（测试计量技术及仪器专业论文）亚表面磁光涡流检测可视化研究.pdf

流损耗小 具有增强磁场和聚焦磁场的特性 在图像软件的设计中 采用执行效率高的v c 作为开发工具 利用 w v i d e o f o r w i n d o w s 开发出了图像捕获软件 对c c d 摄像头接收到的图像实现 了动态显示和实时采集 v i s u a lc 在支持 7 w 方面提供了一个功能强大 简 单易行 类似于m c i m n d 的窗口类a v i c a p 为应用程序提供了一个简单的 基于消息的接口 利用a v i c a p 的窗口类函数可以访问视频硬件 将视频流捕 获到硬盘上并加以控制 对各种表面及亚表面存在缺陷的试件做了磁 光成像及分析处理 验证了磁 光 涡流成像检测技术的可行性 由于获得的磁 光图像中存在大量的干扰 如 光发送的变化 少数石榴石磁畴变化及噪声等 获得的磁 光图像的分辨率是比 较低的 借助m a t l a b 工具箱对磁 光图像进行了中值滤波 灰度变换 二值化等 处理 有效的增强了磁 光成像的效果 提高了图像的检测分辨率 从而提高了 系统检测的可靠性 总之 磁一光 涡流成像检测技术是一个集光学成像 电路设计 图像捕获 与保存 图像处理等为 体的检测技术 该技术不仅具有传统电涡流检测技术 适用性强 非接触耦合 检测装置轻便等优点 还具有检测效率高 检测准确 率高 使用方便简单 能够实现对表面及亚表面细小缺陷的可视化实时检测 检测结果直观易懂并且易于保存等特点 关键词 无损检测 可视化涡流检测 亚表面缺陷 磁光效应 图像传感器 v f w 图像处理 亚表面磁一光 涡流检测可视化研究 测试计量技术及仪器专业 研究生 翟佳指导教师 周肇飞 目前 电磁无损检测技术的研究已经得到了长足的发展 成为了现代检测 技术的一个重要组成部分 近年来 由于激光和光电技术在信息和军事技术方 面的飞速发展 出现了探测精细表面下细小缺陷 即了解亚表层 s u b s u r f a c e 质量的需求 本文研究的磁 光 涡流成像检测技术就是根据法拉第磁光效应和电涡流效 应提出的一种新的电磁涡流检测技术 这种方法既能保留传统涡流探伤的优点 又实现了对亚表面缺陷的可视化无损检测 磁 光 涡流成像检测系统的工作原理 以脉冲信号激励线圈 使其在受检金 属试件中感生出涡流 若试件表层存在缺陷则会改变该涡流的分布 相应地改 变涡流激发的磁场 进而引起该处的垂直磁场分量发生变化 磁 光传感器 磁 光石榴石薄膜 在该磁场的作用下会产生磁 光效应 使经过的线偏振光的偏振方 向发生一定的偏转 包含了缺陷信息的线偏振光经偏振分光镜反射后被c c d 摄 像头接收 把图像显现出来 对图像进行捕获 分析与处理 从而实现了对试 件亚表面缺陷的可视化实时成像检测 在此研究的基础上 着重研究了磁 光 涡流成像检测系统的组成 包括半导 体激光光源 信号发生及放大电路 光路成像 磁 光传感器 图像传感器 激 励线圈等各种影响磁 光成像的因素 采用半导体激光器作为光源 可以充分利 用激光偏振性强的特点 采用间歇式脉冲激励的方法去获得涡流磁场 不仅取 得了激励线圈获得涡流的作用 还有效地减轻了激励线圈的过热现象 选择 b i y i g 石榴石磁光薄膜材料作为磁 光传感器 磁光优值很高 更能有效提高系 统的检测灵敏度 采用环形锰锌铁氧体作磁芯设计的涡流激励装置 自身的涡 r e s e a r c ho nt h ee d d yc u r r e n tt e s t i n gf o r v i s u a l i z a t i o no fs u b s u r f a c em i c r o f l a w s m a j o r m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lt e c h n o l o g ya n di n s t r u m e n t s p o s t g r a d u a t e z h a ij i as u p e r v i s o r z h o uz h a o f e i n o w a d a y s t h er e s e a r c ho ne l e c t r o m a g n e t i cn o n d e s t r u e d v et e s t i n g h a sf u t h e r d e v e l o p e d i tb e c o m e sa l li m p o r t a n tp a r to ft e s t i n gt e c h n o l o g y i nr e c e n ty e a r s w i t ht h er a p i d d e v e l o p m e n to fl a s e ra n dp h o t o e l c c t r i c i t yt e c h n o l o g yi nc o m m u n i c a t i o na n dm i h 铆a f f a i r s i t n e 悬d st ot e s tt h ei m p e r c e p t i b l ef l a w su n d e rt h ef i n es u l f a c 宅 t h a ti s s u b s u r f a c ef l a w s an e wn d tt e c h n o l o g yi sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r t h a ti s c w h i c hi n t e g r a t se d d y c u r r e n te f f e c ta n df a r a d a y sm a g n e t o o p t i ce f f e c t t h i st e c h n o l o g yn o to n l yp r e s e r v e s t h em e r i t so fc o n v e n t i o n a le d d yc u r r e n t b u ta l s oi m p l e m e n t st h ev i s u a ln d tf o r s u b s u r f a c ef l a w s i t p r e s e n t st h eo p e r a t i o np r i n c i p l eo fm a g n e t o o p t i c e d a yc u r r e n ti m a g i n g s y s t e mi nt h i sp a p e r t h ec o i le x c i t e db y t h ei m p u l s es i g n a li n d u c e se d d yc u r r e n ti n t h em e t a ls p e c i m e n t h e r ea r ed e f e c t sa tt h es u b s u r f a c eo ft h es p e c i m e n t h e m a g n e t i cf i e l de x c i t e db yt h ee d d yc u r r e n tw i l lb ev a r i e dw i t ht h ec h a n g eo fe d d y c u r r e n td i s t r i b u t i o n a n dt h e ns od o e st h ev e r t i c a lp a r to ft h em a g n e t i cf i e l d b yt h e c h a n g eo ft h i sm a g n e t i cf i d 0 反向旋转的称为 左旋 介质 v 0 对于铁磁或亚磁介质 法拉第旋转角为 0 v b g v t t 2 7 式中 丫 为磁致回转系数 m 一为介质中的磁化强度 通常在铁磁介质中 雪 5 0 0 0 小时 可选购附件 l p s 1 激光器专用电源 2 3 3 信号处理电路 信号处理电路主要包括脉冲信号发生器和脉冲信号放大电路两部分 脉冲 信号发生器是用来产生本系统的涡流激励装置所需要的脉冲信号 而脉冲信号 放大电路是用来放大信号发生器产生的微弱信号 使其能够满足系统性能的要 求 在磁 粗涡流成像检测系统中 使用的脉冲激励信号为间歇式脉冲信号 如 图2 8 所示 这种激励方式不仅可以激励线圈 在被测物体中产生涡流 还可 图2 8 间歇式脉冲激励 1 9 四川大学硕士学位论文 减轻由于大电流通过而导致的涡流激励装置过热 在本实验系统中 间歇式脉冲信号是由y b l 6 0 2 函数信号发生器产生 该 发生器具有数字频率计功能 内置线性和对数扫频功能 外接调频功能和v c f 压控输入 具有5 0 i i z 正弦波输出it r l c m o s 输出 用两组l e d 显示器分别 数显输出电压及频率值 采用全金属外壳 具有良好的抗电磁干扰性 由于y b l 6 0 2 函数信号发生器产生的信号电流很弱 如果用来直接激励线圈 试件中产生涡流感应信号将极其微弱 不足以被磁一光传感器检测到 因此 我 们在函数发生器与线圈之间设计了一个脉冲信号放大器 来放大函数信号发生 器产生的微弱信号 该信号放大器要求能够在函数信号发生器的频率范围 即 2 h z 至2 f l i z 内工作 本检测系统参考了音频功率放大器的设计方案 选择了大 功率功放芯片 制作出了脉冲信号放大电路板 在信号放大器电路板包括以下几个部分 电源及保护电路 两级差分放大 电路 两级推挽放大电路 信号放大器电路板最大输出功率可以达到2 0 0 w 能 够满足系统的要求 2 3 4 光学成像系统 磁 光 涡流成像检测系统获得的图像是通过c c d 接收并输入到计算机中 的 这就要求接收到的图像尺寸小于c c d 的有效尺寸 我们需要设计一套由物 镜和目镜所组成的光学显微成像系统 使得被测物体所成的像的尺寸达到设计 要求 本实验装置中 半导体激光器所发出的激光的光斑直径约为5 m m 而c c d 的有效尺寸为5 r a m 5 m m 也就是说 被测物体成像的放大倍数应该小于l 以便于完全成像 还要考虑到本检测系统的总体结构的设计 光程不要太大 最好小于3 0 0 m m 在实际的实验装置中 我们采用焦距为1 0 0 r a m 的2 个透镜 根据放大率的 范围 1 和光程 3 0 0 r a m 计算 初步确定 物距五 1 2 0 衄 透镜间距d 6 0 衄 四川大学硕士学位论文 1 2 0 r a m 6 0 n m a8 4 4 m m 体 巧 最 透镜1 图2 9 光学成像示意图 图2 9 所示为由透镜1 和透镜2 所组成的磁 灿涡流成像实验检测装置的成 像光路图 根据图中给出的物距 焦距 由图解法可知 物镜放大率 几 等 器 5 2 9 目镜放大率 l 等 等 o 1 5 6 2 1 0 显微镜的总放大率 f 几k 5 x 0 1 5 6 0 7 8 2 1 1 光程 l 1 2 0 r a m 6 0 r a m 8 4 4 r a m 2 6 4 4 r a m 2 1 2 从以上数据可以看出 所设计的成像系统满足了检测系统的要求 2 3 5 磁一光传感元件 对于磁一光 涡流成像检测装置来说 磁 光传感器是非常关键的一个元件 它的磁 光性能对于整个系统性能有重要的影响 为了保证检测的可靠性 我们 要求磁一光传感器具有以下几个特性 1 尽可能大的磁一光旋转系数以提高图像的对比度 2 1 四川大学硕士学位论文 2 必须有低的光吸收以保证光的强度 3 尽可能高的温度稳定度以保证执行过程的稳定 4 近似线性的磁一光响应曲线以使操作简单 有许多物质都具有磁致旋光特性 例如 磷酸盐冕玻璃 轻火石玻璃 二 硫化碳 石英等 这些物质虽然具有磁致旋光特性 但它们的费尔德常数 v e r d e t 都比较小 所以磁致旋光现象并不明显 都不能够用来作为磁一光成像检测装置 的传感器 2 8 3 3 通常在工程实际中用作传感器的磁一光材料有两种 包括磁光玻 璃与稀土铁石榴石薄膜 1 磁一光玻璃 即顺磁元素掺杂玻璃 包括光学玻璃 抗磁元素掺杂玻璃 和稀土元素掺杂玻璃 其中稀土元素掺杂玻璃v e r d e t 常数最大 质量因数较高 对于利用磁一光效应的磁一光传感器多数采用具有足够大的v e r d e t 常数的材料作 为传感材料 以提高检测灵敏度 对高性能的传感器 还要求其有较好的温度 特性 特别是在本系统中 由于涡流效应的影响会使试件产生较大的温度变化 因而要求材料的v e r d e t 常数应随温度变化较小 2 稀土铁石榴石薄膜类材料 包括钇铁石榴石 y i g 以及各种掺杂的钇 铁石榴石材料 一般说来y i g 材料的v e r d e t 常数要比典型的磁 光玻璃材料高 2 3 个数量级 因此y i g 石榴石是制造光学波导器件非常优异的薄膜材料 到 二十世纪七八十年代 人们发现如果将某些元素掺杂入y i g 晶体 在可见光及 红外波段还可以进一步改善材料的v c r d c t 常数及温度系数 极大的增大法拉第 效应 例如无掺杂y i g 在工作波长为1 5 5 p r o 时 v e r d e t 常数为2 4 0 4 a n 在 一2 0 6 0 温度范围内 温度系数为7 o 而铋掺杂y i g b i y i g 的对应 值则分别为2 2 0 0 a n 和士2 5 若用钆掺杂y i g 晶体 g d g 则温度系 数可进一步降低到 0 5 3 4 铁石榴石薄膜类材料以上几个方面表现出来的优 越特性使之成为磁 光成像检测可选用的有效的磁光传感器 y i g 以及类y i g 单晶薄膜不仅是目前业已商业化的光纤光隔离器中法拉第 旋转部件的核心材料 而且它也是广泛应用于光波导 集成光学等领域中的重要 材料 y i g 以及类y i g 磁 光薄膜已经变为现代激光与光纤通讯领域中必不可少 的单晶薄膜材料之一 表2 1 列出了目前研究较多的几种类y i g 单晶薄膜一些 磁 光性能 从表中可以看出 掺杂的类y i g 较纯的y i g 具有明显的优势 四川大学硕士学位论文 表2 1y i g 以及类y i g 磁一光薄膜的磁一光特性 y i g 以及类y i g温度系数法拉第旋转角 插入损失d b 2 0 6 0 0 c c o m i n s e r t i o nl o s s y i g 7 0 2 4 0 0 5 5 a n o 4 b i g2 5 2 2 0 0 o 1 b i g d g o 6 2 硝1 1 5 5 朋 g e t s a f e h w n d o 1 判断连接是否成功 o 为默认的u s b e l i f c a p d r i v e r c o n n e c t g w n d c a p 0 获取捕获驱动器的能力 c a p d r i v e r g c t c a p s g w n d c a p g c a p d r v c a p s s i z e o f c a p d r i v e r c a p s 设置显示频率 3 2 四川大学硕士学位论文 c a p p r e v i e w r a t e g w n d c a p 6 6 研始预览显示 c a p p r e v i e w g w n d c a p t r u e e l s e 这样 就实现了实时显示动态图像的功能 运行该程序后 在图形控件中 就会出现由c c d 摄像头所接收到的动态图像 3 3 2 实时捕获 为了更好的观察以及分析处理这些图像信息 我们需要对视频数据进行实 时采集 获得单帧图像数据 可通过以下几个步骤来实现 3 9 4 2 1 在d i a l o g 资源的 d a p v l d e o l 址o g 中添加一个设置格式按钮 i d c s e t f o r m a t 一个选择视频源按钮 i d c s e l e u f v i d e o 一个单帧捕 获按钮 i d c和一个退出按钮 c a p t u r e i d c e x i t 2 为按钮 设置格式 添加单击事件的消息响应函数 并添加代码 e a p d l g v i d e o f o r m a t g w n d c a p 产生一视频格式对话框 这是由捕获卡驱 动程序提供的 用户可通过它来选择视频格式 3 为按钮 选择视频源 添加单击事件的消息响应函数 并添加代码 e a p d l g v i d e o s o u r e e g w n d c a p 胛匕生一视频源选择对话框 它也是驱动程 序中带有的 4 为按钮搿单帧捕获刀添加单击事件的消息响应函数 并添加代码 c a p g r a b f r a m e n o s t o p g w n d c a p 该函数从捕获卡获得的帧数据不被压缩 地存入视频缓冲区中 之后将其显示出来 c a p e d i t c o p y g w n d c a p 将单帧图像复制到剪贴板上 弹出子对话框 显示捕获到的单帧图像 c c a p w i nc a p w i n d o w e a p w i n d o w d o m o d a l 0 5 为按钮 退出 添加单击事件的消息响应函数 并添加代码 c a p d r i v e r d i s c o n n e c t g w n d c a p 断开视频窗口与捕获驱动程序的连接 3 3 四川大学硕士学位论文 d e s t r o y w i n d o w a f x g e t a p p 0 一 m p m a i n w n d m j w n d 6 仓l j 建一个子对话框 即创建一个新类c c a p w i n 用来显示捕获到的单帧 图像 实现方法就是在这个窗口中将剪贴板中的位图对象显示出来 i f o p e n c l i p b o a r d 0 获取剪贴板数据句柄 h b l t m a ph a n d l e h b i t m a p g e t c l i p b o a r d d a t a c f b r r m a p 返回一个临时c b i t m a p 对象的指针 m b i t m a p c b i t m a p f r o m h a n d l e h a n d l e 显示位图 c c i i c n t d cc d c t h i s c d cd e d e c r e a t e c o m p a t i b l e d c c d c o d 建与设备相关的内存环境 d c s e l e c t o b j e c t m b i t m a p 选择对象 o d e b i t b l t 8 0 2 0 8 0 0 7 0 0 d c 0 0 s r c c o p y 位图复制 c l o s e c l i p b o a r d 0 至此 我们完成了程序界面的设计 实现了对当前单帧图像的实时捕获功 能 并可以对所要捕获的单帧图像进行视频源的选择以及格式的设置 程序界面如图3 1 所示 图形控件中就会出现i 由c c d 摄像头接收到的动态图 像 图3 1 程序界面 3 4 四川大学硕士学位论文 3 3 3 图像保存 为了实现对图像的处理 我们需将获取到的图像保存下来 具体的实现方法是 在子对话框中添加按钮控件 保存 并为其添加消 息口向应函数 核心代码有 获取剪贴板数据句柄 h b n 脚h a n d l e h b i t m a p g e t c l i p b o a r d d a t a c fb i t m a p mb i t m a p c b i t m a p f r o m h a n d l e h a n d l e 调用c f i l e d i a l o g 公用对话框类 f a l s e 表示调用保存文件对话框 c f f l e d i a l o gf i l e d l g f a l s e b m p o f n o v e r w r i t e p r o m p t l o f n h i d e r e a d o n l y c s t r i n g c b m p f i l e d l g m o f n 1 p s t r t i t l e t 保存图像 显示保存文件对话框 c s t r i n gf i l e n a m e f i l e d l g g e t p a t h n a m e o 得到文件名 s a v e b i t m a p f i l e f i l e n a m e m b i t m a p 保存位图文件 在上面这个消息响应函数中 我们添加的代码完成了位图的图像保存功能 其功能的具体实现主要是通过调用函数s a v e b i t m a p f i l e 来完成的 这个函数是我 们在c c a p w i n 类中自己定义的 具体实现过程的代码为 b o o l c c a p w i n s a v e b i t m a p f i l e c s t r i n gs t r f i l e n a m e c b i t m a p b m p b 1 t m a pb m 位图属性结构 b m p g e t b i t m a p b m 获取图像的各项参数 i n tn w i d t h b m b m w i d t h 宽度 i n tn h e i g h t b m b m i l e i g h t 高度 n n l i n e b i t s b m b m w i d 伽 豁 i f n l i n e b i t s 8 o 四川大学硕士学位论文 n l i n e b i t s 8 r l i n e b i t s 8 i n tn b i t c o u n t s n l i n e b i t s b m b m h e i g h t 位图中像素字节大小 i n tn b i t s b m b m b i t s p i x e l 色平面的颜色位数 定义调色板大小 i n tn b i t m a p i n f o s i z e o i f n b i t s b i s i z e s i z e o f b 1 t m a p i n f o h e a d e r p l n f o h c a d b i b i t c o u n t n b i t s p l n f o h e a d b i p l a n e s 1 p i n f o h e a d b i s i z e i m a g e 2 n b i t c o u n t s p l n f o h e a d b i c o m p r e s s i o n 2 b i r g b p i n f o h e a d b i w i d t h n w i d t h p l n f o h e a d b i h e i g h t n h e i g h t 3 6 四川大学硕士学位论文 为屏幕设备描述表创建兼容的内存设备描述表 c d cd c d c c r e a t e d c d i s p l a y n u l l n u l l n u l l i n tr l x d c g e t d e v i c e c a p s l o g p i x e l s x 行方向每英尺可显示的像 素数 i n tn l y d c g e t d e v i c e c a p s l o g p i x e l s y 列方向每英尺可显示的像 素数 d o u b l ed b l n c h p e r m e t e r 3 9 3 7 5 单位转换 i n tn p m x i n t d o u b l e n l x 卑d b l n c h p e r m e t e r i n tn p m y i n t d o u b l e n l y 宰d b l n c h p e r m e t e r p i n f o h e a d b i x p e l s p e r m e t e r n p m x 3 7 8 0 p l n f o h e a d b i y p e l s p e r m e t e r n p m y h 3 7 8 0 取得颜色表信息 i f n b i t s 8 i n tn c o l o r s i b m i c o l o r s 填充位图存储区 b y t e 幸p b i t s n u l l h g l o b a lh g l o b a l g l o b a l a l l o c g m e mf i x e d n b i t c o u n t s 请 内存 一 p b i t s b y r e g l o b a l l o e k h g l o b a l 锁定内存 z e r o m e m o r y v o i d p b i t s n b i t c o u n t s 获取位图的像素值 g e t d i b i t s d c m h d c h b i t m a p b m p 0 n h e i g h t p b i t s p b m p i n f o d i b r g bc o l o r s 填充位图文件头存储区 b i t m a p f e 髓a d e rb m f l i e a d e r i n tn f i l e h e a d s i z e s i z e o f b i t m a p f i l e h e a d e r 3 7 四川大学硕士学位论文 z e r o m e m o r y v o i d 晕 b m 珏 i e a d e r s i z e o f b i t m a p f i l e h e a d e r 指定文件头信息 b m 任i e a d e r b f f y p e 19 7 7 8 f b m w o r d c m 8 i b b m f l i e a d e r b f s i z e n f i l e h e a d s i z e n b i t m a p l n f o s i z e 七n b i t c o u n t s 谴 图大小 b m t i e a d e r b f o 佃i t s s i z e o f b 1 t m a p f i l e h e a d e r n b i t m a p l n f o s i z e 偏移量 保存位图文件 c f i l ef i l e i f f i l e o p e n s t r f i l e n a m e c f i l e m o d e c r e a t eic f i l e m o d e w r i t e a f x m e s s a g e b o x w r i t ef i l ee r r o r r e t u mf a l s e f i l e w r i t e b m f i i e a d e r s i z e o f b i t m a p f i l e h e a d e r 写入位图文件 头 f i l e 嘶t e p b m p i n f o n b i t m a p i n f o s i z e 写入位图文件其余内容 f i l e w r i t e h u g e p b i t s n b i t c o u n t s f i l e c l o s eo 消除内存分配 g l o b a l u n l o c k h g l o b a l g l o b a l f r e e h g l o b a l d e l e t e p b m p i n f o r e t u r nt r u e 3 3 4 结果演示 在磁 光 涡流成像检测系统中对试件进行检测 将c c d 摄像头连接到计算 机的u s b 串口 运行该程序 可以在对话框的图形窗口中观察到缺陷图像 结 果如图3 2 所示 3 8 四川大学硕士学位论文 首先对该图像进行视频格式设置 单击 设置格式 按钮 弹出对话框如 图3 3 所示 可以设置数字图像的分辨率以及像素深度和压缩 然后可以单击 选 择视频源 按钮 弹出对话框如图3 4 所示 在该对话框中 可以调整图像的各 项要素参数 选择捕获源 如图3 5 所示 图3 2 缺陷的实时图像 幽3 3 设置视频格式 接下来 就可以进行图像的单帧捕获操作了 单击 单帧捕获 按钮 该 时刻的单帧图像就被捕捉到剪贴板中 同时弹出一个对话框 该图像会在这个 对话框窗口中显示出来 如图3 6 所示 最后 保存捕捉到的单帧图像 单击 保存 按钮 弹出 保存图像 对 话框 如图3 7 所示 选择保存地址 输入文件名后 图像就会以 b m p 的格式保 存在指定的位置 四川大学硕士学位论文 图3 4 调整视频参数 图3 5 选择捕获源 四川大学硕士学位论文 图3 6 单帧捕获结果 图3 7 保存图像 3 4 本章小结 本章节介绍了v f w 及窗口类a v i c a p 选用执行效率高的v c 作为开发工具 设计图像捕获软件 实现了对缺陷图像的动态显示 实时捕获及保存 提高了 视频采集的效率 也减少了对硬件的依赖性 以缺陷的实际图像显示取代传统 涡流缺陷检测的阻抗图 使检测结果一目了然 也大大提高了检测速度 四川大学硕士学位论文 4 图像的分析与处理 4 1 表面缺陷的成像 实验中 应根据实际实验条件 制备表面存在缺陷以及亚表面存在缺陷的 试件 在磁一光 涡流成像检测系统中 被测件的表面被用来作为反射面 因此 试件的表面都要经过细磨处理 以增强反射光的强度 避免其他缺陷成像干扰 在表面缺陷成像的实验中 试件是采用在铝块的表面加工出凹槽的方法制 备的 如图4 1 所示 试件尺寸为5 0 x 3 0 x 2 0 m m 的铝块 表面采用线切割加工 出槽深1 0 m m 宽度分别为0 5 m m 1 0 r a m 1 5 r a m 的凹槽缺陷 利用金相砂纸 对铝片表面进行处理 使其非常光滑 o 5 a r e a1 姐m1 5 n x n 图4 1 表面存在凹型缺陷的试件 调整好系统光路后 我们对图4 1 中的试件进行检测 将有凹槽缺陷的面 朝上 在不施加电磁激励的情况下 直接通过光路对凹槽缺陷位置处进行观察 用c c d 摄像头记录 得到清晰的缺陷图像后 说明光路已经调整好 如图4 2 a 所示 然后将探测头 磁 光薄膜 放置于凹槽缺陷位置处上 仍然在不施加电磁 激励的情况下观察光学成像 由于因为磁光薄膜本身是半透光的 因此得到比 较模糊的凹槽成像 如图4 2 泐所示 最后 在对线圈施加间歇式脉冲激励一段 时间 可以观察到较为清晰的磁 光成像 如图4 2 c 所示 实验结果表明 系 统光路调节正确 磁 光薄膜性能可靠 磁 光成像检测具有可行性 4 2 四川大学硕士学位论文 图4 2 a 无激励时 0 5 m r n 凹槽的光学成像 图4 2 b 无激励时 覆 有磁光薄膜的0 5 m m 凹 槽光学成像 图4 2 c 脉冲激励后 覆有磁光薄膜的0 5 m m 凹槽磁光成像 4 2 亚表面缺陷的成像 在亚表面缺陷成像的实验中 我们制作了3 种试件 首先对试件一进行检测 如图4 3 中所示 该试件亚表面凹槽的宽度为0 2m m 进行从右到左扫描检测 图4 3 亚表面为凹槽的试件一 用c c d 摄像头记录检测结果 对磁化装置施加间歇式脉冲激励一段时间 可以 观察到较为清晰的磁一光成像 得到图像如图4 4 中 a b c d 所示 可以 清楚的看出凹型缺陷从无到有 再到无的过程 并且在正对于凹槽缺陷处的图 像最为清晰 最能反映处缺陷的形状 那是因为此处产生的磁场变化最大 实 验结果验证了系统设计的准确性 4 3 四川大学硕士学位论文 c d 图4 4 亚表面为凹槽的试件 1 j 9 扫描检测 接下来 我们再对试件二进行检测 如图4 5 中所示 处理好的试件二中 亚表面凹槽的宽度分别为0 2 r a m 和0 4 m m 在实验过程中 我们分别将探测头 磁 光薄膜 放置于亚表面为凹槽缺陷的位置a 和位置b 处 在不施加电磁激励 的情况下 直接通过光路 对位置a 和位置b 处进行观察 用c c d 摄像头记 录 可以得到图像都如图4 6 中 a 所示 接下来我们把探测头 磁 光薄膜 放置 位置a 位置b 2 0 n l m 图4 5 亚表面为凹槽的试件二 4 4 四川大学硕士学位论文 于亚表面为凹槽缺陷的位置a 处 对磁化装置施加间歇式脉冲激励 激励一段 时间 可以观察到较为清晰的磁 光图像 如图4 6 中 b 所示 最后把探测头 磁 光薄膜 放置于亚表面为凹槽缺陷的位置b 处 同样施加间歇式脉冲激励一段 时间 可以获得磁 光图像 如图4 6 中 c 所示 从图4 1 2q b b 矛l l c 可以看出 图像中间均有一个凹槽型缺陷 并且a 处获得的磁 光图像中凹型缺陷的宽度约 为b 处的2 倍 这正好与我们制作的试件中 凹槽实际的宽度比一致 本实验 获得的实验结果 进一步验证了本系统设计的准确性 也验证了本系统可以用 作亚表面检测的可靠性 a b c j 图4 6 亚表面为凹槽的试件二的磁一光成像 如图4 7 所示 我们对试件三进行检测 a 处亚表面的厚度约为0 1 m m b 处亚表面的厚度远远小于0 1 m m 表面经过细磨处理后非常光滑 以减少干扰 便于成像 我们分别将探测头 磁 光薄膜 放置于图中位置a 和位置b 处 在不 施加电磁激励的情况下 直接通过光路 对位置a 和位置b 处进行观察 用 c c d 摄像头记录 可以得到图像都如图4 8 中 a 所示 接下来我们把探测头 磁 位置a位置b 图4 7 亚表面为凹槽的试件三 4 5 四川大学硕士学位论文 光薄膜 放置于位置a 处 对磁化装置施加间歇式脉冲激励 激励一段时间 可以观察到磁 光成像 如图4 8 中 b 所示 最后把探测头 磁 光薄膜 放置于位 置b 处 同样施加间歇式脉冲激励一段时间 可以获得磁 光图像 如图4 8 中 c 所示 比较图4 8 中 b 和 c 可以看出 图像中间均有一个凹槽型缺陷 但a 处获得的磁 光图像的清晰度小于b 处 这正好与理论分析的一样 在相同频率 的激励下 缺陷距离表面越近 其磁 光成像就越清晰 即图像检测的分辨率越 高 b 图4 8 亚表面为凹槽的试件三的磁一光成像 4 3 图像处理方法的设计 在实际的检测过程中 磁一光图像会受到各种外界条件的影响 从如图4 9 所示的磁一光图像分解图中 我们可以看出磁一光图像中存在大量的干扰信号 磁光图像 光强的变化 外界噪声 磁一光薄膜磁畴的变化 缺陷 图4 9 磁光图像分解图 4 6 四川大学硕士学位论文 如激光光强的变化 少数石榴石磁畴变化 各种噪声等 因而 直接从c c d 所 获得的磁一光图像的分辨率是比较低的 很难区分出哪个是完好的 哪个是有缺 陷的 为了增强磁一光成像的效果 提高图像检测分辨率 从而提高检测的可靠性 有必要对图像进行处理 图像处理的任务是消除图像的噪声 提取有用的图像 信息 使缺陷图像的轮廓清晰并提取其图像轮廓 原始图像首先经过中值滤波 滤除噪音 然后经过灰度交换提高对比度 最后经过二值化 获得优化的磁一光 图像 图像处理流程图如图4 1 0 所示 弛图纠中值潋h 搬变换 r 二值化磁光图每 图4 1 0 图像处理流程图 4 3 1 中值滤波 图像处理中的噪声很多种 一般将其分为 加性噪声 乘性噪声 量化噪 声 数字图像 和 盐和胡椒 s a l ta n dp e p p e r 噪声 磁一光成像中的图像噪 声 包含了上述除量化噪声以外的所有噪声 因此 选择适合的滤波方法 降 噪声 是非常有必要的 图像滤波的主要作用就是增强磁 光图像质量 改善 图像的效果 突出图像中感兴趣的特征 而衰减其次要信息 4 3 舶 常见的降低图像噪声大致有两类 一类是频域方法 主要通过对图像进行 傅氏变换后 采用交互方式确定随机点噪声范围 然后选取适当的频域带通滤 波器进行滤波处理 经过傅氏反变换以后获得去噪声后的图像 这种处理方法 对周期性特征较强的随机点噪声效果较好 但在处理过程中 由于难以区分与 随机点噪声频率相近的图像信息 可能造成大量图像信息的损失 另一类方法 是空间域方法 主要采用各种图像平滑模板对图像进行卷积处理 以达到抑制 噪声的目的 如邻域平均 线性滤波 中值滤波和自适应滤波等属于这一类方 法 4 7 四川大学硕士学位论文 中值滤波是一种非线性信号处理方法 与其对应的中值滤波器也就是一种 非线性滤波器 由于它在实际运算过程中并不需要图像的统计特性 计算量小 程序实现比较方便 在一定的条件下 中值滤波可以克服线性滤波器如最小均 方滤波 平均值滤波等所带来的图像细节模糊 而且中值滤波对滤除脉冲干扰 图像噪声最为有效 一般地 设有一个一维序列z 正 取窗口长度为m 为奇数 对此序 列进行中值滤波 就是从输入序列中相继抽出m 个数 z 一 一 z z z z 其中 疋为窗口的中心值 沏 1 2 再将这m 个点按其数值大小排列 取其序 号为正中间的那个数作为滤波输出 用数学公式表示为 1 l l l 一1 l 庇酬允 z 九jf z 二 4 1 二 中值滤波一般采用一个含有奇数个点的滑动窗口 用窗口内所有点灰度值 的中值来代替指定点 一般是窗口的中心点 的灰度值 例如 有一个序列为 o 3 4 0 7 重新排序后为 o 0 3 4 7 则m e d o 3 4 0 7 3 对二维序列 e 进行中值滤波时 滤波窗口也是二维的 这种二维窗口可 以有各种不同的形状 如线状 方形 圆形 十字形 圆环形等 一二维中值滤 波的窗口形状和尺寸对滤波效果影响很大 对于有缓变的较长 缺陷 轮廓物 体的图像 采用方形或圆形窗口为宜 对于包含有尖顶角 缺陷 物体图像 则用十字形窗口较适合 本系统配置了方形和十字形两种可选窗口 窗口大小 可选择 二维数据的中值滤波可以表述为 巧 m z d x a 为窗i i 4 2 在对图像阵列进行中值滤波时 如窗口是以中心点对称的 并包含中心点 在内 则中值滤波能保持任意方向的跳变边缘 图像中的跳变边缘是指图像中 不同灰度区域之间的灰度突变边缘 在实际使用窗口时 窗口的尺寸一般先用3 再取5 逐点增大 直到其滤波效果满意为止 中值滤波运算是一种非线性运算 对于有随机性质的噪声输入 数学分析 是十分复杂的 对于零均值正态分布的噪声输入 中值滤波输出的方差近似为 i 仃2 堕 三 4 3 仃 r l 一 删4 m f 2 7 1 m 竺一1 2 4 8 四川大学硕士学位论文 式中仃 为输入噪声方差 m 为中值滤波窗口长度 鬲为输入噪声均值 中值滤波的输出与输入噪声的密度分布有关 对于随机噪声的抑制能力性 能要比平均值滤波差些 但对于脉冲干扰来讲 中值滤波是很有效的 4 3 2 灰度变换 灰度修正是对图像在空间域进行增强的简单而效果明显的方法 其目的是 改善图像的视觉效果 或将图像转换成一种更适合于人眼观察和机器自动分析 的形式 根据图像不同的降质现象以及所需的不同图像特征 可以采用不同的 修正方法 4 m 8 常用的方法有三种 1 对图像逐点进行不同程度的灰度级修正 使整幅图灰度均匀 2 针对图像某一部分的灰度级变换 以增强或降低图像灰度对比度 3 直方图修正 能够使图像具有所需要的灰度分布 在磁一光 涡流成像检测系统中 原始图像中背景图像与被测物体 缺陷 图像是混为一体的 为了能使缺陷的轮廓清晰 与被测物体域背景分明 也就 是说 要求图像中的某些部分 如背景 对比度下降 而另一部分 如缺陷轮 廓 的对比度增加 因此 本系统采用了分段灰度变换 即对背景的灰度区域 进行压缩 而对包含有用 缺陷 图像轮廓的灰度区域进行拉伸 灰度变换曲 线如图4 1 1 所示 象素数 y d a 毛 z 灰度值 图4 1 1 灰度变换曲线图 灰度变换可分为三个阶段 用t z 函数形式表示为 f z 互z z 互墨 z一乙 zczb z 4 4 孕粤 z 一乙 乙 z x z b 0 z 乙 z 4 z 乙 4 4 乙 z z x 四川大学硕士学位论文 式中 z 为灰度值 其中 0 一a 区间为暗端压缩区域 图像中的背景属于这个区域 通过对该区域灰 度值进行压缩 使其对比度下降 a b 区间为拉伸区域 被测物体 缺陷 轮廓灰度位于该区域 通过对图 像的灰度拉伸 使该图像区域的对比度提高 使图像清晰 容易识别 b x 区间为亮端压缩区域 该区域是被测物体全区域 经过灰度变换 降低了背景和被测物体图像的对比度 突出了测试区域轮廓 使物体 缺陷 轮廓清晰可见 4 3 3 二值化处理 对于灰度图像而言 若一幅图所有的像素只含有两个灰度值 则称之为二 值图像 图像二值化的目的是最大限度的将图像中感兴趣的部分保留下来 而 将其余部分模糊化 所以 在分析图像厂o y 的特征时 可以通过二值化处理 图像阂值分割 将目标 对象物 如缺陷的磁光图像 从图像中分割出来 取值为1 而将其他物体或背景统统认为是背景 取值为0 这样就将要处理的 图像变为二值图像 4 9 2 1 图像二值化的目标是要在尽可能多的保留原图像特征的前提下舍弃冗余信 息 要实现这一目标关键在于正确地选择阈值 当前选择阈值的方法很多 也 各有不同的特点 根据不同的图像与处理标准 合理地选择二值阈值撷取算法 是至关重要的 4 4 利用m a t l a b 实现图像的分析与处理 m a t l a b 语言是由美国b l a t h w o r k s 公司推出的计算机软件 经过多年的逐步 发展与不断完善 现已成为国际公认的最优秀的科学计算与数学应用软件之一 是近几年来在国内外广泛流行的一种可视化科学计算软件 它集数值分析 矩 阵运算 信号处理和图形显示于一体 构成了一个方便的 界面友好的用户环 境 而且还具有可扩展性特征 m a t l a b 中的数字图像是以矩阵形式表示的 这 意味着m a t l a b 强大的矩阵运算能力用于图像处理非常有利 矩阵运算的语法对 m a t l a b 中的数字图像同样适用 j 本系统应用了m a t l a b 图像处理工具箱 i m a g e p r o c e s s i n gt o o l b o