粗糙表面試件的光學(xué)測(cè)量及光磁復(fù)合檢測(cè)方法

楊　蕓,張繼楷,濮海明,康宜華

(華中科技大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院， 武漢 430074)

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粗糙表面試件的光學(xué)測(cè)量及光磁復(fù)合檢測(cè)方法

楊蕓,張繼楷,濮海明,康宜華

(華中科技大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院， 武漢 430074)

摘要：在電、磁、聲無(wú)損檢測(cè)中，被檢工件表面狀態(tài)對(duì)檢測(cè)結(jié)果的精確評(píng)判有較大影響。為提高電磁無(wú)損檢測(cè)的精度，提出了光磁復(fù)合無(wú)損檢測(cè)方法，將基于線結(jié)構(gòu)光表面粗糙度和形貌的自動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)以及漏磁檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，以消除表面狀態(tài)對(duì)檢測(cè)評(píng)判的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于表面粗糙的工件，結(jié)合光學(xué)表面測(cè)量結(jié)果可在一定程度上提高漏磁檢測(cè)信號(hào)的信噪比，進(jìn)而提升微細(xì)裂紋的檢測(cè)能力；當(dāng)工件內(nèi)外表面均存在缺陷時(shí)，光磁復(fù)合檢測(cè)方法可有效實(shí)現(xiàn)內(nèi)外傷的區(qū)分。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)光測(cè)量；漏磁檢測(cè)；光磁復(fù)合；內(nèi)外傷區(qū)分

電磁無(wú)損檢測(cè)廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)的質(zhì)量控制中[1]。當(dāng)工件表面狀態(tài)不同時(shí)，電磁檢測(cè)能力和可靠性會(huì)有差別，甚至?xí)斐陕z或誤判。已有研究表明，在被測(cè)工件表面質(zhì)量不佳(如表面銹蝕、表面較粗糙)時(shí)，漏磁檢測(cè)靈敏度及信號(hào)信噪比會(huì)降低,超聲測(cè)厚中回波幅值減小甚至不能有效實(shí)施檢測(cè),渦流檢測(cè)中表面狀態(tài)直接影響渦流分布且產(chǎn)生底波干擾信號(hào)從而導(dǎo)致檢測(cè)靈敏度降低。但已有研究主要圍繞表面粗糙度或表面腐蝕對(duì)電磁無(wú)損檢測(cè)結(jié)果的影響進(jìn)行了分析，提出相應(yīng)改善措施的研究卻較少[2-3]。

近年來(lái)，結(jié)構(gòu)光測(cè)量技術(shù)因其非接觸、測(cè)量速度快、測(cè)量精度較高、便攜且成本較低等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域[4-5]。根據(jù)測(cè)量所需的攝像頭數(shù)目，其又可分為單目法、雙目法及多目法。多目法采用的攝像機(jī)較多，可有效減少掃描盲區(qū)，使得特征點(diǎn)間的匹配更容易，提高了匹配可靠性，但成本高、計(jì)算復(fù)雜，實(shí)際應(yīng)用較少。

筆者基于線結(jié)構(gòu)光表面自動(dòng)測(cè)量方法，針對(duì)粗糙表面試件提出了光磁復(fù)合無(wú)損檢測(cè)方法。并且，對(duì)比分析了結(jié)構(gòu)光表面測(cè)量與漏磁檢測(cè)的復(fù)合在信號(hào)信噪比提升和內(nèi)外傷區(qū)分中的應(yīng)用效果。

1光表面自動(dòng)測(cè)量方法

1.1線結(jié)構(gòu)光表面測(cè)量方法

結(jié)構(gòu)光表面測(cè)量方法屬于光學(xué)投影式三維輪廓測(cè)量方法。使用此方法時(shí)，向被測(cè)物體投射一個(gè)載頻條紋的結(jié)構(gòu)光，利用成像設(shè)備從其他角度記錄被測(cè)物體高度調(diào)制的變形條紋圖像，再?gòu)墨@取的條紋圖中數(shù)字解調(diào)重建出被測(cè)物體的表面三維輪廓。

線結(jié)構(gòu)光掃描(見圖1)檢測(cè)是一種主動(dòng)視覺(jué)測(cè)量，其工作原理為:激光器投射線結(jié)構(gòu)光到被測(cè)物體表面，在被測(cè)物體表面形成一條亮光帶；攝像機(jī)從另一角度拍攝光帶圖像,攝像機(jī)獲取的光帶圖像如圖2所示。確定攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)及攝像機(jī)與線結(jié)構(gòu)光投射面之間的位置關(guān)系后，就可以根據(jù)獲取的光帶條紋圖像，計(jì)算出被測(cè)物上光帶的物理坐標(biāo)。保持相機(jī)、激光器不動(dòng)，物體沿垂直于激光器投射平面平移，即可獲得被測(cè)物體表面測(cè)點(diǎn)的物理坐標(biāo)。

圖1　線結(jié)構(gòu)光掃描模型

圖2　攝像機(jī)獲取的條紋圖像

1.2線結(jié)構(gòu)光表面自動(dòng)測(cè)量平臺(tái)

由于研究對(duì)象為鋼板及鋼管，采用單目視覺(jué)結(jié)構(gòu)光測(cè)量方法就可滿足需求，試驗(yàn)選用大恒圖像公司的Gocator 2300 系列線結(jié)構(gòu)光與攝像頭一體式的表面測(cè)量智能傳感器。要實(shí)現(xiàn)物體表面輪廓的三維掃描，線結(jié)構(gòu)光與物體之間需要相對(duì)運(yùn)動(dòng)。圖3所示為線結(jié)構(gòu)光表面自動(dòng)測(cè)量簡(jiǎn)易平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意。

圖3　線結(jié)構(gòu)光表面自動(dòng)測(cè)量簡(jiǎn)易平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意

依據(jù)被測(cè)物體高度，調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)光表面測(cè)量?jī)x至其工作范圍的垂直高度并固定。將測(cè)試平臺(tái)作為基準(zhǔn)面進(jìn)行校準(zhǔn)，完成儀器校準(zhǔn)后將被測(cè)物體固定在測(cè)試平臺(tái)上。測(cè)量過(guò)程中，測(cè)試平臺(tái)帶著被測(cè)物體沿水平方向勻速移動(dòng)。攝像頭獲取到的物體表面數(shù)據(jù)經(jīng)由結(jié)構(gòu)光測(cè)量?jī)x后續(xù)處理軟件，可得到被測(cè)物體三維輪廓，圖4為具有表面紋理的鋼板和表面腐蝕坑的鋼管的輪廓。結(jié)構(gòu)光表面自動(dòng)測(cè)量方法可準(zhǔn)確得到工件表面的三維輪廓，對(duì)于表面缺失及體積型缺陷能起到測(cè)量和定位作用。

圖4　鋼板和鋼管表面的三維輪廓

2光磁復(fù)合檢測(cè)應(yīng)用

結(jié)構(gòu)光測(cè)量和電磁無(wú)損檢測(cè)技術(shù)日趨成熟，但仍然存在各自的應(yīng)用局限。筆者針對(duì)電磁無(wú)損檢測(cè)在實(shí)際應(yīng)用中遇到的問(wèn)題，結(jié)合結(jié)構(gòu)光測(cè)量和電磁無(wú)損檢測(cè)技術(shù)各自的優(yōu)勢(shì)，提出了光磁復(fù)合無(wú)損檢測(cè)方法，并進(jìn)行相關(guān)的應(yīng)用研究。

2.1基于光學(xué)測(cè)量的漏磁檢測(cè)信號(hào)信噪比提升

工件表面粗糙度是影響漏磁檢測(cè)性能的主要因素之一，當(dāng)表面粗糙度較大時(shí)，工件表面漏磁檢測(cè)信號(hào)信噪比明顯降低，增加了裂紋信號(hào)識(shí)別難度，尤其影響微細(xì)裂紋信號(hào)的后處理和判別。

2.1.1試驗(yàn)試件

采用表面經(jīng)過(guò)立銑加工的鋼板作為試件。經(jīng)表面粗糙度儀多次測(cè)定，其表面粗糙度Ra為50 μm，且鋼板表面刻有三個(gè)寬度均為0.3 mm，長(zhǎng)度均為25 mm，深度不同的人工刻槽(見圖5)，刻槽由左至右的x方向坐標(biāo)依次為64，112.5，153.5 mm。

圖5　鋼板表面人工刻槽示意圖

2.1.2試驗(yàn)方法及結(jié)果

漏磁傳感器選擇點(diǎn)式探頭，磁化方式選擇局部磁化。將點(diǎn)傳感器固定于圖3所示的簡(jiǎn)易平臺(tái)上，且保證點(diǎn)傳感器與試件表面接觸，位于鋼板y軸50 mm坐標(biāo)處。點(diǎn)傳感器與結(jié)構(gòu)光測(cè)量?jī)x均固定不動(dòng)。被測(cè)鋼板沿x軸(水平方向)勻速移動(dòng)。點(diǎn)傳感器依次經(jīng)過(guò)由淺至深的三個(gè)人工缺陷，得到漏磁檢測(cè)信號(hào)如圖6所示。

圖6　點(diǎn)傳感器得到的試件漏磁檢測(cè)信號(hào)

被測(cè)鋼板沿x軸(水平方向)勻速移動(dòng)過(guò)程中，鋼板表面也依次經(jīng)過(guò)線結(jié)構(gòu)光的正下方，通過(guò)一體式結(jié)構(gòu)光測(cè)量?jī)x得到試件表面三維輪廓數(shù)據(jù)點(diǎn)。依據(jù)漏磁傳感器敏感點(diǎn)在鋼板上實(shí)際的掃查路徑，提取分析得到同一路徑上試件表面在z方向上的變化曲線，如圖7所示。

圖7　掃查路徑上對(duì)應(yīng)的試件光學(xué)測(cè)量結(jié)果

2.1.3試驗(yàn)結(jié)果分析與處理

將圖6中由淺至深的三個(gè)人工缺陷對(duì)應(yīng)的漏磁檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，得到三個(gè)裂紋信號(hào)的信噪比分別為2.14,5.67,9.54 dB，可見裂紋信號(hào)的判別難度增加，尤其對(duì)于0.5 mm深的刻槽而言是極易發(fā)生誤判的。

由圖7可知,在試件表面,點(diǎn)傳感器掃查經(jīng)過(guò)的地方在z軸方向的坐標(biāo)是有差異的。其中，主要是在試件表面因立銑加工而形成的表面粗糙處，光學(xué)測(cè)量結(jié)果中向下的突變信號(hào)說(shuō)明對(duì)應(yīng)坐標(biāo)處存在缺陷。由于光學(xué)測(cè)量方法只對(duì)表面缺失和體積型缺陷有較好的測(cè)量效果，對(duì)于深寬比較大的表面裂紋，只能起到定性的判別；故圖7中對(duì)應(yīng)三處的裂紋可清晰辨識(shí)，但裂紋測(cè)得深度均小于實(shí)際深度。

由以上分析可知，對(duì)于粗糙表面的被測(cè)件，漏磁檢測(cè)信號(hào)的后處理及裂紋判別難度較大，而光學(xué)測(cè)量手段主要針對(duì)被測(cè)件表面的三維輪廓。只有將漏磁檢測(cè)方法和光學(xué)表面測(cè)量方法結(jié)合起來(lái)才能更好地評(píng)判被測(cè)件表面狀態(tài)(包括表面輪廓及表面裂紋)。首先，可借助光學(xué)測(cè)量結(jié)果對(duì)被測(cè)件表面的粗糙狀態(tài)進(jìn)行一個(gè)初步判別，得知被測(cè)件表面粗糙的位置與漏磁信號(hào)的噪聲信號(hào)位置十分對(duì)應(yīng)。其次，根據(jù)光學(xué)測(cè)量結(jié)果可得到被測(cè)鋼板的表面粗糙度沿x軸方向的變化情況。將漏磁檢測(cè)信號(hào)與光學(xué)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行融合，結(jié)合矩形窗函數(shù)濾除漏磁檢測(cè)信號(hào)中由表面粗糙度引起的噪聲信號(hào)。由于傳感器沿鋼板表面x軸的相對(duì)坐標(biāo)與時(shí)間變量呈線性關(guān)系，矩形窗函數(shù)可由以下函數(shù)代替：

(1)

式中:xa和xb分別為漏磁測(cè)量結(jié)果對(duì)應(yīng)缺陷在x軸上的起始和結(jié)束坐標(biāo)，文中三個(gè)裂紋分別對(duì)應(yīng)三組xa和xb取值。

將所得漏磁檢測(cè)原始信號(hào)進(jìn)行窗函數(shù)處理后的結(jié)果如圖8所示。

圖8　處理后的試件漏磁檢測(cè)信號(hào)

由上述處理結(jié)果可知，粗糙試件表面的三個(gè)人工裂紋信號(hào)清晰可辨，漏磁檢測(cè)信號(hào)的信噪比得到了明顯的提升，提高了微細(xì)裂紋的檢測(cè)能力。

2.2基于光學(xué)測(cè)量的漏磁檢測(cè)的內(nèi)外傷區(qū)分

在漏磁檢測(cè)中，被測(cè)件內(nèi)外傷的區(qū)分能力是一個(gè)重要的指標(biāo)。檢測(cè)系統(tǒng)依據(jù)信號(hào)特征對(duì)缺陷進(jìn)行內(nèi)外傷劃分后，內(nèi)傷和外傷分別采用不同的報(bào)警門限對(duì)被測(cè)件進(jìn)行質(zhì)量評(píng)估，同時(shí)內(nèi)傷和外傷采用各自對(duì)應(yīng)的解析方案對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行定量分析。內(nèi)外傷區(qū)分的可靠與否直接決定了被測(cè)件質(zhì)量評(píng)估和漏磁檢測(cè)信號(hào)定量分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。內(nèi)外傷100%區(qū)分是至今漏磁檢測(cè)應(yīng)用領(lǐng)域亟待解決的問(wèn)題。

2.2.1試驗(yàn)試件

內(nèi)外傷區(qū)分能力是鋼管漏磁檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)中的重要要求之一，選擇的鋼管外徑為89 mm，鋼管壁厚10 mm。鋼管外壁刻有兩個(gè)周向刻槽，內(nèi)壁有一個(gè)周向人工刻槽，刻槽周向長(zhǎng)度均為25 mm?？紤]到光學(xué)表面測(cè)量能有效判定表面缺失型缺陷,結(jié)合光學(xué)表面測(cè)量?jī)x的分辨率，缺陷寬度均設(shè)定為1 mm，缺陷深度及軸向位置如圖9所示。

圖9　鋼管剖面內(nèi)外傷示意

2.2.2試驗(yàn)方法及結(jié)果

為便于分析，取鋼管表面靠近缺陷的地方為檢測(cè)起始零點(diǎn)，如圖9中所示。漏磁傳感器選擇點(diǎn)式探頭，磁化方式為穿過(guò)式線圈磁化。磁化線圈和傳感器置于圖3所示平臺(tái)之外，線圈中心軸方向與平臺(tái)可移動(dòng)方向一致。傳感器和線圈固定不動(dòng)，移動(dòng)平臺(tái)帶動(dòng)固定在其上的鋼管沿x軸勻速移動(dòng)，點(diǎn)傳感器依次經(jīng)過(guò)三個(gè)人工缺陷，得到漏磁檢測(cè)信號(hào)如圖10所示。

圖10　鋼管內(nèi)外傷漏磁檢測(cè)信號(hào)

被測(cè)鋼管沿x軸(水平方向)勻速移動(dòng)過(guò)程中，線結(jié)構(gòu)光掃過(guò)鋼管表面，通過(guò)一體式結(jié)構(gòu)光測(cè)量?jī)x得到試件表面三維輪廓數(shù)據(jù)點(diǎn)。依據(jù)漏磁傳感器敏感點(diǎn)在鋼板上實(shí)際的掃查路徑，提取分析得到同一路徑上試件表面在z軸方向上的變化曲線，如圖11所示。

圖11　掃查路徑上對(duì)應(yīng)的鋼管光學(xué)測(cè)量結(jié)果

2.2.3試驗(yàn)結(jié)果分析與處理

圖10中，三個(gè)缺陷的信號(hào)清晰可辨，由于試驗(yàn)中人工刻槽的位置是已知的，可知由左至右三個(gè)信號(hào)分別與外傷1、內(nèi)傷及外傷2對(duì)應(yīng)。其中，內(nèi)傷信號(hào)不僅小于深度更淺的外傷1信號(hào)，而且也遠(yuǎn)小于同樣深度的外傷2信號(hào)?？梢?若缺陷是未知的，則只通過(guò)漏磁檢測(cè)信號(hào)是無(wú)法對(duì)內(nèi)外傷進(jìn)行準(zhǔn)確區(qū)分的。

圖11為傳感器掃查路徑上對(duì)應(yīng)的鋼管表面光學(xué)測(cè)量結(jié)果。圖中兩個(gè)向下的信號(hào)均說(shuō)明對(duì)應(yīng)坐標(biāo)處的鋼管表面存在開口型缺陷。由于缺陷深寬比較大，光學(xué)測(cè)量結(jié)果得到的缺陷深度均小于實(shí)際深度。

根據(jù)光學(xué)檢測(cè)的特點(diǎn)，其只能反應(yīng)鋼管表面的狀態(tài)，可通過(guò)光學(xué)測(cè)量結(jié)果中的突變信號(hào)判斷缺陷出現(xiàn)的位置。將漏磁檢測(cè)結(jié)果與光學(xué)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，可得到內(nèi)外傷區(qū)分的方法。即同一位置處，既有光學(xué)向下的突變信號(hào)，又有漏磁檢測(cè)信號(hào)，則為外傷；若無(wú)光學(xué)突變信號(hào)，只有漏磁檢測(cè)信號(hào)，則為內(nèi)傷。按照此方法可判別得到圖10中由左至右三個(gè)信號(hào)分別對(duì)應(yīng)的是外傷、內(nèi)傷及外傷，該結(jié)果與試驗(yàn)設(shè)定值一致，說(shuō)明了采用光磁復(fù)合方法進(jìn)行內(nèi)外傷區(qū)分的方法是可行的。

2.3光磁復(fù)合檢測(cè)方法的討論

以上兩種光學(xué)表面檢測(cè)與漏磁檢測(cè)復(fù)合的應(yīng)用研究中，對(duì)常規(guī)漏磁檢測(cè)結(jié)果的處理及判定均取決于光學(xué)表面檢測(cè)的結(jié)果，故光磁復(fù)合檢測(cè)方法的綜合靈敏度和可靠性與光學(xué)測(cè)量方法的精度直接相關(guān)。對(duì)于深寬比較大的微細(xì)裂紋，光學(xué)表面測(cè)量結(jié)果主要反應(yīng)工件表面狀態(tài)，更有利于微細(xì)裂紋漏磁信號(hào)的提??；缺陷開口寬度在結(jié)構(gòu)光分辨能力范圍內(nèi)時(shí)，光學(xué)測(cè)量方法可對(duì)該類缺陷實(shí)現(xiàn)定性和定位判別；對(duì)于內(nèi)外缺失型的缺陷(如寬度較大的刻槽和腐蝕坑點(diǎn))，光學(xué)測(cè)量方法可準(zhǔn)確得到外壁缺失型缺陷的三維輪廓，有助于漏磁結(jié)果的內(nèi)外傷判別。

由于光學(xué)測(cè)量可以較好地反應(yīng)工件表面幾何狀態(tài)，工件表面的幾何狀態(tài)與漏磁檢測(cè)信號(hào)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系是后續(xù)待深入研究的問(wèn)題，該對(duì)應(yīng)關(guān)系將會(huì)更加有利于漏磁檢測(cè)信號(hào)的解析。

3結(jié)論

(1) 結(jié)構(gòu)光表面自動(dòng)測(cè)量方法可準(zhǔn)確得到工件表面三維輪廓，對(duì)于表面缺失及體積型缺陷能起到測(cè)量和定位作用。

(2) 對(duì)于粗糙表面的工件，當(dāng)裂紋深度大于表面粗糙度值時(shí)，光學(xué)測(cè)量結(jié)果和漏磁檢測(cè)信號(hào)的融合處理，能消除工件表面粗糙度對(duì)漏磁檢測(cè)信號(hào)的影響，從而有效提升表面裂紋漏磁檢測(cè)信號(hào)信噪比。這種處理方法，對(duì)微細(xì)裂紋的檢測(cè)尤其有效。

(3) 光磁復(fù)合檢測(cè)方法可有效地進(jìn)行內(nèi)外缺失類缺陷(如寬度較大的刻槽和腐蝕坑點(diǎn))區(qū)分。具體方法為，同一位置處，既有光學(xué)測(cè)量的突變信號(hào)，也有漏磁檢測(cè)信號(hào)，則為外傷；若只有漏磁檢測(cè)信號(hào)，則為內(nèi)傷。

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Optical Measurement and Optical-magnetic Composite Detecting Method of Specimen with Rough Surface

YANG Yun, ZHANG Ji-kai, PU Hai-ming, KANG Yi-hua

(School of Mechanical Science and Engineering, Huazhong University of Science & Technology, Wuhan 430074, China)

Abstract：In the electrical, magnetic and acoustic nondestructive testing (NDT), the surface state has great influence on the accurate discrimination of the testing results. In order to eliminate the influence of surface state on the discrimination and increase the accuracy of the electromagnetic NDT, the optical-magnetic composite detecting method was proposed in this paper based on the data fusion of the linear structured light surface automatic measurement and the magnetic flux leakage (MFL) testing results. The experiment results show that, the SNR of MFL testing signal is improved with the combination of the optical measurement results when the surface of the workpiece is rough, thereby improving the detecting ability of the tiny cracks. And the optical-magnetic composite NDT method is effective in the discrimination of the internal and external defects according to the results.

Key words:Structure-light measurement; MFL testing; Optical-magnetic composite; Discrimination of the internal and external defects

中圖分類號(hào)：TG115.28

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1000-6656(2016)04-0054-04

DOI:10.11973/wsjc201604014

作者簡(jiǎn)介：楊蕓(1990-)，女，博士研究生，研究方向?yàn)闊o(wú)損檢測(cè)技術(shù)及儀器。通信作者:康宜華(1965-)，男，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)闊o(wú)損檢測(cè)技術(shù)及儀器，E-mail：yhkang@263.net。

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51475194，51275193)

收稿日期：2016-01-07