极电压由i o v 变为2 v ，第二个电极电压仍为1 0 v ，则共有的电荷转移到第二 个电极下面的势阱中，如图1 3 ( e ) 所示。由此可见，深势阱及电荷包向右移动了 一个位罨。 j：王 2 、l o 、。：、。2 v2 、1 0 、2 1 0 、2 、 oo 宁宁 。 宰 宁 c 皇嵯曼哆蔓巴舅墁发苎晨生： e = 州，一 i & - b r 一一 l 长* i。+一? 舵癸漭 一嚣 每2d-2vi r , v 2v!一*2v 2 vi , , v 2 v i ：善_ ? 刊杰坦螃悬翳杰! 一z 蔑鹭笏坦e 艺魄=一= j 寻、 、 i 穹型目专厂 五工一 心。删l鋈兰 轮箍表面荧光磁粉探伤系统 构是一个关键问题。如果电极间隙比较大，两相邻电极间的势阱将被势垒隔开， 不能合并，电荷也不能从一个电极向另一个电极完全转移，c c d 便不能在外部 脉冲作用下正常工作。 能够产生完全耦合条件的最大间隙一般由具体电极结构、表面态密度等因素 决定。理论计算和实验证实为了不便电极间隙下方界面处出现阻碍电荷转移的势 垒，间隙的长度应小于3u r n 。这大致是同样条件下半导体表面深耗尽区宽度的 尺寸。当然如果氧化层厚度、表面态密度不同结果也会不同。但对绝大多数c c d ， 1 , u m 的间隙长度是足够小的。 以电子为信号的c c d 称为n 型沟道c c d ，简称为n 型c c d ；而以空穴为 信号电荷的c c d 称为p 型沟道c c d ，简称为p 型c c d 。由于电子的迁移率单 位场强下的运动速度远大于空穴的迁移率，因此n 型c c d 比p 型c c d 的工作频 率高得多。 1 2 电荷的注入和检测 1 2 1 电荷的注入( 输入方式) c c d 的电荷注入方式可归纳为光注入和电注入两种。图像传感器c c d 通 常是通过光敏单元，以光注入的方式形成信号电荷。 当光照射到c c d 硅片上时，在栅极附近的半导体体内产生电子一空穴对， 其多数载流子被栅极电压排开，少数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷。光 注入方式又分为正面照射式和背面照射式两种。光注入电荷 鳓= r l q a n 。a 瓦( 1 - 2 ) 式中，r 为材料的量子效率；q 为电子电荷量；”。为入射光的光子流速率；a 为光敏单元的受光面积；为光注入时间。 由上式可以看出，当c c d 确定以后，玎、q 以及a 均为常数，注入到势阱 中的信号电荷q i p 与入射光子流速率 。及注入时间t c 成正比。注入时间t c 由 c c d 驱动器的转移脉冲的周期t s h 决定。当所设计的驱动器能够保证其注入时 第l 章c c dr 作原理及选型 间稳定不变时，注入到c c d 势阱中的信号电荷只与入射辐射光子流速率a n 。成 正比。在单色入射辐射时，入射光的光子流速率与入射光谱辐通量的关系为 n 。：罢生，其中h 、v 为常数。因此在这种情况下，光注入的电荷量与入射的 门v 光谱辐量度。成线性关系。 1 2 2 电荷的检测( 输出方式) 在c c d 中，有效地收集和检测电荷是一个重要问题。c c d 的重要特性之一 是信号电荷在转移过程中与时钟脉冲没有任何电容耦合，而在输出端则不可避 免。因此，通过选择适当的输出电路可以尽可能地减小时钟脉冲容性地馈入输出 电路的程度。目前c c d 的输出主要方式有电流输出、浮置扩散放大器输出和浮 置栅放大器输出。本系统采用的面阵c c d 其电荷检测为电流输出方式。 如图1 4 所示，当信号电荷在转移脉冲的驱动下向右转移到末极电极( 图中 m 2 电极) 下的势阱后，中2 电极上的电压由高变低时，由于势阱提高，信号电荷 将通过输出栅( 加有恒定的电压) 下的势阱进入反向偏置的二极管( 图中n 区) 。 由u d 、电阻r 、衬底p 、和n + 区构成的反向偏置二极管相当于无限深的势阱。 进入到反向偏置的二极管中的电荷将产生输出电流i d ，且i d 的大小与注入到二 极管中的信号电荷量成工f 比，而与电阻r 成反比。电阻r 是制作在c c d 内的电 阻，阻值是常数。所以输出电流i d 与注入到二极管中的电荷量成线性关系，且 q s = i o d t( 1 - 3 ) 由于i d 的存在，使得a 点的电位发生变化，i d 增大，a 点电位降低。所以 可以用a 点的电位来检测二极管的输出电流i d ，用隔直电容将a 点的电位变化， 取出后再通过放大器输出。图l 一4 中的场效应管t r 为复位管。它的主要作用是 将一个读出周期内输出二极管没有来得及输出的信号电荷通过复位场效应输出。 因为在复位场效应管复位栅为正脉冲时复位场效应管导通，它的动态电阻远远小 于偏置电阻r ，使二极管中的剩余电荷被迅速抽走，使a 点的电位恢复到起始 的高电平。 轮箍表面荧光磁粉探伤系统 r i 图1 4 电荷的输出方式 1 3c c d 的特性参数 j h oi 乇， 一一_ 卜一一3 陂人 r 1 3 1 转移效率t l 和转移损失率 电荷转移效率是表征c c d 性能好坏的重要参数。转移效率定义为：一次转 移后到达下一个势阱中的电荷与原来势阱中的电荷之比。如在t = o 时- i _ 主入到某电 极下的电荷为q ( o ) ；在时间t 时，大多数电荷在电场作用下向下一个电极转移， 但总有- 4 , 部分电荷由于某种原因留在该电极下。若被留下来的电荷为q ( t ) ，则 转移效率为 叮= i q ( o ) - q ( t ) ：l 一磐( 1 - 4 )。 q ( o )q ( o ) 如果转移损失率定义为 ：望盟(1-5) q ( o ) 则转移效率与损失率的关系为 玎2 l s( 1 - 6 ) 理想情况下口应等于1 ，但实际上电荷在转移中有所损失，所以目总是小于1 的。 所以，提高转移效率口是电荷耦合器件能否使用的关键。 1 3 2 工作频率f 第1 章c c d 工作原理及选型 ( i ) 工作频翠的f 限 为了避免由于热产生的少数载流子对注入信号的干扰，注入电荷从一个电极 转移到另一个电极所用的时间t 必须小于少数载流子的平均寿命t ，即，-1(1-7) 可见，工作频率的下限与载流子的寿命有关。 ( 2 ) 工作频率的上限 当工作频率升高时，若电荷本身从一个电极转移到另一个电极所需要的时间 t 大于驱动脉冲使其转移的时间要，那么，信号电荷跟不上驱动脉冲的变化，将 会使转移效率大大下降。为此，要求r ：t ，即 厂虿1(1-8) 这就是申荷自身的转移时间对驱动脉冲频率上限的限制。 1 4 面阵c c d 摄像器件的特性 1 4 1 分辨率 c c d 摄像器件的每个光敏单元都是分开的。它属于空间上分立的光敏单元 对光学图像进行抽样。假设要摄取的光学图像沿着水平方向的亮度分布为正弦条 状图案，经c c d 的光敏单元进行转换后，得到以时问轴方向的正弦信号。根据 奈奎斯抽样定理，c c d 的极限分辨率是空间抽样频率的一半。因此，c c d 的分 辨率主要取决于c c d 芯片的像素数，其次还受到转移传输效率的影响。分辨率 通常用电视线( t v l ) 来表示。高集成度的光敏单元可获得高的分辨率，但光敏 单元尺寸的减少导致灵敏度的降低。所以必须采用一些新的工艺结构，例如双层 结构，将光电转换层和电荷转移层分开，从而提高灵敏度和饱和信号的电荷量。 从频谱分析角度看，c c d 摄像器件在垂直和水平两个方向都是离散取样方 式。根据奈奎斯抽样定理，c c d 输出信号的频谱如图1 5 所示。取样后的信号 频谱幅度如下： 轮箍表面荧光磁粉探伤系统 s i n ( m 争) 砌丌争- s i n ( n 矾啪”矾t ( 1 - 9 ) 式中：r 。为取样脉冲宽度，即一个感光单元的宽度，瓦为取样周期，即一个像素 的宽度( 含两侧的不感光部分) 。 图1 - 5 取样脉冲宽腰对取样信号频谱的影响 当”= f c 时，谱线包络达到第一零点，这也是孔径光阑限制了高频信号， 使之幅度下降的结果。适当选择r o ，使近f j 2 处的频谱幅度下降不多，但又使频 谱混叠( 见图1 - 4 中的阴影部分) 部分减小。可见，在c c d 中感光单元的宽度 和像素宽度有个最佳比例，像素的尺寸和像素的密度以及像素的数量都是决定 c c d 分辨率的主要因素。 频谱混叠会引起低频干涉条纹，也称为混叠干扰。这对c c d 摄像机拍摄像 的水平清晰度又很大的影响。为了提高c c d 的水平分辨率，可采用以下措施： ( 1 ) 增加光敏单元数量，提高取样频率，减小频谱混叠部分； ( 2 ) 采用前置滤波即采用光学低通滤波器降低c c d 上光学图像的频带宽度，以减 小频谱混叠。 1 4 2 灵敏度 灵敏度是面阵c c d 摄像器件的重要参数。c c d 摄像器件灵敏度与很多因素 有关，计算和测试都比较复杂，单位是m a w ，物理意义：单位光功率所产生的 信号电流。对于给定芯片尺寸的c c d 来说，灵敏度单位可用m a l x 表示。有些 文献也用m v l x s 表示c c d 的灵敏度，这是考虑了c c d 的光积分效应。也可以 称之为c c d 的响应度，指单位曝光量c c d 像元输出的信号电压。它反映了c c d 摄像器对可见光的灵敏度。 c c d 的灵敏度还与以下因素有关： ( 1 ) 开口率为感光单元面积与一个像素总面积之比，对灵敏度影响很大，开 第1 章c c di 作原理及选型 口率大小与c c d 类型有关，f t 式c c d 开口率最大； ( 2 ) 感光单元对电极形式和材料对进入c c d 内的光量对c c d 的灵敏度影响 较大，例如多晶硅吸收蓝光，电极多和面积大都会影响光的透过率： ( 3 ) c c d 内的噪声也影响灵敏度。 1 4 3 噪声和动态范围 c c d 摄像器件的动态范围由它的信号处理能力和噪声电平决定。它反映了 器件的工作范围。它的数值可以用输出端的信号峰值电压与均方根噪声电压之比 表示，一般为6 0 8 0 d b 。高分辨率要求c c d 的像素数增多，但导致势阱可能存 储的最大电荷量减少，因而动态范围变小。因此，在高分辨率条件下，提高器件 的动态范围将是高清晰度电视摄像机的一项关键技术。 c c d 噪声主要是半导体的热噪声，还有c c d 芯片上的放大器噪声。另外， 放大器的输入电容也使c c d 的信噪比降低。c c d 摄像器件的动态范围取决于势 阱能收集的最大电荷量与受信噪比限制的最小电荷量之差势阱能收集的最大电 荷量与c c d 的结构、电极上所加电压大小以及时钟脉冲的驱动方式等因素有关。 由于c c d 的噪声不断减小，动态范围已超过1 0 0 0 。 1 4 4c c d 的光谱灵敏度 c c d 的光谱灵敏度经过改进，现在已经很接近传统的氧化铅( p b o ) 摄像管 的光谱响应。当然，必须用红外滤光片截至近红外光进入c c d 光敏面上。本文 所研究的荧光磁粉探伤系统采用的c c d 其光谱响应图如1 - 6 所示： 轮箍表面荧光磁粉探伤系统 图1 6 c c d 的光谱响应图 从图中可以看出，该c c d 的响应峰值出现在5 0 0 - - 6 0 0 n m 之间，与荧光磁粉受激 光谱峰值相吻合，给图像采集和图像处理提供了保证，为提高系统灵敏度、准确 性和高效性奠定了基础。 1 5 c c d 应用以及选型 c c d 作为光电式传感器的一种，特别是线阵c c d ，由于其良好的检测精度 和高灵敏度，在几何量测量方面已经得到了广泛应用。作为图像传感器家族重要 一员的面阵c c d ，其良好的工作稳定性和高灵敏度，已成为使用最为广泛的图 像传感器件，大量应用于民用、工业、军事等各个领域。 由于c c d 器件本身就是较为精密的电子器件，加之所需配置的光学系统， 使得由c c d 为基础的检测或图像传感系统必须在温度、湿度、粉尘条件均较为 良好的环境中才能稳定工作，如果环境较差，就必须采取必要的保护措施。 面阵c c d 有较多类型，根据光敏单元和移位寄存器的排列方式不同，可以 分为帧转移、隔列转移、线转移和全帧转移等方式。常见的类型为：帧转移( f r a m e t r a n s f e r ) 面阵c c d 和行间转移( i n t e r l i n et r a n s f e r ) 面阵c c d 。这两种类型的 c c d 的工作原理基本相同。为了使本系统达到高精度、高可靠性和实时性的要 求，针对本系统应用环境，我们采用检测级高像素、高灵敏度面阵c c d 摄像机， 具体技术参数如下： 第1 章c c i ) t 作原理及选型 成像波长( 滤波后) ：4 7 0 6 0 0 n m 像元： 7 6 8 5 7 6 灵敏度：0 0 0 5 1 u x 曝光速度： 1 5 0 、i i 0 0 0 0 秒可调 视频输出： 1 o v p p 7 5 q 信噪比： 5 5 d b ( a g co f f ) 镜头视场范围：i 0 0 1 5 0 m m 分辨率： 5 7 0 线 检测精度：0 1 3 m m 轮箍表面荧光磁粉探伤系统 第2 章荧光磁粉探伤和图像预处理 的基本原理 磁粉检测技术起源于2 0 世纪2 0 年代，1 9 2 2 年美国物理学家霍克发现： 把铁屑放在磁化工件表面，铁屑将形成与磁化工件表面缺陷直接相关的形状。 1 9 2 9 年f o r e s t 运用该原理首次实现对油井钻管裂纹检验，但并未获得成功。 1 9 3 0 年，瓦茨第一次成功地用磁粉检测方法检查焊缝质量。前苏联全苏航空材 料研究院的学者瑞加德罗为磁粉检测的研究和发展做出了卓越的贡献，他在大 量试验的基础上制定了在世界上有广泛影响的磁化规范，被许多国家采用和认 可，我国各工业部门也大都以此为依据。至今，磁粉检测己有7 0 多年的历史， 磁化技术的发展和计算机应用使磁粉检测仍然具有较强的生命力。改进磁化技 术的目的是简化检测工序，提高检测速度，保证检测灵敏度，以磁化技术的发 展促进磁化设备的更新换代。目前，磁粉检测己基本实现半自动化，国外已有 针对某种零件的全自动磁粉检测机。但国内磁粉检测自动化尚处在实验和研究 阶段，还没有成熟的全自动磁粉检测机问世。 2 1 荧光磁粉探伤的基本原理 2 1 1 磁粉检测的原理 下面简单介绍一下磁粉检测的基本原理。根据磁路定律，如下公式( 2 - 1 ) p = 岱 ( 2 1 ) 式中l 一磁路长度 s 一该处磁路介质横截面面积 “一介质磁导率 r 一该段磁路介质的磁阻 第2 章荧光磁粉探伤平图像预处理的基本原理 当工件存在缺陷，且通过轴的有效磁场强度值较小时，因为空气磁导率远低于铁 质磁导率，缺陷处气隙的磁阻很大，磁感应线优先从裂纹的铁质截面通过。有效 磁场强度增大至一定程度时，由于通过此截面的磁感应线密度增大，使其磁导率 显著下降，根据上式，磁阻r 就增大。这时，大部分磁感应线仍从原线路通过， 一部分被迫从缺陷的空隙通过和折射。另一部分则从裂纹背面的铁质表面逸出， 形成了漏磁场。漏磁场的存在就是工件表面吸附磁粉，并显示磁痕的原因。显然， 有效磁场的大小，工件铁质材料磁阻的大小及缺陷的类型，决定了漏磁场的大小。 外加磁场一定时，根据上式可知磁阻大小主要取决于车轴的磁导率和裂纹的深 度。如图2 一l ，2 2 ，2 3 所示。这种漏磁场吸引颗粒极细微的磁粉，吸附过 程如图2 4 所示，形成肉眼可见的磁痕。( 由于磁粉在裂痕处大量聚集，相当 于放大了裂痕，这更有利于检测。) 通过观察磁痕是否存在及其分布情况来确定 工件表面( 或近表面) 有无缺陷和缺陷分布情况，并将其与相关标准规定对照， 判断被检工件是否合格。在荧光磁粉检测中，被检测工件磁化时，工件缺陷处的 漏磁场将吸引、聚集检测过程中施加的荧光磁粉，形成磁痕。这种带荧光物质的 磁痕，在紫外线灯的照射下，发出3 3 0l am - - 3 9 0um 的长波紫外线，荧光磁粉 表面的荧光物质在紫外线灯照射下产生电子跃迁，从而激发出j l oum 一5 5 0 “ m 的黄绿色可见光【6 j 。而人眼对黄绿色可见光是十分敏感的，从而达到检测的目 的。荧光磁粉是在非荧光磁粉颗粒的外表面，均匀涂敷了一层荧光物质制成的。 因而荧光磁粉除了要具有良好的磁性和合适的粒度、形状外，还应具有适宜的荧 光强度。 圈2 - 1 无缺陷铁磁性 材料磁力线分布 图22 缺陷铁磁性材料磁 力线分布( 表面裂缝) 量【；_ 【 兰一 兰毒兰 一誊 轮箍表面荧光磁粉探伤系统 s ，_ 一，文；，k ，一7 7 一 5 一j - f 寸l j u 、- 。 j q s 卜一一矿 一n 图2 3 缺陷铁磁性材料磁力线分布( 气7 l ) ：、，j 。t l 、 。r 一一， 一4 。 l，八 j l 一一一一一一一j 、i 奠盘裂跛 幽2 4 磁粉受力幽 当缺陷的走向与磁场的方