（信号与信息处理专业论文）基于x光的强力输送带无损检测系统图像处理与性能分析的研究.pdf

摘要 强力输送带已广泛应用于矿山、港口和码头等领域，是煤矿生产中必不可少 的运输设备。由于其载荷的增加，被障碍物划伤及老化，以及硫化接头不牢靠等 原因，而产生钢芯锈蚀、断裂或接头伸长等故障。一旦发生故障将会造成重大安 全事故或停产，运输物料的损耗，设备的损坏，巨大的经济损失和人员伤亡，严 重影响安全生产。因此，为了保证强力输送带的安全运行，需要研制一种强力输 送带无损检测系统。 本文对基于x 光的强力输送带无损检测系统的输送带内部钢丝绳芯图像处 理与性能分析进行了研究。给出了x 光的强力输送带无损检测系统设计方案：提 出了强力输送带内部钢丝绳芯图像处理算法，包括钢丝绳芯图像处理基本算法、 边缘检测算法、接头伸长检测算法和故障坐标定位等；分析了影响强力输送带强 度性能的因素，建立了钢丝对x 射线吸收规律的数学模型，提出了有效承载面的 强度判断算法；运用c # n e t 语言设计开发了图像处理与性能分析的系统软件， 实现了对强力输送带钢丝绳芯图像的在线检测、处理、实时显示和存储，并进行 了现场调试及实验。 该系统能够实时检测强力输送带的图像，进行处理和分析，发现钢芯锈蚀、 断裂或接头伸长等故障，及时报警，特别适用于煤矿中输送带的检测，避免重大 安全事故的发生，设备的损坏，停产和人员伤亡，运输物料的损耗和经济损失， 提高生产效率，具有显著的经济和社会效益。 关键词：x 光；强力输送带；无损检测；图像处理；性能分析 a b s t r a c t t h ec o n v e y e rb e l tw i t hs t e e lw i r er o p e sh a sb e e nw i d e l yu s e di nm i n e s ，p o r t s a n dd o c k s i ti so n eo ft h em a i nt r a n s m i s s i o ne q u i p m e n t sf o rt h ec o a lm i n ep r o d u c t i o n d u et oi t si n c r e a s e dl o a d s ，s c r a t c h i n gb yo b s t a c l e ，a g i n ga n du n r e l i a b l ec r a f t ，t h e c o n v e y e rb e l tc a l lc a u s et h es t e e lw i r er o p e sc o r r o s i o n ，f r a c t u r ea sw e l la st h ej o i n t e l o n g a t i o n i n c a s eo fa n yb r e a k d o w nc a nc a u s es i g n i f i c a n ts a f e t yi n c i d e n t o r p r o d u c t i o ns t o p p e d ，t r a n s p o r t a t i o n m a t e r i a ll o s s e s ，e q u i p m e n td e s t r u c t i o n ，h u g e e c o n o m i cl o s s e sa n dc a s u a l t i e s ，a n dw i l ls e r i o u s l yi n f l u e n c et h es a f e t yo fp r o d u c t i o n t h e r e f o r e ，w en e e dt od e s i g nan o n d e s t r u c t i v et e s t i n gs y s t e mo l lc o n v e y e rb e l tw i t h s t e e lw i r er o p e s ，i no r d e rt og u a r a n t e et h es a f eo p e r a t i o no ft h ec o n v e y e rb e l t t h et h e s i sd o e sad e e pr e s e a r c ha b o u ti m a g e r yp r o c e s s i n ga n dp e r f o r m a n c e a n a l y s i so ft h ec o n v e y e rb e l tw i t hs t e e lw i r er o p e sb a s e do nx - r a yn o n - d e s t r u c t i v e t e s t i n gs y s t e m t h et h e s i sp r e s e n t sa d e t a i l e dd e s i g np r o g r a m ；p r o p o s e st h ei m a g e r y p r o c e s s i n ga l g o r i t h m o ft h ec o n v e y e rb e l t ，i n c l u d i n gp r i m a r ya l g o r i t h m ，m a r g i n a l c h e c k ，j o i n te l o n g a t i o nc h e c ka n db r e a k d o w nc o o r d i n a t el o c a l i z a t i o n ，e t c ；a n a l y s i s i n f l u e n c i n gf a c t o ra b o u tp e r f o r m a n c eo ft h ec o n v e y e rb e l t ，e s t a b l i s h e dm a t h e m a t i c a l m o d e lo nx r a va b s o r p t i o nr u l eo fs t e e lw i r er o p e s ，p r o p o s et h ei n t e n s i t yj u d g m e n t a l g o r i t h m o fe f f e c t i v el o a d i n ge n d ；b yu s i n gt h ec 撑n e tp r o g r a m m i n gd e s i g n l a n g u a g e ，t h es y s t e ms o f t w a r e w a sd e v e l o p e d ，i tr e a l i z e do n l i n ee x a m i n a t i o n ， p r o c e s s i n g ，r e a l - t i m ed i s p l a ya n ds t o r a g e ，a n dc a r r i e do nd e b u g g i n ga n d e x p e r i m e n t t h es y s t e mc a l le x a n lt h ei m a g e r yo ft h ec o n v e y e rb e l to n l i n e ，a s w e l la s p r o c e s sa n da n a l y s i s t h es y s t e mc a ni m m e d i a t e l yw a r n i n g a tt h et i m eo fd e t e c t i n gt h e s t e e lw i r er o p e sc o r r o s i o n ，f r a c t u r ea sw e l la s t h ej o i n te l o n g a t i o n t h es y s t e m e s p e c i a l l ys u i t a b l e f o rt h ec o n v e y e rb e l tu s e di nc o a lm i n e ，a n dc a na v o i da n y b r e a k d o w nc a u s e db ys i g n i f i c a n ts a f e t yi n c i d e n to rp r o d u c t i o ns t o p p e d ，t r a n s p o r t a t i o n m a t e r i a ll o s s e s e q u i p m e n td e s t r u c t i o n ，h u g ee c o n o m i cl o s s e sa n d c a s u a l t i e s ，c a l lr a i s e t h ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c y , c a nm a k er e m a r k a b l ee c o n o m ya n d t h es o c i a le f f i c i e n c y k e y w o r d s ：x - r a y ；c o n v e y e rb e l t w i t hs t e e lw i r er o p e s ；n o n 。d e s t r u c t i v et e s t i n g ；i m a g e r y p r o c e s s i n g ；p e r f o r m a n c ea n a l y s i s 独性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞洼王些太堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名叶春青 签字日期：加听年五月钐日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解云洼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权云洼王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 铆虢姒 签字同期叫年y 月形日 笙目 日 篇曲 l r 一二 月 沙 五 名 年 签行， 利 舻 作 吐 文 期 沦 日 位 字 学 签 学位论文的主要创新点 一、 对基于x 光的强力输送带无损检测系统的输送带内部钢丝绳 芯图像处理与性能分析进行了研究。给出了x 光的强力输送带无 损检测系统设计方案。提出了强力输送带内部钢丝绳芯图像处理 算法，包括钢丝绳芯图像处理基本算法、边缘检测算法、接头伸 长检测算法和故障坐标定位等。 二、分析了影响强力输送带强度性能的因素，建立了钢丝对x 射线 吸收规律的数学模型，提出了有效承载面的强度判断算法。运用 c # n e t 语言设计开发了图像处理与性能分析的系统软件，实现了 对强力输送带钢丝绳芯图像的在线检测、处理、实时显示和存储。 第一章引言 第一章引言 11 强力输送带无损检测现状 强力输送带( 如图l 一1 ) 是以一定间距纵向排列在芯胶中的钢丝绳为骨架， 上下和两边有一定厚度的各种性能胶层。带体柔软，抗张强度高，伸长率小， 成槽性好，耐曲挠、耐疲劳，特别适合装置在长距离，高速度，大容量的大型 输送线上，广泛应用于矿山、港口和码头等领域，是我国现代化生产中主要传 送设备之一。 嘶腔 i 图1 1 强力输送带示意陶 在煤矿生产中强力输送带是必不可少的设各，实际工作中，由于其载荷量 增加和使用环境的恶劣【】。3 1 ，被障碍物划伤及老化等原因而产生钢芯锈蚀、断裂 或接头伸长等故障，一旦发生故障将会造成重大安全事故或停产，运输物料的 损耗，设备的损坏，巨大的经济损失和人员伤亡，严重影响安全生产。如某煤 矿曾发生一次强力输送带断裂事故，导致停产一星期，造成直接经济损失超过 1 0 0 0 多万元。因此，需要借助现代无损检测技术，研制一种强力输送带无损检 测系统，对强力输送带进行实时检测，了解其性能状态，保证强力输送带的安 全运行。 在国外，许多科技工作者对强力输送带无损检测技术进行了深入的研究， 比较成功的是建立在电磁感应基础上的涡流检测法以及采用x 射线透视的射线 检测方法。 澳大利亚悉尼应用物理研究协会无损检测研究组的a 哈里森研制的钢丝绳 胶带无损探测器( c b m ) h ，采用低频透射型电涡流式传感器，由分别位于被 测金属导体两面的发射线圈和接收线圈组成，图1 - 2 是c b m 探测器的示意图h 】。 发射线圈接至振荡器后，产生磁力线穿过被测金属体，在接收线圈两端产生感 应电信号，其幅值大小取决于受检段内钢丝绳芯磁阻的太小。钢丝绳芯因锈蚀 或断裂则引起感应电信号相应变化，可以监测胶带钢丝绳芯的锈蚀断裂等。该 天津工业大学硕士( 博士) 学位论文 方法的缺点是不能全面直观地看到输送带内部的钢丝绳芯图像，检测结果只能 提供一些曲线，需要有经验的人员分析判断，仍要用高质量的x 关照片才能进 一步精确判断故障的情况。 下传感器 图1 2 c b m 探测器示意图 d m t ( 德国蒙坦技术公司) 开发和运行研究所研制的装置能探测出钢丝绳 股，腐蚀破损和绞丝【6 】。探测装置由模件组成，每个模件有两个8 0 m m 宽的磁 道，能探测胶带上两个8 0 m m 宽的条带。该装置也不能全面直观地看到胶带内 的钢丝绳芯图像。 前苏联第聂伯罗彼得罗夫矿井自动化工厂生产的y k l - i 儿一1 型橡胶钢索带 的强度检查装置，也是以磁探伤原理进行工作，这种方法检测精度差，自动化 程度低。 德国埃森的r w t u v 研究了一种利用射线对强力输送带钢丝绳芯进行无损 检测的方法，该方法将矿井胶带输送机的胶带状况用高频图像描记在一条3 0 c m 的纸带上，并储存在视频记录仪上。这种方法需配用实验室的标尺器具一起进 行，属于连续拍摄性质。 德国( m e l c o ) 的输送带探伤装置借助x 射线在增强屏上成像，由摄像 机、记录仪、电视监视器等组成一个系统。增强屏的作用是将x 光不可见图像 转换成可见图像后由摄像机摄取，并产生视频图像信号在监视器上显示。由于 增强屏尺寸较小，每次只能观察到胶带内部局部钢丝绳芯的状况。同时它也未 采用计算机图像识别技术，只能靠肉眼识别钢丝绳芯的完好状况。 在国内，许多高校、研究所研制开发了多种强力输送带检测设备，但受到 当时软硬件水平的限制，普遍存在着准确性差、显示不直观、不能远程检测等 问题。 中国科学院力学所于1 9 9 2 年设计出了g x d 型强力输送带无损探伤仪，山 西矿业学院在煤矿科学技术1 9 9 8 年第5 期发表文章“钢丝芯胶带绳芯在线实时 检测系统”，介绍了他们自行研制的强力输送带涡流检测系统。这两种方法与澳 大利亚a 哈里森的思想基本相同，只是前者能将探伤结果以计算机绘图方式在 2 第一章引言 计算机显示器上显示出来，缺点是探测结果是一些类似心电图的曲线，不直观。 1 9 9 3 年中国矿业大学北京校区成功研制出“强力输送带横向断裂预报装 置”。该系统的工作原理框图【7 】如图卜3 所示。 一圈 图1 - 3 强力输送带横向断裂预报装置工作原理框图 该装置采用x 射线透视技术，用x 射线透射运行的输送带，在系统的x 射 线探测器上连续产生输送带内部钢丝绳的投影电信号，并经数字化、补偿处理 后，送入图像采集卡中，在图像监视器上实时显示。这套装置可全面地观察、 记录输送带内部钢丝绳芯的断股、锈蚀、接头伸长错位等故障，并在图像仪上 复现图像。该系统受当时的软硬件技术的限制，存在输送带图像处理速度慢： 实时性差( 输送带速低于0 6 2 5 m s ，输送带宽小于1 2 m ) 、精度低( 分辨率为 2 5 m i n x2 5 m m ) 、不具备远程实时检测和防爆功能。 1 2 本课题的目的和意义 本课题的目的是对强力输送带内部钢丝绳芯图像处理与性能分析进行研 究。给出了基于x 光的强力输送带无损检测系统设计方案；提出了强力输送带 内部钢丝绳芯图像处理算法，包括钢丝绳芯图像的基本处理算法、边缘检测算 法、接头伸长检测算法和故障坐标定位等；分析了影响强力输送带强度性能的 因素，建立了钢丝对x 射线吸收规律的数学模型，提出了有效承载面的强度判 断算法；运用c 撑n e t 语言设计开发了图像处理与性能分析的系统软件，实现 了对强力输送带钢丝绳芯图像的在线检测、处理、实时显示和存储。 1 3 本课题研究的主要内容 本课题组( 天津工业大学信息与通信工程学院科研团队) 根据国内外强力 天津工业大学硕十( 博士) 学位论文 输送带无损检测的研究现状，分析研究了国内外常用的无损检测方法，提出了 基于x 光的强力输送带无损检测系统的设计方案，提出了图像处理软件的设计 思想；利用x i l i n x 集成开发环境e d k 与x i l k e r n e l 操作系统设计了基于x 光强 力输送带无损检测系统的以太网通信软件，实现了无损探测器与上位机之间的 千兆以太网通信。 由于国内外对强力输送带的x 光无损检测技术的相关研究较少 8 - 9 ，本课题 组在实验中缺乏强力输送带“问题图像”的来源，对输送带接头伸长及输送带 强度的判断只能靠物理方法，需进一步研究强力输送带内部钢丝绳芯图像处理 算法，进一步分析有效承载面的强度判断算法，进一步完善系统软件设计，这 构成了本课题的主体任务。 ( 1 ) 分析国内外无损检测技术的工作原理及特点，提出了基于x 光的强 力输送带无损检测系统的组成和工作原理，设计了系统硬件组成。 ( 2 ) 研究强力输送带内部钢丝绳芯图像处理算法，包括钢丝绳芯图像的基 本处理算法、边缘检测算法、接头伸长检测算法和故障坐标定位等，能够有效 地对钢丝绳芯图像进行处理，发现故障，及时报警。 ( 3 ) 分析了影响强力输送带强度性能的因素，建立了钢丝对x 射线吸收 规律的数学模型，提出了有效承载面的强度判断算法。 ( 4 ) 运用c 群n e t 语言设计开发了图像处理与性能分析的系统软件，实现 了对强力输送带钢丝绳芯图像的在线检测、处理、实时显示和存储。 4 第二章基于x 光的无损检测系统设计方案 第二章基于x 光的无损检测系统设计方案 2 1 无损检测技术的工作原理及特点 无损检测( n o n d e s t r u c t i v et e s t i n g ) 是以不破坏被检测对象的性能为前提， 采用各种物理原理或化学现象，检查材料内部或表面缺陷并评价其整体质量的 技术。无损检测技术能够对各种零部件、结构件进行有效检测，可以评价它们 的完整性、安全可靠性以及物理性能，若被检测对象存在缺陷，则可对缺陷的 形状、大小、方向和分布情况进行定位和判断。无损检测技术能够改进生产工 艺，提高生产效率、提高生产可靠性。 在现代化工业大生产促进下，建立了以射线检测( r a d i o g r a p h i ct e s t i n g ) 、 超声检测( u l t r a s o n i ct e s t i n g ) 、磁粉检测( m a g n e t i cp a r t i c l et e s t i n g ) 、渗透检测 ( p e n e t r a t et e s t i n g ) 和涡流检测( e d d yc u r r e n tt e s t i n g ) 五大常规检测方法为代 表的无损检测体系。本章通过对这几种无损检测技术的工作原理及特点的研究， 确定本课题的技术方案。 ( 一) 超声检测法 超声检测技术应用较为广泛，包括共振法、透射法和脉冲反射法。 ( 1 ) 共振法是利用共振原理，用探头将超声波发射到测件内部，当测件厚 1”， 度是超声波半波长的整数倍，会在测件中产生驻波，用公式j = n - 兰= 兰计算 2 e t 测件的厚度万，公式中刀是共振次数，以= o ，l ，2 ，3 ，名为超声波长，c 是超 声波在测件中的传播速度， 厂为超声波的频率。 ( 2 ) 透射法是在测件的两端分别放置发射探头和接收探头，根据接收探头 接收到的超声波能量的变化，来判断测件内部有无缺陷。 ( 3 ) 脉冲反射法是利用超声波脉冲在测件内部传播中时，遇有声阻抗相差 大的两种介质时会产生反射，用一个探头同时作为发射探头和接收探头，在荧 光屏上显示接收到的信号，根据接收信号有无反射波来判断测件是否存在缺陷。 图2 1 是码科泰克( 上海) 化学有限公司生产的利用超声检测原理，检测 钢筒内部是否存在缺陷的设备，图2 2 是钢筒内部无缺陷时的检测结果显示， 图2 3 是钢筒内部有缺陷时的检测结果显示，结果显示不直观，且结果显示速 度非常快，容易造成检测结果的遗漏。 超声检测法既可以检测表面缺陷，也可以检测内部缺陷，具有灵敏度高， 指向性好、穿透力强、检测速度快，缺点是只适用于同一均匀介质，检测结果 无直接记录，易受材质、粉尘的影响。 5 天津j = 业 学硕士( 博+ ) 学位论文 幽2 - 1 超声检测设备 口：l 口 图2 - 2 钢筒内部无缺陷时的检泖4 结果图2 - 3 钢简内部有缺陷时的检测结果 h 节 超声检测法既可以检测表面缺陷，也可以检测内部缺陷，具有灵敏度高， 指向性好、穿透力强、检测速度快，缺点是只适用于同一均匀介质，检测结果 无直接记录，易受材质、粉尘的影响。 ( = ) 磁粉检测法 磁粉检测法是利用缺陷的漏磁磁场的强度同缺陷漏磁的磁通密度的正比关 系来检测物件的缺陷，漏磁场强度越大，缺陷部位越容易吸附磁粉形成与缺 陷形状相近的磁粉堆积( 磁痕) ，从而显示缺陷。如图2 - 4 所示的设备是码科泰 克( 上海) 化学有限公司生产的磁粉检测钢轨划痕系统。 磁粉检测钢轨划痕系统工作方式为：钢轨从右边向左边移动。移动过程中， 首先经过a 点( 磁粉液喷淋) ，将钢轨表面全部喷淋磁粉液，钢轨划痕处会渗 入磁粉液体。经过b 点( 磁轭) ，此处作用是将钢轨表面在a 点喷淋的磁粉液 除去，但是已经渗入划痕内的磁粉液无法除去。经过c 点( 磁化线圈) ，将钢 轨磁化。经过d 点时，在e 点的特殊灯光的照射下，渗入划痕的磁粉会呈现为 绿色。从而可以确定钢轨划痕的方位和大小。 第二章基于x 光的无损检测系统设计方襄 图2 4 磁粉检测钢轨划痕的系统 磁粉检测法主要用于检测铁磁性材料表面和近表面的缺陷。它可以检测出 表面开口的缺陷，但无法检测出埋藏缺陷或闭口型的表面缺陷；且检测程序多n 速度慢；磁粉材料较贵，成本高；有些材料有毒、易燃，易造成安全事故。 ( 三) 渗透检测法 渗透检测法是利用渗透原理，将黄绿色的荧光渗透液或红色的着色渗透液 涂在零件表面，经过一段时间的毛细血管作用后，再在零件表面涂抹显像剂， 缺陷处吸附的渗透液显像，通过显示放大缺陷图像痕迹，可判断缺陷的大小和 形状。 渗透检测法需将渗透液渗入固体材料表面开口缺陷处，或在零件表面涂抹 含有荧光染料或着色染料的渗透液，再通过显像剂将渗入的渗透液吸到表面， 显示出缺陷的存在。 ( 四) 涡流检测法 涡流检测法是利用电磁感应原理，在外部强电磁场的作用下通过测定工件 内产生涡流的变化来发现内部缺陷。涡流检测过程中一般分别在工件两端分别 放置激励线圈和接收线圈，两种激励线圈相距较远，使激励线圈发射的磁场几 乎完全穿过工件后被接收线圈接收到，从接收到的磁场的幅度和相位的变化可 以断定检测线圈所检测区域中的缺陷情况。 图2 5 是矩阵科技有限公司利用电磁感应原理开发的涡流检测系统检测 铁板缺陷，铁板上部的黄色导线为激励线圈，下部黄色导线为接收线圈。图2 - 6 是涡流检测系统检测结果显示，从图中可看出，检测结果以特征曲线的形式显 示。 涡流检测法由于操作简单，不需要耦合剂和易于实现高速、自动化检测等 天津工业大学硕士( 博士) 学位论文 优点，因此在金属材料的无损检测中得到广泛应用，缺点是检测结果是抽象曲 线，检测精度低、易受周围磁场干扰，需专业人士才能了解是否存在缺骼。 图2 - 5 涡流检测系统图2 - 6 涡流检测系统检测结果显示 ( 五) 射线检测法 射线检测法是一种利用各种射线对材料或工件的投射性能和射线( x 射线、 y 射线、中子射线等) 穿过材料或工件时的强度衰减程度不同，在感光底片形 成灰度不同的图像来检测内部缺陷的手段。缺陷部位对射线吸收力比其它部位 低，因此透射过的光强较大，因而感光底片接收到的光强较大，会形成灰度较 浅的图像。常用x 射线检测。圈2 7 是x 射线检测原理图，图2 - 8 是实验室采 用x 射线检测有缺陷的扳手图像。 感光底片 圈2 - 7 x 射线检测原理图图2 - 8 实验室削x 射线检测有缺陷的扳手脚像 由于强力输送带多应用在矿山、港r a 和码头等，其工作环境非常恶劣，粉 r线 射 xlri 第二章基于x 光的无损检测系统设计方案 尘、颗粒很多，周围设备众多，磁场干扰多。强力输送带的运行速度为3 1 5 m s - - 4 5 r n s ，运行时危险系数极大，不允许接触输送带体或涂抹物质。因此超声检 测法、磁粉检测法、渗透检测法和涡流检测法均不能应用于强力输送带的无损 检测。与其它检测法相比，x 射线检测法的主要优点是： ( 1 ) 检测结果以图像形式直观显示，并可保存在电脑中，便于观看和复查。 ( 2 ) 通过计算机技术分析检测图像，进而评价强力输送带的性能。 ( 3 ) x 射线受粉尘、颗粒、周围磁场的影响微小，检测结果精确度高。 ( 4 ) x 射线装置不需要接触强力输送带，安全系数高，满足在线检测的需 要。 ” 因此，综合考虑各方面因素，本课题采用x 射线检测法对强力输送带内部 钢丝绳芯进行图像处理与性能分析的研究。 2 2 基于x 光的强力输送带无损检测系统的组成和工作原理 基于x 光的强力输送带无损检测系统主要是由x 射线源、光电转换板、采 集接收板和p c 机及输送带图像处理软件等组成，采用2 0 0 v a c 、5 0 h z 交流电。1 其框图如图2 - 9 所示。 低辐射x 射线源 强力输送带 光电转换 图像信号预处理 千兆以太网接口 图像处理输出结果 图2 - 9 基于x 光的强力输送带无损检测系统框图 x 射线源：采用北京机电高技术股份有限公司研制的t 一1 4 0 x 一1 - - 8 0 型 x 射线发生器，x 射线发生器是由x 射线发射器和控制器两部分组成。它采用 脉宽调制技术，工作频率在3 0 k h z 左右，电压、电流闭环调整，并设有过电压、 过电流等多种保护。该产品性能稳定，使用安全，曾获得北京市科技成果一等 奖，x 射线发射器的系统框图如图2 1 0 所示。该x 射线发生器的相关参数如表 2 1 所示。 9 天津工业大学硕士( 博士) 学位论文 图2 1 0x 射线发射器的系统框图 表2 1x 射线发生器的相关参数 电源 久c2 2 0 n 5 0 h z 电网调整率 当电网波动+ 1 0 一1 5 时，工作电压稳定度为l 管端高压9 0 1 4 0 k v ( 7 0 k v ) 管电流0 5 一l m a 工作频率约3 0 k h z 纹波 l 训管电压分三档 9 0 k v ，11 0 k v 和1 2 5 k v ( 默认1 4 0 k v ) 泄漏剂量 射线源表面5 厘米处最高剂量小于o 5 1 x s v h 工作环境要求温度0 - - 4 0 c 湿度 9 0 控制器外形尺寸及重量1 3 2 4 8 2 6 x 2 5 0 m m9 千克 管头外形尺寸及重量 5 3 0 x 3 0 0 x 2 2 0 m m 5 4 千克 光电转换板( 如图2 - 1 1 所示) ：主要由二氧化钛( t i o ：) 涂层、闪烁晶体 ( 如图2 1 2 所示) 、光电二极管阵列( 如图2 1 3 所示) 、放大电路和通道选择 电路组成。 l o 第二章基于x 光的无损检测系统设计方案 幽盔 图2 - 1 1 光电转换扳 图2 - 1 2 二氧化钛涂层和闲烁体图2 一1 3 光电二极管阵到 光电转换板的原理图如图2 - 1 4 所示。 一 匿 通 三 道 选 j 择 电 路 三 目刮爱薹 图2 1 4 光电转换板原理图 模 拟 信 号 输 出 天津工业大学硕士( 博士) 学位论文 二氧化钛涂层可以过滤自然光，消除其对闪烁晶体的影响。闪烁晶体一般 是感光材料，例如硫氧化钆( g o s ) 、碘化铯( c s i ) 、钨酸镉( c d w 0 4 ) ，闪 烁晶体可将吸收到的x 射线转换成可见光，提高光电二极管对x 射线的吸收效 率。光电二极管阵列用来测量闪烁晶体转换的可见光强度，并将光信号转化为 电平信号。放大电路用来放大光电二极管阵列所产生的极低的电平信号。通道 选择电路用来控制阵列的每个通道依次输出信号，且当末通道输出信号后，选 择首通道进行下一轮信号的输出。光电转换板的效率依赖于闪烁晶体的类型和 厚度、闪烁晶体一光电二极管的耦台以及电子学的最优化。x 射线经过光电转 换板的接收、处理后，输出连续的差分模拟数据e 采集接收板( 如图2 1 5 所示) ：主要由差分变单端运放电路、低通滤波嚣、 电压调整运放、a d 转换芯片、f p g a 模块、以太网接口电路等组成，其原理图 如图2 1 6 所示。 图2 1 5 采集接收板 光电转换板传输到采集接收板的差分模拟信号首先经过运放电路，变成单 端信号，通过低通滤波器后，再经过电压调整运放电路和低通滤波器，送入a d 转换芯片，输出数字信号到f p g a 模块，在f p g a 模块中t 数字信号进行偏移 量校准和均匀化处理，通过以太网接1 3 电路发送到上位机( p c 机) 进行图像 信号的处理与性能分析。 基于x 光的强力输送带无损检测系统的工作原理是：x 射线源输出的x 光 穿过运行着的强力输送带照射到光电转换板的硅光电二极管阵列上，硅光电二 第二章基于x 光的无损检测系统设计方案 图2 1 6 采集接收板原理图 极管把强力输送带内钢绳芯的投影图像转换为电信号；该电信号传输到采集接 收板，经过放大和a d 转换后，形成数字信号，再经过偏移量校准和均匀化处， 理后，通过以太网接口传输到上位机( p c 机) ；p c 机接收到钢绳芯皮带图像信 号后，通过图像处理软件实时显示和存储输送带内钢绳芯的图像，并且能够运 用各种算法对强力输送带钢绳芯的接头伸长、锈蚀、断裂等情况进行提取和判 断，并给出故障报警信号。该装置采用以太网通信，能够实现远程监测。 1 3 第三章强力输送带的图像处理算法 第三章强力输送带的图像处理算法 对基于x 光的强力输送带无损检测系统而言，由于强力输送带的工作环境 恶劣，实际运行中，下列因素会影响系统采集的图像质量： 1 、光电二极管阵列将闪烁晶体转换的光强度转化为电平信号，电平信号的 能量等级极低，约为十几个微安。在放大电路将信号增强过程中，会引入大量 噪声，造成图像像素值存在偏差。 2 、输送带在运行过程中，自身有剧烈的震动，会导致图像产生抖动，出现 弯曲情况。 3 、由于x 光的散射，中间接收到的x 光强高于两端接收到的x 光强，使 图像出现两端图像较暗的现象。 上述因素的影响，造成了图像质量的降低，图像像素数值存在偏差，因此 需要研究图像处理算法，利用计算机技术，突出显示图像信息。根据课题要求， 本章重点对图像处理基本算法、边缘检测算法、接头伸长检测算法、接头故障 坐标定位等图像处理算法进行研刭1 0 。1 1 。 3 1 图像处理基本算法 刚斟 净1 ， 它的逆运算表达式为： x l 扛 y l 静 ( 3 - 2 ) 如果办乏俨0 5 时，图像将被缩小一半。此时，缩小后图像中的( o ，0 ) 像 素对应原图中的( 0 ，1 ) 像素；图像中的( o ，1 ) 像素对应于原图中的( o ，2 ) 像 垂望三些查堂堡主! 坚主! 堂垡丝苎 素；( 1 ，0 ) 像素对应于原圈中韵1 2 , 0 ) 像素，依次类推。在原囤基础上，每行 隔一个像素取一点，以行进行操作。同理，当声毋= 2 时，图像将放大2 倍 它实际上是将原图每行中的像素重复取值一遍，然后每行重复一次，依次类推 强力输送带内部钢丝绳芯图像及缩放7 5 后的图像如图3 - 1 所示 ”，曩= 彳= 一“曩7 芝一 图3 - i 强力输送带内部钢丝绳芯图像及缩放7 5 后的图像 ( 二) 图像旋转算法 图像的旋转是以图像的中心为原点0 ( 0 ，0 ) - 旋转一定的角度“假设图 像的某一个像素点z 的坐标是( 南，儿) 。顺时针旋转角度口后，对应新图像中 的坐标z ( x 。，y ) 。两者之间的坐标关系如下： z 距离原点的距离为r = x 。2 + 儿2 ( 3 3 ) 像素z ( 如，虬) 与x 轴夹角为口= a r 渤n 考 ( 3 4 ) z 距离原点的距离为，。= ，= 0 + y 。2 ( 3 5 ) 像素z 。( | ，y 。) 与x 轴夹角为8 ；口一口= a i c 协n 考一口 ( 3 6 ) x 。= r 。c o s # = x 0 2 + 2 c o s ( a m “一( 3 - 7 ) y 。；r + s i n # = 扛2 + 乩2 s i n ( a r c t a n y 一口) ( 3 - 8 ) 图像旋转坐标示意图如图3 - 2 所示。 圉3 - 2 圈像旋转坐标示意雹 1 6 嘲脚鳓躐 第三章强力输送带的图像处理算法 强力输送带内部钢丝绳芯图像及顺时针旋转3 0 度后的圈像如图3 - 3 所示。 霎，罴，只摹冀只= l 一 鼬疝_ _ 墨墨_ d j 】- _ - _ b 二a a 叫苴盘i 叠型菌b _ _ - _ 衄 图3 - 3 强力输送带内部钢丝绳芯图像及顺时针旋转3 0 度后的图像 31 2 图像负相变换 图像负相变换即是将图像的每个像素的r 、g 、b 三个分量分别反色，由 于每个分量有2 5 5 个等级，假设图像经负相变换后每个像素的三个分量为r 、 g 、b 。公式为： r = 2 5 5 一rg = 2 5 5 一g b = 2 5 5 一b( 3 - 9 ) 强力输送带内部钢丝绳芯图像及其经过负相变换处理后的图像效果如图 3 4 所示。 平2 粤_ - _ _ - _ _ _ _ _ _ l _ 墨血帚争舅_ _ _ - ，- a 。t - ，_ 。般一j 扩曩 t o - _ 口= j u = 2 _ _ _ l _ i - _ 雕 一j n = i i l - _ _ _ _ - - - _ _ 一 图3 - 4 强力输送带内部钢丝绳芯图像及其经过负相变换处理后的图像效果 3 2 边缘检测算法 基于x 光的强力输送带无损检测系统的图像处理框图如图3 - 5 所示。 32 1 s o b e l 边沿检测 图3 - - 6 所示的图像处理流程图处理如图3 - 6 ( a ) 所示的强力输送带内部 天津工业大学硕士( 博士) 学位论文 图3 - 5 图像处理框图 钢丝绳芯图像时效果较好，而对图3 - 6 ( b ) 所示的强力输送带内部钢丝绳芯图 像进行处理时，则达不到理想效果。 对比图3 - 6 的两幅图像可以看到：( a ) 图亮度均匀，钢丝绳与缝隙的对比度高， 易识别处理；( b ) 图中间比两边的亮度高，对比度较差，但是灰度级变化还是 比较明显。( b ) 图的这种情形是由于x 射线源点发射x 射线，从而导致垂直与 强力输送带处( 中间) 的x 射线强度高于其他位置( 两边) 的x 射线强度造成 的。对于图像( b ) ，进行图像预处理后会丢失大量信息，因此在图3 - 6 图像 处理流程图之前，采用基于空间倒数的边沿检测方法能够有效地解决此问题。 ( a ) 抽) 图3 _ 6 强力输送带内部钢丝绳苍图像 系统的边缘检测算法采用s o b e l 算子( 梯度算子) ，s o b e l 算子在实际应用 中效果比较好，具有较好的噪声抑制能力。系统采用的s o b e 算予模板如表3 - 1 中的( a ) 、( b ) 子表所示。 322 负相变换 用s o b e l 算子进行边沿检测时，图像边沿部分呈现为白色，接头搭接空档 第三章强力输送带的图像处理算法 部分呈现为黑色，与原图和检测人员的实际感官印象不符，因此有必要对图像 进行负相变换。图3 7 是经过s o b e l 边沿检测和负相变换后的图像。 表3 - is o b e l 算子模版 臣吁 肚盐 ( a )( b ) 图3 7 经过s o b e l 边沿检测和负相变换后的图像 如图3 7 所示，图像经过s o b e l 边沿检测后，接头搭接空档部位明显显现， 几乎所有的接头部分都能显示。再经过负相变换处理后就可进行模板匹配处理。 323 模块匹配 模板匹配的目的是确定接头位置。对图3 - 6 所示的强力输送带内部钢丝绳 芯图像，按照其钢丝绳芯及其搭接特点，取表3 2 中的( a ) 、( b ) 两个检测匹 配模板进行水平边沿检测。 表3 - 2 检测匹配模板 。o00 。o i l11l 1 00 0 0 0 o0o0 o 天津丁业大学硕士( 博七) 学位论文 为了能对输送带性能进行检测，需要对接头进行检测和量化分析。传统的 算法主要根据图示厶和三：计算接头伸长。接头伸长量的计算式为： 址，：兰堡厶一厶， ( 3 1 0 ) 1 l 2 11 。 式中址，为输送带接头的伸长量；厶，和三：。为变化前两对接空档长度( 标准 值) ；厶和三：为变化后的长度。计算值是整个接头的钢丝绳芯对接空档变化量 的平均值。计算时，斜向接头一般也要先转换成直向接头计算。这种算法存在 一定的问题n 刀。 本课题改进了接头伸长量的判定算法，在计算每个钢丝绳芯对接空档伸长 时，取厶为上图的三，计算时厶取相邻一行( 斜向) 的钢丝绳芯对接空档距 离的中间值。具体算法如下： ( 1 ) 把合并后的接头按聚类方法进行分类，一般分成的两类，分别对应接 头对接空档的上下两部分( 上下两行) ； ( 2 ) 求厶伸长时，找出相邻的下一类钢丝绳芯对接空档值的中间值作为： ( 求下面一类伸长量时用相邻的上一类的中间值作为厶) ； ( 3 ) 代入公式3 1 3 计算伸长量。 计算接头平均伸长时厶仍采用图3 一l l 标示的范围，用直线拟合的方法计 算。该算法特别适用于当输送带出现某接头整体伸长时的判定。 与传统算法相比，改进的接头伸长量的判定算法有下列优点： 第三章强力输送带的图像处理算法 ( 1 ) 与传统算法一样均可以降低皮带速度对图像的影响； ( 2 ) 能有效降低输送带抖动对判断结果的影响； ( 3 ) 降低使用统计平均计算伸长量对单个钢丝绳芯对接空档伸长判断结果 的影响； ( 4 ) 接头平均伸长和单个钢丝绳芯对接空档伸长分别计算能有效保障判断 的准确性。 图3 _ 9 是接头对接图像部分经边缘检测算法处理后的结果。图3 - 1 0 是未检 测到的接头放大图像。 _ 图3 - 9 接头对接图像部分经边缘检测算法处理后的结果 图3 1 0 未检测到的接头放大图像 从图3 - 9 中能明显看出边缘检测算法检测出了几乎所有的接头对接部分。 仅有一个没有显示出来，放大该对接区域，能看到中间有个比较亮的纵向部分 灰度变化明显，边沿检测时被判断成了边沿【1 2 - 1 5 。 3 3 接头伸长检测算法 本系统在检测强力输送带内部钢丝绳芯图像时，由于硬件条件的限制，接 收到的图像会产生重复现象，需要增加判重机制，以避免重复处理和接头错误 定位：由于现场环境恶劣，粉尘多，易导致采集到的图像受到噪声干扰，在图 像处理过程中，需采用y _ 差分技术算法来很好地抑制噪声；由于强力输送带 甄 天津工业大学硕士( 博士) 学位论文 运行时会产生剧烈震动，使采集到的图像产生抖动现象，需要采用消抖算法， 去除抖动造成的影响。 针对实际工作中存在的重复、噪声、抖动等问题，本节重点研究重复图像判定 算法、y 一差分技术、图像消除抖动技术，提高检测结果的可靠性。 3 3 1 重复图像判定 以两幅r g b 图像为例，判断图像是否重复，首先判断两幅图像的尺寸是否 相同。若两幅图像尺寸不相同，则可以确定两幅图像不重复；若两幅图像尺寸 相同，则需要从第一个像素点开始判定每个点的像素值是否相同，一旦有某个 点的像素值不相同，则可认为是新采集的图像，若所有点的像素值都相同，则 可以判定两幅图像为重复图像。重复图像判定流程图如图3 1 l 所示。 图3 11 重复图像判定流程图 重复图像判定的目的是减少计算量，提高计算速度；避免将同一个接头的 重复图像误判为两个接头，避免接头序号对应错误。 天津工业大学硕士( 博士) 学位论文 抑制噪声，并且在算法实现中，y 一差分和改进的“条件”y 一差分是在同次 扫描中完成，提高了算法的效率。 3 33 图像消除抖动技术 图3 1 4 是出现抖动的图像及其经过改进的“条件”y 一差分技术处理的图 像。 研究图像3 1 4 可以发现，差分图像中的抖动部分有下列特点：抖动出现在 同一水平线上；一般是红绿颜色点交替出现。根据此规律，消抖算法为；假设 一个点z b ，y ) 为红色或绿色，若在x 方向上的【j r a n g e ，x 十r a n g e 范匪l 内存 在像素与它颜色相反，则认为是抖动。 圈3 1 4 出现抖动的图像及其经过改进的“条件”y 一差分技术处理的图像 3 4 接头故障坐标定位 软件窗口中数字标尺具有可视化特性，可以帮助使用者方便地测算距离、 定位等，因此数字标尺技术被越来越广泛地应用【l q 。目前基于x 光的强力输送 带无损检测系统能有效的检测故障并及时报警，但往往都只能在输送带上粗略 的判断故障位置。本课题通过采用数字标尺技术的方法在原有软件系统所显 示的图像上